窄間隙自動焊技術的應用與推廣

2018-06-11 03:42:20李興宇

浙江電力 2018年5期

姜煌，李興宇

（中國能源建設集團浙江火電建設有限公司，杭州 310016）

0 引言

發電廠動力管道焊接時，常用的焊接方法有2種：手工全氬弧焊接、手工氬弧焊打底加手工電弧焊填充和蓋面。對于大口徑厚壁管道，通常采用組合坡口型式，GTAW（氬弧焊）+SMAW（手工電弧焊）進行多層多道焊，雖然焊接設備簡單，但此型式的坡口寬度大，焊接熔敷金屬量大，焊材消耗多，焊接周期長，并且焊接質量不穩定，受人為因素影響較大，特別是核電站中，基于“先漏后斷”（Leak-Before-Break）安全評定技術的管道，規定了焊接方法為氬弧焊，如果大口徑厚壁管采用手工氬弧焊，則更是耗材、耗時、耗力。因此窄間隙脈沖自動氬弧焊的工藝近年開始從國外引進，三門、海陽AP1000核電項目，福清、寧德、方家山等CPR1000核電項目的一回路主管道焊接均采用了窄間隙自動焊氬弧焊，取得較好的質量和經濟效益。

1 窄間隙焊與手工焊的比較

NG-GTAW（窄間隙焊接技術）是在應用傳統氬弧焊焊接方法和工藝基礎上，加上特殊焊絲、保護氣、電極向狹窄坡口的導入技術以及焊縫自動跟蹤等特殊技術而形成的一種專門技術；機頭沿焊縫環繞管壁運動，從而實現全位置自動焊接；自下而上的各層焊道數目通常為1或2道；采用小或中等熱輸入進行焊接；易維持恒定的電弧長度，焊接過程穩定，容易獲得較高的焊縫質量。相對于常規坡口手工焊，NG-GTAW有如下特點：

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

（2）焊接熱輸入率小，焊后殘余應力和殘余變形小。

（3）電弧自動跟蹤，自動化程度高，減少了人為因素，便于控制焊接質量。

2 設備、材料的選擇

2.1 焊機的選擇

目前，在核電設備制造或安裝中使用的窄間隙自動氬弧焊機主要來自加拿大和法國的兩家公司，文中選用加拿大利寶地公司的GT-Ⅵ型焊接電源和H型機頭作為試驗機型。該焊機焊接電源穩定性好，具有多功能特性，綜合性價比較高。

窄間隙自動焊機主要由焊接電源、視頻監視系統、焊接機頭和送絲（較直）機構組成，另外可配一個遠程控制手盒，采用與管道規格適配的軌道，機頭在軌道上行走進行焊接。

為保證焊機機頭的順利行走及焊接，GT-Ⅵ型焊機H機頭的徑向外部最小需求空間約為240 mm，軸向最小需求空間約為375 mm。

2.2 坡口型式選擇

文中主要針對AP1000一回路主管道的材料（不銹鋼SA376 TP316LN）進行窄間隙自動氬弧焊工藝的研究。

利寶地H機頭焊接過程中的氣體保護主要通過大氣罩實現，焊接時，坡口內僅鎢棒和送絲管伸入，因此窄間隙坡口可以加工小角度單面U型加膛孔或正面U型、背面V型等型式，如圖1、圖2所示。

單面U型加膛孔的焊口采用單面焊雙面成型工藝，對打底焊接質量要求較高，而采用正面U型、背面V型時，須滿足管道內部有足夠的空間允許人員進入清根，并配備內軌道進行焊接，對打底焊質量要求可適當降低。具體坡口型式可根據管道規格、材質和焊接要求選擇。

2.3 焊接材料的選擇

本次焊接焊絲選擇ER316L；鎢極采用規格為Φ4.0 mm的鑭鎢；保護氣體選用正面Ar 99.999%，背面99.99%。

4.1 TOFD由于是利用缺陷波的衍射原理和采用一發一收的至少兩個探頭進行檢測，所以對于直管對彎頭處焊縫，就不能采取TOFD技術。相控陣技術不受此結構的限制，可以單探頭進行檢測。

焊機本身可選用Φ0.8 mm，Φ1.0 mm，Φ1.2 mm不同規格的盤狀焊絲，文中以Φ1.0 mm作為焊接工藝試驗的焊絲，由于送絲機構固定在機頭上，與機頭一起行走，焊絲盤規格和重量不宜過大，一般選用4 in標準盤，重量約5 kg。

圖1 單面U型坡口

圖2 正面U型、背面V型

ER316L焊絲化學成分及理化試驗結果如表1、表2所示。

3 焊接工藝質量控制

采用Φ688.85 mm×65 mm和Φ952.5 mm×82.5 mm規格、材質為SA376 TP316LN型超低碳不銹鋼管進行焊接工藝研究，進行不同位置（2G，5G，6G）的焊接工藝試驗，并對不同的組對間隙和錯邊量進行相應試驗。

手工氬弧焊一般采用向上焊，與其不同的是，窄間隙自動焊可以采用周向全位置焊接或向上焊2種方式，采用向上焊的方式與手工焊類似，從6點位置分別向上焊至12點位置，熔池控制相對簡單，但效率降低；采用周向全位置焊接時，可配備正反2個焊絲架，更換導絲桿方向依次反向焊接或通過改變起弧點焊接從而控制撓曲變形，可以提高焊接效率，減少接頭數量。

表1 ER316L焊絲化學成分

表2 焊絲復驗理化試驗結果

3.1 焊口組對

根據焊機本身的性能，為保證焊接質量，應嚴格控制焊口組對錯邊量和組對間隙，錯邊量盡量保證在0.5 mm以內，組對間隙0~1 mm。組對完成后，在管道內壁進行點固塊點固。

3.2 背面充氬保護

在管道內部設置充氬堵板或制作氣室，采用99.99%以上的純氬提前充氣30 min~1 h，確保氣室內氧氣含量不大于1%。

3.3 打底焊

打底焊起弧一般選擇上45°位置并向上焊接，具體焊接方向根據機頭配置及焊絲盤布置方向而定，以利于對熔池質量的控制，采取周向焊接方式，中間不停弧，一次性完成打底焊接，如圖3所示。

圖3 打底焊起弧位置示意

3.4 熱焊

打底焊完成后，應立即進行熱焊，以防止根部焊縫受到破壞。

為保證坡口兩側熔合良好，熱焊采用分道焊，通過調整機頭傾斜角度，分2道進行焊接。

3.5 填充焊

打底焊、熱焊及填充焊均采用脈沖弧工作模式。焊接時，鎢棒不擺動，利用脈沖峰值電流的沖擊力擴張熔池，使熔池與側壁良好地熔合，同時，過程中采用基值小電流焊接，可以有效控制焊接熱輸入。

填充焊時，為保證坡口兩側熔合良好，根據坡口寬度與所選擇的焊接工藝參數綜合比較，當坡口寬度達到8 mm時，宜采用分道焊接，否則單道焊接。

填充焊每層焊縫接頭錯開，而且根據焊縫收縮產生的撓曲變形，可以改變起弧點來調整撓曲變形方向和變形量。

為防止背面根部焊縫重復受熱二次氧化，在焊縫焊至15 mm后，再停止背面充氬保護，拆除充氬保護裝置。

打底焊、熱焊及填充焊的焊道分布見圖4。

圖4 焊道分布示意

3.6 蓋面焊

蓋面焊時，根據焊口位置的不同，選擇不同的蓋面方式。

5G位置和6G位置焊口蓋面采用同步脈沖模式，鎢棒隨機頭進行擺動，峰值電流出現在左右停留時間段，蓋面單道成型，兩側與母材熔合良好。2G位置仍采用脈沖弧工作模式，從下往上分道焊接。同步脈沖電流如圖5所示。

圖5 同步脈沖電流示意

當蓋面完成后，由于管道表面焊口附近受焊縫縱向收縮影響，局部有低于母材的縮頸現象，因此，從坡口兩側分別往外側進行填充，最終與管道表面平滑過渡。蓋面焊及縮頸填充示意如圖6所示。

圖6 蓋面焊及縮頸填充示意

3.7 焊接工藝評定

經過多個焊口不同位置的焊接工藝試驗后，最后對Φ688.85 mm×65 mm單面U型坡口型式焊口進行6G位置焊接工藝評定，焊接工藝參數設置見表3。

焊縫經過15 mm，50%壁厚及100%壁厚3次RT（射線檢測）檢驗結果均合格，焊接工藝評定力學性能及理化性能結果見表4、表5及表6。

宏觀及微觀金相照片如圖7所示。

4 結語

從SA376 TP316LN不銹鋼管焊接工藝試驗的結果來看，窄間隙自動氬弧焊完全可以焊出質量優良的焊接接頭，并且通過測算，1只Φ688.85 mm×65 mm的焊口焊絲用量僅約7.5 kg，而常規坡口手工焊（GTAW+SMAW）的焊材用量約60~70 kg。窄間隙自動氬弧焊在大口徑厚壁管道的焊接中具有較大的優勢，如果焊接碳鋼管道或合金鋼管道，焊機還帶有熱絲焊功能，效率是冷絲焊的3~5倍。因此，窄間隙自動氬弧焊接技術不僅僅在核電施工中得到快速發展，也適合在常規火電廠的大口徑厚壁管道焊接作業中進行推廣和應用。