全自動窄間隙鎢極氬弧焊和傳統手工焊焊接接頭性能比較

嚴連菊 傅存海

（1.中國核工業第五建設有限公司 中國 上海 201512；2.中鐵隧道集團三處有限公司 廣東 深圳 518520）

全自動窄間隙鎢極氬弧焊和傳統手工焊焊接接頭性能比較

嚴連菊1傅存海2

（1.中國核工業第五建設有限公司 中國 上海 201512；2.中鐵隧道集團三處有限公司 廣東 深圳 518520）

本文簡要介紹了壓水堆核電站的原理和主管道焊接質量的重要性，主要介紹了全自動窄間隙鎢極氬弧焊的（NG-GTAW）的特點，并通過對全自動窄間隙鎢極氬弧焊和傳統主管道焊接方法（手工鎢極氬弧焊和焊條電弧焊組合焊GTAW-SMAW）在工藝、焊接接頭力學性能等方面的比較，總結出了全自動窄間隙鎢極氬弧焊在焊接過程質量控制和焊接效率和焊接變形方面的優點。

窄間隙鎢極氬弧焊；傳統手工焊；性能；比較

0 概述

焊接是核電建設中必不可少的工藝，焊接質量直接影響著核電站的安全運行，故核電建設中，對焊接質量要求非常嚴，在工藝、設備等選擇上，要求非常高。隨著科技的發展，核電建設中的焊接方法和工藝也有所進步，國外一些先進的焊接技術正在逐步走進中國核電，其中最具代表性的就是全自動窄間隙鎢極氬弧焊接技術。

目前，我國核電建設所采用的焊接方法基本為手工鎢極氬弧焊和焊條電弧焊。傳統的主管道焊接也采用此兩種焊接方法，即手工鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充和蓋面。一個對接焊縫需持續一個多月時間才能完成，焊工勞動強度大，焊接效率低，且焊接質量受較多人為因素的影響，難以控制。目前我國在建的浙江三門和山東海陽AP1000核電引進了已在西方發達國家成熟應用的窄間隙全自動鎢極氬弧焊技術。

1 AP1000壓水堆核電站主管道介紹

AP1000核電是由美國西屋公司開發的一種兩環路1000MWe的非能動壓水反應堆核電。目前我國山東海陽和浙江三門的在建核電站均為此堆型。壓水堆是目前比較廣泛采用的核反應堆。其特征是水在堆芯內不沸騰，但必須保持在高壓狀態。其原理是用鈾制成的核燃料在反應堆內進行裂變并釋放出大量熱能；高壓下的循環冷卻水把熱能帶出，在蒸汽發生器內生成蒸汽，高溫高壓的蒸汽推動汽輪機，進而推動發電機旋轉。

主管道是壓水堆核電站核島內七大關鍵設備之一，是連接反應堆壓力容器（RPV）、蒸汽發生器(SG)和反應堆冷卻劑泵(PR)的閉式循環回路，是壓水堆核電站最關鍵的核安全1級設備，被稱為核電站的主動脈，所運輸的冷卻劑含有從反應堆中帶出來的放射性物質 （含硼水），且是中溫高壓的介質，一旦發生泄露，將會對人體和生態環境造成嚴重的危害，后果不堪設想，故對焊接接頭的性能要求也非常高，對其焊接質量及其重要。壓水堆核電站主管道一般分為A、B兩個回路，每個回路主要由冷段、熱段組成，材質一般是抗腐蝕較好的奧氏體不銹鋼，并具有管徑大，管壁厚的特點。AP1000主管道是中國AP1000自主化依托項目中唯一沒有引進國外技術的核島關鍵設備[1]。

2 窄間隙焊和傳統焊接方法的比較

1）窄間隙焊和傳統焊接方法的比較簡述

窄間隙焊技術是一種應用傳統熔焊方法的特別技術，傳統的熔焊方法一般有熔化極氣保焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊和藥芯焊絲電弧焊等[2]，AP1000核電主管道首次采用窄間隙鎢極氬弧焊 （NG-GTAW）技術，與傳統的手工焊相比，NGGTAW自動焊有如下特點：

（1）焊縫坡口小，節省材料，且焊縫金屬沒有更換焊條或焊絲的焊接接頭，所以在很大程度上減少了焊接材料。

（2）焊接熱輸入小，焊接變形小。

（3）自動化程度高，減少了人為因素，便于控制焊接質量。

（4）降低了勞動強度，改善了工作環境。

（5）首次采用，工藝不夠成熟，風險較大。

2）焊接坡口比較

窄間隙焊，顧名思義，就是采用小角度，小間隙的坡口。圖1為一典型的NG-GTAW坡口示意圖。較傳統的手工焊坡口，其坡口角度α和R角都較小，傳統手工焊的組對間隙一般在1.5～3.5mm之間，而NG-GTAW基本上都控制在2mm以內。從坡口形式可以直觀的看出，NG-GTAW焊縫截面積小，焊縫金屬熔敷量少。相對傳統的手工焊，NG-GTAW減少了焊材消耗，且由于鎢極氬弧焊自身的特點，焊接過程中不用清理焊渣，焊縫清潔簡便，故NG-GTAW在一定程度上降低了生產成本幷提高了生產效率[3]。

圖1 典型窄間隙坡口示意圖

3）焊接接頭性能比較

較傳統的手工焊，NG-GTAW一般采用脈沖電流，可以采用較小的焊接熱輸入獲得較大的溶深，試件冷卻速度快，焊接熱影響區（HAZ）很窄，母材原始晶粒的粗晶脆化傾向和對塑性損傷較小。且脈沖電流對點狀熔池有較強的攪拌作用，進一步加快了熔池金屬的冷卻速度，縮短了其在高溫的停留時間，更容易得到致密、細小的焊縫組織，并且減小了金屬的裂紋傾向[4]。采用多層多道焊，每層焊縫厚度比手工焊薄，約1.5～2.5mm，后一層焊縫對前一層焊縫的焊后熱處理更徹底，使得焊縫金屬的晶粒更細小。故相對傳統的手工焊，NGGTAW更容易得到優質的焊接接頭。表1對NG-GTAW和GTAW-SMAW試件力學性能進行對比。可以看出，NGGTAW與傳統焊接方法焊接接頭力學性能相比，均有所提升。

表1 NG-GTAW和GTAW-SMAW力學性能比較

對NG-GTAW接頭組織（焊縫金屬和熱影響區組織分別見圖2和圖3）和GTAW-SMAW接頭組織（焊縫金屬和熱影響區組織分別見圖4和圖5）進行對比，可以看出，二者的焊縫組織和HAZ的組織均為奧氏體加少量鐵素體，但是，前者晶粒更致密，細小，且熔合區較窄。

圖2 NG-GTAW焊縫金相組織（200×）

圖3 NG-GTAWHAZ金相組織（200×）

圖4 GTAW+SMAW焊縫金相組織（200×）

圖5 GTAW+SMAW HAZ金相組織（200×）

4）焊接后殘余變形比較

焊接殘余應力和殘余變形主要取決于母材的特性（熱導率、母材直徑、厚度等），焊接熱輸入、焊縫坡口形式等。對窄間隙鎢極氬弧焊 （NG-GTAW）和傳統手工鎢極氬弧焊-焊條電弧焊(GTAW-SMAW)奧氏體不銹鋼管道焊接軸向收縮量進行打點測量，結果如圖6所示。

圖6 NG-GTAW和GTAW-SMAW焊后試件軸向收縮量比較圖

可以從圖6看出，焊接軸向收縮量和焊縫層數有關，NG-GTAW前10層對收縮量的影響較大，且隨著焊縫金屬厚度的增加，焊縫熱循環對收縮量的影響越小，單層收縮量越小。全自動NG-GTAW的軸向收縮量在7mm以內，而傳統的手工焊約在10～11mm之間。

3 總結

通過對NG-GTAW和GTAW-SMAW工藝和焊接接頭性能的比較，可以看出，NG-GTAW的焊接接頭性能良好，二者相比，具有如下優勢：

1）焊接效率高，NG-GTAW坡口截面積小，大大減少了焊縫金屬填充量。

2）NG-GTAW實現了焊接技術的自動化，很大程度上降低了焊工的勞動強度。

3）自動化程度高，降低了人為因素對焊接質量的影響，且焊接具備攝像監控功能，提高了對焊接質量和焊接過程的可控性。

4）NG-GTAW焊接熱輸入小，焊接熱影響區小，且易得到細小的晶粒，接頭塑性、韌性和力學性能容易保證。

5）NG-GTAW焊接殘余應力和焊后殘余變形小。

［1］西屋電氣公司.西屋公司的AP1000先進非能動型核電廠[J].現代電力，23（5）.

［2］胡存銀，張富局.窄間隙焊接的技術與經濟特性分析[J].窄間隙焊專題，30（2）.

［3］王海東，任偉，裴月梅，陳明.壓水堆核電站主回路管道窄間隙自動焊工藝研究[J].電焊機，40（8）.

［4］王宗杰.焊接方法及設備[M].北京：機械工業出版社，2006，12.

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