藥芯焊絲電弧焊在核電工程中的應用

馬迎兵，李哲

中國核電工程有限公司 北京 100840

1 序言

近年來，隨著我國在建核電項目的增加，核電現場的焊接量也大幅增加，在焊接施工過程中，如何在保證焊接質量的前提下提高焊接效率，是核電站各建設單位的重點關注方向。據了解，核電現場的結構類焊縫主要以焊條電弧焊為主，焊接效率低，且連續施焊也對焊工有更高的要求。

藥芯焊絲電弧焊（以下簡稱“FCAW”）具有成形好、焊接效率高等優點，作為一種高效的焊接方法，已在石油、造船等行業有了一定范圍的應用，如果能在核電工程中進行推廣應用，將會大幅提高焊接生產效率。但由于核電行業的特殊性，尤其是在日本福島事件發生后，核電安全被提到了前所未有的高度，如何保證核電安全是各方考慮的頭等大事。

FCAW在核電工程的應用較為有限，目前主要用于預埋件、次要鋼結構等非重要焊縫的焊接，若要應用于核級管道、運輸容器、主要鋼結構等重要設備，還需在多個方面做進一步研究。本文通過對FCAW特點和在核電應用的分析，探討FCAW在核電工程中的注意事項及應用前景。

2 FCAW的特點

FCAW是以可熔化的藥芯焊絲作為一個電極，母材作為另一極，通常采用純CO2或CO2+Ar氣作為保護氣體，焊接時在電弧的熱作用下熔化狀態的焊絲金屬+焊劑、母材金屬和保護氣體相互之間發生冶金作用，同時形成一層較薄的液態熔渣包覆熔滴并覆蓋熔池，對熔化金屬形成了又一層的保護。

與普通熔化極氣體保護焊相比，FCAW具有以下特點：

（1）優點 采用氣渣聯合保護，焊縫成形美觀，電弧穩定性好，飛濺少且顆粒細小；焊絲熔敷速度快，熔敷效率（85%~90%）和生產率都較高（比焊條電弧焊高3~5倍）。

焊接各種鋼材的適應性強，通過調整焊劑的成分與比例，可提供所要求的焊縫金屬化學成分；焊接效率高（對比焊條），適用于自動焊接、半自動焊接；焊接利用率高（對比焊條），焊絲利用率遠超焊條，同樣重量下焊絲比焊條性價比更高。

（2）缺點 焊絲制造過程復雜；焊絲外表容易銹蝕，焊劑混合物易吸潮，因此需要對焊絲的保存嚴加管理。

3 核電主要標準

（1）RCC-M 在制造篇中限制FCAW為半自動焊，且主要用于碳素鋼鑄件的補焊；在支承件H篇和小型設備E篇中允許使用藥芯焊絲，并規定了組批原則和驗收試驗要求。另外，強調對于奧氏體不銹鋼焊絲，需增加進行鐵素體含量測定。

（2）ASME 基本未對FCAW進行限制，只是在QW-409.2中，限制了FCAW的過渡模式，即從噴射過渡、顆粒過渡或者脈沖過渡改變為短路過渡；反之，需要重新評定焊接工藝。

在材料篇的SFA5.20、SFA5.29、SFA5.36分別詳細規定了碳素鋼藥芯焊絲和低合金鋼藥芯焊絲的各項性能，包括化學成分、力學性能等詳細數據。其中，在SFA5.36中表6中提到，如果化學成分中添加硼元素或wB超過0.001%必須報告。

（3）NB/T 47018—2017 在NB/T 47018—2017標準中，規定碳素鋼和低合金鋼藥芯焊絲應為堿性渣系；并規定在訂貨合同中需包含保證藥芯成分、藥芯填充均勻性的具體內容和檢驗方法，以及打開真空包裝后的藥芯焊絲保證熔敷金屬擴散氫含量的措施。

另外，雖然在NB/T 47015—2011標準正文未采用藥芯焊絲，但在后附編制說明中提到“目前還沒有成熟的適用于鍋爐壓力容器藥芯焊絲渣系，對藥芯粉料的均勻性、熔敷金屬化學成分、力學性能的穩定性都沒有達到應用于壓力容器焊材的水平”。

（4）GB 50661—2011 本標準未限制FCAW的使用，在常用鋼材的焊接材料推薦表中給出了FCAW的焊絲型號和標準。另外，還規定了免予評定的焊接方法及施焊位置。

4 核電應用現狀及思考

據筆者了解，目前已在核電工程中應用FCAW焊接方法（見表1）的核設備包括次要鋼結構、預埋件、LX抗甩擊、鋼襯里背肋角鋼等，母材材質均為碳素鋼。

表1 核電工程中FCAW的應用

從已應用的設備可以看出，核電項目對FCAW的使用是非常謹慎的。通過對現有核電相關標準和現場應用的分析，筆者認為，主要有以下幾個方面需要考慮或改進。

（1）藥芯焊絲的生產過程 藥芯焊絲與實芯焊絲相比，主要區別在于藥芯焊絲內部裝有焊劑混合物，而焊劑混合物在焊絲生產過程中能否做到均勻一致，對于焊絲使用的穩定性影響很大，這對生產焊絲的設備要求較高，不但要保證填焊劑的穩定性，還需要在填加過程中能夠根據焊劑混合物的密度進行及時調整，難度較大。這對焊材生產廠家提出了更高的要求，需要在焊絲生產設備、焊絲焊劑混合物的研發等方面多下功夫，在焊絲生產過程中多積累數據，并加大對焊絲成品的抽檢比例；同時，藥芯焊絲的使用單位也需在焊材生產過程中加強質量控制，全程監督焊絲的生產過程，保證焊絲的出廠質量。

（2）藥芯焊絲的儲存和使用 由于焊接接頭裂紋的產生很大程度上受擴散氫的影響，因此目前已在核電工程中應用的FCAW方法都是使用的低氫型藥芯焊絲，對熔敷金屬的擴散氫含量進行嚴格控制，這也對藥芯焊絲的儲存和使用提出了很高的要求。

首先，藥芯焊絲出廠時需要進行真空包裝，焊絲使用單位在焊絲入庫時需確保真空包裝無破損，并制定嚴格的焊材庫溫濕度要求，確保焊絲的干燥。

其次，藥芯焊絲一旦打開包裝使用，需控制嚴格的暴露時間，在AWS D1.8－2016中推薦暴露在空氣中的最長時間≤72h；當廠家推薦的最長暴露時限超過上述要求時，焊絲生產廠家應證明藥芯焊絲暴露在最苛刻的時間、溫度和濕度限值的條件下滿足規定的擴散氫要求值。另外，超出上述時限的藥芯焊絲不允許再次烘干。

（3）藥芯焊絲的硼含量控制 通過文獻[7]對硼含量與裂紋關系的描述，可以看出硼含量對焊接接頭裂紋的產生有很大影響，因此需要在焊絲生產過程中嚴格控制微量元素硼的含量；在ASME材料篇的SFA5.36中也指出，如果化學成分中添加硼元素或wB超過0.001%必須報告。

（4）焊材生產廠家的重視程度 焊材生產廠家需提高對藥芯焊絲生產過程的重視，體現在生產過程的全流程監督和管理，包括原材料的檢測、關鍵工藝人員的培訓、質檢人員責任心的培養等。另外，廠家需對質量保證體系重視，建立針對核級焊材的生產質保體系文件，并通過不定期的內外部質保監查確保多批次焊絲的質量穩定性，同時為焊絲使用單位提升信心。

（5）使用單位的人員培訓 由于藥芯焊絲的特殊性，需要在儲存和使用過程中嚴格遵守相關規定，如果在使用過程中由于人為的疏忽，可能會造成較為嚴重的后果，比如焊縫裂紋的產生。因此，對于參與藥芯焊絲儲存、使用的相關人員的技能和責任心培訓顯得很重要，建議使用單位組織專門的隊伍，對藥芯焊絲的儲存、焊接工藝評定的制定、焊接實施過程進行全方位培訓和監督，制定切實有效的實施辦法；與此同時，注意積累焊接相關數據，為后續在更大范圍內的使用積累應用經驗。