药芯焊丝电弧焊在核电工程中的应用

马迎兵，李哲

中国核电工程有限公司 北京 100840

1 序言

近年来，随着我国在建核电项目的增加，核电现场的焊接量也大幅增加，在焊接施工过程中，如何在保证焊接质量的前提下提高焊接效率，是核电站各建设单位的重点关注方向。据了解，核电现场的结构类焊缝主要以焊条电弧焊为主，焊接效率低，且连续施焊也对焊工有更高的要求。

药芯焊丝电弧焊（以下简称“FCAW”）具有成形好、焊接效率高等优点，作为一种高效的焊接方法，已在石油、造船等行业有了一定范围的应用，如果能在核电工程中进行推广应用，将会大幅提高焊接生产效率。但由于核电行业的特殊性，尤其是在日本福岛事件发生后，核电安全被提到了前所未有的高度，如何保证核电安全是各方考虑的头等大事。

FCAW在核电工程的应用较为有限，目前主要用于预埋件、次要钢结构等非重要焊缝的焊接，若要应用于核级管道、运输容器、主要钢结构等重要设备，还需在多个方面做进一步研究。本文通过对FCAW特点和在核电应用的分析，探讨FCAW在核电工程中的注意事项及应用前景。

2 FCAW的特点

FCAW是以可熔化的药芯焊丝作为一个电极，母材作为另一极，通常采用纯CO2或CO2+Ar气作为保护气体，焊接时在电弧的热作用下熔化状态的焊丝金属+焊剂、母材金属和保护气体相互之间发生冶金作用，同时形成一层较薄的液态熔渣包覆熔滴并覆盖熔池，对熔化金属形成了又一层的保护。

与普通熔化极气体保护焊相比，FCAW具有以下特点：

（1）优点 采用气渣联合保护，焊缝成形美观，电弧稳定性好，飞溅少且颗粒细小；焊丝熔敷速度快，熔敷效率（85%~90%）和生产率都较高（比焊条电弧焊高3~5倍）。

焊接各种钢材的适应性强，通过调整焊剂的成分与比例，可提供所要求的焊缝金属化学成分；焊接效率高（对比焊条），适用于自动焊接、半自动焊接；焊接利用率高（对比焊条），焊丝利用率远超焊条，同样重量下焊丝比焊条性价比更高。

（2）缺点 焊丝制造过程复杂；焊丝外表容易锈蚀，焊剂混合物易吸潮，因此需要对焊丝的保存严加管理。

3 核电主要标准

（1）RCC-M 在制造篇中限制FCAW为半自动焊，且主要用于碳素钢铸件的补焊；在支承件H篇和小型设备E篇中允许使用药芯焊丝，并规定了组批原则和验收试验要求。另外，强调对于奥氏体不锈钢焊丝，需增加进行铁素体含量测定。

（2）ASME 基本未对FCAW进行限制，只是在QW-409.2中，限制了FCAW的过渡模式，即从喷射过渡、颗粒过渡或者脉冲过渡改变为短路过渡；反之，需要重新评定焊接工艺。

在材料篇的SFA5.20、SFA5.29、SFA5.36分别详细规定了碳素钢药芯焊丝和低合金钢药芯焊丝的各项性能，包括化学成分、力学性能等详细数据。其中，在SFA5.36中表6中提到，如果化学成分中添加硼元素或wB超过0.001%必须报告。

（3）NB/T 47018—2017 在NB/T 47018—2017标准中，规定碳素钢和低合金钢药芯焊丝应为碱性渣系；并规定在订货合同中需包含保证药芯成分、药芯填充均匀性的具体内容和检验方法，以及打开真空包装后的药芯焊丝保证熔敷金属扩散氢含量的措施。

另外，虽然在NB/T 47015—2011标准正文未采用药芯焊丝，但在后附编制说明中提到“目前还没有成熟的适用于锅炉压力容器药芯焊丝渣系，对药芯粉料的均匀性、熔敷金属化学成分、力学性能的稳定性都没有达到应用于压力容器焊材的水平”。

（4）GB 50661—2011 本标准未限制FCAW的使用，在常用钢材的焊接材料推荐表中给出了FCAW的焊丝型号和标准。另外，还规定了免予评定的焊接方法及施焊位置。

4 核电应用现状及思考

据笔者了解，目前已在核电工程中应用FCAW焊接方法（见表1）的核设备包括次要钢结构、预埋件、LX抗甩击、钢衬里背肋角钢等，母材材质均为碳素钢。

表1 核电工程中FCAW的应用

从已应用的设备可以看出，核电项目对FCAW的使用是非常谨慎的。通过对现有核电相关标准和现场应用的分析，笔者认为，主要有以下几个方面需要考虑或改进。

（1）药芯焊丝的生产过程 药芯焊丝与实芯焊丝相比，主要区别在于药芯焊丝内部装有焊剂混合物，而焊剂混合物在焊丝生产过程中能否做到均匀一致，对于焊丝使用的稳定性影响很大，这对生产焊丝的设备要求较高，不但要保证填焊剂的稳定性，还需要在填加过程中能够根据焊剂混合物的密度进行及时调整，难度较大。这对焊材生产厂家提出了更高的要求，需要在焊丝生产设备、焊丝焊剂混合物的研发等方面多下功夫，在焊丝生产过程中多积累数据，并加大对焊丝成品的抽检比例；同时，药芯焊丝的使用单位也需在焊材生产过程中加强质量控制，全程监督焊丝的生产过程，保证焊丝的出厂质量。

（2）药芯焊丝的储存和使用 由于焊接接头裂纹的产生很大程度上受扩散氢的影响，因此目前已在核电工程中应用的FCAW方法都是使用的低氢型药芯焊丝，对熔敷金属的扩散氢含量进行严格控制，这也对药芯焊丝的储存和使用提出了很高的要求。

首先，药芯焊丝出厂时需要进行真空包装，焊丝使用单位在焊丝入库时需确保真空包装无破损，并制定严格的焊材库温湿度要求，确保焊丝的干燥。

其次，药芯焊丝一旦打开包装使用，需控制严格的暴露时间，在AWS D1.8－2016中推荐暴露在空气中的最长时间≤72h；当厂家推荐的最长暴露时限超过上述要求时，焊丝生产厂家应证明药芯焊丝暴露在最苛刻的时间、温度和湿度限值的条件下满足规定的扩散氢要求值。另外，超出上述时限的药芯焊丝不允许再次烘干。

（3）药芯焊丝的硼含量控制 通过文献[7]对硼含量与裂纹关系的描述，可以看出硼含量对焊接接头裂纹的产生有很大影响，因此需要在焊丝生产过程中严格控制微量元素硼的含量；在ASME材料篇的SFA5.36中也指出，如果化学成分中添加硼元素或wB超过0.001%必须报告。

（4）焊材生产厂家的重视程度 焊材生产厂家需提高对药芯焊丝生产过程的重视，体现在生产过程的全流程监督和管理，包括原材料的检测、关键工艺人员的培训、质检人员责任心的培养等。另外，厂家需对质量保证体系重视，建立针对核级焊材的生产质保体系文件，并通过不定期的内外部质保监查确保多批次焊丝的质量稳定性，同时为焊丝使用单位提升信心。

（5）使用单位的人员培训 由于药芯焊丝的特殊性，需要在储存和使用过程中严格遵守相关规定，如果在使用过程中由于人为的疏忽，可能会造成较为严重的后果，比如焊缝裂纹的产生。因此，对于参与药芯焊丝储存、使用的相关人员的技能和责任心培训显得很重要，建议使用单位组织专门的队伍，对药芯焊丝的储存、焊接工艺评定的制定、焊接实施过程进行全方位培训和监督，制定切实有效的实施办法；与此同时，注意积累焊接相关数据，为后续在更大范围内的使用积累应用经验。