0AP1000核電銅母線現場焊接質量控制

摘 要：文章介紹了AP1000壓水堆核電機組銅母線現場組對焊接質量控制要點，針對純銅高熱導率、高熱裂敏感性、易產生氣孔等特點，以及現場安裝空間受限、組對易發生變形、不易焊前預熱等難點，進行了分析研究，通過采取手工鎢極氬弧焊的焊接方法，找出了適合純銅焊接的工藝參數、質量控制方法和措施，保證了銅母線現場焊接質量。

關鍵詞：銅母線；鎢極氬弧焊；焊接工藝；操作要領

1 純銅的焊接特點

1.1 熱導率高。常溫下純銅的導熱系數比碳鋼的大八倍，焊接過程中電弧的熱量被迅速傳導出去，使純銅焊件局部難以熔化，導致母材金屬難以與焊縫金屬充分熔合，從而產生未焊透或未熔合等焊接缺陷。因此，焊接純銅時必需利用大量的熱源進行預熱。但大量的熱源會造成母材焊接變形更加嚴重，所以要采取相應的防變形措施（如利用夾具）。

1.2 焊縫熱裂傾向大。純銅的線膨脹系數比碳鋼大15%左右，收縮率比碳鋼大一倍左右，當焊縫層間溫度相差較大時，極易產生熱裂紋，故焊接時要保持穩定的層間溫度。焊前必須徹底清理焊接材料和母材金屬的表面，減少有害雜質的來源，并在焊接過程中利用硼砂等對熔池進行脫氧處理，加強對熔池的保護。

1.3 焊縫易產生氣孔。純銅焊接時，易在焊縫中產生氣孔。因為銅的導熱系數比較高，純銅在液態轉變成固態過程中，焊縫熔池快速冷卻并凝固，液態時溶解的大量氫、氧、二氧化碳等氣體來不及從熔池中逸出，結晶時就在焊縫中心或熔合線上形成氣孔。所以，為避免氣孔的產生，應選用含有強脫氧劑的填充材料（如含有磷和硅作為脫氧劑的S201焊絲），并采取預熱措施。

2 純銅焊接工藝的選擇

2.1 焊接方法的選擇。純銅最常用的焊接方法有手工鎢極氬弧焊、碳弧焊、埋弧焊等幾種。但手工鎢極氬弧焊焊接時熱量集中，焊接熱影響區窄，焊件變形小，氬氣對熔池的保護效果好，熔池易控制，焊縫成形美觀，特別適合中薄件的焊接。AP1000核電機組銅母線厚度為10mm，故選用手工鎢極氬弧焊工工藝較為適合。

2.2 焊接材料及機具的選擇。選用的焊絲應符合國家標準GB/T 9460-2008《銅及銅合金焊絲》中的規定及要求。焊縫焊后的抗拉強度、耐蝕性能、塑性等應高于母材的下限標準值（退火狀態），焊接性能良好，導電性能良好且滿足加工和使用要求。故純銅焊接時，添加熔劑易選擇CJ301材料，焊接材料易選用純銅焊絲（HS201），焊接材料必須經過報審合格后方可領入現場使用。電焊機推薦選擇WSME-500逆變式交直流脈沖焊機。

2.3 預熱方法的選擇。由于純銅的導熱系數很強，為改善結晶條件，降低焊縫冷卻速度，保證焊接質量，焊接前必需對母材進行預熱。利用電加熱和利用火焰加熱是預熱常用的兩種方法。但使用火焰加熱時易造成母材損傷、溫度不均勻、熱量流失快等缺點，不易控制焊接質量。但電加熱時，通過溫度傳感器，設備對預熱溫度自動進行精確控制，可有效保持恒定的預熱溫度，熱量不會流失，易于控制焊接質量。故純銅焊接時，選擇電加熱工藝進行預熱為宜。

2.4 焊接工藝參數的選擇。母線焊接的規范參數嚴格執行焊接工藝卡的規定，焊接前將無水酒精與熔劑CJ301混合在一起調成糊狀，在焊絲表面和母材坡口均勻涂敷，預熱溫度加熱到規定的溫度后及時焊接。焊接工藝參數詳見表1。

3 純銅焊接要點

3.1 焊前準備。坡口的尺寸、清潔度和表面形狀應符合圖紙、規范或工藝文件的要求。采用冷加工等機械方法進行坡口制備，坡口上不應有分層、折疊、裂紋、撕裂等缺陷。坡口及其兩側30-50mm寬度的金屬表面焊前應清除氧化膜（可用φ0.15-0.2mm不銹鋼絲刷或金屬磨頭），用無水酒精或丙酮（沾丙酮的白布應干凈，不要使用棉布或棉紗，以避免擦拭時帶出毛絨）等有機溶劑清洗去除油脂、水分與其他污染物。應保持母材焊件、焊絲的干燥和清潔，清理干凈后不能用手或其它雜物接觸焊接部位，避免焊件二次污染，否則應重新進行清理。局部污染可局部重新清理，最好用白紙覆蓋在已清理過的坡口兩側。如銅母線清理后不能及時施焊，超過4小時后，應重新按要求清理后再焊接。母線的組對嚴格按照DL/T 754-2013《母線焊接技術規程》和相關設計文件中的規定及要求進行。

3.2 焊縫組對。銅母線焊接前組對應嚴格按照DL/T 754-2013《母線焊接技術規程》和相關設計文件中的規定及要求進行。為防止焊接變形，需要利用自制夾具將銅板和銅墊塊壓緊，保持緊密接觸，保證對口尺寸要求。

3.3 焊接前預熱措施。選擇電加熱方式對純銅進行預熱，預熱溫度控制在300-450℃。為提高預熱工作效率和改善焊工工作條件，可以自行設計制作專用的銅排預熱夾具，即：在自制的預熱夾具內先裝上保溫棉，然后加裝與夾具盒匹配的加熱片，兩個盒子一組，一個焊接接頭需要兩組，接頭兩側各一組來給銅母線加熱，確保了整個焊接過程預熱溫度的穩定，在保證預熱溫度準確性的同時，可以大大提高勞動生產率。

3.4 焊接操作要領。現場裝配時，銅墊塊要超出母線導體兩端5-10mm，一端超出的墊塊長度可適當長些。焊接時應在墊板上引弧，待溫度達到工藝要求的溫度（300-450℃），電弧過渡到銅母線坡口內后正常焊接。焊接過程中應注意觀察母材熔池顏色及狀態，及時添加焊絲，均勻移動焊槍，防止過熱導致熔池下掛，形成缺陷。焊槍與焊件保持近似90°的夾角，便于令熱源集中及方便填加焊絲。焊絲與焊件間保持20-30°的夾角，操作時保持穩定的電弧長度（一般3-5mm），焊槍左右擺動均勻，向前運弧速度恒定。收弧時，應適當增加高頻衰減的時間，并適當填充焊絲，使接頭處飽滿后，再進行衰減收弧。焊接過程中要保持穩定的層間溫度，且應高于預熱溫度。每層施焊完畢，并進行層間清理干凈后，應繼續在焊縫及坡口邊緣均勻涂抹CJ301糊狀熔劑，達到增加熔池鐵水流動性、有效清除各種氧化物、提高焊接質量目的。焊接完成后，接頭自然冷卻至常溫前，應避免震動或受力，然后拆除保溫裝置和固定夾具。焊后可對焊接接頭進行輕輕錘擊，以改善焊縫性能，消除殘余應力，防止變形。

4 焊接質量檢查

焊接接頭數量總數為1341只，所有焊縫經外觀檢查、驗收評定、報驗合格后，進行滲透和射線無損檢驗。滲透檢驗達到JB/T 4730.5的Ⅱ級，檢驗比例100%，合格率100%；射線檢驗達到JB/T 4730.2 的Ⅲ級（也可參照L/T 754-2013《母線焊接技術規程》執行），檢驗比例符合設計要求，無損探傷合格率99.2%；焊接結束后，按規程GBJ149-1990的要求，采用雙臂電橋法進行電阻率測試，測定的最大電阻率為0.014Ωmm2/m， 測定結果完全符合要求。

5 結束語

通過對結構自身特點、純銅的焊接性分析及工藝試驗，確定了合理的焊接方法、焊接順序、焊接工藝、焊接參數，制作了專用對口夾具、預熱夾具，提高了焊接質量，降低了機組非正常停機的概率，確保了機組長期的安全穩定運行，達到了減少能源浪費、降低經濟損失的目的。同時，銅母線焊口一次探傷合格率的提升，不僅減少了返修焊口的數量，提高了施工人員、機械的勞動效率，節約了工程項目的施工成本，還加快了工程項目的施工進度，對于今后純銅焊接施工提供了有力的技術保障。

參考文獻

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[2]DL/T 679-2012.焊工技術考核規程[S].北京：中國電力出版，2012.

[3]DL/T754-2013.母線焊接技術規程 [S].北京：中國電力出版，2013.

[4]GB/T 9460-2008.銅及銅合金焊絲[S].北京：中國標準出版社，2008，6.

作者簡介：劉樹生（1970，1-），男，本科學歷，助理工程師，焊接高級技師，現在山東電建一公司工作。