熱絲TIG 焊在核電設(shè)備制造中的應(yīng)用

張忠海

隨著核電工程的發(fā)展， 為滿足核島主設(shè)備制造過程的高質(zhì)量要求， 需要優(yōu)先選用焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊接工藝。 傳統(tǒng)的埋弧焊、 焊條電弧焊焊接環(huán)境差、 過程可控度低、 對(duì)焊工技能要求較高。傳統(tǒng)TIG 焊的優(yōu)點(diǎn)是電弧和熔池可見性好， 操作方便， 焊接中沒有熔渣產(chǎn)生， 焊后不用清渣， 適用于各種焊接位置[1]。 由于TIG 焊焊接中保護(hù)效果好， 焊接電弧穩(wěn)定性好， 焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)良， 適用于幾乎所有的金屬及其合金的焊接加工， 該方法的不足之處是焊接效率較低。 熱絲TIG 是一種低耗、 優(yōu)質(zhì)的焊接方法， 由于焊接過程可控， 易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、 智能化焊接， 又具有較高的熔敷效率， 所以被廣泛應(yīng)用在核島主設(shè)備的焊接制造中。

1 熱絲TIG 焊的原理及優(yōu)點(diǎn)

1.1 原理

熱絲TIG 焊是1956 年在傳統(tǒng)TIG 焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種優(yōu)質(zhì)、 高效、 節(jié)能的焊接工藝， 其基本原理就是在焊絲送進(jìn)熔池之前， 將焊絲加熱到一定的溫度， 最終實(shí)現(xiàn)高速高效焊接的目的。本文中的熱絲就是指填充金屬在被送入熔池之前通過加熱使之達(dá)到一定溫度， 也就是對(duì)焊絲進(jìn)行預(yù)熱[2]。

傳統(tǒng)TIG 焊中電弧熱的30%被用在熔化焊絲上， 使熔敷率受制于加熱熔化焊絲所需要的時(shí)間。而在普通TIG 焊的基礎(chǔ)上對(duì)焊絲預(yù)熱， 以增加熱輸入量的方法加快焊絲的熔化速度， 從而提高焊接速度（ 見圖1） 。 焊絲通過導(dǎo)電嘴送進(jìn)熔池中， 在導(dǎo)電嘴和焊件之間設(shè)置一個(gè)電源， 當(dāng)焊絲接觸到焊縫表面時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電流， 實(shí)現(xiàn)對(duì)焊絲加熱。 焊絲與鎢極呈40°～60°角， 在鎢極電弧的后面直接送入熔池金屬中。 為防止電弧偏吹， 熱絲電源可以采用交流電或脈沖電源。

圖1 熱絲TIG 焊原理示意圖

1.2 熱絲TIG 焊的優(yōu)點(diǎn)

熱絲TIG 焊的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1） 保留了TIG 焊電弧穩(wěn)定、 焊縫性能優(yōu)良、無飛濺等優(yōu)點(diǎn)。

（ 2） 提高了熔敷效率和焊接效率。 熱絲TIG焊時(shí)焊絲在被送入熔池前已經(jīng)加熱到300～500 ℃，從電弧獲取能量減少， 熔敷效率比冷絲焊提高3～5倍， 焊絲熔化速度達(dá)20～50 g/min（見圖2）。

（3） 減少焊接變形。 由于熱絲焊熔化預(yù)熱后的填充金屬， 減少總熱輸入量， 有利于減小焊接變形。 從焊縫熱輸入量的角度看， 焊絲預(yù)熱的能量和焊接電弧的能量分別控制， 焊接熔敷速度的提高與焊縫熱輸入量的增加沒有直接關(guān)系， 即在不提高熱輸入的條件下， 提高焊接熔敷速度， 使焊絲熔化速度增加。 在相同電流的情況下， 焊接速度可提高一倍以上。

（4） 減少焊接缺陷。 由于熱絲TIG 焊的送絲速度獨(dú)立于焊接電流， 所以能夠更好地控制焊縫成形， 對(duì)于坡口焊縫的焊接， 側(cè)壁熔合性較好。 焊絲經(jīng)過預(yù)熱后表面得到凈化， 預(yù)熱電流對(duì)熔池的攪拌作用， 以及預(yù)熱電流磁場(chǎng)改變焊接電弧形態(tài)， 在這些因素的共同作用下焊縫質(zhì)量更為優(yōu)良[3]。

圖2 不同電弧焊方法熔敷效率的比較 [2]

2 在核電設(shè)備制造中的應(yīng)用

2.1 在堆焊中的應(yīng)用

鑒于核島一回路主設(shè)備長(zhǎng)期接觸帶有放射性和腐蝕性的載熱劑介質(zhì)， 所以在內(nèi)壁上堆焊有優(yōu)良耐蝕性和耐熱性的奧氏體不銹鋼堆焊層及鎳基合金堆焊層。 例如核反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)壁大面積堆焊奧氏體不銹鋼堆焊層、 蒸汽發(fā)生器管板一回路側(cè)堆焊鎳基合金堆焊層。 由于堆焊層的質(zhì)量關(guān)系到設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量， 故在選擇堆焊工藝時(shí)需要在保證堆焊質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高堆焊效率。 由于蒸汽發(fā)生器一次側(cè)管板的堆焊質(zhì)量， 還影響到后續(xù)U 型管與管板焊縫的焊接質(zhì)量， 對(duì)于不能實(shí)現(xiàn)帶極堆焊的部位均可采用熱絲TIG 堆焊。 目前， 三代核電AP1000 反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)表面不銹鋼堆焊層、 接管大端端面鎳基堆焊、 流量分配裙支承塊堆焊、 徑向支承塊隔離層鎳基堆焊、 J 坡口鎳基隔離層堆焊均已采用熱絲TIG 堆焊， 熱絲TIG 堆焊已占到所有堆焊焊縫熔敷金屬量的40%。

采用熱絲TIG 工藝堆焊不銹鋼及鎳基合金時(shí)，可通過選擇合理的焊接參數(shù)將焊縫的母材稀釋率控制在較低的水平， 得到良好的焊道成形質(zhì)量， 減少焊道表面打磨工作量， 同時(shí)又能夠保證焊縫的無損檢驗(yàn)質(zhì)量。 另外， 由于焊接熔池的形狀易于控制，即便如泵殼等結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的設(shè)備也可采用熱絲TIG 堆焊， 通過配置數(shù)控系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)堆焊， 既提高了核電裝備制造的自動(dòng)化水平， 也符合綠色核電制造的最新發(fā)展理念。

2.2 在接管與安全端焊縫制造中的應(yīng)用

在核島一回路系統(tǒng)中， 主設(shè)備通過接管安全端與一回路管道相連， 共同構(gòu)成反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的重要組成部分。 在核電站運(yùn)行中， 接管安全端部位承受高溫、 高壓的交變復(fù)雜應(yīng)力作用， 安全端焊縫不但要保證壓力邊界的結(jié)構(gòu)完整性， 同時(shí)還要保證性能的可靠性， 這就要求焊接接頭不僅應(yīng)具有高塑性、 高韌性， 而且還要具備較高的耐腐蝕性和足夠的斷裂韌性及抗疲勞性。 因此， 在制造過程中需要采用低熱輸入、 焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊接工藝方法。 以往二代核電制造過程中， 安全端的焊接常選擇焊條電弧焊、 埋弧焊的焊接方法， 焊縫返修風(fēng)險(xiǎn)高。 三代核電采用熱絲TIG 焊接， 在保證焊縫質(zhì)量的同時(shí)保證焊接效率。 國核示范過程反應(yīng)堆壓力容器 (CAP1400) 接管安全端焊縫坡口（ 見圖3，表1） 焊接完成后， 焊縫合格率達(dá)100%。

2.3 在低合金鋼焊縫中的應(yīng)用

1963 年美國Battelle 結(jié)合熱絲TIG 焊和窄間隙焊接的優(yōu)勢(shì)開發(fā)了窄間隙熱絲TIG 焊， 與一般的窄間隙焊接方法相比， 窄間隙熱絲TIG 焊除了熔敷效率相對(duì)較低外， 在側(cè)壁熔合和焊接接頭的抗裂性等方面具有較明顯的優(yōu)勢(shì)， 所以在大厚度低合金鋼焊縫的焊接中得到廣泛的應(yīng)用。 為推廣熱絲TIG焊在低合金鋼焊接中的應(yīng)用而開發(fā)低合金鋼熱絲TIG 對(duì)接焊工藝， 通過低合金鋼窄間隙熱絲TIG 焊工藝試驗(yàn)證明焊縫質(zhì)量良好， 接頭機(jī)械性能優(yōu)良（見表2～6）。

表1 接管安全端焊接工藝參數(shù)

圖3 接管安全端坡口形式

隨著核電設(shè)備不斷升級(jí)， 無論是主管道、 核級(jí)管道， 還是CPR1000 反應(yīng)堆壓力容器管， 焊接難度均在不斷增加。 因此， 窄間隙熱絲TIG 焊占據(jù)了越來越重要的地位[4]。 目前， 在低合金鋼焊縫焊接中， 堆芯補(bǔ)水箱入口接管與上封頭焊縫的焊接、 出口接管與下封頭焊縫的焊接中都已采用了窄間隙熱絲TIG 焊， 焊縫質(zhì)量良好， 接頭機(jī)械性能優(yōu)良。

3 結(jié) 語

熱絲TIG 焊是焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良、 熔敷效率高的焊接工藝方法， 在核電設(shè)備制造中得到越來越廣泛的應(yīng)用， 目前已經(jīng)成功應(yīng)用在包括核電設(shè)備內(nèi)壁不銹鋼及鎳基堆焊層的堆焊、 接管安全端焊縫的焊接及低合金鋼窄間隙焊縫的焊接。

表2 彎曲試驗(yàn) (AWS B4.0M-2000)

表4 拉伸試驗(yàn)（ 棒拉） (AWS B4.0M-2000)

表5 金相檢驗(yàn)結(jié)果

表6 沖擊韌性試驗(yàn)（AWS B4.0M-2000）