核电站不锈钢水池热丝自动焊工艺探讨

徐连玉

摘 要：近年来，在社会经济稳步发展的背景下，我国核电事业呈现了较为快速的发展趋势。为了实现可持续发展，对环境起到保护作用，达到节能降耗的作用，有必要在核电站建设工作开展过程中，做好各个环节的优化工作。比如，核燃料的处理，便是一项值得关注的问题。从现状来看，核燃料在达到一定燃耗深度的条件下，基于堆芯卸出之后，还存在比较高的衰变热，由于无法及时进行处理，因此需要暂时在燃料池当中存储。目前在乏燃料保存过程中，主要采取湿法保存，也就是把乏燃料于乏燃料池当中保存。考虑乏燃料所采用的不锈钢水池的质量及性能，需采取有效的焊接工艺。本课题便重点围绕核电站不锈钢水池热丝自动焊工艺进行分析研究，以期提高其焊接效果，保证核电站生产作业的质量及安全性。

关键词：核电站;不锈钢水池;热丝;自动焊工艺

中图分类号：TG409 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）18-0070-02

0 引言

在核电站日常生产工作开展过程中，加强核燃料的保护非常关键。而对于核电站的核燃料，通常需在乏燃料池中暂时保存。注意的是，乏燃料池冷却系统和燃料操作系统之间存在密切的联系，同时两者之间各自独立，存在自身的功能，主要对保存的乏燃料所生产的衰变热进行排出处理，进一步使乏燃料池当中的水温能够控制在一个运行范围内。从以往的工作经验来看，核电站不锈钢水池的人工焊接工艺作业效率低，难以解决实际性问题，因此提出改进人工焊接工艺的思路，采取自动焊工艺技术。鉴于此，本课题围绕“核电站不锈钢水池热丝自动焊工艺”进行分析研究具备一定的价值意义。

1 核电站不锈钢水池热丝自动焊工艺思路的提出

本课题以某核电站为例，在乏燃料池水箱材质方面，选择了俄罗斯08X18H10T奥氏体不锈钢，该不锈钢材料和304L不锈钢成分比较相似，但是在碳（C）含量方面比较高，并且不锈钢水箱部分焊缝与母材之间会有斑点腐蚀情况存在。在投入使用时间越来越长的情况下，受到腐蚀的区域易有腐蚀裂纹产生，进一步使水箱当中的硼酸溶液出现泄漏的情况。以往，该核电站在乏燃料池水箱泄漏故障的处理方面，所使用的是人工打补丁的处理方法，也就是基于裂纹附近采取不锈钢板，然后通过角焊缝的方式实施焊接作业，但是此类焊接工艺存在一些较为明显的问题，总结起来包括：（1）焊工基于辐射环境条件下实施补焊作业，有辐射危险存在，并且施工效率比较低;（2）奥氏体不锈钢材料的耐氯离子腐蚀能力比较差;（3）存在腐蚀的区域，在时间越长的情况下，越来越严重，采取一般的检修方法很难完全解决此类故障[1]。

针对上述问题，考虑到今后核电水箱检修工作效率及质量的提升，提出基于原水箱表面进行铺设及焊接一层耐腐性更好的双相不锈钢板材，即重新制作一个新水箱的方法思路。此外，在核电站不锈钢水池焊接工艺方面，改进人工焊接的不足，使用了自动焊接工艺技术方法。

2 自动焊工艺技术要点分析

2.1 系统设备的选用

根据上述分析，在核电站不锈钢水池热丝自动化工艺开展过程中，涉及不锈钢水池专用热丝焊接系统设备的使用，该系统设备为我国自主研发，设备构成包括：其一，焊接机头;其二，福尼斯热丝焊接电源;其三，焊接控制柜等。其中，对焊接机头来说，主要构件为：送丝机构、车身、水-电-气一体化焊枪、真空导轨以及手动吸盘等;采取的福尼斯热丝焊接电源涵盖了福尼斯Magic Wave5000焊机以及福尼斯TransTig2200热丝电源;此外，在焊接控制柜方面，采取了PLC作为核心控制模块，使通信功能、逻辑处理工鞥以及数据运算功能得到有效实现[2]。

2.2 母材性能分析

在本次试验过程中，采取2205双相不锈钢板材作为母材，其厚度为3mm;从该母材的组织构成来看，包括了奥氏体及铁素体，均占50%的比重。值得注意的是，此次采取的双相不锈钢母材和奥氏体不锈钢母材比较情况，其耐磨性、抗腐蚀性、抗疲劳性均更优。此外，结合母材的化学成分及力学性能，本次选择了直径1.2mm的ER2209焊丝作为焊接材料。如表1所示，为所选母材和焊材的各组化学成分，即质量分数（%）分布情况。

值得注意的是，此次试验过程中，采取了搭接接头模式，将氩气（99.99%）作为保护气体。具体的试验操作要点如：（1）基于试验工作开展之前，需针对待焊的母材的边缘20mm范围内区域做好打磨处理工作，进一步采取丙酮进行擦拭，然后进行烘干处理。（2）通过线切割机的使用，对适宜尺寸的试样切取好，然后采取丙酮进行清洗，清洗干净以后，对试样进行镶嵌处理;在试样磨制过程中，需應用到400#-2000#的金相砂纸;在试样抛光方面，则需采取抛光机进行处理。（3）试样在精抛之后，其表面需采取王水腐蚀剂进行腐蚀处理，该腐蚀剂由硝酸与盐酸以3：1的比例配制而成;腐蚀处理之后，再采取酒精清洗试样，清洗干净之后吹干。（4）利用OLYMPUS-DSX510光学显微镜，对试样的微观组织进行仔细观察;进一步通过HV-1000DT硬度测量仪的应用，分析试样的显微硬度，将加载荷载控制在2N，将加载时间控制在10s。

3 自动焊工艺技术实施的效果分析

本次试验采取以上自动焊工艺技术，和传统的TIG焊方法比较，效果明显更加理想，下面重点从“热丝电流对熔敷效率的影响”、“热丝电流对焊缝成形的影响”以及“热丝TIG焊对绗缝组织及力学性能的影响”三方面进行分析，以了解自动焊工艺技术实施的效果，具体内容如下。

3.1 热丝TIG焊对绗缝组织及力学性能的影响分析

热丝TIG焊和传统的TIG焊比较，存在较大的优势，即通过对焊丝预热，使热输入增大，使熔化速度提升，进一步使生产效率提升。本次试验主要在对其他焊接工艺参数不变进行控制的条件下，对平板堆焊过程中，热丝电流对焊丝熔敷效率的影响进行分析。将试验期间焊接电流控制在130A，将焊接速度控制在每分钟125mm，将电弧电压控制在11V，热丝电流则从10A慢慢扩增到120A，进一步对焊丝的熔敷效率进行检测。考虑到试验结果的精准，每一组试验均需进行3次测量，并将带误差棒的试验表格绘制出来。

试验结果表明：在焊接电流及电弧电压不变的条件下，在热丝电流不断变大的情况下，焊丝的熔敷效率呈现逐步提升，达到峰值后则呈下降势态;究其原因，是因为在热丝电流变高的情况下，电阻热变大，使焊丝熔化加速。在热丝电流变大到80A的情况下，随热丝电流的变大，焊丝熔化的速度提升幅度减弱;究其原因，是因为在送丝速度提升的条件下，焊丝预热温度和预热电流之间的关联性变缓[3]。此外，在热丝电流增大到120A的情况下，焊丝的预热温度比焊丝的熔点高，焊丝没有送至熔池就被熔化，导致焊丝没有办法正常地送至熔池。

3.2 热丝电流对焊缝成形的影响分析

在分析研究热丝电流对焊缝成形的影响过程中，本次主要对其他焊接工艺参数控制不变，只对热丝电流进行改变，进一步对平板堆焊过程中，热丝电流对焊缝成形所产生的影响。结合上述研究获取的数据，进一步将焊接电流设置为130A，将焊接速度设置为每分钟125mm，将电弧电压设置为11V，将送丝速度设置为每分钟1500mm，热丝电流则从40A慢慢增加到100A，进一步对焊缝的熔宽及余高进行分别检测。

试验结果表明：在热丝电流不断变大的情况下，焊缝的余高呈现逐渐变小的势态，但焊缝熔宽则呈现逐渐变大的势态;由此可得，热丝电流对焊缝金属的铺展具备促进作用。

3.3 热丝TIG焊对绗缝组织及力学性能的影响分析

结合上述试验分析，可知添加热丝电流，能够使焊丝的熔敷效率得到有效提升，进一步使焊缝成形得到有效改善。值得注意的是，热丝TIG焊和普通的TIG焊比较，在焊缝组织及力学性能方面，均更理想[4]。采取热丝TIG焊工艺，送丝速度为1500mm/s，热丝电流为100A，电弧电压为11V，焊接速度为130mm/min，然后进行模拟核电站水池不锈钢板的搭接试验，结果显示，和普通的TIG焊比较，热丝TIG焊工艺的优势体现在。

（1）焊缝微观组织优势：基于焊缝微观组织层面分析，热丝TIG焊的块状及柱状奥氏体尺寸及数量均显著降低，微小的等轴奥氏体数量则明显增加，同时铁素体数量降低，焊缝微观组织显得更具均匀性。（2）焊缝组织优势：双相不锈钢的使用，使铁素体转变为奥氏体的速度加快。同时，和普通的TIG焊比较，热丝TIG焊经热丝电流实现对焊丝的预热，使焊接电流变小，使焊缝热输入下降，进一步让焊缝组织显得更加细密及均匀。（3）显微硬度优势：热丝TIG焊和普通的TIG焊比较，其硬度更高，这和热丝TIG焊的焊缝组织更加细密及均匀密切相关。（4）抗拉强度优势：热丝TIG焊和普通的TIG焊比较，抗拉强度更高，本次实验结果显示热丝TIG焊的抗拉强度为663.13MPa，普通TIG焊则为613.11MPa，经统计学软件分析，两者计数数据差异明显，P<0.05，因此，热丝TIG焊的抗拉强度具备明显优势。

4 结语

综上所述，核电站不锈钢水池热丝自动焊工艺技术的应用非常重要，和普通的TIG焊工艺方法比较，热丝TIG焊的优势明显，焊缝微觀组织更具均匀性，焊缝组织更加细密及均匀，显微硬度更高，抗拉强度更高;这主要是因为热丝TIG焊经热丝电流实现对焊丝预热，使焊接电流减小，进而使各方面的优势体现出来。因此，需掌握核电站不锈钢水池热丝自动焊工艺技术，合理使用热丝TIG焊，满足核电站不锈钢水池的日常工作需求，使核燃料处理效率提高，进一步提升核电站整体工作效率及质量。

参考文献

[1] 齐欣.我国核电不锈钢水池焊接工艺取得新突破[J].现代焊接，2013（1）：38.

[2] 杨兴华.不锈钢等离子弧自动焊工艺应用[J].焊接技术，2012（12）：26-29.

[3] 王丽，高军松，吴道文.自动焊堆焊双相不锈钢2205工艺[J].焊接技术，2010（2）：61-63.

[4] 潘国伟，刘金平，许佳杰，王海东.核电站不锈钢水池热丝自动焊工艺研究[J].焊接技术，2018（7）：36-39.