核電站主管道窄間隙TIG-激光電弧復合焊工藝探討

馮英超，張偉棟，李曉延

(1.核工業工程技術研究設計院，北京101601；2.北京工業大學，北京100124)

核電站主管道窄間隙TIG-激光電弧復合焊工藝探討

馮英超1，張偉棟1，李曉延2

(1.核工業工程技術研究設計院，北京101601；2.北京工業大學，北京100124)

闡述了主回路管道窄間隙自動焊的特點及需要改進的地方，并分析了TIG－激光復合焊工藝的技術特點；詳細論述了TIG－激光復合焊工藝在核電站主回路管道的可行性，在研究內容和關鍵技術方面做了重點的分析；并對此項工藝在核電站主回路管道的應用前景進行了說明。窄間隙TIG－激光電弧復合焊工藝適合于核電站主回路管道的焊接，對核電站主回路管道的質量控制及保障、焊接效率的提高等方面有很大的幫助。

核電站；主管道；TIG－激光復合焊；工藝

0 前言

核電站主回路管道是規格(管徑、壁厚等，以U、I形焊口為例，其規格為φ 976×95.7 mm)最大、級別最高(RCC－M 1級)、質量要求最為嚴格的管道，在核電站中具有舉足輕重的地位。從2005年開始，核工業工程技術研究設計院焊接研究所就開展了窄間隙TIG全位置自動焊的研究并取得了較為理想的效果，試驗證明：采用此項工藝，可以在一定程度上保障焊接質量。但是在保證焊接質量的同時，如何提高效率、促進質量生成及控制體系成為了一個急需解決的問題，針對核電站主回路管道開展激光－電弧復合焊的研究具有重要意義。

1 研究背景

核工業工程技術研究設計院焊接研究所開展的“核電站主回路管道窄間隙自動焊”技術已經在寧德、福清兩個項目進行模擬試驗，并陸續應用于方家山、紅沿河、陽江以及后續開工的核電站項目。通過在實驗室及項目車間的試驗可以看出：

(1)焊接過程的調節需深入研究。由于管道坡口加工、坡口組對、導軌安裝等因素的影響，有時焊槍與焊縫中心不在一個平面，需要根據視頻進行調節，而調節往往具有滯后性，所以對焊接質量的控制及保障存在一定的不足，需要開展深入研究。

(2)焊接效率有待進一步提高。目前，TIG窄間隙自動焊采用的為冷絲TIG，焊接效率較低(送絲速度約為1 600 mm／min)。與手工焊相比，主管道窄間隙自動焊技術能有效的提高焊接效率，但是在核電大發展及核電站安裝施工周期壓縮的大環境下，焊接效率還需要進一步提高。

(3)質量控制體系需要進一步加強。焊接質量問題在窄間隙自動焊中主要是指兩壁未熔合，究其原因是焊接過程中焊槍未擺動，而管道的壁厚較大，若施工條件較差或操作不合理，則容易產生未熔合缺陷。

TIG－激光電弧復合焊是激光與電弧共同作用于熔池，焊接過程中，激光與電弧之間存在相互作用和能量的耦合，也就是通常所說的激光電弧復合熱源焊接——激光與電弧相互作用形成的一種增強適應性的焊接方法，它避免了單一焊接的缺點和不足，具有提高能量、增大熔深、穩定焊接過程、降低裝配條件、改善融化金屬與母材潤濕性、消除焊縫咬邊現象、提高焊接生產效率等優點。

2 研究內容

2.1 主管道激光電弧復合焊側壁熔合機理及工藝優化

在主管道窄間隙焊接時，坡口一般窄而深，焊接電弧幾乎與坡口側面平行，導致側壁加熱不良，焊接填充材料與側壁母材的均勻熔合不易保證，這一問題在低線能量焊接時尤為突出。采用激光－電弧復合熱源焊接，激光作用于工件時將產生金屬蒸氣，易于電離形成帶電粒子，可降低電弧經過該路徑時的電阻，使得電弧被吸引到激光與工件的作用點處。利用激光的這種誘導效應，首先將激光投射到待焊坡口間隙的側壁邊緣，使其誘導電弧在側壁和焊炬電極間燃燒，有望消除常規窄間隙焊接時的側壁不良熔合問題。可以研究如下方面：

(1)激光與電弧的交互作用及其對電弧穩定性的影響。主要研究內容包括：a.激光－電弧復合熱源的電弧形態；b.激光誘導對電弧形態影響的規律；c.工藝參數對激光－電弧復合窄間隙焊接電弧形態的影響規律；d.通過激光誘導調整電弧形態的工藝方法。

(2)激光－電弧復合熱源模型及主管道窄間隙焊接溫度場分布。主要研究內容包括：a.窄間隙焊接條件下電弧移動熱源與激光移動熱源的疊加熱源模型構造理論和方法；b.激光－電弧多層多道窄間隙焊接三維溫度場數值模擬；c.工藝參數對激光電弧多層多道窄間隙焊接三維溫度場分布的影響規律；d.激光－電弧多層多道窄間隙焊接三維溫度場的預測方法。

(3)激光－電弧復合焊熔池流體流動規律。

主要通過數值模擬研究，包括：a.激光－電弧復合熱源對窄間隙焊接熔池流體流動行為的影響；b.工藝參數對激光－電弧復合窄間隙焊接熔池流動行為的影響規律；c.激光－電弧復合道窄間隙焊接熔池形狀與尺寸的預測方法。

(4)激光電弧參數對主管道窄間隙焊接側壁熔合行為的影響規律。主要包括：a.激光誘導對窄間隙焊接側壁熔化區流體流動方向和流動速率的影響；b.工藝參數對激光－電弧復合窄間隙焊接側壁熔化區流動行為的影響規律；c.激光－電弧復合道窄間隙焊接側壁熔合區形狀與尺寸的預測方法。

2.2 主管道激光－電弧復合焊變形預測及控制

(1)激光－電弧復合焊變形數值模擬方法。

擬通過熱彈塑性有限元數值模擬方法，研究激光－電弧復合熱源作用下主管道窄間隙多層多道焊試件軸向、徑向和周向變形的演變和殘余變形。

(2)激光－電弧復合焊接工藝參數對厚壁核試件窄間隙焊接變形的影響規律。

a.研究激光－電弧復合焊工藝參數變化對試件軸向、徑向和周向變形的演變和殘余變形的影響規律。

b.研究試件坡口形狀與尺寸變化對試件軸向、徑向和周向變形的演變和殘余變形的影響規律。

(3)控制主管道激光－電弧復合焊接變形的方法研究通過調整激光－電弧復合焊接工藝參數、試件坡口形狀與尺寸等減小殘余變形的方法。

2.3 主管道激光－電弧復合焊殘余應力形成機理及調整

(1)主管道激光－電弧復合焊殘余應力分布的測量及數值模擬方法。研究內容包括：a.試件焊縫及熱影響區三維殘余應力分布的測量方法；b.激光－電弧復合焊接時環焊縫及熱影響區三維殘余應力分布的數值模擬方法。

(2)激光－電弧復合焊接工藝參數對主管道窄間隙焊接殘余應力分布的影響規律。包括：a.研究激光－電弧復合焊工藝參數變化對三維殘余應力分布的影響規律；b.研究試件坡口形狀與尺寸變化對三維殘余應力分布的影響規律；c.控制主管道激光－電弧復合焊接殘余應力分布的方法。

(3)研究通過調整激光－電弧復合焊接工藝參數、試件坡口形狀與尺寸等減小殘余變形的方法。

2.4 主管道激光－電弧復合焊工藝優化及評價

通過研究激光－電弧復合焊工藝參數與接頭性能和缺陷生成的相關性，提出評價焊接工藝的科學方法。研究內容主要包括：(1)激光－電弧復合焊工藝參數與接頭性能的相關性；(2)主管道激光－電弧復合焊接頭缺陷檢測方法；(3)主管道激光－電弧復合焊工藝評定方法；(4)接頭焊接質量鑒定試驗件。

3 關鍵技術分析

針對主管道激光－電弧復合焊接工藝，首先是要確定應用對象特點和焊接基本狀況，同時對激光－電弧復合焊接工藝進行科學、有效的分析(主要包括：激光對電弧的誘導及控制技術、激光功率與電弧能量的匹配及調控技術、激光－電弧復合熱源的系統集成技術)，針對應用目標，開展窄間隙自動焊以及激光－電弧復合焊接工藝，對結果進行分析并確定評價體系(激光－電弧復合焊工藝評價技術)，并對激光－電弧復合焊接工藝進行進一步分析、優化，最后確定應用的激光－電弧復合焊接工藝體系。

3.1 激光對電弧的誘導及控制技術

(1)主管道窄間隙焊接的主要問題之一是側壁熔合不良。為解決這一問題，采用激光誘導電弧，為此，應首先確保激光誘導的有效性，并同時確保其可控性。

(2)為確保激光對電弧誘導的有效性，必須確保激光在電弧氣氛中能夠激發出足夠的易于電離的金屬蒸氣，以便在電弧電極與激光投射點之間形成新的電弧通路。為此，在研究激光－電弧復合窄間隙焊接機理的基礎上，通過優化激光束與電弧電極的距離與角度來實現激光對電弧的有效誘導。

(3)在主管道窄間隙激光－電弧復合焊接中，除了要解決側壁熔合問題外，還要利用激光與電弧復合的優勢提高熔深和焊接效率，這就要求對激光誘導電弧可控調節。通過對焊接路徑規劃的研究來實現激光誘導電弧的可控調節。

3.2 激光功率與電弧能量的匹配及調控技術

在主管道窄間隙焊接中采用激光－電弧復合技術的目的在于改善側壁熔合、提高焊接效率、改善熱影響區組織和接頭性能，這些均依賴于激光功率和電弧能能量的合理匹配。

(1)在熔池形態數值模擬的基礎上，確定獲得理想焊縫形狀的激光功率與電弧能量的匹配比值。

(2)在焊接溫度場數值模擬的基礎上確定獲得力學熱影響區組織的激光功率與電弧能量的匹配比值。

(3)根據上述研究，確定獲得最優焊縫形狀和熱影響區組織的激光功率與電弧能量的匹配。

(4)依據不同壁厚、不同坡口形式和尺寸的試件焊接時所確定的最佳激光功率和電弧能量的匹配，實現對激光功率和電弧能量匹配的調控。

3.3 激光－電弧復合熱源的系統集成技術

在主管道窄間隙焊接中，對激光－電弧復合熱源的要求是：激光功率和電弧能量分別可調，焊炬姿態可調，焊炬小型化。為此，設計小型化的旁軸復合系統、能量控制系統、姿態條件系統是本項研究的關鍵之一。

3.4 激光－電弧復合焊工藝評價技術

評價激光－電弧復合焊工藝的依據主要是：焊縫及熱影響區無不良組織，焊縫及熱影響區無焊接缺陷，接頭力學性能(強度、韌性)滿足要求，試件焊接變形小，殘余應力小等。這些指標的綜合評價是本項研究的關鍵之一。

4 結論

將TIG－激光電弧復合焊工藝應用于核電站主管道的焊接，將會取得一系列成果：

(1)為核電站的推廣應用打下了基礎，使得窄間隙自動焊技術更為成熟、有效。

(2)解決了一定的技術難題，如焊接調節的滯后性對焊接質量的影響。

(3)激光與焊接電弧的作用體系中，雙熱源的空間配置和焊接工藝規范參數的良好匹配、優化使得復合熱源焊縫成形和接頭質量很高，從而大幅度提高焊接質量；同時也能有效的預防及消除兩壁未融合的缺陷，也使得焊接質量進一步得到保障。

(4)大幅度提高焊接生產效率，主要體現為對缺陷的有效預測、控制及消除，以及焊接層數的減少。

(5)具有一定的經濟效益，主要體現為施工周期壓縮所帶來的間接收益。

圖1 激光輻射警告標志

表2 激光輻射警告標志的幾何尺寸／mm

(7)維修人員必須定期檢查激光器中的電容器、變壓器等電路組件，并做必要的更新，避免過渡使用而爆裂，造成擊傷、失火、短路等事故。

(8)設備必須有可靠的接地或接零裝置，絕緣應良好，不可超載使用。

(9)對低溫冷劑或壓縮氣體的容器應定期檢測，并按安全規定放置。

(10)工作場所應有功能完善的局部抽氣排煙設備，煙氣排出之前應妥善過濾。

(11)激發激光用的強閃光燈、充有介質的氣體管或等離子體管等，應有堅固的防護罩，防止受撞擊而爆裂，并應防止摔落。

2.2 個人防護安全技術

(1)作業前顯示指示燈，通知操作人員做好防護。

(2)作業時必須雙人作業，一人操作一人監護。

(3)激光器運行過程中，任何時候不得直視主射束。

(4)作業過程中如發現眼睛視物異常，應立即到醫療部門進行視力檢查和治療。

(5)加強個人防護。即使激光加工系統被完全封閉，工作人員亦有接觸意外反射激光或散射激光的可能性，所以個人防護不能忽視。個人防護主要使用以下器材和防護品：

a.激光防護眼鏡。最重要的部分是濾光片(有時是濾光片組合件)，它能選擇性地衰減特定波長的激光，并盡可能地透過非防護波段的可見輻射。激光防護眼鏡有普通型、防側光型和半防側光型等幾種。

b.激光防護面罩。實際上是帶有激光防護眼鏡的面盔，主要用于防紫外線和激光。

c.激光防護手套。工作人員的雙手最容易受到過量的激光照射，特別是高功率、高能量激光的意外照射，對雙手的威脅很大。

d.激光防護服。防護服由耐火及耐熱材料制成，是一種反射較強的白色防護服。

(6)對操作人員進行安全培訓。

3 結論

激光焊接與切割的危害性與其他的焊接方法有共同之處，也有其獨特性。從事激光焊接與切割的作業人員不僅要掌握常規焊接與切割的防火、防爆、防輻射、防中毒、防觸電、防灼傷等防護措施，還要掌握激光焊接與切割設備自身的使用安全技術，只有這樣才能防止和減少傷亡事故，保護從業人員自己和他人的安全與健康，才能保障安全生產和國家財產免受損失。

Discussion of narrow gap TIG－Laser welding procedure for main primary system pipes in nuclear power plant

FENG Ying-chao1，ZAHNG Wei-dong1，LI Xiao-yan2
(1.Nuclear Engineering Research and Design Institute，Beijing 101601；2.Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Installation of main primary system pipes plays an important part in nuclear power plant construction，narrow gap TIG automatic welding procedure will be used in main primary system pipes installation.Firstly，this article introduces the factor and shortage of this procedure,and makes an analysis about TIG－Laser welding hybrid welding procedure.Secondly，this article makes a brief discussion about the feasibility of TIG－Laser welding hybrid welding procedure using in main primary system pipes installation，the key points are research contents and key procedure analysis.Lastly，this article makes an analysis about the prospect of this TIGLaser hybrid welding procedure used in main primary system pipes installation.From what have mentioned above，this article makes sure that TIG－Laser hybrid welding procedure is good at main primary system pipes welding and will have good future in quality control and insurance，improvement of welding efficiency.

nuclear power plant；main primary system pipes；TIG－Laser welding hybrid welding；procedure

book=91,ebook=295

TG456.7

A

1001－2303(2010)11－0091－03

2010－09－21

馮英超(1982—)，男，河北石家莊人，工程師，學士，主要從事核電站安裝焊接工藝的工作。