核電站不銹鋼水池熱絲自動焊工藝探討

徐連玉

摘 要：近年來，在社會經濟穩步發展的背景下，我國核電事業呈現了較為快速的發展趨勢。為了實現可持續發展，對環境起到保護作用，達到節能降耗的作用，有必要在核電站建設工作開展過程中，做好各個環節的優化工作。比如，核燃料的處理，便是一項值得關注的問題。從現狀來看，核燃料在達到一定燃耗深度的條件下，基于堆芯卸出之后，還存在比較高的衰變熱，由于無法及時進行處理，因此需要暫時在燃料池當中存儲。目前在乏燃料保存過程中，主要采取濕法保存，也就是把乏燃料于乏燃料池當中保存。考慮乏燃料所采用的不銹鋼水池的質量及性能，需采取有效的焊接工藝。本課題便重點圍繞核電站不銹鋼水池熱絲自動焊工藝進行分析研究，以期提高其焊接效果，保證核電站生產作業的質量及安全性。

關鍵詞：核電站;不銹鋼水池;熱絲;自動焊工藝

中圖分類號：TG409 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0070-02

0 引言

在核電站日常生產工作開展過程中，加強核燃料的保護非常關鍵。而對于核電站的核燃料，通常需在乏燃料池中暫時保存。注意的是，乏燃料池冷卻系統和燃料操作系統之間存在密切的聯系，同時兩者之間各自獨立，存在自身的功能，主要對保存的乏燃料所生產的衰變熱進行排出處理，進一步使乏燃料池當中的水溫能夠控制在一個運行范圍內。從以往的工作經驗來看，核電站不銹鋼水池的人工焊接工藝作業效率低，難以解決實際性問題，因此提出改進人工焊接工藝的思路，采取自動焊工藝技術。鑒于此，本課題圍繞“核電站不銹鋼水池熱絲自動焊工藝”進行分析研究具備一定的價值意義。

1 核電站不銹鋼水池熱絲自動焊工藝思路的提出

本課題以某核電站為例，在乏燃料池水箱材質方面，選擇了俄羅斯08X18H10T奧氏體不銹鋼，該不銹鋼材料和304L不銹鋼成分比較相似，但是在碳（C）含量方面比較高，并且不銹鋼水箱部分焊縫與母材之間會有斑點腐蝕情況存在。在投入使用時間越來越長的情況下，受到腐蝕的區域易有腐蝕裂紋產生，進一步使水箱當中的硼酸溶液出現泄漏的情況。以往，該核電站在乏燃料池水箱泄漏故障的處理方面，所使用的是人工打補丁的處理方法，也就是基于裂紋附近采取不銹鋼板，然后通過角焊縫的方式實施焊接作業，但是此類焊接工藝存在一些較為明顯的問題，總結起來包括：（1）焊工基于輻射環境條件下實施補焊作業，有輻射危險存在，并且施工效率比較低;（2）奧氏體不銹鋼材料的耐氯離子腐蝕能力比較差;（3）存在腐蝕的區域，在時間越長的情況下，越來越嚴重，采取一般的檢修方法很難完全解決此類故障[1]。

針對上述問題，考慮到今后核電水箱檢修工作效率及質量的提升，提出基于原水箱表面進行鋪設及焊接一層耐腐性更好的雙相不銹鋼板材，即重新制作一個新水箱的方法思路。此外，在核電站不銹鋼水池焊接工藝方面，改進人工焊接的不足，使用了自動焊接工藝技術方法。

2 自動焊工藝技術要點分析

2.1 系統設備的選用

根據上述分析，在核電站不銹鋼水池熱絲自動化工藝開展過程中，涉及不銹鋼水池專用熱絲焊接系統設備的使用，該系統設備為我國自主研發，設備構成包括：其一，焊接機頭;其二，福尼斯熱絲焊接電源;其三，焊接控制柜等。其中，對焊接機頭來說，主要構件為：送絲機構、車身、水-電-氣一體化焊槍、真空導軌以及手動吸盤等;采取的福尼斯熱絲焊接電源涵蓋了福尼斯Magic Wave5000焊機以及福尼斯TransTig2200熱絲電源;此外，在焊接控制柜方面，采取了PLC作為核心控制模塊，使通信功能、邏輯處理工鞥以及數據運算功能得到有效實現[2]。

2.2 母材性能分析

在本次試驗過程中，采取2205雙相不銹鋼板材作為母材，其厚度為3mm;從該母材的組織構成來看，包括了奧氏體及鐵素體，均占50%的比重。值得注意的是，此次采取的雙相不銹鋼母材和奧氏體不銹鋼母材比較情況，其耐磨性、抗腐蝕性、抗疲勞性均更優。此外，結合母材的化學成分及力學性能，本次選擇了直徑1.2mm的ER2209焊絲作為焊接材料。如表1所示，為所選母材和焊材的各組化學成分，即質量分數（%）分布情況。

值得注意的是，此次試驗過程中，采取了搭接接頭模式，將氬氣（99.99%）作為保護氣體。具體的試驗操作要點如：（1）基于試驗工作開展之前，需針對待焊的母材的邊緣20mm范圍內區域做好打磨處理工作，進一步采取丙酮進行擦拭，然后進行烘干處理。（2）通過線切割機的使用，對適宜尺寸的試樣切取好，然后采取丙酮進行清洗，清洗干凈以后，對試樣進行鑲嵌處理;在試樣磨制過程中，需應用到400#-2000#的金相砂紙;在試樣拋光方面，則需采取拋光機進行處理。（3）試樣在精拋之后，其表面需采取王水腐蝕劑進行腐蝕處理，該腐蝕劑由硝酸與鹽酸以3：1的比例配制而成;腐蝕處理之后，再采取酒精清洗試樣，清洗干凈之后吹干。（4）利用OLYMPUS-DSX510光學顯微鏡，對試樣的微觀組織進行仔細觀察;進一步通過HV-1000DT硬度測量儀的應用，分析試樣的顯微硬度，將加載荷載控制在2N，將加載時間控制在10s。

3 自動焊工藝技術實施的效果分析

本次試驗采取以上自動焊工藝技術，和傳統的TIG焊方法比較，效果明顯更加理想，下面重點從“熱絲電流對熔敷效率的影響”、“熱絲電流對焊縫成形的影響”以及“熱絲TIG焊對絎縫組織及力學性能的影響”三方面進行分析，以了解自動焊工藝技術實施的效果，具體內容如下。

3.1 熱絲TIG焊對絎縫組織及力學性能的影響分析

熱絲TIG焊和傳統的TIG焊比較，存在較大的優勢，即通過對焊絲預熱，使熱輸入增大，使熔化速度提升，進一步使生產效率提升。本次試驗主要在對其他焊接工藝參數不變進行控制的條件下，對平板堆焊過程中，熱絲電流對焊絲熔敷效率的影響進行分析。將試驗期間焊接電流控制在130A，將焊接速度控制在每分鐘125mm，將電弧電壓控制在11V，熱絲電流則從10A慢慢擴增到120A，進一步對焊絲的熔敷效率進行檢測。考慮到試驗結果的精準，每一組試驗均需進行3次測量，并將帶誤差棒的試驗表格繪制出來。

試驗結果表明：在焊接電流及電弧電壓不變的條件下，在熱絲電流不斷變大的情況下，焊絲的熔敷效率呈現逐步提升，達到峰值后則呈下降勢態;究其原因，是因為在熱絲電流變高的情況下，電阻熱變大，使焊絲熔化加速。在熱絲電流變大到80A的情況下，隨熱絲電流的變大，焊絲熔化的速度提升幅度減弱;究其原因，是因為在送絲速度提升的條件下，焊絲預熱溫度和預熱電流之間的關聯性變緩[3]。此外，在熱絲電流增大到120A的情況下，焊絲的預熱溫度比焊絲的熔點高，焊絲沒有送至熔池就被熔化，導致焊絲沒有辦法正常地送至熔池。

3.2 熱絲電流對焊縫成形的影響分析

在分析研究熱絲電流對焊縫成形的影響過程中，本次主要對其他焊接工藝參數控制不變，只對熱絲電流進行改變，進一步對平板堆焊過程中，熱絲電流對焊縫成形所產生的影響。結合上述研究獲取的數據，進一步將焊接電流設置為130A，將焊接速度設置為每分鐘125mm，將電弧電壓設置為11V，將送絲速度設置為每分鐘1500mm，熱絲電流則從40A慢慢增加到100A，進一步對焊縫的熔寬及余高進行分別檢測。

試驗結果表明：在熱絲電流不斷變大的情況下，焊縫的余高呈現逐漸變小的勢態，但焊縫熔寬則呈現逐漸變大的勢態;由此可得，熱絲電流對焊縫金屬的鋪展具備促進作用。

3.3 熱絲TIG焊對絎縫組織及力學性能的影響分析

結合上述試驗分析，可知添加熱絲電流，能夠使焊絲的熔敷效率得到有效提升，進一步使焊縫成形得到有效改善。值得注意的是，熱絲TIG焊和普通的TIG焊比較，在焊縫組織及力學性能方面，均更理想[4]。采取熱絲TIG焊工藝，送絲速度為1500mm/s，熱絲電流為100A，電弧電壓為11V，焊接速度為130mm/min，然后進行模擬核電站水池不銹鋼板的搭接試驗，結果顯示，和普通的TIG焊比較，熱絲TIG焊工藝的優勢體現在。

（1）焊縫微觀組織優勢：基于焊縫微觀組織層面分析，熱絲TIG焊的塊狀及柱狀奧氏體尺寸及數量均顯著降低，微小的等軸奧氏體數量則明顯增加，同時鐵素體數量降低，焊縫微觀組織顯得更具均勻性。（2）焊縫組織優勢：雙相不銹鋼的使用，使鐵素體轉變為奧氏體的速度加快。同時，和普通的TIG焊比較，熱絲TIG焊經熱絲電流實現對焊絲的預熱，使焊接電流變小，使焊縫熱輸入下降，進一步讓焊縫組織顯得更加細密及均勻。（3）顯微硬度優勢：熱絲TIG焊和普通的TIG焊比較，其硬度更高，這和熱絲TIG焊的焊縫組織更加細密及均勻密切相關。（4）抗拉強度優勢：熱絲TIG焊和普通的TIG焊比較，抗拉強度更高，本次實驗結果顯示熱絲TIG焊的抗拉強度為663.13MPa，普通TIG焊則為613.11MPa，經統計學軟件分析，兩者計數數據差異明顯，P<0.05，因此，熱絲TIG焊的抗拉強度具備明顯優勢。

4 結語

綜上所述，核電站不銹鋼水池熱絲自動焊工藝技術的應用非常重要，和普通的TIG焊工藝方法比較，熱絲TIG焊的優勢明顯，焊縫微觀組織更具均勻性，焊縫組織更加細密及均勻，顯微硬度更高，抗拉強度更高;這主要是因為熱絲TIG焊經熱絲電流實現對焊絲預熱，使焊接電流減小，進而使各方面的優勢體現出來。因此，需掌握核電站不銹鋼水池熱絲自動焊工藝技術，合理使用熱絲TIG焊，滿足核電站不銹鋼水池的日常工作需求，使核燃料處理效率提高，進一步提升核電站整體工作效率及質量。

參考文獻

[1] 齊欣.我國核電不銹鋼水池焊接工藝取得新突破[J].現代焊接，2013（1）：38.

[2] 楊興華.不銹鋼等離子弧自動焊工藝應用[J].焊接技術，2012（12）：26-29.

[3] 王麗，高軍松，吳道文.自動焊堆焊雙相不銹鋼2205工藝[J].焊接技術，2010（2）：61-63.

[4] 潘國偉，劉金平，許佳杰，王海東.核電站不銹鋼水池熱絲自動焊工藝研究[J].焊接技術，2018（7）：36-39.