核電站主管道窄間隙自動焊常見問題及其調整方法

核工業工程技術研究設計有限公司 （北京 101300） 王 健 馮英超

1.概述

核電站主冷卻劑回路管道（簡稱主管道）連接反應堆壓力容器、蒸汽發生器及主泵，構成一回路壓力邊界。福清、方家山核電站主回路管道現場的安裝施工使用了純氬保護窄間隙自動焊焊接工藝（以下簡稱“窄間隙自動焊”），以縮短建造周期、提高施工質量、降低建造成本。

窄間隙自動焊工藝作為一種新工藝應用于核電站主回路管道的焊接工作中，以自動焊機為主體，依靠自動焊操作工進行操作，降低了人為因素造成質量缺陷的可能性，并且一定程度上改變了對主回路管道焊工的超高要求，焊接操作工經過專門培訓，取證合格后即可上崗工作。

對于窄間隙自動焊，具有焊接效率高，焊接質量好的優點，但也容易出現一些諸如頻繁粘鎢、熔池下墜、側壁熔合不良等問題。

本文就上述問題出現的原因進行詳細描述，并從可能引起該問題的多方面因素給出調整方法。

2.窄間隙自動焊焊接工藝

（1）焊接方法 主管道的現場焊接是核電站建造中的難題和關鍵點之一。以往國內核電站現場安裝施工中，主管道的焊接工藝為傳統焊條電弧焊，接頭質量在很大程度上受焊工的技能水平、情緒和身體狀況等影響，并且焊工勞動強度大，焊接效率低，工期長。自2004年開始，我公司開始了核電站主回路管道窄間隙自動焊技術的研究，并于2009年獲得國家發明專利，后續又與中國核動力研究設計院、中國核電工程有限公司聯合開展工程實際應用工作。

與傳統的焊條電弧焊工藝相比，窄間隙自動焊具有如下優點：①熔敷金屬填充量少：自動焊坡口屬于窄間隙坡口，填充空間小。②焊接效率高：自動焊的填充空間小，間隔時間短（屬于360°的連續焊接），可連續作業。③焊接接頭質量好：自動焊焊接過程依靠的是標準的焊接參數且由自動焊設備來執行，使得整體焊縫的焊接熱輸入合理、穩定，焊縫的晶間組織較為理想（晶粒小、均勻）。④焊接操作簡單：自動焊主要依靠的是自動焊設備和焊接參數，而對人工的依賴程度低，使得整體操作流程簡單化。⑤焊接過程具有可視性、可追溯性：自動焊實施的過程中擁有全程的視頻監控及記錄，可以進行焊接過程觀察，也可以對整個過程進行記錄。

（2）焊接設備 窄間隙自動焊設備即自動焊焊機，最終確定選用加拿大LIBURDY公司的產品。通過福清自動焊試驗室的系列試驗，可以確認采用LIBURDY公司的設備以及目前開發的焊接參數，可以焊接出質量穩定、合格的焊縫。

（3）填充材料 焊接填充材料為不銹鋼焊絲，有兩種：自動焊絲為ER 316Lφ0.8mm和ER 316LSiφ1.0mm，其中ER 316Lφ0.8mm用于熔透焊道、支撐焊道的焊接，ER 316LSiφ1.0mm用于后續填充焊道、蓋面焊道的焊接。

3.問題描述及解決途徑

窄間隙自動焊工藝在福清核電站、方家山核電站的主回路管道已經成功應用，在施焊過程中，出現了頻繁沾污、側壁熔合不良、熔孔等問題，上述問題對焊接質量有可能形成影響，下面就上述問題的成因及解決措施進行描述。

（1）頻繁粘鎢 粘鎢，指在起弧或施焊過程中鎢極部分接觸熔池形成短路，造成焊接過程停止的情況。

出現頻繁粘鎢的主要原因包括：

第一，冷卻水循環不暢。自動焊焊機機頭與焊機間線纜較長，在反復使用中易出現冷卻水循環不暢，對機頭的冷卻作用降低，易出現粘鎢。經過調整焊機機頭與焊機間的連線可解決粘鎢問題。

第二，鎢極偏轉。在窄間隙焊接工藝中規定了鎢極的縱向偏轉角度，如附圖所示，對于5GT、6GT位置來說，如果在施焊過程中對應相應的焊道及其焊接參數，出現了鎢極偏轉角度不足甚至鎢極偏轉角度相反的情況，極易在90°、270°位置出現粘鎢。如在上述位置出現頻繁粘鎢的情況，可考慮對鎢極縱向偏轉角度進行調整，調整范圍應在焊接數據包所允許的范圍內。

鎢極縱向偏轉示意

第三，層間溫度較高。在5GT位置管道施焊過程中，在連續焊接若干道后，在270°附近易出現因熔池過大而出現粘鎢的情況，原因為焊接熱輸入量過大，熔池由于自身重力原因拉長，突然變形，導致自動焊弧壓跟蹤失去調節作用，出現了粘鎢的情況。

調整方法：出現此問題后，首先盡量將層間溫度控制在較低水平，在施焊過程中實時觀察熔池，在5GT位置焊接180°～360°區間內，在確保側壁熔合良好的前提下，壓低弧壓、降低基值電流，視熔池與側壁熔合情況降低峰值電流，盡量減小熱輸入量并將熔池控制在較小范圍內，避免出現自動焊機弧壓跟蹤失效的情況。

（2）側壁熔合不良 問題描述：在5GT位置180°～270°焊縫根部兩側，6GT位置180°～270°焊縫根部下側，以及部分焊道由于電弧偏吹問題導致的單側熔合不良。

調整方法：此問題屬于在爬坡位置出現側壁熔合不良，原因有如下兩方面：

第一，熱輸入量不足。使用在主管道現場的焊接工藝均經過工藝評定及車間評定的驗證，即焊接所使用的參數已經過驗證，熱輸入量不足不是出現此問題的主要原因。但可通過降低鎢極行走速度、增加峰值電流同時降低基值電流來緩解出現側壁熔合不良的情況，以上焊接參數的調節均應在焊接數據包允許范圍內進行。

第二，電弧張開角度不足。影響電弧張開角度的因素有電流的大小、鎢極的錐度、鎢極平臺的大小。電流大小在焊接參數的范圍內，經過工藝評定的驗證可確定電流大小不是側壁熔合不良的原因；鎢極的錐度，福清、方家山現場所使用的鎢極均使用專用鎢極磨削器進行打磨，鎢極的錐度為固定的30°，可確定不是側壁熔合不良的原因。另外，在工藝評定過程中，對于鎢極平臺的描述為鎢極平臺直徑為0.8～1.2mm，鎢極平臺尺寸為0.8mm時電弧張開角度大于1.2mm時的電弧張開角度，鎢極平臺越大，鎢極越不易燒損。但在出現焊縫兩側熔合不良的情況或電弧偏吹導致單側熔合不良的情況下，可使用在數據包中規定的鎢極平臺最小尺寸進行施焊，可有效緩解側壁熔合不良的情況。

（3）熔孔 在5GT位置180°～270°之間易出現此問題，表現為熔池無法穩定的掛在焊縫上，出現熔孔。

調整方法：5GT爬坡位置出現熔孔的原因主要有如下兩方面：

第一，電弧打開角度不足。峰值電流時，電弧沒有打在焊縫根部兩側與母材交接位置，而是全部打在焊縫上，熱量全部集中于焊縫上，導致焊縫受熱過多出現熔孔。通常情況下，通過更換鎢極平臺更小的鎢極可解決此問題，相同焊接參數下，更小的鎢極平臺尺寸會獲得更大的熔寬。電弧打開角度不足是此問題出現的原因之一。

第二，熱輸入量過大。熔孔易出現于連續焊接若干道后，即焊縫的層間溫度已升高，對于焊縫無需使用過大的焊接參數，在保證焊縫根部熔合良好的前提下，可通過減小基值電流，降低弧壓，視熔合情況減小峰值電流，加快鎢極行走速度，最終降低整體熱輸入量來避免熔孔的出現。重點是要根據焊縫根部寬度以及焊縫的層間溫度選擇適合的焊接參數進行施焊。

4.結語

本文對窄間隙自動焊在主管道施工過程中出現的一些常見問題進行了描述并給出了調整方法，在保證后續窄間隙工藝的順利實施方面起到了積極作用。