窄間隙自動焊用焊槍研究

馬力川　彭杰　康澤壇　譚文良

摘 要：隨著國內二代半、三代核電機組的批量化建造，窄間隙自動焊技術被廣泛地應用于主管道焊接作業中。該技術主要采用兩種焊槍施焊：標準大焊炬和扁焊槍。該文研究了兩種焊槍的結構，分析了二者的工程應用。通過對比分析，我們認為二者均具備可靠的性能。然而，扁焊槍精巧的結構設計，使其具有焊接保護氣體消耗量低、受外界環境影響小的突出優勢，推廣潛力較大。

關鍵詞：焊槍（焊炬） 窄間隙自動焊 結構 工程應用

中圖分類號：TG404 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（a）-0093-03

隨著國內二代半、三代核電機組的批量化建造，窄間隙自動焊技術被廣泛地應用于主管道焊接作業中。該技術主要采用兩種焊槍施焊：標準大焊炬和扁焊槍。

二代半核電機組主管道自動焊實施過程中，主要采用標準大焊炬進行焊接；三代核電機組主管道自動焊實施過程中，主要采用扁焊槍進行焊接。

研究兩種焊槍的結構，分析兩者的工程應用，有利于窄間隙自動焊工藝的精細化改進，有利于提高其工程應用的經濟性和靈活性，有利于該工藝在其他領域的推廣。

1 焊槍結構研究

標準大焊炬和扁焊槍反映了兩種設計理念：集約化設計和模塊化設計。標準大焊炬采用了集約化的設計方式，焊炬結構簡單，氣路較為簡約；扁焊槍采用了模塊化的設計方式，焊槍結構復雜，氣路和冷卻回路較為精細。

1.1 標準大焊炬結構研究

標準大焊炬結構如圖1所示：由1-耐熱殼、2-氣體導流室、3-鎢極、4-濾網、5-石英玻璃氣罩構成。氣體導流室2安裝在耐熱殼1上，其中穿有鎢極3、通有保護氣體并進行導流；為防止氣流紊亂，導流后的氣體通過濾網4，得到均勻的氣流，由石英玻璃氣罩5匯聚后對焊縫進行保護。整個焊炬結構簡單，調節靈活。

標準大焊炬的氣路比較簡約，屬直通式氣路。如圖2所示：保護氣體依次經過耐熱殼、氣體導流室和濾網，最終在石英玻璃氣罩中匯聚。因為體積較大，標準大焊炬不能深入坡口至焊縫表面實施近距離保護，所以氣路通量較大。焊接過程中，氣體流量隨坡口深度增加而增大；特別在根部焊道焊接時，為得到成形良好的焊縫，氣流量會達到80 L/min，耗氣量很高。

1.2 扁焊槍結構研究

扁焊槍結構如圖3所示，整個焊槍包括2個模塊：1-槍體模塊、2-氣水模塊。槍體模塊包括：1.1-鎢極、1.2-陶瓷管、1.3-槍體、1.4-濾網；氣水模塊包括：2.1-連接塊、2.2-外殼、2.3-分配塊、2.4-鎢極頂絲、2.5-槍芯頂絲、2.6-槍芯。槍體模塊作用是，深入坡口至焊縫表面實施焊接作業；氣水模塊的作用是，分流保護氣體和冷卻水。兩個模塊組合在一起，構成了整個扁焊槍。

扁焊槍流體線路設計的較為精細，如圖4所示，在整個焊槍中集成了兩條獨立的流體線路：氣路和水路。

先來分析氣路：保護氣體通過進氣孔進入分配塊，改變方向后進入槍芯，而后經連接塊到達槍體。與標準大焊炬相比，扁焊槍扁平的槍體模塊可以深入坡口至焊縫表面實施近距離保護，故不需要較大流量的保護氣體，因此氣路通量較小，耗氣量很低；與此同時，考慮到沿程阻力損失對氣體流通產生的不利影響，扁焊槍雖未采用直通式氣路設計，但整個氣路亦設計得較為簡單，從而保證了氣體順暢流通。

再來分析水路：冷卻水進入右側進水孔后，兵分二路，一路經分配塊左側的出水孔進入攝像頭冷卻線路對攝像頭進行冷卻，而后經分配塊左側的進水孔進入分配塊，從右側的出水孔流出，完成一次循環；另一路先后經分配塊、槍芯、連接塊抵達槍體，后折返，依次經連接塊、槍芯、分配塊，與攝像頭冷卻水匯合后通過右側出水孔流出，完成另一次循環。因為焊接過程中會產生大量的輻射熱，扁焊槍如不經充分冷卻極易損毀；加之攝像頭在工作過程中亦產生大量熱，需要及時冷卻以保證其正常工作，所以扁焊槍內部精心設計了冷卻循環水回路，確保二者能夠及時冷卻降溫。

2 焊槍工程應用分析

目前，在我國核電項目主管道焊接過程中，兩種焊槍均得到了應用。以中廣核集團承建的核電機組為例，標準大焊炬應用于寧德、紅沿河、陽江、防城港4個項目14臺機組主管道焊接作業中，扁焊槍應用于臺山項目2臺機組主管道焊接作業中。下面從工程應用角度對二者進行分析。

2.1 焊槍便捷性分析

“工欲善其事，必先利其器”，焊槍是否便捷易用，對焊接活動能否順利實施影響很大。

如圖5所示，CPR1000核電機組主管道焊接過程中，采用了“滾花軌道+機頭+標準大焊炬”的組合方式。滾花軌道安裝比較簡單，每45°設置一個墊塊，通過墊塊將軌道固定于待焊主管道之上。機頭通過導向輪卡和于滾花軌道之上，通過電機帶動尼龍滾輪，與滾花軌道表面產生摩擦力推動機頭前進。由于結構設計得比較簡單，因此安裝過程較為便捷。但從施工的全過程看，存在以下一些不利因素。

（1）機頭滾輪在使用一段時間后會發生磨損，導致實際行走速度與理論行走速度存在一定偏差；更換滾輪較為繁瑣，會耗費一定的施工時間。

（2）長時間焊接作業軌道容易松動，故需定期測量軌道安裝定位尺寸；若發現軌道松動離開原安裝位置，需暫停焊接，校正軌道，待其復位后方可繼續施焊。

與CPR1000核電機組不同，EPR核電機組主管道焊接過程中，采用了“齒輪軌道+機頭+扁焊槍”的組合方式，如圖6所示。該軌道安裝比較復雜，需精確調整軌道與管道的同軸度、軌道端面與坡口邊緣距離等幾何尺寸。軌道安裝完成后，機頭通過導向輪卡和于軌道之上，通過電機帶動機頭齒輪，與軌道齒輪嚙合傳動推動機頭前進。雖然結構設計得比較復雜，安裝亦較為繁瑣，但從施工的全過程看，卻存在以下優勢。

（1）齒輪傳動不易發生磨損，且傳動精確，實際行走速度與理論行走速度偏差較小，行走準確度較高。

（2）軌道安裝完成后，由于定位可靠，安裝牢固，長時間焊接作業軌道不易松動，校正軌道幾率很低，有利于焊接作業連續進行。

2.2 焊接經濟型分析

主管道窄間隙自動焊工藝性能穩定，焊縫質量優異。但該工藝在焊接過程中會消耗大量昂貴的保護氣體。以紅沿河2#機組為例，24個主管道焊口共消耗氦-氬混合氣體149組。氦-氬混合氣體中，氦氣價格十分昂貴，因此，每臺機組主管道焊接作業僅氣體一項就要花費數百萬的費用。高昂的費用，極大地限制了窄間隙自動焊技術的推廣。

分析焊接的各個環節，不難發現氣體巨大的消耗量是由標準大焊炬自身結構造成的。標準大焊炬由于體積較大，不能深入坡口至焊縫表面實施焊接保護。焊接過程中，為了得到優質的焊縫，唯一的方法便是加大保護氣體流量。保護氣體流量并不是恒定的，隨焊縫深度增加而增大，特別是在根部焊道焊接時，氣流量會達到80 L/min，加之標準大焊炬粗獷的氣路設計，氦-氬混合氣體消耗量非常大。

與標準大焊炬不同，扁焊槍扁平的槍體模塊可以深入坡口至焊縫表面實施近距離保護，因此保護氣體的消耗量大為降低。圖7反映了標準大焊炬和扁焊槍在焊接過程中氣體的消耗量，從中不難發現：扁焊槍通過結構上的優化，氣體消耗量大幅度降低；另一方面，因為扁焊槍與焊縫表面距離較為固定，所以焊接過程中氣體流量基本不便，便于實現量化控制。

從臺山項目EPR核電機組主管道焊接情況來看，采用扁焊槍后，每臺機組主管道自動焊氦-氬氣體消耗量僅為CPR1000核電機組的1/3，極大程度降低了焊接成本。

3 結語

通過對標準大焊炬和扁焊槍的結構研究、工程應用分析，我們認為，二者均具備可靠的性能。扁焊槍精巧的結構設計，使其具有焊接保護氣體消耗量低、受外界環境影響小的突出優勢，故以EPR為代表的三代核電技術多采用扁焊槍焊接主管道，推廣潛力較大。

參考文獻

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