氬電聯(lián)焊工藝在核電產(chǎn)品中的應(yīng)用

都婧婧+修延飛+劉楠

摘 要：AP1000核電站機(jī)械模塊的鋼結(jié)構(gòu)及碳鋼管道單面焊接一般采用氬電聯(lián)焊工藝。在AP1000核電產(chǎn)品的焊接中通過(guò)選用合適的焊接材料、焊接工藝參數(shù)并控制線能量和層間溫度，所得到的焊接接頭的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，驗(yàn)證了氬電聯(lián)焊工藝的可行性和有效性。氬電聯(lián)焊工藝效益明顯，大大減少返修率，提高一次合格率和生產(chǎn)率。

關(guān)鍵詞：AP1000核電；氬電聯(lián)焊；優(yōu)勢(shì)；焊接性能

中圖分類號(hào)：P755 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

核電產(chǎn)業(yè)是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，尤其是AP1000核電產(chǎn)品的鋼制安全殼、結(jié)構(gòu)模塊、機(jī)械模塊等是核電產(chǎn)品重要的安全保證。我公司在核電產(chǎn)品的制造中有著較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其中設(shè)備（如泵、熱交換器、風(fēng)機(jī)、空調(diào)和過(guò)濾器等）與所連接管道、閥、風(fēng)管、橋架、儀表、電纜和支撐等一起固定在共用的鋼結(jié)構(gòu)框架中，構(gòu)成機(jī)械模塊。機(jī)械模塊可預(yù)裝成一個(gè)單元并便于作為整體安裝在核電廠特定區(qū)域內(nèi)。機(jī)械模塊設(shè)計(jì)和制造有鋼結(jié)構(gòu)支撐框架，以形成永久性支撐結(jié)構(gòu)。

機(jī)械模塊中鋼結(jié)構(gòu)框架的焊接為首要環(huán)節(jié)。鋼結(jié)構(gòu)框架的焊接主要以熔化極氣體保護(hù)焊（又稱GMAW）和手工電弧焊（又稱SMAW）為主，大多采用熔化極氣體保護(hù)焊，該種焊接方法的優(yōu)點(diǎn)是高效、優(yōu)質(zhì)、低耗，個(gè)別部位由于焊接空間受限，焊槍無(wú)法深入，采用手工電弧焊焊接。但還有一些特殊位置，焊接形式為全熔透對(duì)接焊縫，由于位置受限無(wú)法加墊板也無(wú)法清根，若采用GMAW或SMAW，極易產(chǎn)生未熔合、焊瘤、夾渣、氣孔等焊接缺陷，后期會(huì)產(chǎn)生大量返修。為了實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，保證防止后期返修，提高一次合格率和生產(chǎn)率，采用氬—電聯(lián)焊焊接工藝。氬—電聯(lián)焊焊接工藝是指采用鎢極氬弧焊打底，手工電弧焊焊接層間和蓋面的工藝。在機(jī)械模塊管道的焊接中，對(duì)于超過(guò)一定厚度的碳鋼管道也采用氬—電聯(lián)焊焊接工藝。

1.氬弧焊的特點(diǎn)

氬弧焊是氣體保護(hù)焊的一種，氬弧焊焊接時(shí)不會(huì)像一般焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的飛濺現(xiàn)象，且氬弧焊焊接對(duì)于母材的金屬元素?fù)p傷較小且焊縫質(zhì)量較高。在氬弧焊焊接時(shí)，由于氬氣這一惰性氣體的存在會(huì)在焊接點(diǎn)的周邊形成氣體保護(hù)層，從而避免了焊接時(shí)氣孔現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高了氬弧焊的焊接質(zhì)量，且氬弧焊焊接時(shí)熱影響區(qū)窄，焊件變形小。

2.采用氬—電聯(lián)焊工藝的原理

采用鎢極氬弧焊進(jìn)行打底焊接，氬弧焊的焊接材料費(fèi)用要高于普通手弧焊，表面上看采用氬弧焊打底會(huì)增加工程成本，但相較于普通的手弧焊，使用氬弧焊進(jìn)行打底焊接質(zhì)量要高，避免了因焊接缺陷導(dǎo)致返工而造成的浪費(fèi)，在對(duì)AP1000核電產(chǎn)品進(jìn)行焊接時(shí)，采用氬電聯(lián)焊的焊接方式能夠在確保焊接質(zhì)量的同時(shí)有效地降低焊接的成本。采用氬電聯(lián)焊的焊接工藝，在焊接時(shí)通過(guò)選用合適的焊絲、鎢極、焊接工藝參數(shù)及純度符合要求的保護(hù)氣體，將會(huì)確保AP1000核電產(chǎn)品在焊接后焊縫的根部得到較為良好的融合，不易出現(xiàn)一般手工電弧焊所較為常見(jiàn)的焊接缺陷。在對(duì)焊縫進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，采用氬電聯(lián)焊工藝焊接的產(chǎn)品質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手工電弧焊的焊接質(zhì)量。氬電聯(lián)焊選用氬弧焊進(jìn)行焊接打底，氬弧焊采用的連續(xù)焊接方式，由于有氬氣的保護(hù)無(wú)需清渣。在焊接時(shí)通過(guò)試驗(yàn)研究表明，采用氬電聯(lián)焊焊接工藝的焊接效益要高出手工電弧焊約2～4倍，且焊口成型好。在同等情況下更容易獲得良好的焊接質(zhì)量。

而填充和蓋面焊接不采用氬弧焊而采用手工電弧焊是因?yàn)闅寤『负缚p厚度較淺，熔敷速度小。與手工電弧焊相比，生產(chǎn)率較低；另外氬氣（Ar）較貴，其成本較高，不夠經(jīng)濟(jì)。故僅采用氬弧焊進(jìn)行打底焊接，填充和蓋面則采用手工電弧焊。

3.氬—電聯(lián)焊工藝的焊接性能

為了進(jìn)一步驗(yàn)證氬—電聯(lián)焊工藝的焊接性能，以國(guó)標(biāo)GB/T 1591材料Q345B為母材、美標(biāo)材料ER70S-6和E7018為焊接材料、純氬（純氬99.99%）為保護(hù)氣體進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

3.1 焊前清理

TIG焊極易受到金屬表面的污染的影響，因此在焊接前必須要對(duì)工件的金屬表面進(jìn)行一定的清理，將工件表面上所含有的油污、氧化膜等進(jìn)行清除。在清除時(shí)多采用給的是機(jī)械清除法，主要使用砂輪、紗布等對(duì)金屬表面的氧化物進(jìn)行物理性的去除，確保工件表面的光潔性。

3.2 電源種類與極性

在采用氬電聯(lián)焊工藝時(shí)，對(duì)于打底的氬弧焊，主要采用的是直流正接法以避免鎢極由于電流過(guò)大而燒毀。此外，采用直流反接法能夠有效地提高氬電聯(lián)焊工藝的焊接速度。

3.3 焊接工藝參數(shù)

評(píng)定試件采用V型坡口對(duì)接形式，焊接位置為3G，母材厚度為14mm，預(yù)熱溫度最低為10℃，層間溫度最高為140℃。

應(yīng)選擇合適的電流，避免電流過(guò)大或是過(guò)小，過(guò)大則容易將焊接工件的底層燒穿，而過(guò)小而不易將焊縫融合。具體焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

3.4 焊接操作

氬弧焊打底操作的關(guān)鍵點(diǎn)如下：

（1）在氬弧焊焊接時(shí)要注意控制好焊接電弧的長(zhǎng)度，以確?；￠L(zhǎng)能夠獲得良好的保護(hù)效果，避免焊縫的接頭質(zhì)量。

（2）在焊接時(shí)要適時(shí)的對(duì)焊槍的角度進(jìn)行一定的調(diào)整。

（3）要處理好填絲角度和填充位置。填絲時(shí)端頭要一直保持在保護(hù)氣的范圍內(nèi)，避免焊絲被空氣養(yǎng)化影響焊接的質(zhì)量。此外，填絲時(shí)要注意避免碰觸鎢絲。填絲速度要穩(wěn)定均勻，最大限度地降低其對(duì)保護(hù)氣流的影響。

（4）要注意掌握引弧、收弧操作。

（5）野外施工中要注意做好防風(fēng)措施。

3.5 理化試驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果

按照AWS D1.1-2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行理化試驗(yàn)，試樣應(yīng)同時(shí)包含兩種工藝的熔敷金屬。

3.5.1 拉伸試驗(yàn)

取兩件全厚度縮截面橫向拉伸試樣見(jiàn)表2。焊接接頭抗拉強(qiáng)度值高于母材標(biāo)準(zhǔn)中要求的強(qiáng)度下限值（大于等于470MPa），拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5.2 彎曲試驗(yàn)

取4件側(cè)彎試樣，在彎曲180℃情況下進(jìn)行試驗(yàn)，試樣的受檢面焊縫和熱影響區(qū)任何方向上沒(méi)有大于3mm的開(kāi)口缺陷，表明焊接接頭具有良好延展性，彎曲試驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5.3 沖擊試驗(yàn)

對(duì)焊縫金屬取3個(gè)沖擊試樣，對(duì)熱影響區(qū)距離熔合線+1mm和+5mm處分別取3個(gè)沖擊試樣，總共9個(gè)沖擊試樣。試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，按照ASTM A923標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行了20℃的沖擊試驗(yàn)見(jiàn)表3，由表3可知，在20℃時(shí)，焊縫及熱影響區(qū)沖擊功高于標(biāo)準(zhǔn)要求的最小沖擊功，沖擊值符合設(shè)計(jì)要求。

結(jié)論

通過(guò)對(duì)Q345B鋼板的GTAW+SMAW焊接試驗(yàn)，驗(yàn)證氬電聯(lián)焊工藝是可行的，且焊接質(zhì)量可靠，符合核電產(chǎn)品焊接質(zhì)量要求。同時(shí)氬電聯(lián)焊工藝效益明顯，大大減少返修率，較大地提高施工效率，有利于控制施工成本。

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