氩电联焊工艺在核电产品中的应用

都婧婧+修延飞+刘楠

摘 要：AP1000核电站机械模块的钢结构及碳钢管道单面焊接一般采用氩电联焊工艺。在AP1000核电产品的焊接中通过选用合适的焊接材料、焊接工艺参数并控制线能量和层间温度，所得到的焊接接头的力学性能符合标准的要求，验证了氩电联焊工艺的可行性和有效性。氩电联焊工艺效益明显，大大减少返修率，提高一次合格率和生产率。

关键词：AP1000核电；氩电联焊；优势；焊接性能

中图分类号：P755 文献标识码：A

核电产业是高技术产业，尤其是AP1000核电产品的钢制安全壳、结构模块、机械模块等是核电产品重要的安全保证。我公司在核电产品的制造中有着较强的技术优势，其中设备（如泵、热交换器、风机、空调和过滤器等）与所连接管道、阀、风管、桥架、仪表、电缆和支撑等一起固定在共用的钢结构框架中，构成机械模块。机械模块可预装成一个单元并便于作为整体安装在核电厂特定区域内。机械模块设计和制造有钢结构支撑框架，以形成永久性支撑结构。

机械模块中钢结构框架的焊接为首要环节。钢结构框架的焊接主要以熔化极气体保护焊（又称GMAW）和手工电弧焊（又称SMAW）为主，大多采用熔化极气体保护焊，该种焊接方法的优点是高效、优质、低耗，个别部位由于焊接空间受限，焊枪无法深入，采用手工电弧焊焊接。但还有一些特殊位置，焊接形式为全熔透对接焊缝，由于位置受限无法加垫板也无法清根，若采用GMAW或SMAW，极易产生未熔合、焊瘤、夹渣、气孔等焊接缺陷，后期会产生大量返修。为了实现单面焊双面成型，保证防止后期返修，提高一次合格率和生产率，采用氩—电联焊焊接工艺。氩—电联焊焊接工艺是指采用钨极氩弧焊打底，手工电弧焊焊接层间和盖面的工艺。在机械模块管道的焊接中，对于超过一定厚度的碳钢管道也采用氩—电联焊焊接工艺。

1.氩弧焊的特点

氩弧焊是气体保护焊的一种，氩弧焊焊接时不会像一般焊接时会产生较为严重的飞溅现象，且氩弧焊焊接对于母材的金属元素损伤较小且焊缝质量较高。在氩弧焊焊接时，由于氩气这一惰性气体的存在会在焊接点的周边形成气体保护层，从而避免了焊接时气孔现象的产生，提高了氩弧焊的焊接质量，且氩弧焊焊接时热影响区窄，焊件变形小。

2.采用氩—电联焊工艺的原理

采用钨极氩弧焊进行打底焊接，氩弧焊的焊接材料费用要高于普通手弧焊，表面上看采用氩弧焊打底会增加工程成本，但相较于普通的手弧焊，使用氩弧焊进行打底焊接质量要高，避免了因焊接缺陷导致返工而造成的浪费，在对AP1000核电产品进行焊接时，采用氩电联焊的焊接方式能够在确保焊接质量的同时有效地降低焊接的成本。采用氩电联焊的焊接工艺，在焊接时通过选用合适的焊丝、钨极、焊接工艺参数及纯度符合要求的保护气体，将会确保AP1000核电产品在焊接后焊缝的根部得到较为良好的融合，不易出现一般手工电弧焊所较为常见的焊接缺陷。在对焊缝进行质量检测时，采用氩电联焊工艺焊接的产品质量要远远高于手工电弧焊的焊接质量。氩电联焊选用氩弧焊进行焊接打底，氩弧焊采用的连续焊接方式，由于有氩气的保护无需清渣。在焊接时通过试验研究表明，采用氩电联焊焊接工艺的焊接效益要高出手工电弧焊约2～4倍，且焊口成型好。在同等情况下更容易获得良好的焊接质量。

而填充和盖面焊接不采用氬弧焊而采用手工电弧焊是因为氩弧焊焊缝厚度较浅，熔敷速度小。与手工电弧焊相比，生产率较低；另外氩气（Ar）较贵，其成本较高，不够经济。故仅采用氩弧焊进行打底焊接，填充和盖面则采用手工电弧焊。

3.氩—电联焊工艺的焊接性能

为了进一步验证氩—电联焊工艺的焊接性能，以国标GB/T 1591材料Q345B为母材、美标材料ER70S-6和E7018为焊接材料、纯氩（纯氩99.99%）为保护气体进行焊接试验。

3.1 焊前清理

TIG焊极易受到金属表面的污染的影响，因此在焊接前必须要对工件的金属表面进行一定的清理，将工件表面上所含有的油污、氧化膜等进行清除。在清除时多采用给的是机械清除法，主要使用砂轮、纱布等对金属表面的氧化物进行物理性的去除，确保工件表面的光洁性。

3.2 电源种类与极性

在采用氩电联焊工艺时，对于打底的氩弧焊，主要采用的是直流正接法以避免钨极由于电流过大而烧毁。此外，采用直流反接法能够有效地提高氩电联焊工艺的焊接速度。

3.3 焊接工艺参数

评定试件采用V型坡口对接形式，焊接位置为3G，母材厚度为14mm，预热温度最低为10℃，层间温度最高为140℃。

应选择合适的电流，避免电流过大或是过小，过大则容易将焊接工件的底层烧穿，而过小而不易将焊缝融合。具体焊接参数见表1。

3.4 焊接操作

氩弧焊打底操作的关键点如下：

（1）在氩弧焊焊接时要注意控制好焊接电弧的长度，以确保弧长能够获得良好的保护效果，避免焊缝的接头质量。

（2）在焊接时要适时的对焊枪的角度进行一定的调整。

（3）要处理好填丝角度和填充位置。填丝时端头要一直保持在保护气的范围内，避免焊丝被空气养化影响焊接的质量。此外，填丝时要注意避免碰触钨丝。填丝速度要稳定均匀，最大限度地降低其对保护气流的影响。

（4）要注意掌握引弧、收弧操作。

（5）野外施工中要注意做好防风措施。

3.5 理化试验及检测结果

按照AWS D1.1-2010标准进行理化试验，试样应同时包含两种工艺的熔敷金属。

3.5.1 拉伸试验

取两件全厚度缩截面横向拉伸试样见表2。焊接接头抗拉强度值高于母材标准中要求的强度下限值（大于等于470MPa），拉伸试验结果符合标准要求。

3.5.2 弯曲试验

取4件侧弯试样，在弯曲180℃情况下进行试验，试样的受检面焊缝和热影响区任何方向上没有大于3mm的开口缺陷，表明焊接接头具有良好延展性，弯曲试验结果符合标准要求。

3.5.3 冲击试验

对焊缝金属取3个冲击试样，对热影响区距离熔合线+1mm和+5mm处分别取3个冲击试样，总共9个冲击试样。试样尺寸为10mm×10mm×55mm，按照ASTM A923标准分别进行了20℃的冲击试验见表3，由表3可知，在20℃时，焊缝及热影响区冲击功高于标准要求的最小冲击功，冲击值符合设计要求。

结论

通过对Q345B钢板的GTAW+SMAW焊接试验，验证氩电联焊工艺是可行的，且焊接质量可靠，符合核电产品焊接质量要求。同时氩电联焊工艺效益明显，大大减少返修率，较大地提高施工效率，有利于控制施工成本。

参考文献

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