大厚壁管扁焊槍的改進優化

呂旭偉，朱德才，譚文良，馬力川，康澤壇

（中廣核工程有限公司，廣東深圳518120）

大厚壁管扁焊槍的改進優化

呂旭偉，朱德才，譚文良，馬力川，康澤壇

（中廣核工程有限公司，廣東深圳518120）

隨著國內二代半、三代核電站的規模化建造，窄間隙自動焊工藝被廣泛應用于主回路管道焊接過程中。主管道焊接采用自動焊標準大焊炬，焊接過程中需要消耗大量的保護氣體，且易受外界環境的影響，不便于進行量化控制，成本較高，這些因素很大程度上制約了自動焊技術的推廣和普及。基于自動焊焊機自身特點，借鑒國外的成熟扁焊槍經驗，分析焊槍結構，設計能夠匹配自動焊焊機的焊槍結構，使得該扁焊槍可深入至焊縫表面進行近距離保護，大大減少所需保護氣體流量，且不易受外界環境影響，保護效果更佳，便于量化控制。

自動焊焊機；焊槍；窄間隙自動焊；氬氦保護氣

本文參考文獻引用格式：呂旭偉，朱德才，譚文良，等.大厚壁管扁焊槍的改進優化[J].電焊機，2017，47（05）：52-58.

0 前言

隨著大壁厚管道自動焊技術逐漸應用于核電、風電、石化等國民工業領域，焊接過程中所需的惰性氣體（如Ar、He）的消耗量不斷增加。在生產惰性保護氣體時，耗費能源大，投入資金多，很大程度上制約了自動焊技術的推廣和普及。

CPR1000主管道自動焊采用LIBURDI公司的GT-VI代焊機，如圖1所示，焊槍采用標配大焊炬，采用石英玻璃氣罩對鎢極進行惰性氣體保護，氣罩造價高、易損壞。在大壁厚管道焊接過程中，由于焊縫較深，而氣罩又無法靠近焊縫，因此需要大流量的氣體保護，且保護效果不佳。基于此，本研究借鑒臺山EPR機組自動焊的扁焊槍實施經驗，突破傳統模式，通過改裝優化，設計出能夠匹配目前GT-VI自動焊焊機的扁焊槍，該焊槍可深入至焊縫表面進行近距離保護，大大降低保護氣體流量，不易受外界環境影響，保護效果更佳，且便于量化控制[1]。

1 焊槍結構分析

從機械設計角度分析，標準大焊炬和扁焊槍反映了兩種設計理念：一體式設計和模塊化設計。標準大焊炬采用一體式的設計方式，焊炬結構簡單，氣路較為簡約；而扁焊槍采用模塊化的設計方式，焊槍結構復雜，氣路和冷卻回路較為精細[2]。

圖1 自動焊焊機整體

1.1 標準大焊炬結構

標準大焊炬結構如圖2所示，由耐熱殼、氣體導流室、鎢極、濾網和石英玻璃氣罩構成。整個焊炬結構簡單，調節靈活。

圖2 標準大焊炬結構

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。由于結構所限，標準大焊炬不能深入坡口對焊縫表面實施近距離保護，所以氣路設計比較寬大。在焊接過程中，氣體流量隨坡口深度增加而增大，特別是在根部焊道（深度>80mm）的焊接過程中，為了獲得成形良好的焊縫，氣流量會達到80 L/min，從而耗費掉大量的保護氣體。

1.2 扁焊槍結構

扁焊槍采用模塊化的設計方式，如圖3所示，整個焊槍包括槍體和氣水兩個模塊。槍體模塊包括：鎢極、陶瓷管、槍體、濾網；氣水模塊包括：連接塊、外殼、分配塊、鎢極頂絲、槍芯頂絲、槍芯。槍體模塊的作用是深入坡口進行焊接工作；氣水模塊的作用是分流保護氣體和冷卻水。扁焊槍流體線路設計如圖4所示，在整個焊槍中集成了兩條各自獨立的流體線路——氣路和水路。

1.2.1 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，而后經過連接塊到達槍體。與標準大焊炬相比，由于不需要較大流量的保護氣體，因此氣路截面設計得比較小，所以保護氣體消耗量大為降低；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，保證了氣體的順暢流通。

1.2.2 水路

冷卻水進入進水孔后分成兩路，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，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；另一路先后經過分配塊、槍芯、連接塊抵達槍體，后折返，依次經過連接塊、槍芯、分配塊，與攝像頭冷卻水匯合后通過右側出水孔，完成一次循環。由于焊接過程中產生大量的輻射熱，若扁焊槍不經過充分冷卻，極易損毀；加之監控攝像頭在工作過程中亦產生大量熱，需要及時進行冷卻，故扁焊槍內部精心設計了循環冷卻水回路，確保二者能夠及時冷卻降溫[3]。

圖3 扁焊槍結構

圖4 扁焊槍氣路、水路示意

2 扁焊槍改進優化

扁焊槍的改進優化主要是循環冷卻流道和連接位置的優化，包括：為解決扁焊槍與攝像頭同時冷卻問題而進行的循環冷卻流道設計與改進；為實現扁焊槍與視頻攝像系統結合而進行的焊槍連接位置的優化與改進。

2.1 扁焊槍循環冷卻流道改進

目前國外核電項目及臺山核電項目自動焊焊機均無攝像頭，與其相配套的扁焊槍也無需考慮攝像頭的冷卻，只需冷卻自身系統。因此在原有扁焊槍上只有一側有循環水端口，另一側沒有，如圖5所示。而GT-6代自動焊焊機機頭上有一個以焊炬、攝像頭等部件為主的完整冷卻循環系統，如圖6所示。

對比上述機頭，初步改造扁焊槍的循環冷卻水系統，在扁焊槍另一側增設循環冷卻水的端口，使扁焊槍的冷卻水能夠冷卻攝像頭，形成一個完整的冷卻循環系統，如圖7所示。

圖5 臺山核電自動焊焊機機頭

圖6 CPR1000機組核電自動焊焊機機頭

圖7 扁焊槍循環水端口改造過程

2.2 扁焊槍連接位置的優化與改進

現有扁焊槍頂端與機頭不匹配，頂端孔槽尺寸偏大，無法將扁焊槍安裝在機頭上面，這也造成了其與LIBURDI公司焊機的視頻和攝像系統不兼容，因此法國法馬通公司（ANP）在遇到這一問題時選擇舍棄了自動焊機的視頻和攝像功能，不利于焊接質量控制和跟蹤。針對此項問題，重新設計和優化了扁焊槍連接位置，切掉原有尺寸為50 mm寬的頭部卡座，重新制作卡套并將距離改成46 mm，使之能夠匹配在現有機頭上面，如圖8所示。

圖8 扁焊槍頂端孔槽改造過程

3 扁焊槍模擬調試和焊接驗證

通過大量的焊接試驗，觀察焊縫表面保護顏色，確定保護氣體流量大小和鎢極伸出長度的范圍，如表1所示。

自動焊工藝參數已經通過大量的試驗和產品焊接得到了有效驗證；扁焊槍的應用在某種程度上只是研究改變氣流大小和鎢極伸出長度，但二者的改變需要考慮對不同焊接區域、不同填充材料、缺陷預防和不同焊接過程控制的跟蹤和調節，如何得出二者最佳配合，需要進行大量試驗驗證。

保護氣體流量的大小取決于焊槍結構和尺寸、噴嘴直徑、噴嘴到工件的距離、焊接速度、電流大小、接頭形式、材料種類等。噴嘴直徑與有效保護區直徑的關系如圖9所示，對于一定直徑的噴嘴，其保護氣流量有一個最佳值，此時保護區范圍大，保護效果最佳[4]。

表1 扁焊槍鎢極長度和氣流量研究配比

圖9 保護氣體流量-參數變化

工藝試驗流程如圖10所示。

圖10 工藝試驗流程

最終得出鎢極伸出長度18 mm、保護氣流量9～11 L/min時焊縫保護效果最佳。

4 扁焊槍可行性分析

理化試驗是檢驗焊接接頭性能最直觀的表現。采用自動焊扁焊槍焊接1組工藝評定件，然后機加工取樣，如圖11所示。將加工好的試樣進行理化試驗，包括拉伸試驗、沖擊試驗、彎曲試驗、金相檢驗、化學分析和晶間腐蝕等[5]。

（1）拉伸試驗。包括橫向拉伸試驗和熔敷金屬縱向拉伸試驗（室溫及350℃高溫），試驗結果如表2、表3所示。

圖11 試驗項目及取樣示意

表2 焊接接頭橫向拉伸試驗

表3 熔敷金屬拉伸試驗結果

（2）沖擊試驗。包括熔敷金屬沖擊和熔合線沖擊，采用V型缺口，結果如表4所示。

表4 沖擊試驗結果

（3）彎曲試驗。包括面彎和背彎，要求無明顯開裂，單個裂紋長度不得大于3 mm，試驗結果如表5所示。

（4）化學分析。根據RCC-M和設計要求，主管道窄間隙自動焊工藝評定需測量13種元素的化學成分和焊縫中δ鐵素體的含量，如表6所示。

表5 彎曲試驗結果

表6 化學分析結果%

（5）晶間腐蝕。腐蝕試樣有2件，其中1件為對比試樣。腐蝕前進行敏化處理（在5 min內加熱到725℃±10℃，保溫30 min，然后以（60℃±5℃）/h的速度冷卻到500℃，之后空冷），結果為無晶間腐蝕傾向，如表7所示。

表7 晶間腐蝕結果

（6）金相檢驗。包括宏觀金相和微觀金相。宏觀金相放大10倍，結果無裂紋、未焊透、未熔合及大于等于4 mm的氣孔。微觀金相放大200倍，結果為無顯微裂紋和影響接頭性能的沉淀物，如圖12示。

圖12 金相檢驗

綜上所述，經過工藝評定焊接和理化試驗驗證，扁焊槍焊接工藝符合RCCM對核電主管道的要求，因此可以用于核電主管道焊接。

5 結論

自動焊扁焊槍工藝經過大量的試驗摸索，最終通過了工藝評定焊接的各項要求，為后續扁焊槍工藝的核電應用提供了經驗。采用扁焊槍焊接工藝能夠對焊縫表面進行近距離保護，且保護氣體消耗量較少，不易受外界環境影響，保護效果更佳，便于量化控制。扁焊槍的應用使單個焊口的平均耗氣量由原來的70瓶降低至20瓶，減少約70%，如圖13所示。未來推廣至華龍一號為代表的三代核電上，將使每臺機組節約用氣價值達150萬，帶來可觀的經濟和社會效益。扁焊槍的研究優化了自動焊焊接工藝，有利于節約成本，提高焊縫質量。

圖13 標準大焊炬與扁焊槍氬氦氣體消耗量對比

[1]譚文良，康澤壇，康澤壇，等.自動焊技術在核電站主回路波動管安裝中的應用[J].科技創新導報，2015，12（21）：127-129.

[2]張鄂.現代設計理論與方法[M].北京：科學出版社，2007.

[3] 馬力川，彭杰，康澤壇，等.窄間隙自動焊用焊槍研究[J].科技創新導報，2015（34）：93-95.

[4] 劉鳴放.金屬材料力學性能手冊[M].北京：機械工業出版社，2011.

[5]法國核島設備設計、建造及在役檢查規則協會編.RCCMM壓水堆核島機械設備設計和建造規則（2000版+2002補遺）[S].中科華核電技術研究院有限公司，譯.上海：上海科學技術文獻出版社，2010.

Improvement and optimization of flat welding torch in large thick-wall pipes

LV Xuwei，ZHU Decai，TAN Wenliang，MA Lichuan，KANG Zetan
（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Shenzhen 518120，China）

With the domestic two generation half，three generation of nuclear power plant construction scale，the narrow gap automatic welding technology has been widely used in the main circuit of pipeline welding process.But at present，the main pipe welding is mainly used in automatic standard welding torch welding need to consume large amounts of gas protection during welding，and the welding is easily affected by the external environment，it is not easy to quantify control，and it is high cost，these factors largely restrict the popularization and popularization of automatic welding technology.This topic through the automatic welding machine and its own characteristics，referring to foreign mature flat welding torch experience，through the analysis of welding structure，the design of welding torch automatic welding machine can be matched，so that the flat welding torch can be deep to the weld surface close protection，the protection gas flow is greatly reduced，not easily affected by the environment.The protection effect is better，and is convenient for quantitative control.

automatic welding machine；welding torch；narrow gap automatic welding；Ar-He protection gas

TG431

B

1001－2303（2017）05－0052-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.11

2017-01-09；

2017-05-03

呂旭偉（1985—），男，工程師，學士，主要從事核島主系統管道自動焊及焊接工藝評定的研究。E-mail：mumulxw0512@163.com。