核電站薄板不銹鋼水池?zé)峤zTIG自動(dòng)焊應(yīng)用研究*

杜恒芳，李 政，王 雄，王 康，陳旭芳

(中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概況

某核電站不銹鋼水池屬于核質(zhì)保Q1級(jí)、核安全Ⅱ級(jí)的設(shè)備，對(duì)接帶墊板焊縫需進(jìn)行100%VT+100%LT+100%PT+100%RT探傷，焊接質(zhì)量要求嚴(yán)格。不銹鋼水池由底板、池壁、天花組成，包含IRWST水池、反應(yīng)堆水池、ASG水池、ASP水池、EHR水池、乏燃料水池、轉(zhuǎn)運(yùn)井、運(yùn)載井及準(zhǔn)備井等，水池材質(zhì)為022Cr19Ni10，池壁和天花厚4mm，池底厚6mm，坡口形式為V形，角度為單邊(30+2.5)°，組對(duì)間隙2～6mm，不銹鋼水池對(duì)接焊縫長(zhǎng)達(dá)13 000m，焊接工作量大，且薄板在焊接時(shí)易變形，質(zhì)量控制難度很大。

采用手工氬弧焊焊接打底焊縫，現(xiàn)場(chǎng)組裝焊縫時(shí)，覆面板與拍片槽墊板間易貼合不嚴(yán)密，干燒焊接熔化坡口底部后，進(jìn)一步加大覆面板與拍片槽貼合面間隙，熔化的鐵水沿間隙流入，但溫度不足以熔化覆面板底部母材，造成拍片射線底片有加寬的黑線，而此黑線與未熔合缺陷顯示類似，判定為未熔合缺陷。

該熱絲TIG激光跟蹤自動(dòng)焊由激光視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信及控制、焊接小車、焊接電源和擺動(dòng)送絲機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。打底焊道采用15 000Hz超級(jí)脈沖+擺動(dòng)焊接+熱絲+弧壓跟蹤+焊接前進(jìn)行激光示教的方式，保證焊接時(shí)實(shí)時(shí)跟蹤坡口變化和焊道直線度變化，并切換事先儲(chǔ)存的焊接JOB號(hào)調(diào)，調(diào)用適合的焊接參數(shù)完成焊接，電弧更精密、更聚弧、功率強(qiáng)度更密集，能加大均勻的熔深，減少熱影響區(qū)域，加大電弧壓力，有效連接拍片槽與覆面板，避免現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)時(shí)因覆面板與拍片槽貼合不嚴(yán)，導(dǎo)致射線底片出現(xiàn)黑線的未熔合缺陷。采用德國(guó)蕾姆電源，以獲得穩(wěn)定電弧，保證自動(dòng)焊打底、填充、蓋面焊接參數(shù)穩(wěn)定輸出，焊接過(guò)程連續(xù)，提高焊縫質(zhì)量。不銹鋼水池三維模型如圖1所示，其現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

圖1 不銹鋼水池三維模型

圖2 不銹鋼水池現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭節(jié)點(diǎn)

2 現(xiàn)場(chǎng)有間隙焊縫模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料、設(shè)備

覆面板與墊板(拍片槽)材質(zhì)均為022Cr19Ni10，抗拉強(qiáng)度Rm均≥490MPa，墊板使用φ1.2的大西洋焊絲ER308L，焊機(jī)型號(hào)為Inverting prodigtal 350DC。

2.2 有間隙模擬件制作

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)焊接經(jīng)驗(yàn)，在不銹鋼覆面板和拍片槽組對(duì)緊密的情況下，當(dāng)采用自動(dòng)焊進(jìn)行無(wú)填充、無(wú)擺動(dòng)工藝時(shí)，焊縫一般不出現(xiàn)未熔合等缺陷，但因現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，很難保證長(zhǎng)直焊縫貼合緊密、焊縫不出現(xiàn)未熔合缺陷。所以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，采用自動(dòng)焊工藝進(jìn)行有間隙焊縫模擬試驗(yàn)，并分析原因，提出解決辦法。

試驗(yàn)件施工流程如下：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，確定焊接工藝方案→根據(jù)質(zhì)量計(jì)劃，對(duì)鋼板下料→加工鋼板坡口→構(gòu)件組對(duì)，覆面板與墊板間隙為1.5，1.3mm→焊接覆面板，進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)→分析射線檢測(cè)結(jié)果→理化檢測(cè)。

參考BS3RXC25232DPZS42SD《內(nèi)環(huán)池-2.7m以下池壁鋼覆面焊接節(jié)點(diǎn)圖》中的W01焊接節(jié)點(diǎn)，結(jié)合覆面板與墊板貼合間隙，確定自動(dòng)焊TIG焊無(wú)填充、無(wú)擺動(dòng)的焊接工藝，構(gòu)件組對(duì)時(shí)要求焊縫一側(cè)間隙為1.5mm，另一側(cè)為1.3mm(見(jiàn)圖3)。

圖3 覆面板與墊板間隙

參與試驗(yàn)的人員需參加交底培訓(xùn)，完成后焊工按照模擬工藝參數(shù)焊接覆面板，模擬件編號(hào)為SYYJ-GG-001，工藝參數(shù)如表1所示。

表1 模擬件焊接工藝參數(shù)

打磨干凈試件兩側(cè)各50mm的區(qū)域，避免氧化物或夾雜物對(duì)焊接產(chǎn)生影響，進(jìn)行自動(dòng)焊時(shí)，風(fēng)速≤2m/s、環(huán)境濕度<90%，焊接前應(yīng)檢查所有工具、線路、電源開(kāi)關(guān)及接地是否良好，是否有松動(dòng)的零部件，嚴(yán)禁使用其他金屬絲代替開(kāi)關(guān)保險(xiǎn)絲，檢查標(biāo)定是否在有效期內(nèi)，不得使用沒(méi)有標(biāo)定和失效的工機(jī)具。焊接作業(yè)前必須了解現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，確保無(wú)易燃易爆的物品和氣體泄漏后才可進(jìn)行，焊接的弧光火花必須與氧氣瓶、燃油等易燃易爆物品保持適當(dāng)距離。

按照焊接參數(shù)焊接焊縫，焊縫成型良好，焊接后對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，VT，LT，PT檢測(cè)結(jié)果合格，RT檢測(cè)結(jié)果為1號(hào)片在88～99處存在2個(gè)氣孔，-15～95mm處未熔合；2號(hào)片在-100～85mm處未熔合，焊縫射線不合格，無(wú)損檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 無(wú)損檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

射線底片中有2條明顯的黑線(見(jiàn)圖4)，且黑線有一定寬度，與未熔合現(xiàn)象特征基本吻合，故無(wú)損檢測(cè)評(píng)定結(jié)果為焊縫未熔合缺陷。由于覆面板與墊板焊接時(shí)存在間隙(1.3，1.5mm)，分析焊縫未熔合缺陷主要是因?yàn)楦看嬖陂g隙，同時(shí)對(duì)射線缺陷進(jìn)行力學(xué)分析，研究缺陷對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。

圖4 試驗(yàn)焊縫射線底片影響

標(biāo)識(shí)焊縫無(wú)損檢測(cè)報(bào)告中的缺陷位置，有2處連續(xù)的未熔合缺陷，且在88，94mm處有超標(biāo)氣孔，為進(jìn)一步研究射線底片黑線對(duì)焊縫力學(xué)性能的影響，在缺陷位置切取試樣，進(jìn)行常溫拉伸、面彎、背彎、宏觀金相、微觀金相等理化試驗(yàn)，為有效辨別已有缺陷與底片黑線對(duì)焊縫性能影響的區(qū)別，將SYYJ-GG-001-2背彎試塊取88，94mm處超標(biāo)氣孔，其他試樣取其余底片黑線處進(jìn)行研究。

對(duì)選取的試樣進(jìn)行理化檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目及檢測(cè)依據(jù)與實(shí)際焊縫要求一致，理化報(bào)告顯示取自其余底片黑線處的常溫拉伸、面彎、背彎、宏觀金相、微觀金相試驗(yàn)滿足要求，結(jié)果為合格，同時(shí)宏觀金相未發(fā)現(xiàn)未焊透、未熔合及超過(guò)射線檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的氣孔，且無(wú)裂紋。而88，94mm處超標(biāo)氣孔存在5.1mm寬的開(kāi)口性缺陷，不合格。

3 模擬試驗(yàn)分析及改進(jìn)措施

3.1 模擬試驗(yàn)未熔合問(wèn)題分析

1)覆面板與墊板組對(duì)存在間隙時(shí)，焊縫表面成型良好，無(wú)損檢測(cè)VT，PT，LT結(jié)果合格，焊縫打底采用不加絲、無(wú)擺動(dòng)焊接方法時(shí)，RT底片顯示黑線影像(見(jiàn)圖5)。

圖5 焊縫截面(背后有間隙時(shí))

2)對(duì)RT底片存在黑線影像位置及超標(biāo)缺陷位置進(jìn)行理化試驗(yàn)，當(dāng)所取試樣僅在黑線位置(無(wú)其他缺陷)，理化試驗(yàn)結(jié)果滿足要求；當(dāng)所取試樣在黑線位置且有超標(biāo)氣孔缺陷時(shí)，理化試驗(yàn)結(jié)果不滿足要求。說(shuō)明射線底片有未熔合缺陷時(shí)，對(duì)焊縫力學(xué)性能影響不明顯或影響甚微，但有超標(biāo)缺陷的情況下，對(duì)焊縫力學(xué)性能影響較大，導(dǎo)致不合格。

3.2 模擬試驗(yàn)改進(jìn)措施

現(xiàn)場(chǎng)不銹鋼覆面板帶拍片槽對(duì)接焊接時(shí)，存在拍片槽安裝不平整、覆面板沿墻弧度安裝時(shí)變形、組對(duì)角度偏差、頂緊力不足等問(wèn)題，導(dǎo)致覆面板與墊板組對(duì)時(shí)存在一定間隙，難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的零間隙，需改進(jìn)焊接工藝，減少現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝或規(guī)避因環(huán)境因素導(dǎo)致的焊接缺陷，具體如下。

1)采用15 000Hz超級(jí)脈沖+擺動(dòng)焊接打底，電弧更精密、更聚弧、功率強(qiáng)度更密集，能加大均勻熔深，減小熱影響區(qū)域，加大電弧壓力，可有效連接拍片槽與覆面板。打底時(shí)增加擺動(dòng)功能，可將熔池內(nèi)的金屬母材兩側(cè)融化、填充間隙，避免在根部產(chǎn)生未熔合缺陷。

2)自動(dòng)焊采用激光視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)，可在焊接環(huán)境中實(shí)時(shí)提取焊接區(qū)域信息，如位置、間隙、錯(cuò)邊、面積、電弧、熔池、咬邊、余高等，以保證焊接質(zhì)量。

3)自動(dòng)焊采用弧壓跟蹤系統(tǒng)，可保證自動(dòng)焊接時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控弧壓，使均勻處于正?；合?，避免焊接時(shí)弧壓突變引起焊接質(zhì)量問(wèn)題。

4)自動(dòng)焊接時(shí)增加熱絲功能，可提前加熱焊絲，提高焊接效率。

5)改進(jìn)后的焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 改進(jìn)焊接工藝參數(shù)

4 改進(jìn)措施驗(yàn)證

依據(jù)改進(jìn)措施進(jìn)行焊接，確認(rèn)焊接工藝無(wú)問(wèn)題后，按照《RCC-M壓水堆核電站核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與建造規(guī)則》(2007版)和ISO 15614—7—2016《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評(píng)定》要求，進(jìn)行試件焊接、試樣檢驗(yàn)、性能測(cè)定驗(yàn)證，最終結(jié)果均滿足要求，檢測(cè)結(jié)果如表4～6所示。

表4 無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

表5 化學(xué)分析檢測(cè)結(jié)果 %

表6 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

5 自動(dòng)焊現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前制作1∶1的模擬件，并通過(guò)無(wú)損檢測(cè)(100%VT+100%LT+100%PT+100%RT)，驗(yàn)證該工藝在現(xiàn)場(chǎng)條件下是否滿足要求，模擬件完成后，按照實(shí)體焊縫施工流程執(zhí)行質(zhì)量開(kāi)啟計(jì)劃、焊接專項(xiàng)交底、焊接控制單，并在焊接時(shí)控制不銹鋼覆面板焊接變形。TIG自動(dòng)焊工藝在IRWST水池、反應(yīng)堆水池、ASG水池中優(yōu)先開(kāi)啟應(yīng)用。熱絲TIG激光跟蹤自動(dòng)焊IRWST水池焊縫如圖6所示。

圖6 熱絲TIG激光跟蹤自動(dòng)焊IRWST水池焊縫

6 結(jié)語(yǔ)

核電站薄板不銹鋼水池采用熱絲TIG自動(dòng)焊工藝，通過(guò)對(duì)核工藝進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究、模擬試驗(yàn)驗(yàn)證、工藝參數(shù)改進(jìn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證等措施，得到以下結(jié)論。

1)打底焊道采用15 000Hz超級(jí)脈沖+擺動(dòng)焊接工藝，可有效解決覆面板與拍片槽貼合不嚴(yán)密產(chǎn)生未熔合的問(wèn)題。

2)不銹鋼水池進(jìn)行TIG自動(dòng)焊時(shí)，采用弧壓跟蹤、激光跟蹤控制的方法，很大程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化焊接，操作簡(jiǎn)單，可減少對(duì)熟練焊工的依賴。

3)不銹鋼水池TIG自動(dòng)焊具有熱絲功能，可加速焊絲熔敷率，提高焊接效率。

4)蕾姆電源性能穩(wěn)定，可保證自動(dòng)焊打底、填充、蓋面的焊接參數(shù)穩(wěn)定輸出，使焊接過(guò)程連續(xù)，提高焊縫質(zhì)量。

5)現(xiàn)場(chǎng)使用熱絲TIG自動(dòng)焊的應(yīng)用效果良好，表明此工藝已具備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體焊接的能力，焊接質(zhì)量可靠，可大量推廣。