螺柱焊在AP1000模塊預制中的參數與質量控制研究

劉偉

1. 概述

我國第三代核電AP1000技術采取標準化預制、模塊化施工的制作方式，其中結構模塊主要作為結構墻體、結構樓板、樓梯以及其他輔助結構，使核島及輔助廠房內部形成不同的獨立區域及相應的結構體，這其中廣泛使用了螺柱焊接的方式。螺柱焊在第三代核電模塊預制過程中大量應用，為模塊化制造及縮短預制周期等提供了保障。

螺柱焊是采用專用的焊接設備，通過在螺柱與母材間引燃電弧，當螺柱與母材被電弧加熱到合適溫度時，專用焊槍機構會自動地施加外力，將螺柱壓入母材的熔池中，使二者達到原子間結合，形成永久焊接接頭的一種連接方式。

2. 螺柱焊控制要點

（1）人員因素 所有從事螺柱焊接的操作人員均應進行相應程序、焊機操作培訓，并應考取可覆蓋該項工作的相應資格證書，才能勝任螺柱焊接工作。

（2）材料因素 主要由螺柱和工件母材兩方面決定，所需材料均應按照相關程序進行接收，且驗收合格。

螺柱：對螺柱的選擇主要是外形尺寸和材質兩方面。螺柱本身的碳含量，直接決定了焊后焊縫金屬存在的相態力學性能。

焊接螺柱前端鉚有Al制引弧結，該引弧結的完好性是實現焊接過程的前提。由于Al的熔點較低，容易引起電弧，保證焊接過程的實現，加上Al是氧化劑，可以減小空氣中O2和N2對接頭的影響，改善焊縫質量，同時鋁與氧的親和力較強，在焊接過程中能參與熔池化學反應，反應后形成第二相氧化物粒子，這些細小的氧化物粒子均勻彌散地分布在焊縫金屬中，起到細化晶粒的作用，進而有利于提高焊縫質量。

工件外形及表面狀態：焊接工件的外部形狀對焊接質量具有較大影響，在非對稱或者不規則工件上進行電弧螺柱焊，若不采取相應的防護措施，有可能發生磁偏吹現象。磁偏吹表現為螺柱與工件間的電弧不穩定，導致螺柱與工件結合處金屬熔化不規則，結合面面積小于螺柱面積，從而影響焊接質量。工件的表面狀態包括油污、鐵銹、油漆、水分及氧化皮等。其中，水分對焊接質量影響最大，易產生大量蜂窩狀氣孔及飛濺。

（3）設備因素 電弧螺柱焊焊接時間短、自動化程度高，焊接質量在一定程度上更依賴于焊接設備的性能，作為焊接能量的提供者，焊接電源的性能在很大程度上影響著焊接過程的順利實現和焊接質量的優劣，因而焊接設備的使用狀況對焊接質量起著不可忽視的作用。

同時，螺柱焊槍是焊接過程的執行機構，起著實現焊接過程的作用。焊接過程中螺柱的提起、送進運動的實現主要是由線圈的通斷電和彈簧的壓縮、釋放來完成。涉及螺柱運動的焊槍行為參數主要有螺柱提升高度和螺柱插入深度。

螺柱提升高度：螺柱提升高度決定了焊接過程的電弧長度，也就決定了電弧電壓的大小。根據待焊螺柱的直徑選擇合適的提升高度。提升高度太小，容易出現短路現象，電弧燃燒不穩定甚至造成“縮頸”現象；提升高度過大時，焊接熱輸入增大，但是長的電弧容易產生磁偏吹，從而影響焊接質量。所以在保證電弧穩定燃燒的情況下，提升高度可以采取保守的選擇。

螺柱插入深度：螺柱插入深度和送進速度直接關系到焊接接頭的成形情況，決定了結合面處的輪廓，從而對接頭質量產生影響。插入深度不足容易產生螺柱與工件接頭處結合不緊密，強度不高的現象；插入深度過大又會使過多熔池金屬擠壓出來。理想的插入深度應該是保持螺柱與工件間有一層熔化金屬存在。

（4）工藝因素 焊接過程控制主要是對焊接電弧參數的控制，其中，電弧電壓、焊接電流和焊接時間是拉弧式電弧螺柱焊的主要焊接參數。電弧電壓主要決定于焊接電弧的長度，一定弧長的情況下，電弧電壓變化不會很大。焊接電流使得金屬熔化和蒸發，電流大小的變化決定了熔化金屬量；而焊接時間同樣對金屬熔化量起著決定作用，合適的焊接時間保證工件表面污染物燒損或氣化。

3. 焊接過程控制要點

（1）焊前控制 母材檢查：螺柱不得有銹、氧化皮、油漆、涂層及潮氣等影響焊接質量的物質。在焊接前，螺柱表面應使用丙酮或酒精進行清潔，應清除制作余渣。螺柱焊接前，應按照生產商的要求對螺柱幾何形狀進行檢查，包括對焊劑小球的檢查，以確保焊劑小球沒有丟失或損壞。

待焊區域及鄰近焊縫表面不得有氧化皮、銹、潮氣、油漆和其他有害物質，以得到滿意的焊縫和避免難聞的煙氣。這些部位可以用鋼絲刷、打磨機或丙酮等進行清理，清理范圍需要大出瓷環外徑5mm以上。

陶瓷環需要保證干燥，若陶瓷環受潮，則應在120℃烘干2h，或按照廠家推薦的烘干要求進行烘干。

設備檢查：在產品螺柱焊接前，QC人員和焊工班長應根據相關的文件要求對所用螺柱焊機和焊槍的參數進行檢查，檢查無誤后，螺柱焊焊接操作工在焊接產品螺柱的過程中不得隨意改變參數。當由于焊接位置、螺柱尺寸及材料種類等的改變而需要改變焊接參數時，應通知QC人員對所調整的焊接參數重新進行檢查，確認符合相應要求后，才可進行焊接。

應按照螺柱焊機相應的操作規程進行設備的操作，并對其進行定期維護。

根據焊接方法中使用的能量，接地電纜應滿足制造方有關尺寸和長度的要求，并且確保電纜狀況良好，在該電纜長度內沒有破損。

每天應核實焊槍提升高度和插入深度。

生產前試驗：對于每一名螺柱焊焊接操作工，在每一班開始焊接產品螺柱前，應進行生產前螺柱焊試驗。當螺柱焊槍、電源、焊接電纜總長度、螺柱直徑、焊接位置以及焊接參數變化時，應重新進行生產前螺柱焊試驗。

生產前試驗應在非正式產品母材上進行，選用的試件材質應與所對應的產品母材材質相同，并且試件厚度的改變不得超過產品母材厚度的±25%。焊接位置及焊接參數應與產品焊接參數相同。

每次試驗應至少連續焊接兩個螺柱，螺柱必須有360°飛邊且沒有進入螺柱焊接端的咬邊現象。除對試驗螺柱進行目視檢查外，焊接螺柱冷卻后必須進行彎曲試驗，使用錘子或管子將螺柱從原始軸線彎曲至約30°。溫度＜10℃時，應對螺柱連續緩慢加載，直到彎曲至約30°。

若目視檢查發現試驗螺柱沒有360°飛邊，或者試驗中任一螺柱斷裂在焊縫區域，則應調整工藝參數在試板上再連續焊接兩個螺柱，并進行目視及彎曲檢測。若任一螺柱仍然不合格，則必須繼續在試板上補加螺柱焊試驗，直至連續有兩個螺柱試驗合格為止，才能在產品上進行焊接。

做好每次生產前試驗的記錄，必須使用數據獲取系統，并記錄保存相關過程數據。

（2）焊中控制 監督螺柱焊操作工必須嚴格執行相應的焊接工藝規程（WPS）等文件的要求。

每名螺柱焊操作工在開始焊接正式產品時，應對其開始焊接的前10個螺柱進行目視檢查。如果其中有1個不合格，則應對其后續的10個螺柱全部進行目視檢查，對不合格的螺柱進行返修。若在初始的10個螺柱中發現有1個以上的螺柱不合格，則表明這名螺柱操作工技能存在問題，要撤換該名操作工，并對其進行重新培訓。

若同一部件上的螺柱返修率超過10%，生產部門應將返修比例報送給質量和技術部門，共同對焊接設備進行評估、檢查。

一旦開始產品的螺柱焊焊接，任何焊接參數的改變必須重新進行生產前試驗，試驗合格后方可恢復生產活動。

決定螺柱焊質量最關鍵的因素是焊接過程中對熱輸入的控制，而焊接參數是焊接能量控制的核心。某公司采用了世界上先進的焊接軟件控制系統，不僅可以實現對每一顆螺柱進行能量參數記錄，且可通過計算熱輸入的高低，為判定螺柱焊接質量是否合格提供依據。

（3）檢測方法 不銹鋼螺柱焊縫熔化值測量：對于螺柱焊接過程，螺柱長度的減小或焊接中發生的熔化值是焊縫質量的可靠指標，并用作焊接工藝控制指標。在螺柱焊接過程中，必須熔化一定數量的螺柱長度以獲得較好質量的焊縫，并形成焊縫金屬環或者焊接的螺柱底部周圍的飛邊。熔化值測量的測量分為實際測量法和過-不過測量法兩種。

在一張鋼板隨機選擇大約15%的螺柱進行熔化值的檢查。如果＞5%的螺柱的熔化值小于規定值，則應對100%的螺柱進行檢查。

目視及其他檢測手段：生產過程中，如何科學合理地評判焊接質量，將直接決定后序生產時工藝參數設定及產品質量。在實際生產過程中，使用多種科學檢測手段，可最大程度、最大范圍內對螺柱焊接質量進行有效評估。

常態目測法：在評判螺柱焊的質量時，均按照美國焊接協會AWS 標準相關規定進行。首先進行外觀檢測，要求螺柱的整個360°均必須有飛邊且沒有接端咬邊現象。若發現任一螺柱沒有完整的360°飛邊或曾進行過焊接修補，則必須對其進行偏離約15°的彎曲試驗，對于飛邊不足360°的螺柱，必須向無飛邊的反方向進行彎曲。

百顆定檢法：每焊接完成100顆螺柱后，應停止焊接，并對已焊接完成的100顆螺柱中最后1顆螺柱進行彎曲試驗，彎曲角度至少為15°，彎曲合格后，方可進行后續螺柱的焊接。若被彎曲的螺柱不合格，則應按照螺柱的焊接順序依次向前對兩個螺柱進行彎曲試驗。

隨機抽查法：當軟件提示所焊接的當前螺柱不符合設定的焊接參數時，應立即停止焊接，并尋找原因，確定設備及參數設置無誤時，重新開始焊接，并對顯示不符合的螺柱進行15°彎曲試驗。當QC人員對當前所焊接的螺柱產生懷疑時，可選取適當的數量補加螺柱彎曲試驗。

追加抽查法：當在母材表面溫度低于10℃的情況進行產品焊接時，應在每100顆螺柱中抽檢1顆追加螺柱進行彎曲試驗，彎曲角度為30°。對于需要抽檢的螺柱若抽檢不合格，則應成倍增加抽檢比例，直到抽檢的螺柱全部合格為止，對不合格的螺柱進行返修。

（4）設備保養 應建立焊接設備的日常維護計劃，以保證焊接設備控制焊接參數的部件得到維護檢查。同時，螺柱操作工根據“三好”（管好、用好、維護好），“四會”（會使用、會保養、會檢查、會排除簡單故障）的要求，做好日常維護工作。

對正在使用的螺柱焊接設備，一級保養在每班工作中或工作后，以操作人員為主，動力保障人員為輔；二級保養每半年進行一次，以動力保障人員為主，操作人員為輔。

焊機設備維修人員應對每一臺螺柱焊機建立一份螺柱焊機維護臺帳，臺帳中包括被維修的螺柱焊機設備型號及編號、維修開始及結束時間、故障現象、更換的零部件、維修結果是否合格等內容。焊槍在焊接一萬枚左右螺柱后進行定期檢修一次。

4. 結語

通過對螺柱焊接工藝進行評估，采用先進的焊接設備，對操作人員進行多次交底培訓，有效提高了螺柱焊接控制過程的有效性和針對性，并通過軟件實現對焊接參數的自動記錄，完善了螺柱焊接質量控制體系的完整性，保證每顆螺柱焊接過程的可追溯性。

在車間螺柱焊接的質量影響因素主要包括材料因素、焊接能量參數、焊槍行為參數、焊接過程不確定因素等若干方面。

為保證螺柱焊接的可靠與高效，在提高焊接產品質量方面車間采取如下控制要點：

（1）在選用焊接材料時，優先選用符合AWS標準的螺柱和陶瓷環，將是獲得良好焊接質量的前提。

（2）材料因素中的螺柱及焊接工件的外形及表面狀態是影響焊接質量的重要因素，焊接設備所提供的焊接熱輸入和焊槍行為對接頭質量影響最大。

（3）采用科學的檢測手段將是輔助保證產品質量的重要方法。

（4）螺柱操作工必須是經過專業培訓并取得相應資質的人員。

（5）施焊記錄資料的完整性，將為產品質量信息做到有效追蹤。

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