窄間隙激光熱絲焊接在核用管道焊接的應(yīng)用研究

戴權(quán)， 曾超， 劉俊

（南華大學(xué)a.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

0 引言

核電站主管道是壓水堆核電站最關(guān)鍵的核安全Ⅰ級(jí)設(shè)備之一，主管道內(nèi)具有放射性的物質(zhì)，一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)對(duì)人類健康和自然生態(tài)環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的危害[1]。核電主管道具有管壁厚、現(xiàn)場(chǎng)焊接操作空間狹窄、高服役環(huán)境等特點(diǎn)。因此高質(zhì)焊接成為其焊接過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于厚壁管道焊接質(zhì)量直接決定其服役性能和壽命[2]。傳統(tǒng)的焊接技術(shù)不僅熱輸入量大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工周期長(zhǎng)、焊接效率低，而且由于過(guò)高的熱輸入常會(huì)出現(xiàn)熱裂紋、晶間腐蝕、焊接變形、晶粒粗大等焊接缺陷[3]。

本文首先介紹了幾種傳統(tǒng)的焊接方法，總結(jié)了這些傳統(tǒng)焊接方法的特點(diǎn)及不足。然后分析了窄間隙激光熱絲焊的國(guó)外、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀。最后通過(guò)分析窄間隙激光熱絲焊的技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，提出了窄間隙激光熱絲焊在核用管道焊接領(lǐng)域的發(fā)展方向，為核電發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

1 窄間隙焊的應(yīng)用

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，大口徑厚壁管道在核電應(yīng)用中越來(lái)越廣泛，對(duì)焊接技術(shù)要求也越來(lái)越高，通常來(lái)講，厚度越大，其材料、人力及經(jīng)濟(jì)效益也就越高，增大了預(yù)估成本，效率也大打折扣；傳統(tǒng)的焊接方法只能滿足最大厚度為3～9 mm，而現(xiàn)有的窄間隙焊接技術(shù)可以焊接500～600 mm厚且沒(méi)有任何技術(shù)障礙[4-5]，質(zhì)量也很可靠。窄間隙焊接是將傳統(tǒng)的焊接技術(shù)與窄間隙坡口結(jié)合起來(lái)的一種新型焊接技術(shù),是通過(guò)專門的裝置和控制技術(shù)而集成的一種新型焊接技術(shù)[6-8]。窄間隙坡口大大減少了焊縫填充量，提高了焊接效率，改善了焊接接頭的延遲裂紋、回火脆性、沖擊韌性等性能，成為一種高效 、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能的焊接方法[9-10]。

1.1 窄間隙MAG焊接

窄間隙MAG電弧焊（NGMAG）適用于焊接較厚板材，具有焊接效率高、焊接截面積窄、焊接線能量小及焊接接頭的沖擊韌性好等特點(diǎn)，可適用于高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼焊接要求[11]。窄間隙MAG焊可以很好地控制超厚板的焊接變形，但對(duì)焊接的過(guò)程控制和對(duì)焊接操作工的操作要求都十分嚴(yán)格。并且窄間隙MAG在焊接中容易出現(xiàn)側(cè)壁未熔合缺陷。

1.2 窄間隙TIG焊接

TIG焊具有焊接速度慢、焊接的熔深淺、熔覆效率低等劣勢(shì),導(dǎo)致TIG焊只適用于薄壁制件,影響了生產(chǎn)效率。窄間隙TIG焊是鎢極氬弧焊和窄間隙坡口結(jié)合的一種新型焊接技術(shù)。窄間隙TIG焊繼承了TIG焊的優(yōu)點(diǎn)，克服了TIG焊效率低的缺點(diǎn)，提高了熔覆效率和焊接速度，實(shí)現(xiàn)全位置、高效率、優(yōu)質(zhì)焊接[9]。

圖1 窄間隙焊分類

1.3 窄間隙TIG熱絲焊接

傳統(tǒng)TIG焊因其電極的載流能力比較小，電弧功率受到一些因素的限制，從而使得焊縫熔深淺、焊接速度小，尤其是焊接較厚的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)需要開(kāi)坡口并進(jìn)行多層堆焊焊接，因此使其在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。鎢極氬弧熱絲焊是在傳統(tǒng)鎢極氬弧焊的基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的一種優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的焊接技術(shù)[10]。其原理是通過(guò)加熱裝置對(duì)焊絲進(jìn)行加熱，這不僅降低了熔池的熱輸入量，并且提高了金屬焊絲的熔化速度，減少了母材的稀釋率，同時(shí)還增大了TIG焊焊接工藝方法的適應(yīng)性和應(yīng)用范圍。與窄間隙TIG焊相比，窄間隙TIG熱絲焊在側(cè)壁熔合和焊接接頭的抗裂性能方面有很大的優(yōu)勢(shì)，可用來(lái)焊接合金鋼、不銹鋼、有色合金鋼等厚壁件，但熔覆效率比較低。

1.4 窄間隙激光填絲焊接

在窄間隙TIG焊接過(guò)程中,電弧需要同時(shí)加熱坡口側(cè)壁和底部, 由于較窄的焊道間隙易造成焊道兩側(cè)壁熱輸入不足，從而導(dǎo)致側(cè)壁熔合不良[12-14]。窄間隙激光填絲焊具有焊接效率高、功率密度大、焊接深寬比大等特點(diǎn)，可以很好地解決TIG焊?jìng)?cè)壁融合不良問(wèn)題，但是對(duì)激光源的依賴較大。

1.5 窄間隙激光熱絲焊接

激光填絲焊接由于激光既要熔化母材又要熔化焊絲，因此焊絲融化效率比較低[15-16]。采用電阻加熱的方式對(duì)焊絲進(jìn)行預(yù)加熱，可以減小焊絲熔化對(duì)焊接熱源的依賴，可大幅度提高焊絲熔化效率[17]。但是由于窄間隙激光熱絲焊需要給焊絲加熱，需要額外增加一套焊絲加熱系統(tǒng)，因此導(dǎo)致焊接機(jī)構(gòu)系統(tǒng)比較復(fù)雜。

2 窄間隙激光熱絲焊國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由以上幾種窄間隙焊接技術(shù)可知，隨著工業(yè)不斷的發(fā)展，窄間隙焊接技術(shù)也不斷在發(fā)展，不斷地取長(zhǎng)補(bǔ)短，尤其在窄間隙激光焊接方面，目前引起了大量的國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。

窄間隙熱絲焊采用電阻加熱的方式對(duì)焊絲進(jìn)行預(yù)熱，減少焊絲熔化對(duì)熱源的依賴，可以提高熱敷效率；激光窄間隙焊接時(shí)，坡口側(cè)壁熔合主要是靠熔融金屬表面和坡口側(cè)壁構(gòu)成的激光反射。激光填絲焊接過(guò)程中，由于激光既要熔化母材，又要熔化焊絲，因此焊絲融化效率比較慢[15-16]。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

Kaplan等[18]利用窄間隙激光填充焊絲焊接技術(shù)焊接厚截面，結(jié)果表明，添加焊絲可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較厚的截面。特別對(duì)焊絲預(yù)熱時(shí)，不僅可以提高焊接效率，而且可以實(shí)現(xiàn)有利的潤(rùn)濕條件。M. Bambach等[19]用OSCARpltt公司研制的1.2 kW二極管激光頭對(duì)10 mm的不銹鋼板分別進(jìn)行粉末、冷絲和熱絲填充焊接。實(shí)驗(yàn)表明，在粉末加工過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何關(guān)鍵缺陷，但表面形貌和掃描電鏡分析表明，粉末可能受到污染；在冷熱絲工藝中，表面質(zhì)量相比粉末法提高了；熱絲與冷絲工藝相比，表面質(zhì)量和焊接速度均有所提高。Nasstrom等[20]通過(guò)散焦激光器加熱絲的焊接方法在NGMLW期間的局限性，使用高速成像直接觀察和解釋焊接過(guò)程行為，研究發(fā)現(xiàn)電弧是造成不穩(wěn)定的原因。Li等[21]對(duì)大型和重型結(jié)構(gòu)采用熱絲激光垂直焊接，表面張力傳遞方式可以有效地保證焊絲的預(yù)熱，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的焊接過(guò)程。

由以上可知，窄間隙填充熱絲焊接相對(duì)較厚的工件，與不加熱焊絲相比，不僅大大提高了焊接效率，而且在一定程度上提高了焊接質(zhì)量；對(duì)于大型的工件焊接采用熱絲激光垂直焊接，能夠使焊接更加穩(wěn)定，從而保證焊接質(zhì)量。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

清華大學(xué)溫鵬等[17]使用3000 W的IPGYLR-3000光纖激光器對(duì)厚度為10 mm的304奧氏體不銹鋼進(jìn)行Inconel600鎳基合金熱填絲預(yù)置坡口的窄間隙焊接；研究發(fā)現(xiàn)，堆焊絲進(jìn)行加熱處理后，不僅提高了送絲穩(wěn)定性，而且還提高了焊接熔覆效率。與傳統(tǒng)的激光深熔焊相比，不僅提高了焊接工作效率，而且大大提高了焊縫質(zhì)量,減小了氣孔的發(fā)生率[22]。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)徐國(guó)建等[23]采用窄間隙光纖激光填熱絲焊接代替了傳統(tǒng)的窄間隙TIG熱絲焊的方法，焊接20 mm厚的SUS304奧氏體不銹鋼，結(jié)果表明，焊接熱影響區(qū)域小、表面成形性良好、焊接接頭無(wú)焊接缺陷。

由以上可知，通過(guò)采用填充熱絲焊接不僅提高了送絲穩(wěn)定性，而且加快了激光熔覆效率，焊縫氣孔率也大大降低，熱影響區(qū)也減小。與冷絲焊接相比，表面成型性更好，焊接接頭質(zhì)量也更好。

3 窄間隙激光熱絲焊優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展前景

3.1 窄間隙激光熱絲焊優(yōu)缺點(diǎn)

通過(guò)對(duì)上述窄間隙熱絲焊技術(shù)的分析可以看出，僅僅使用激光焊技術(shù)容易造成焊接缺陷，增大預(yù)估成本，焊接效率低；因?yàn)榧す夂讣夹g(shù)自身缺陷問(wèn)題，其更適合焊接小口徑、薄壁的管道，而使用窄間隙激光熱絲焊接技術(shù)可以彌補(bǔ)激光焊技術(shù)的不足，因?yàn)槠浜附z自身作用在金屬表面并形成熔池能夠極大提升熱源利用率，提升焊接熔深。窄間隙激光熱絲焊技術(shù)的一些特點(diǎn)如表1所示。

表1 窄間隙激光熱絲焊技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

3.2 窄間隙激光熱絲焊發(fā)展前景

目前激光熱絲焊接研究領(lǐng)域主要集中在窄間隙板材方面，采用窄間隙激光熱絲焊主要是為了減小焊絲填充量、降低焊絲對(duì)激光源的依賴，保證母材能夠充分熔化吸收激光能量，同時(shí)還能夠提高焊接效率和焊接的穩(wěn)定性。但是，激光熱絲焊主要研究材料為板材，關(guān)于管道激光熱絲焊的研究相對(duì)較少，厚壁管道全位置窄間隙激光熱絲焊更為少見(jiàn)，亟需開(kāi)展厚壁核用管道激光熱絲焊方面的研究，為核用管道激光焊接進(jìn)一步奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

從手工焊到半自動(dòng)化焊再到如今的自動(dòng)化焊接，推動(dòng)焊接發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力就是提高焊接質(zhì)量和效率，窄間隙激光熱絲焊技術(shù)在很大程度上能夠提升焊接質(zhì)量和焊接效率。隨著焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，激光焊接技術(shù)逐漸應(yīng)用到不同的工業(yè)領(lǐng)域，窄間隙熱絲焊在大厚度焊接方面發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢(shì)。但是對(duì)于窄間隙激光熱絲焊而言，它還存在較大工業(yè)應(yīng)用難點(diǎn)，比如對(duì)于厚壁管道方面研究還不夠，對(duì)相關(guān)理論方面的研究也不夠成熟，因此還需要在此方面繼續(xù)發(fā)展新技術(shù)、拓展新思路。