核電站主管道窄間隙TIG-激光電弧復(fù)合焊工藝探討

馮英超，張偉棟，李曉延

(1.核工業(yè)工程技術(shù)研究設(shè)計(jì)院，北京101601；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京100124)

核電站主管道窄間隙TIG-激光電弧復(fù)合焊工藝探討

馮英超1，張偉棟1，李曉延2

(1.核工業(yè)工程技術(shù)研究設(shè)計(jì)院，北京101601；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京100124)

闡述了主回路管道窄間隙自動(dòng)焊的特點(diǎn)及需要改進(jìn)的地方，并分析了TIG－激光復(fù)合焊工藝的技術(shù)特點(diǎn)；詳細(xì)論述了TIG－激光復(fù)合焊工藝在核電站主回路管道的可行性，在研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)方面做了重點(diǎn)的分析；并對(duì)此項(xiàng)工藝在核電站主回路管道的應(yīng)用前景進(jìn)行了說明。窄間隙TIG－激光電弧復(fù)合焊工藝適合于核電站主回路管道的焊接，對(duì)核電站主回路管道的質(zhì)量控制及保障、焊接效率的提高等方面有很大的幫助。

核電站；主管道；TIG－激光復(fù)合焊；工藝

0 前言

核電站主回路管道是規(guī)格(管徑、壁厚等，以U、I形焊口為例，其規(guī)格為φ 976×95.7 mm)最大、級(jí)別最高(RCC－M 1級(jí))、質(zhì)量要求最為嚴(yán)格的管道，在核電站中具有舉足輕重的地位。從2005年開始，核工業(yè)工程技術(shù)研究設(shè)計(jì)院焊接研究所就開展了窄間隙TIG全位置自動(dòng)焊的研究并取得了較為理想的效果，試驗(yàn)證明：采用此項(xiàng)工藝，可以在一定程度上保障焊接質(zhì)量。但是在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，如何提高效率、促進(jìn)質(zhì)量生成及控制體系成為了一個(gè)急需解決的問題，針對(duì)核電站主回路管道開展激光－電弧復(fù)合焊的研究具有重要意義。

1 研究背景

核工業(yè)工程技術(shù)研究設(shè)計(jì)院焊接研究所開展的“核電站主回路管道窄間隙自動(dòng)焊”技術(shù)已經(jīng)在寧德、福清兩個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行模擬試驗(yàn)，并陸續(xù)應(yīng)用于方家山、紅沿河、陽江以及后續(xù)開工的核電站項(xiàng)目。通過在實(shí)驗(yàn)室及項(xiàng)目車間的試驗(yàn)可以看出：

(1)焊接過程的調(diào)節(jié)需深入研究。由于管道坡口加工、坡口組對(duì)、導(dǎo)軌安裝等因素的影響，有時(shí)焊槍與焊縫中心不在一個(gè)平面，需要根據(jù)視頻進(jìn)行調(diào)節(jié)，而調(diào)節(jié)往往具有滯后性，所以對(duì)焊接質(zhì)量的控制及保障存在一定的不足，需要開展深入研究。

(2)焊接效率有待進(jìn)一步提高。目前，TIG窄間隙自動(dòng)焊采用的為冷絲TIG，焊接效率較低(送絲速度約為1 600 mm／min)。與手工焊相比，主管道窄間隙自動(dòng)焊技術(shù)能有效的提高焊接效率，但是在核電大發(fā)展及核電站安裝施工周期壓縮的大環(huán)境下，焊接效率還需要進(jìn)一步提高。

(3)質(zhì)量控制體系需要進(jìn)一步加強(qiáng)。焊接質(zhì)量問題在窄間隙自動(dòng)焊中主要是指兩壁未熔合，究其原因是焊接過程中焊槍未擺動(dòng)，而管道的壁厚較大，若施工條件較差或操作不合理，則容易產(chǎn)生未熔合缺陷。

TIG－激光電弧復(fù)合焊是激光與電弧共同作用于熔池，焊接過程中，激光與電弧之間存在相互作用和能量的耦合，也就是通常所說的激光電弧復(fù)合熱源焊接——激光與電弧相互作用形成的一種增強(qiáng)適應(yīng)性的焊接方法，它避免了單一焊接的缺點(diǎn)和不足，具有提高能量、增大熔深、穩(wěn)定焊接過程、降低裝配條件、改善融化金屬與母材潤濕性、消除焊縫咬邊現(xiàn)象、提高焊接生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)。

2 研究內(nèi)容

2.1 主管道激光電弧復(fù)合焊側(cè)壁熔合機(jī)理及工藝優(yōu)化

在主管道窄間隙焊接時(shí)，坡口一般窄而深，焊接電弧幾乎與坡口側(cè)面平行，導(dǎo)致側(cè)壁加熱不良，焊接填充材料與側(cè)壁母材的均勻熔合不易保證，這一問題在低線能量焊接時(shí)尤為突出。采用激光－電弧復(fù)合熱源焊接，激光作用于工件時(shí)將產(chǎn)生金屬蒸氣，易于電離形成帶電粒子，可降低電弧經(jīng)過該路徑時(shí)的電阻，使得電弧被吸引到激光與工件的作用點(diǎn)處。利用激光的這種誘導(dǎo)效應(yīng)，首先將激光投射到待焊坡口間隙的側(cè)壁邊緣，使其誘導(dǎo)電弧在側(cè)壁和焊炬電極間燃燒，有望消除常規(guī)窄間隙焊接時(shí)的側(cè)壁不良熔合問題?？梢匝芯咳缦路矫妫?/p>

(1)激光與電弧的交互作用及其對(duì)電弧穩(wěn)定性的影響。主要研究內(nèi)容包括：a.激光－電弧復(fù)合熱源的電弧形態(tài)；b.激光誘導(dǎo)對(duì)電弧形態(tài)影響的規(guī)律；c.工藝參數(shù)對(duì)激光－電弧復(fù)合窄間隙焊接電弧形態(tài)的影響規(guī)律；d.通過激光誘導(dǎo)調(diào)整電弧形態(tài)的工藝方法。

(2)激光－電弧復(fù)合熱源模型及主管道窄間隙焊接溫度場(chǎng)分布。主要研究內(nèi)容包括：a.窄間隙焊接條件下電弧移動(dòng)熱源與激光移動(dòng)熱源的疊加熱源模型構(gòu)造理論和方法；b.激光－電弧多層多道窄間隙焊接三維溫度場(chǎng)數(shù)值模擬；c.工藝參數(shù)對(duì)激光電弧多層多道窄間隙焊接三維溫度場(chǎng)分布的影響規(guī)律；d.激光－電弧多層多道窄間隙焊接三維溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)方法。

(3)激光－電弧復(fù)合焊熔池流體流動(dòng)規(guī)律。

主要通過數(shù)值模擬研究，包括：a.激光－電弧復(fù)合熱源對(duì)窄間隙焊接熔池流體流動(dòng)行為的影響；b.工藝參數(shù)對(duì)激光－電弧復(fù)合窄間隙焊接熔池流動(dòng)行為的影響規(guī)律；c.激光－電弧復(fù)合道窄間隙焊接熔池形狀與尺寸的預(yù)測(cè)方法。

(4)激光電弧參數(shù)對(duì)主管道窄間隙焊接側(cè)壁熔合行為的影響規(guī)律。主要包括：a.激光誘導(dǎo)對(duì)窄間隙焊接側(cè)壁熔化區(qū)流體流動(dòng)方向和流動(dòng)速率的影響；b.工藝參數(shù)對(duì)激光－電弧復(fù)合窄間隙焊接側(cè)壁熔化區(qū)流動(dòng)行為的影響規(guī)律；c.激光－電弧復(fù)合道窄間隙焊接側(cè)壁熔合區(qū)形狀與尺寸的預(yù)測(cè)方法。

2.2 主管道激光－電弧復(fù)合焊變形預(yù)測(cè)及控制

(1)激光－電弧復(fù)合焊變形數(shù)值模擬方法。

擬通過熱彈塑性有限元數(shù)值模擬方法，研究激光－電弧復(fù)合熱源作用下主管道窄間隙多層多道焊試件軸向、徑向和周向變形的演變和殘余變形。

(2)激光－電弧復(fù)合焊接工藝參數(shù)對(duì)厚壁核試件窄間隙焊接變形的影響規(guī)律。

a.研究激光－電弧復(fù)合焊工藝參數(shù)變化對(duì)試件軸向、徑向和周向變形的演變和殘余變形的影響規(guī)律。

b.研究試件坡口形狀與尺寸變化對(duì)試件軸向、徑向和周向變形的演變和殘余變形的影響規(guī)律。

(3)控制主管道激光－電弧復(fù)合焊接變形的方法研究通過調(diào)整激光－電弧復(fù)合焊接工藝參數(shù)、試件坡口形狀與尺寸等減小殘余變形的方法。

2.3 主管道激光－電弧復(fù)合焊殘余應(yīng)力形成機(jī)理及調(diào)整

(1)主管道激光－電弧復(fù)合焊殘余應(yīng)力分布的測(cè)量及數(shù)值模擬方法。研究內(nèi)容包括：a.試件焊縫及熱影響區(qū)三維殘余應(yīng)力分布的測(cè)量方法；b.激光－電弧復(fù)合焊接時(shí)環(huán)焊縫及熱影響區(qū)三維殘余應(yīng)力分布的數(shù)值模擬方法。

(2)激光－電弧復(fù)合焊接工藝參數(shù)對(duì)主管道窄間隙焊接殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律。包括：a.研究激光－電弧復(fù)合焊工藝參數(shù)變化對(duì)三維殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律；b.研究試件坡口形狀與尺寸變化對(duì)三維殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律；c.控制主管道激光－電弧復(fù)合焊接殘余應(yīng)力分布的方法。

(3)研究通過調(diào)整激光－電弧復(fù)合焊接工藝參數(shù)、試件坡口形狀與尺寸等減小殘余變形的方法。

2.4 主管道激光－電弧復(fù)合焊工藝優(yōu)化及評(píng)價(jià)

通過研究激光－電弧復(fù)合焊工藝參數(shù)與接頭性能和缺陷生成的相關(guān)性，提出評(píng)價(jià)焊接工藝的科學(xué)方法。研究內(nèi)容主要包括：(1)激光－電弧復(fù)合焊工藝參數(shù)與接頭性能的相關(guān)性；(2)主管道激光－電弧復(fù)合焊接頭缺陷檢測(cè)方法；(3)主管道激光－電弧復(fù)合焊工藝評(píng)定方法；(4)接頭焊接質(zhì)量鑒定試驗(yàn)件。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

針對(duì)主管道激光－電弧復(fù)合焊接工藝，首先是要確定應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)和焊接基本狀況，同時(shí)對(duì)激光－電弧復(fù)合焊接工藝進(jìn)行科學(xué)、有效的分析(主要包括：激光對(duì)電弧的誘導(dǎo)及控制技術(shù)、激光功率與電弧能量的匹配及調(diào)控技術(shù)、激光－電弧復(fù)合熱源的系統(tǒng)集成技術(shù))，針對(duì)應(yīng)用目標(biāo)，開展窄間隙自動(dòng)焊以及激光－電弧復(fù)合焊接工藝，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析并確定評(píng)價(jià)體系(激光－電弧復(fù)合焊工藝評(píng)價(jià)技術(shù))，并對(duì)激光－電弧復(fù)合焊接工藝進(jìn)行進(jìn)一步分析、優(yōu)化，最后確定應(yīng)用的激光－電弧復(fù)合焊接工藝體系。

3.1 激光對(duì)電弧的誘導(dǎo)及控制技術(shù)

(1)主管道窄間隙焊接的主要問題之一是側(cè)壁熔合不良。為解決這一問題，采用激光誘導(dǎo)電弧，為此，應(yīng)首先確保激光誘導(dǎo)的有效性，并同時(shí)確保其可控性。

(2)為確保激光對(duì)電弧誘導(dǎo)的有效性，必須確保激光在電弧氣氛中能夠激發(fā)出足夠的易于電離的金屬蒸氣，以便在電弧電極與激光投射點(diǎn)之間形成新的電弧通路。為此，在研究激光－電弧復(fù)合窄間隙焊接機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化激光束與電弧電極的距離與角度來實(shí)現(xiàn)激光對(duì)電弧的有效誘導(dǎo)。

(3)在主管道窄間隙激光－電弧復(fù)合焊接中，除了要解決側(cè)壁熔合問題外，還要利用激光與電弧復(fù)合的優(yōu)勢(shì)提高熔深和焊接效率，這就要求對(duì)激光誘導(dǎo)電弧可控調(diào)節(jié)。通過對(duì)焊接路徑規(guī)劃的研究來實(shí)現(xiàn)激光誘導(dǎo)電弧的可控調(diào)節(jié)。

3.2 激光功率與電弧能量的匹配及調(diào)控技術(shù)

在主管道窄間隙焊接中采用激光－電弧復(fù)合技術(shù)的目的在于改善側(cè)壁熔合、提高焊接效率、改善熱影響區(qū)組織和接頭性能，這些均依賴于激光功率和電弧能能量的合理匹配。

(1)在熔池形態(tài)數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，確定獲得理想焊縫形狀的激光功率與電弧能量的匹配比值。

(2)在焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上確定獲得力學(xué)熱影響區(qū)組織的激光功率與電弧能量的匹配比值。

(3)根據(jù)上述研究，確定獲得最優(yōu)焊縫形狀和熱影響區(qū)組織的激光功率與電弧能量的匹配。

(4)依據(jù)不同壁厚、不同坡口形式和尺寸的試件焊接時(shí)所確定的最佳激光功率和電弧能量的匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光功率和電弧能量匹配的調(diào)控。

3.3 激光－電弧復(fù)合熱源的系統(tǒng)集成技術(shù)

在主管道窄間隙焊接中，對(duì)激光－電弧復(fù)合熱源的要求是：激光功率和電弧能量分別可調(diào)，焊炬姿態(tài)可調(diào)，焊炬小型化。為此，設(shè)計(jì)小型化的旁軸復(fù)合系統(tǒng)、能量控制系統(tǒng)、姿態(tài)條件系統(tǒng)是本項(xiàng)研究的關(guān)鍵之一。

3.4 激光－電弧復(fù)合焊工藝評(píng)價(jià)技術(shù)

評(píng)價(jià)激光－電弧復(fù)合焊工藝的依據(jù)主要是：焊縫及熱影響區(qū)無不良組織，焊縫及熱影響區(qū)無焊接缺陷，接頭力學(xué)性能(強(qiáng)度、韌性)滿足要求，試件焊接變形小，殘余應(yīng)力小等。這些指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)是本項(xiàng)研究的關(guān)鍵之一。

4 結(jié)論

將TIG－激光電弧復(fù)合焊工藝應(yīng)用于核電站主管道的焊接，將會(huì)取得一系列成果：

(1)為核電站的推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)，使得窄間隙自動(dòng)焊技術(shù)更為成熟、有效。

(2)解決了一定的技術(shù)難題，如焊接調(diào)節(jié)的滯后性對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

(3)激光與焊接電弧的作用體系中，雙熱源的空間配置和焊接工藝規(guī)范參數(shù)的良好匹配、優(yōu)化使得復(fù)合熱源焊縫成形和接頭質(zhì)量很高，從而大幅度提高焊接質(zhì)量；同時(shí)也能有效的預(yù)防及消除兩壁未融合的缺陷，也使得焊接質(zhì)量進(jìn)一步得到保障。

(4)大幅度提高焊接生產(chǎn)效率，主要體現(xiàn)為對(duì)缺陷的有效預(yù)測(cè)、控制及消除，以及焊接層數(shù)的減少。

(5)具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，主要體現(xiàn)為施工周期壓縮所帶來的間接收益。

圖1 激光輻射警告標(biāo)志

表2 激光輻射警告標(biāo)志的幾何尺寸／mm

(7)維修人員必須定期檢查激光器中的電容器、變壓器等電路組件，并做必要的更新，避免過渡使用而爆裂，造成擊傷、失火、短路等事故。

(8)設(shè)備必須有可靠的接地或接零裝置，絕緣應(yīng)良好，不可超載使用。

(9)對(duì)低溫冷劑或壓縮氣體的容器應(yīng)定期檢測(cè)，并按安全規(guī)定放置。

(10)工作場(chǎng)所應(yīng)有功能完善的局部抽氣排煙設(shè)備，煙氣排出之前應(yīng)妥善過濾。

(11)激發(fā)激光用的強(qiáng)閃光燈、充有介質(zhì)的氣體管或等離子體管等，應(yīng)有堅(jiān)固的防護(hù)罩，防止受撞擊而爆裂，并應(yīng)防止摔落。

2.2 個(gè)人防護(hù)安全技術(shù)

(1)作業(yè)前顯示指示燈，通知操作人員做好防護(hù)。

(2)作業(yè)時(shí)必須雙人作業(yè)，一人操作一人監(jiān)護(hù)。

(3)激光器運(yùn)行過程中，任何時(shí)候不得直視主射束。

(4)作業(yè)過程中如發(fā)現(xiàn)眼睛視物異常，應(yīng)立即到醫(yī)療部門進(jìn)行視力檢查和治療。

(5)加強(qiáng)個(gè)人防護(hù)。即使激光加工系統(tǒng)被完全封閉，工作人員亦有接觸意外反射激光或散射激光的可能性，所以個(gè)人防護(hù)不能忽視。個(gè)人防護(hù)主要使用以下器材和防護(hù)品：

a.激光防護(hù)眼鏡。最重要的部分是濾光片(有時(shí)是濾光片組合件)，它能選擇性地衰減特定波長的激光，并盡可能地透過非防護(hù)波段的可見輻射。激光防護(hù)眼鏡有普通型、防側(cè)光型和半防側(cè)光型等幾種。

b.激光防護(hù)面罩。實(shí)際上是帶有激光防護(hù)眼鏡的面盔，主要用于防紫外線和激光。

c.激光防護(hù)手套。工作人員的雙手最容易受到過量的激光照射，特別是高功率、高能量激光的意外照射，對(duì)雙手的威脅很大。

d.激光防護(hù)服。防護(hù)服由耐火及耐熱材料制成，是一種反射較強(qiáng)的白色防護(hù)服。

(6)對(duì)操作人員進(jìn)行安全培訓(xùn)。

3 結(jié)論

激光焊接與切割的危害性與其他的焊接方法有共同之處，也有其獨(dú)特性。從事激光焊接與切割的作業(yè)人員不僅要掌握常規(guī)焊接與切割的防火、防爆、防輻射、防中毒、防觸電、防灼傷等防護(hù)措施，還要掌握激光焊接與切割設(shè)備自身的使用安全技術(shù)，只有這樣才能防止和減少傷亡事故，保護(hù)從業(yè)人員自己和他人的安全與健康，才能保障安全生產(chǎn)和國家財(cái)產(chǎn)免受損失。

Discussion of narrow gap TIG－Laser welding procedure for main primary system pipes in nuclear power plant

FENG Ying-chao1，ZAHNG Wei-dong1，LI Xiao-yan2
(1.Nuclear Engineering Research and Design Institute，Beijing 101601；2.Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Installation of main primary system pipes plays an important part in nuclear power plant construction，narrow gap TIG automatic welding procedure will be used in main primary system pipes installation.Firstly，this article introduces the factor and shortage of this procedure,and makes an analysis about TIG－Laser welding hybrid welding procedure.Secondly，this article makes a brief discussion about the feasibility of TIG－Laser welding hybrid welding procedure using in main primary system pipes installation，the key points are research contents and key procedure analysis.Lastly，this article makes an analysis about the prospect of this TIGLaser hybrid welding procedure used in main primary system pipes installation.From what have mentioned above，this article makes sure that TIG－Laser hybrid welding procedure is good at main primary system pipes welding and will have good future in quality control and insurance，improvement of welding efficiency.

nuclear power plant；main primary system pipes；TIG－Laser welding hybrid welding；procedure

book=91,ebook=295

TG456.7

A

1001－2303(2010)11－0091－03

2010－09－21

馮英超(1982—)，男，河北石家莊人，工程師，學(xué)士，主要從事核電站安裝焊接工藝的工作。