不銹鋼熱絲TIG自動(dòng)焊常見(jiàn)缺陷原因分析及防治措施*

王 康，李 政，劉 軍，王 雄，陳旭芳

(中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概況

華龍一號(hào)核電工程的不銹鋼單臺(tái)機(jī)組重約900t，該機(jī)組施工量較大，工期緊，采用天花先貼、模塊施工、熱絲TIG自動(dòng)焊等新技術(shù)、新工藝，主要分布于核島IRWST水池、反應(yīng)堆水池、ASG水池、ASP水池、EHR水池、乏燃料水池、轉(zhuǎn)運(yùn)井、運(yùn)載井、準(zhǔn)備井等位置，質(zhì)量要求較高(天花平整度≤20mm/m、池壁與池底平整度需≤5mm/m)、工藝實(shí)施難(對(duì)接焊縫均需進(jìn)行100%VT+100%LT+100%PT+100%RT檢測(cè)，不允許存在直徑>0.5mm的氣孔)。核電站不銹鋼水池屬于核質(zhì)保Q1級(jí)、核安全Ⅱ級(jí)設(shè)備，不銹鋼水池由底板、池壁和天花組成，水池材質(zhì)為022Cr19Ni10，池壁和天花厚4mm，池底厚6mm，坡口為V形，角度為單邊(30+2.5)°，組對(duì)間隙為2～6mm。

為保證華龍一號(hào)不銹鋼水池后貼法的焊接質(zhì)量，開(kāi)工前通過(guò)模擬件施工，驗(yàn)證整個(gè)施工方案的可行性和可操作性，即安裝誤差是否在可控范圍內(nèi)，焊接質(zhì)量及變形是否可控，焊接工藝參數(shù)在不同焊接位置、條件下是否出現(xiàn)問(wèn)題，以改進(jìn)工藝，防止再次發(fā)生缺陷。

2 模擬試驗(yàn)

2.1 模擬試驗(yàn)材料

覆面板材質(zhì)為022Cr19Ni10，抗拉強(qiáng)度Rm≥490MPa；墊板(拍片槽)材質(zhì)為022Cr19Ni10，抗拉強(qiáng)度Rm≥490MPa，使用φ1.2的大西洋焊絲ER308L。

2.2 模擬試驗(yàn)設(shè)備

熱絲TIG自動(dòng)焊設(shè)備由福尼斯熱絲電源、智能控制系統(tǒng)、弧壓跟蹤系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信及控制系統(tǒng)、冷卻水箱、焊接小車、柔性軌道、焊接電源和擺動(dòng)送絲機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，焊機(jī)型號(hào)為TransTig5000 job G/F。

2.3 模擬試驗(yàn)制作

模擬件按照IRWST內(nèi)環(huán)池構(gòu)造進(jìn)行1∶1模擬，所用材料材質(zhì)、規(guī)格與覆面板相同。從內(nèi)環(huán)池天花及池壁池底上選取一部分作為模擬件，其中天花結(jié)構(gòu)包括覆面板、罩殼、預(yù)埋板、預(yù)埋管板、彎板、錨固組件等，池壁池底包括檢漏槽、預(yù)埋板、折彎板、壁板等。內(nèi)環(huán)池在施工過(guò)程中的全部節(jié)點(diǎn)、施工環(huán)境、施工工藝和正式施工一致。根據(jù)以上原則，在征求工程公司工程師意見(jiàn)后，確定模擬件，如圖1所示。

圖1 模擬件三維示意

模擬件施工流程如下：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，確定焊接工藝方案→按照質(zhì)量計(jì)劃，對(duì)鋼板下料→加工鋼板坡口→構(gòu)件組對(duì)(覆面板與墊板間隙<0.5mm)→覆面板進(jìn)行自動(dòng)焊焊接→進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)→分析射線檢測(cè)結(jié)果。

參考BS3RXC25232DPZS42SD《內(nèi)環(huán)池-2.7m以下池壁鋼覆面焊接節(jié)點(diǎn)圖》設(shè)計(jì)圖紙中的W01焊接節(jié)點(diǎn)，結(jié)合覆面板與墊板貼合間隙，確定自動(dòng)焊TIG焊打底無(wú)填充無(wú)擺動(dòng)、填充加絲無(wú)擺動(dòng)、蓋面加絲有擺動(dòng)焊接工藝(見(jiàn)圖2)。

圖2 IRWST水池池壁覆面板焊接節(jié)點(diǎn)

模擬試驗(yàn)按照生產(chǎn)產(chǎn)品流程，焊接前對(duì)參與模擬件焊接的操作人員進(jìn)行焊接專項(xiàng)交底，將試件兩側(cè)各20mm區(qū)域內(nèi)打磨干凈，避免氧化物或夾雜物影響焊接，自動(dòng)焊焊接時(shí)要求風(fēng)速≤2m/s、環(huán)境濕度<90%，焊接前應(yīng)檢查所有工具、線路、電源開(kāi)關(guān)及接地是否良好、零部件是否松動(dòng)，嚴(yán)禁用其他金屬絲代替開(kāi)關(guān)保險(xiǎn)絲，檢查標(biāo)定是否在有效期內(nèi)，不得使用沒(méi)有標(biāo)定和失效的工機(jī)具。焊接作業(yè)前必須了解周圍環(huán)境，確保無(wú)易燃易爆物品和氣體泄漏后才可進(jìn)行，焊接的弧光火花必須與氧氣瓶、燃油等易燃易爆物品保持安全距離。實(shí)體焊縫焊接前還需使用1塊小試板進(jìn)行引弧焊接，以確認(rèn)焊機(jī)可以正常焊接。

3 模擬試驗(yàn)結(jié)果及缺陷原因分析

3.1 模擬試驗(yàn)結(jié)果

本次自動(dòng)焊模擬試驗(yàn)共9條焊縫：池壁4條，即橫焊1條、立焊3條；池底5條，全為PA位置。拍片結(jié)果中，35張底片共8張不合格，涉及5條焊縫，氣孔6張，其中0.6，0.7mm直徑的氣孔占3張、1mm直徑氣孔3張，包括1張2mm厚的夾渣、1張未熔合及燒穿缺陷。焊縫缺陷及位置如表1所示。

表1 焊縫缺陷及位置

3.2 缺陷原因分析

焊接過(guò)程中焊機(jī)運(yùn)行正常，焊接小車與送絲機(jī)無(wú)死機(jī)、停頓等異?，F(xiàn)象。模擬焊接時(shí)，環(huán)境溫度為22℃，濕度為81%，風(fēng)速為0.1～0.6m/min。操作工為2名取證焊工，技能穩(wěn)定，采用99.99%的純氬，手工焊、自動(dòng)焊都進(jìn)行集中供氣。

1)由于焊接環(huán)境濕度高達(dá)81%，距離禁止焊接的環(huán)境濕度90%只差9%，可能導(dǎo)致出現(xiàn)氣孔。

2)焊縫距墻面較近，影響操作工操作，可能造成焊接不穩(wěn)定，導(dǎo)致熔池變化，出現(xiàn)問(wèn)題。焊縫WXMNNJD009組對(duì)間隙局部為5.0～6.0mm，超過(guò)設(shè)計(jì)圖紙要求的0～4mm，WXMNNJD005焊縫在焊接過(guò)程中，局部組對(duì)間隙收縮到最小值1.8mm，導(dǎo)致焊縫熔池不能正常打開(kāi)，影響焊縫成型，造成焊接缺陷。

3)WXMNNJQB014焊縫組對(duì)時(shí)，局部覆面板有拍片槽間隙，由于現(xiàn)場(chǎng)條件苛刻，導(dǎo)致貼合間隙>1.0mm，進(jìn)行不加絲打底焊接時(shí)，造成覆面板與拍片槽貼合處不能有效熔合。

4)坡口質(zhì)量較差，部分焊縫單邊坡口角度<(30±2.5)°，如WXMNNJQB017焊縫端部有缺失的坡口。

5)WXMNNJD009焊縫出現(xiàn)2mm厚的夾渣，經(jīng)挖鑿發(fā)現(xiàn)，夾渣在墊板母材上，可能是母材缺陷。

6)墊板與埋件環(huán)組對(duì)有間隙，造成WXMNNJQB017(A3-1)被燒穿。

相比焊接送絲量與工藝卡，由于填充使用的送絲量偏大，尤其是WXMNNJD005焊縫局部組對(duì)間隙收縮到最小值1.8mm，送絲量1.8m/min偏大，造成氣體不能及時(shí)排出，形成氣孔。

4 防治措施

4.1 防治改進(jìn)措施

1)現(xiàn)場(chǎng)焊接環(huán)境濕度偏高是普遍存在的客觀因素，需在自動(dòng)焊區(qū)域設(shè)立專區(qū)或隔間，并配備專用除濕機(jī)，擺放溫濕度計(jì)時(shí)刻觀察。

2)為自動(dòng)焊挑選焊縫時(shí)，盡量考慮焊接操作工的可操作性，避免部分焊縫因?yàn)槲恢没蚩臻g影響操作工的焊接。

3)焊接操作工需加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)焊接經(jīng)驗(yàn)，若局部組對(duì)間隙偏大或偏小，需及時(shí)調(diào)整焊絲送絲量，避免每道焊縫熔敷金屬后，導(dǎo)致氣體不能及時(shí)溢出，形成氣孔。

4)覆面板與拍片槽貼合不嚴(yán)實(shí)，焊接前需進(jìn)行檢查并標(biāo)記，將貼合間隙>0.5mm的區(qū)域改為氬弧打底，采用自動(dòng)焊填充蓋面的焊接方式。

5)自動(dòng)焊焊接前必須驗(yàn)證焊機(jī)設(shè)備狀態(tài)，采用小試板模擬焊接，以確認(rèn)焊機(jī)焊接成型良好，運(yùn)行順暢無(wú)卡頓。

6)現(xiàn)場(chǎng)在滿足條件的情況下，自動(dòng)焊優(yōu)先考慮焊接組對(duì)間隙為2.5～4mm的焊縫(經(jīng)驗(yàn)證，次組對(duì)間隙合格率最高)。

7)需將現(xiàn)場(chǎng)焊縫進(jìn)行局部溜底焊，避免自動(dòng)焊在完成焊縫填充蓋面后應(yīng)力增大，將兩側(cè)焊縫點(diǎn)固點(diǎn)拉裂。

8)打底采用干燒不加絲焊接方式，有利于覆面板與拍片槽間的熔合，增加脈沖焊接，使電弧更精密、更聚弧、功率強(qiáng)度更密集，加大均勻熔深，減小熱影響區(qū)域，加大電弧壓力，有效連接拍片槽與覆面板。

9)通過(guò)自動(dòng)焊弧壓跟蹤系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控自動(dòng)焊接時(shí)的弧壓控制在11V，避免焊接過(guò)程中弧壓突變，造成焊接質(zhì)量問(wèn)題。

10)自動(dòng)焊熱絲電流控制在50～60A，焊絲提前加熱，可提高焊接效率。

4.2 防治措施驗(yàn)證

根據(jù)模擬件的焊接情況，驗(yàn)證重新調(diào)整后的焊接參數(shù)，驗(yàn)證試驗(yàn)焊縫為3條，即1條橫縫、1條立縫、1條平縫，共16張底片。驗(yàn)證試驗(yàn)焊接前，編制專項(xiàng)焊接防止措施，重新將上次出現(xiàn)的問(wèn)題及原因跟焊接操作工交底，了解重點(diǎn)控制細(xì)節(jié)及改進(jìn)工藝。驗(yàn)證試驗(yàn)焊縫最終按照設(shè)計(jì)文件《不銹鋼覆面板建造-無(wú)損檢測(cè)(B.T.S)》進(jìn)行目視檢測(cè)、滲透檢驗(yàn)、真空檢漏檢驗(yàn)、射線檢驗(yàn)、無(wú)損檢測(cè)，結(jié)果全部合格，其中小缺陷在合格范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)焊接不銹鋼水池模擬試驗(yàn)件，發(fā)現(xiàn)焊接過(guò)程中出現(xiàn)的常見(jiàn)焊接缺陷有氣孔、夾渣、未熔合、燒穿等，進(jìn)而分析每種焊接缺陷，找到問(wèn)題根源或防治措施，通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)防治措施可有效解決這些常見(jiàn)的焊接缺陷。通過(guò)最終驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)如下防治措施對(duì)常見(jiàn)焊接缺陷具有參考價(jià)值。

1)減小焊絲填充速度，保證每層熔敷金屬厚度在1～2mm內(nèi)，有利于熔池氣孔及夾渣溢出。

2)焊接前先進(jìn)行加熱除濕，保證焊縫干燥，避免濕氣原因造成氣孔缺陷。

3)若覆面板與拍片槽貼合不嚴(yán)，可采用手工氬弧打底+自動(dòng)焊填充蓋面工藝進(jìn)行焊接，避免覆面板根部未熔合問(wèn)題。

4)坡口加工時(shí)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求，以滿足制造進(jìn)度要求，有利于自動(dòng)焊接。

5)焊接過(guò)程一定選用適合當(dāng)前焊縫的焊接工藝參數(shù)，焊接工藝參數(shù)偏大易燒穿、偏小則燒不透。

6)選用最佳組對(duì)間隙，即2.5～4mm，有利于保證焊縫質(zhì)量，提高自動(dòng)焊的一次合格率，有效防治焊接缺陷。