氬電聯焊工藝在核電產品中的應用

都婧婧+修延飛+劉楠

摘 要：AP1000核電站機械模塊的鋼結構及碳鋼管道單面焊接一般采用氬電聯焊工藝。在AP1000核電產品的焊接中通過選用合適的焊接材料、焊接工藝參數并控制線能量和層間溫度，所得到的焊接接頭的力學性能符合標準的要求，驗證了氬電聯焊工藝的可行性和有效性。氬電聯焊工藝效益明顯，大大減少返修率，提高一次合格率和生產率。

關鍵詞：AP1000核電；氬電聯焊；優勢；焊接性能

中圖分類號：P755 文獻標識碼：A

核電產業是高技術產業，尤其是AP1000核電產品的鋼制安全殼、結構模塊、機械模塊等是核電產品重要的安全保證。我公司在核電產品的制造中有著較強的技術優勢，其中設備（如泵、熱交換器、風機、空調和過濾器等）與所連接管道、閥、風管、橋架、儀表、電纜和支撐等一起固定在共用的鋼結構框架中，構成機械模塊。機械模塊可預裝成一個單元并便于作為整體安裝在核電廠特定區域內。機械模塊設計和制造有鋼結構支撐框架，以形成永久性支撐結構。

機械模塊中鋼結構框架的焊接為首要環節。鋼結構框架的焊接主要以熔化極氣體保護焊（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焊，該種焊接方法的優點是高效、優質、低耗，個別部位由于焊接空間受限，焊槍無法深入，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接焊縫，由于位置受限無法加墊板也無法清根，若采用GMAW或SMAW，極易產生未熔合、焊瘤、夾渣、氣孔等焊接缺陷，后期會產生大量返修。為了實現單面焊雙面成型，保證防止后期返修，提高一次合格率和生產率，采用氬—電聯焊焊接工藝。氬—電聯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。在機械模塊管道的焊接中，對于超過一定厚度的碳鋼管道也采用氬—電聯焊焊接工藝。

1.氬弧焊的特點

氬弧焊是氣體保護焊的一種，氬弧焊焊接時不會像一般焊接時會產生較為嚴重的飛濺現象，且氬弧焊焊接對于母材的金屬元素損傷較小且焊縫質量較高。在氬弧焊焊接時，由于氬氣這一惰性氣體的存在會在焊接點的周邊形成氣體保護層，從而避免了焊接時氣孔現象的產生，提高了氬弧焊的焊接質量，且氬弧焊焊接時熱影響區窄，焊件變形小。

2.采用氬—電聯焊工藝的原理

采用鎢極氬弧焊進行打底焊接，氬弧焊的焊接材料費用要高于普通手弧焊，表面上看采用氬弧焊打底會增加工程成本，但相較于普通的手弧焊，使用氬弧焊進行打底焊接質量要高，避免了因焊接缺陷導致返工而造成的浪費，在對AP1000核電產品進行焊接時，采用氬電聯焊的焊接方式能夠在確保焊接質量的同時有效地降低焊接的成本。采用氬電聯焊的焊接工藝，在焊接時通過選用合適的焊絲、鎢極、焊接工藝參數及純度符合要求的保護氣體，將會確保AP1000核電產品在焊接后焊縫的根部得到較為良好的融合，不易出現一般手工電弧焊所較為常見的焊接缺陷。在對焊縫進行質量檢測時，采用氬電聯焊工藝焊接的產品質量要遠遠高于手工電弧焊的焊接質量。氬電聯焊選用氬弧焊進行焊接打底，氬弧焊采用的連續焊接方式，由于有氬氣的保護無需清渣。在焊接時通過試驗研究表明，采用氬電聯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為氬弧焊焊縫厚度較淺，熔敷速度小。與手工電弧焊相比，生產率較低；另外氬氣（Ar）較貴，其成本較高，不夠經濟。故僅采用氬弧焊進行打底焊接，填充和蓋面則采用手工電弧焊。

3.氬—電聯焊工藝的焊接性能

為了進一步驗證氬—電聯焊工藝的焊接性能，以國標GB/T 1591材料Q345B為母材、美標材料ER70S-6和E7018為焊接材料、純氬（純氬99.99%）為保護氣體進行焊接試驗。

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工件的金屬表面進行一定的清理，將工件表面上所含有的油污、氧化膜等進行清除。在清除時多采用給的是機械清除法，主要使用砂輪、紗布等對金屬表面的氧化物進行物理性的去除，確保工件表面的光潔性。

3.2 電源種類與極性

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

3.3 焊接工藝參數

評定試件采用V型坡口對接形式，焊接位置為3G，母材厚度為14mm，預熱溫度最低為10℃，層間溫度最高為140℃。

應選擇合適的電流，避免電流過大或是過小，過大則容易將焊接工件的底層燒穿，而過小而不易將焊縫融合。具體焊接參數見表1。

3.4 焊接操作

氬弧焊打底操作的關鍵點如下：

（1）在氬弧焊焊接時要注意控制好焊接電弧的長度，以確保弧長能夠獲得良好的保護效果，避免焊縫的接頭質量。

（2）在焊接時要適時的對焊槍的角度進行一定的調整。

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

（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措施。

3.5 理化試驗及檢測結果

按照AWS D1.1-2010標準進行理化試驗，試樣應同時包含兩種工藝的熔敷金屬。

3.5.1 拉伸試驗

取兩件全厚度縮截面橫向拉伸試樣見表2。焊接接頭抗拉強度值高于母材標準中要求的強度下限值（大于等于470MPa），拉伸試驗結果符合標準要求。

3.5.2 彎曲試驗

取4件側彎試樣，在彎曲180℃情況下進行試驗，試樣的受檢面焊縫和熱影響區任何方向上沒有大于3mm的開口缺陷，表明焊接接頭具有良好延展性，彎曲試驗結果符合標準要求。

3.5.3 沖擊試驗

對焊縫金屬取3個沖擊試樣，對熱影響區距離熔合線+1mm和+5mm處分別取3個沖擊試樣，總共9個沖擊試樣。試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，按照ASTM A923標準分別進行了20℃的沖擊試驗見表3，由表3可知，在20℃時，焊縫及熱影響區沖擊功高于標準要求的最小沖擊功，沖擊值符合設計要求。

結論

通過對Q345B鋼板的GTAW+SMAW焊接試驗，驗證氬電聯焊工藝是可行的，且焊接質量可靠，符合核電產品焊接質量要求。同時氬電聯焊工藝效益明顯，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。

參考文獻

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