窄間隙自動焊用焊槍研究

馬力川　彭杰　康澤壇　譚文良

摘 要：隨著國內(nèi)二代半、三代核電機(jī)組的批量化建造，窄間隙自動焊技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于主管道焊接作業(yè)中。該技術(shù)主要采用兩種焊槍施焊：標(biāo)準(zhǔn)大焊炬和扁焊槍。該文研究了兩種焊槍的結(jié)構(gòu)，分析了二者的工程應(yīng)用。通過對比分析，我們認(rèn)為二者均具備可靠的性能。然而，扁焊槍精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其具有焊接保護(hù)氣體消耗量低、受外界環(huán)境影響小的突出優(yōu)勢，推廣潛力較大。

關(guān)鍵詞：焊槍（焊炬） 窄間隙自動焊 結(jié)構(gòu) 工程應(yīng)用

中圖分類號：TG404 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（a）-0093-03

隨著國內(nèi)二代半、三代核電機(jī)組的批量化建造，窄間隙自動焊技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于主管道焊接作業(yè)中。該技術(shù)主要采用兩種焊槍施焊：標(biāo)準(zhǔn)大焊炬和扁焊槍。

二代半核電機(jī)組主管道自動焊實施過程中，主要采用標(biāo)準(zhǔn)大焊炬進(jìn)行焊接；三代核電機(jī)組主管道自動焊實施過程中，主要采用扁焊槍進(jìn)行焊接。

研究兩種焊槍的結(jié)構(gòu)，分析兩者的工程應(yīng)用，有利于窄間隙自動焊工藝的精細(xì)化改進(jìn)，有利于提高其工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，有利于該工藝在其他領(lǐng)域的推廣。

1 焊槍結(jié)構(gòu)研究

標(biāo)準(zhǔn)大焊炬和扁焊槍反映了兩種設(shè)計理念：集約化設(shè)計和模塊化設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)大焊炬采用了集約化的設(shè)計方式，焊炬結(jié)構(gòu)簡單，氣路較為簡約；扁焊槍采用了模塊化的設(shè)計方式，焊槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣路和冷卻回路較為精細(xì)。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)大焊炬結(jié)構(gòu)研究

標(biāo)準(zhǔn)大焊炬結(jié)構(gòu)如圖1所示：由1-耐熱殼、2-氣體導(dǎo)流室、3-鎢極、4-濾網(wǎng)、5-石英玻璃氣罩構(gòu)成。氣體導(dǎo)流室2安裝在耐熱殼1上，其中穿有鎢極3、通有保護(hù)氣體并進(jìn)行導(dǎo)流；為防止氣流紊亂，導(dǎo)流后的氣體通過濾網(wǎng)4，得到均勻的氣流，由石英玻璃氣罩5匯聚后對焊縫進(jìn)行保護(hù)。整個焊炬結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)靈活。

標(biāo)準(zhǔn)大焊炬的氣路比較簡約，屬直通式氣路。如圖2所示：保護(hù)氣體依次經(jīng)過耐熱殼、氣體導(dǎo)流室和濾網(wǎng)，最終在石英玻璃氣罩中匯聚。因為體積較大，標(biāo)準(zhǔn)大焊炬不能深入坡口至焊縫表面實施近距離保護(hù)，所以氣路通量較大。焊接過程中，氣體流量隨坡口深度增加而增大；特別在根部焊道焊接時，為得到成形良好的焊縫，氣流量會達(dá)到80 L/min，耗氣量很高。

1.2 扁焊槍結(jié)構(gòu)研究

扁焊槍結(jié)構(gòu)如圖3所示，整個焊槍包括2個模塊：1-槍體模塊、2-氣水模塊。槍體模塊包括：1.1-鎢極、1.2-陶瓷管、1.3-槍體、1.4-濾網(wǎng)；氣水模塊包括：2.1-連接塊、2.2-外殼、2.3-分配塊、2.4-鎢極頂絲、2.5-槍芯頂絲、2.6-槍芯。槍體模塊作用是，深入坡口至焊縫表面實施焊接作業(yè)；氣水模塊的作用是，分流保護(hù)氣體和冷卻水。兩個模塊組合在一起，構(gòu)成了整個扁焊槍。

扁焊槍流體線路設(shè)計的較為精細(xì)，如圖4所示，在整個焊槍中集成了兩條獨立的流體線路：氣路和水路。

先來分析氣路：保護(hù)氣體通過進(jìn)氣孔進(jìn)入分配塊，改變方向后進(jìn)入槍芯，而后經(jīng)連接塊到達(dá)槍體。與標(biāo)準(zhǔn)大焊炬相比，扁焊槍扁平的槍體模塊可以深入坡口至焊縫表面實施近距離保護(hù)，故不需要較大流量的保護(hù)氣體，因此氣路通量較小，耗氣量很低；與此同時，考慮到沿程阻力損失對氣體流通產(chǎn)生的不利影響，扁焊槍雖未采用直通式氣路設(shè)計，但整個氣路亦設(shè)計得較為簡單，從而保證了氣體順暢流通。

再來分析水路：冷卻水進(jìn)入右側(cè)進(jìn)水孔后，兵分二路，一路經(jīng)分配塊左側(cè)的出水孔進(jìn)入攝像頭冷卻線路對攝像頭進(jìn)行冷卻，而后經(jīng)分配塊左側(cè)的進(jìn)水孔進(jìn)入分配塊，從右側(cè)的出水孔流出，完成一次循環(huán)；另一路先后經(jīng)分配塊、槍芯、連接塊抵達(dá)槍體，后折返，依次經(jīng)連接塊、槍芯、分配塊，與攝像頭冷卻水匯合后通過右側(cè)出水孔流出，完成另一次循環(huán)。因為焊接過程中會產(chǎn)生大量的輻射熱，扁焊槍如不經(jīng)充分冷卻極易損毀；加之?dāng)z像頭在工作過程中亦產(chǎn)生大量熱，需要及時冷卻以保證其正常工作，所以扁焊槍內(nèi)部精心設(shè)計了冷卻循環(huán)水回路，確保二者能夠及時冷卻降溫。

2 焊槍工程應(yīng)用分析

目前，在我國核電項目主管道焊接過程中，兩種焊槍均得到了應(yīng)用。以中廣核集團(tuán)承建的核電機(jī)組為例，標(biāo)準(zhǔn)大焊炬應(yīng)用于寧德、紅沿河、陽江、防城港4個項目14臺機(jī)組主管道焊接作業(yè)中，扁焊槍應(yīng)用于臺山項目2臺機(jī)組主管道焊接作業(yè)中。下面從工程應(yīng)用角度對二者進(jìn)行分析。

2.1 焊槍便捷性分析

“工欲善其事，必先利其器”，焊槍是否便捷易用，對焊接活動能否順利實施影響很大。

如圖5所示，CPR1000核電機(jī)組主管道焊接過程中，采用了“滾花軌道+機(jī)頭+標(biāo)準(zhǔn)大焊炬”的組合方式。滾花軌道安裝比較簡單，每45°設(shè)置一個墊塊，通過墊塊將軌道固定于待焊主管道之上。機(jī)頭通過導(dǎo)向輪卡和于滾花軌道之上，通過電機(jī)帶動尼龍滾輪，與滾花軌道表面產(chǎn)生摩擦力推動機(jī)頭前進(jìn)。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計得比較簡單，因此安裝過程較為便捷。但從施工的全過程看，存在以下一些不利因素。

（1）機(jī)頭滾輪在使用一段時間后會發(fā)生磨損，導(dǎo)致實際行走速度與理論行走速度存在一定偏差；更換滾輪較為繁瑣，會耗費一定的施工時間。

（2）長時間焊接作業(yè)軌道容易松動，故需定期測量軌道安裝定位尺寸；若發(fā)現(xiàn)軌道松動離開原安裝位置，需暫停焊接，校正軌道，待其復(fù)位后方可繼續(xù)施焊。

與CPR1000核電機(jī)組不同，EPR核電機(jī)組主管道焊接過程中，采用了“齒輪軌道+機(jī)頭+扁焊槍”的組合方式，如圖6所示。該軌道安裝比較復(fù)雜，需精確調(diào)整軌道與管道的同軸度、軌道端面與坡口邊緣距離等幾何尺寸。軌道安裝完成后，機(jī)頭通過導(dǎo)向輪卡和于軌道之上，通過電機(jī)帶動機(jī)頭齒輪，與軌道齒輪嚙合傳動推動機(jī)頭前進(jìn)。雖然結(jié)構(gòu)設(shè)計得比較復(fù)雜，安裝亦較為繁瑣，但從施工的全過程看，卻存在以下優(yōu)勢。

（1）齒輪傳動不易發(fā)生磨損，且傳動精確，實際行走速度與理論行走速度偏差較小，行走準(zhǔn)確度較高。

（2）軌道安裝完成后，由于定位可靠，安裝牢固，長時間焊接作業(yè)軌道不易松動，校正軌道幾率很低，有利于焊接作業(yè)連續(xù)進(jìn)行。

2.2 焊接經(jīng)濟(jì)型分析

主管道窄間隙自動焊工藝性能穩(wěn)定，焊縫質(zhì)量優(yōu)異。但該工藝在焊接過程中會消耗大量昂貴的保護(hù)氣體。以紅沿河2#機(jī)組為例，24個主管道焊口共消耗氦-氬混合氣體149組。氦-氬混合氣體中，氦氣價格十分昂貴，因此，每臺機(jī)組主管道焊接作業(yè)僅氣體一項就要花費數(shù)百萬的費用。高昂的費用，極大地限制了窄間隙自動焊技術(shù)的推廣。

分析焊接的各個環(huán)節(jié)，不難發(fā)現(xiàn)氣體巨大的消耗量是由標(biāo)準(zhǔn)大焊炬自身結(jié)構(gòu)造成的。標(biāo)準(zhǔn)大焊炬由于體積較大，不能深入坡口至焊縫表面實施焊接保護(hù)。焊接過程中，為了得到優(yōu)質(zhì)的焊縫，唯一的方法便是加大保護(hù)氣體流量。保護(hù)氣體流量并不是恒定的，隨焊縫深度增加而增大，特別是在根部焊道焊接時，氣流量會達(dá)到80 L/min，加之標(biāo)準(zhǔn)大焊炬粗獷的氣路設(shè)計，氦-氬混合氣體消耗量非常大。

與標(biāo)準(zhǔn)大焊炬不同，扁焊槍扁平的槍體模塊可以深入坡口至焊縫表面實施近距離保護(hù)，因此保護(hù)氣體的消耗量大為降低。圖7反映了標(biāo)準(zhǔn)大焊炬和扁焊槍在焊接過程中氣體的消耗量，從中不難發(fā)現(xiàn)：扁焊槍通過結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，氣體消耗量大幅度降低；另一方面，因為扁焊槍與焊縫表面距離較為固定，所以焊接過程中氣體流量基本不便，便于實現(xiàn)量化控制。

從臺山項目EPR核電機(jī)組主管道焊接情況來看，采用扁焊槍后，每臺機(jī)組主管道自動焊氦-氬氣體消耗量僅為CPR1000核電機(jī)組的1/3，極大程度降低了焊接成本。

3 結(jié)語

通過對標(biāo)準(zhǔn)大焊炬和扁焊槍的結(jié)構(gòu)研究、工程應(yīng)用分析，我們認(rèn)為，二者均具備可靠的性能。扁焊槍精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其具有焊接保護(hù)氣體消耗量低、受外界環(huán)境影響小的突出優(yōu)勢，故以EPR為代表的三代核電技術(shù)多采用扁焊槍焊接主管道，推廣潛力較大。

參考文獻(xiàn)

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