核電站小徑管脈沖TIG全位置自動焊工藝及接頭性能研究

林磉熙，王浩政，王征，徐忠峰，楊佳

1.中核檢修有限公司海鹽分公司 浙江嘉興 314000

2.中國核工業二三建設有限公司 北京 101300

3.蘇州熱工研究院有限公司 江蘇蘇州 215004

1 序言

隨著我國核電機組建設的重啟，工程建設單位面臨著大量的安裝任務和更高的安裝標準。核電建設階段，核安全、質量為一切生產活動的前提，尤其是焊接質量決定著整個機組的運行安全和使用壽命。目前，國內除了核電主管道全部采用了窄間隙自動氬弧焊工藝外[1-3]，其他管道、儲罐、水池等設備的安裝所采用的焊接工藝仍為手工焊或半自動焊。

氬弧焊（TIG）具有保護效果好、飛濺小、電弧穩定、成形美觀及性能優良等特點，尤其是焊接熱輸入可以實現精準控制，因而在核電中小管道焊接中得到了普遍的應用。脈沖TIG焊通過控制峰值電流、基值電流、峰值送絲速度、基值送絲速度、峰值行走速度與基值行走速度等焊接參數，不僅可以實現管道的全位置焊接、焊縫高熔深，而且可以有效解決根部全焊透問題[4]。

隨著自動焊控制技術的發展和自動焊設備適應性的提高，脈沖TIG自動焊技術在核電安裝階段有一定的應用[5，6]，但是，在核電建設階段，由于被焊管件不能隨意轉動，焊接設備需要完成向下立焊、仰焊、向上立焊及平焊全位置的焊接；同時，由于空間位置的限制和對口精度的制約，導致焊接設備不便安裝或焊接成形不佳，影響了自動焊技術在現場的應用。

為了有效降低高水平焊工需求量、工程建設成本，提高建造質量、施工效率，緩解國內核電站批量化建設過程中工期壓力等問題，本文重點從坡口形式、鎢極-焊絲位置關系、組對要求、焊道布置及焊接參數等方面，對核電站小管脈沖TIG全位置自動焊工藝和性能進行了研究，為我國在建改進型百萬千瓦級核電站焊接質量的進一步提高，焊接工期進一步壓縮，以及核電建造成本的進一步降低起到積極貢獻。

2 試驗方法

2.1 試驗設備

核電小管自動焊設備選用蘇州熱工研究院公司生產的MODEL B全位置脈沖TIG自動管焊機，焊接機頭為卡夾式，徑向尺寸小于60mm，特別適合狹窄空間的焊接。通過安裝不同規格的軌道，可以焊接0.5～14in（1in=25.4mm）的管道。主控制器采用MODEL X控制器，具有遠程可視、脈沖送絲、脈沖行走、弧壓反饋、非正常焊接自動熄弧控制等功能，具有安裝簡單、過程可控、適用多位置焊接等優點。

焊接電源采用逆變脈沖（方波）直流電源，額定電流250A。一方面，可通過MODEL X控制系統對電流信號進行全面接管，實現焊接運動與焊接電弧輸出的脈沖同步一致，以實現焊接參數的輸出控制；另一方面，在特殊焊接應用環境下，能夠實現高頻（≥25kHz）及高電弧挺度功能。此外，還可由焊接電源一元化參數控制功能，與機頭運動功能進行配合使用。

2.2 試驗材料

采用A312 TP316L超低碳不銹鋼管作為試驗材料，規格為φ33.4mm×6.35mm、長度分別為150mm的兩段管材，化學成分見表1。根據母材的力學性能，選擇相應強度級別的焊接材料，以保證焊縫金屬強度、塑性和韌性等力學性能與母材的匹配，保證結構使用性能的要求。焊接材料選用AWS A5.9，ER316L，φ1.0mm，質量規格為1kg的盤裝焊絲，焊絲的化學成分見表2。

表1 A312 TP316L不銹鋼化學成分（質量分數）（%）

表2 ER316L焊絲化學成分（質量分數） （%）

2.3 坡口形式

對接焊坡口為帶鈍邊的V形坡口，采用車床或專用坡口機進行加工。加工表面不得有裂紋、分層、夾渣等缺陷，打磨坡口及兩側直至露出金屬光澤（焊縫打磨時要采用不銹鋼專用拋光輪），對坡口表面的凹坑和劃痕等不規則處必須打磨并圓滑過渡，在坡口組對前對坡口加工尺寸和表面進行100%PT檢測，I級合格，合格后方可進行組對。PT檢測按照RCC-M第Ⅲ卷MC4000的要求進行。

坡口形式如圖1所示，其中，鈍邊長度a=1.6～2.0mm，鈍邊厚度b=0.9～1.2mm，單邊坡口角度θ=12°～18°，間隙為0mm。

四是組織實施《全國抗旱規劃》?！度珖购狄巹潓嵤┓桨浮芬焉蠄髧鴦赵?，批復后將盡快組織實施。重點加強小型水庫工程、引調提水工程、抗旱應急備用井等抗旱應急水源工程建設，確保旱區居民基本生活用水，保障基本口糧田作物生長關鍵期的用水需求。在有條件的地區，大力推進抗旱重大骨干水源工程建設，逐步完善抗旱供水保障體系。

圖1 管道坡口形式

2.4 焊接參數

焊接方法采用全位置脈沖TIG焊，焊縫位置為5G，焊道布置如圖2所示，焊道1為根部焊道，焊道2、焊道3為填充焊道，焊道4為蓋面焊道。應按照焊接工藝規程要求對管道進行組對和焊接，試件焊接參數見表3。試件焊接過程中管道內部需進行充氬氣保護，同時對焊接層間和表面進行清理。氬氣純度為99.99%，正面流量為8～12L/min，背面流量為10～15L/min；層間溫度控制在150℃以下。

焊接完成后，對接頭進行無損檢測、熔敷金屬化學成分分析、宏觀與微觀組織觀察、室溫拉伸試驗以及彎曲性能試驗。

2.5 焊接工藝要點

鎢極夾角、鎢極-焊絲夾角、鎢極-焊絲距離及與管子的偏移距離等參數，直接關系到焊接過程的穩定、焊縫成形和焊接質量，因此合理調節這些參數是獲得滿意焊接質量的重要保證，各參數如圖3所示。

表3 焊接參數

圖3 鎢極-焊絲之間的位置

通過試驗確定以下參數：

1）α1=5°～25°，管件越薄，后傾角越大越好。

2）S1值未作特殊要求，只需保證惰性氣體保護效果即可。若管件壁厚較大，鎢針需要深入工件，噴嘴端部到管件2～5mm，以保證氣體的保護效果。

4）S3=10～15mm。焊前，手動送絲到鎢極正下方，焊絲端部距鎢極端約2mm，然后抽回到焊絲嘴處。

5）S4與α2數值只是一個參考量。實際焊接時，焊絲端部應進入到熔池前部后進行熔化，因此，焊前S4與α2可以不設定，只需滿足前述要求即可。應保證焊絲在送入熔池后熔化，觀察熔敷金屬量，不足時應加大送絲速度，反之，應減小送絲速度。

6）焊接過程中觀察熔池長度、形狀、弧光強度等，一般以熔池前段成橢圓形、綠光較為合適。熔池過大、過長時應減小焊接電流，反之，則增大焊接電流。

3 試驗結果

（1）無損檢測 按照RCC-M第Ⅲ卷MC7100規定進行目視檢測；焊縫表面檢查合格后，按照RCC-M第Ⅲ卷MC4000規定對焊縫進行PT檢測。滲透檢測合格后，按RCC-M第Ⅲ卷MC3300的規定對焊縫進行射線檢測。

目視檢查未發現焊縫有裂紋、未熔合、未焊透、焊瘤、咬邊、未填滿的弧坑、內側焊縫內凹、表面氣孔和夾渣等缺陷。滲透檢測和射線檢測都為I級合格。

（2）化學成分分析 按照RCC-M對熔敷金屬進行化學成分測試，見表4，熔敷金屬各元素成分滿足標準要求。

表4 熔敷金屬化學成分（質量分數） （%）

（3）焊接接頭微觀組織 按照標準NF-05-150和RCC-M MC1320進行取樣，浸蝕劑使用“王水”；在顯微鏡下觀察焊縫根部區域、熔敷金屬中心區域、熔合線、宏觀檢測顯示的可疑區，保證無顯微裂紋和影響接頭性能的析出相。

宏觀檢測未發現焊縫未熔合、未焊透、裂紋等缺陷，成形良好，各區域均未發現顯微裂紋及異常組織。圖4為焊縫微觀組織，基體為奧氏體，條狀為鐵素體，柱狀晶方向性非常明顯，顯示出焊縫組織結晶存在非常明顯的方向性。圖5為焊接接頭熔合線附近的微觀組織，焊縫、熔合線、熱影響區和母材連續排布，為一個完整、連續的組織形貌。熔合線清晰可見，附近熱影響區晶粒未粗化，整個熔合線附近的母材晶粒沒有顯著長大，熱影響區也并不明顯。圖6為管子母材微觀組織，基體為孿晶奧氏體和少量鐵素體。

圖4 焊縫微觀組織

圖5 焊接接頭熔合線附近組織

圖6 母材微觀組織

（4）室溫拉伸 按照標準NF EN 10002-1進行室溫拉伸試驗，取樣位置分別位于管道0°、90°、180°和270°；從表5可以看出，拉伸斷裂位置均位于母材，全位置脈沖TIG焊焊接接頭室溫下金屬力學性能優異，遠高于RCC-M（2007）要求值。

表5 焊接接頭拉伸性能

（5）彎曲試驗 按照標準NF EN 910進行彎曲試驗，驗收標準：RCC-M（2007），壓軸直徑為4a，支撐間距6.2a，彎曲角度為180°。標準要求反彈后彎曲角度≥120°，試驗結果要求沒有明顯的開裂，單個裂紋、表面氣孔和夾渣長度≤3 mm。試驗結果見表6，試樣面彎、背彎結果全部合格。

表6 焊接接頭彎曲試驗

4 結束語

通過采用全位置脈沖TIG自動焊工藝，對規格為φ33.4mm×6.35mm的A312 TP316L超低碳不銹鋼管進行焊接，試驗結果表明：

1）核電站小管全位置脈沖TIG自動焊工藝采用帶鈍邊V形坡口結構，以及調整鎢極-焊絲之間的相對距離，可以保證高質量的焊接，尤其是焊縫根部焊縫成形；無損檢測表明，焊縫沒有發現未熔合、未焊透、裂紋等缺陷，成形良好，各區域均未發現顯微裂紋及異常組織。

2）熔敷金屬各元素成分滿足標準要求。焊縫微觀組織的基體為奧氏體，條狀為鐵素體，柱狀晶方向性非常明顯，顯示出焊縫組織結構存在非常明顯的方向性。熔合線清晰可見，附近熱影響區晶粒未粗化，整個熔合線附近的母材晶粒沒有顯著長大，熱影響區也并不明顯。

3）室溫拉伸試驗表明，拉伸斷裂位置均位于母材，全位置脈沖TIG自動焊焊接接頭室溫下金屬力學性能優異，抗拉強度平均值達573MPa，遠高于RCC-M（2007）要求值。

4）彎曲試驗表明，試樣在任何方向未出現大于3mm的單個缺陷，試樣彎曲結果全部合格。