不锈钢热丝TIG自动焊常见缺陷原因分析及防治措施*

王 康，李 政，刘 军，王 雄，陈旭芳

(中国建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概况

华龙一号核电工程的不锈钢单台机组重约900t，该机组施工量较大，工期紧，采用天花先贴、模块施工、热丝TIG自动焊等新技术、新工艺，主要分布于核岛IRWST水池、反应堆水池、ASG水池、ASP水池、EHR水池、乏燃料水池、转运井、运载井、准备井等位置，质量要求较高(天花平整度≤20mm/m、池壁与池底平整度需≤5mm/m)、工艺实施难(对接焊缝均需进行100%VT+100%LT+100%PT+100%RT检测，不允许存在直径>0.5mm的气孔)。核电站不锈钢水池属于核质保Q1级、核安全Ⅱ级设备，不锈钢水池由底板、池壁和天花组成，水池材质为022Cr19Ni10，池壁和天花厚4mm，池底厚6mm，坡口为V形，角度为单边(30+2.5)°，组对间隙为2～6mm。

为保证华龙一号不锈钢水池后贴法的焊接质量，开工前通过模拟件施工，验证整个施工方案的可行性和可操作性，即安装误差是否在可控范围内，焊接质量及变形是否可控，焊接工艺参数在不同焊接位置、条件下是否出现问题，以改进工艺，防止再次发生缺陷。

2 模拟试验

2.1 模拟试验材料

覆面板材质为022Cr19Ni10，抗拉强度Rm≥490MPa；垫板(拍片槽)材质为022Cr19Ni10，抗拉强度Rm≥490MPa，使用φ1.2的大西洋焊丝ER308L。

2.2 模拟试验设备

热丝TIG自动焊设备由福尼斯热丝电源、智能控制系统、弧压跟踪系统、数据通信及控制系统、冷却水箱、焊接小车、柔性轨道、焊接电源和摆动送丝机构等构成，焊机型号为TransTig5000 job G/F。

2.3 模拟试验制作

模拟件按照IRWST内环池构造进行1∶1模拟，所用材料材质、规格与覆面板相同。从内环池天花及池壁池底上选取一部分作为模拟件，其中天花结构包括覆面板、罩壳、预埋板、预埋管板、弯板、锚固组件等，池壁池底包括检漏槽、预埋板、折弯板、壁板等。内环池在施工过程中的全部节点、施工环境、施工工艺和正式施工一致。根据以上原则，在征求工程公司工程师意见后，确定模拟件，如图1所示。

图1 模拟件三维示意

模拟件施工流程如下：根据设计图纸，确定焊接工艺方案→按照质量计划，对钢板下料→加工钢板坡口→构件组对(覆面板与垫板间隙<0.5mm)→覆面板进行自动焊焊接→进行无损检测→分析射线检测结果。

参考BS3RXC25232DPZS42SD《内环池-2.7m以下池壁钢覆面焊接节点图》设计图纸中的W01焊接节点，结合覆面板与垫板贴合间隙，确定自动焊TIG焊打底无填充无摆动、填充加丝无摆动、盖面加丝有摆动焊接工艺(见图2)。

图2 IRWST水池池壁覆面板焊接节点

模拟试验按照生产产品流程，焊接前对参与模拟件焊接的操作人员进行焊接专项交底，将试件两侧各20mm区域内打磨干净，避免氧化物或夹杂物影响焊接，自动焊焊接时要求风速≤2m/s、环境湿度<90%，焊接前应检查所有工具、线路、电源开关及接地是否良好、零部件是否松动，严禁用其他金属丝代替开关保险丝，检查标定是否在有效期内，不得使用没有标定和失效的工机具。焊接作业前必须了解周围环境，确保无易燃易爆物品和气体泄漏后才可进行，焊接的弧光火花必须与氧气瓶、燃油等易燃易爆物品保持安全距离。实体焊缝焊接前还需使用1块小试板进行引弧焊接，以确认焊机可以正常焊接。

3 模拟试验结果及缺陷原因分析

3.1 模拟试验结果

本次自动焊模拟试验共9条焊缝：池壁4条，即横焊1条、立焊3条；池底5条，全为PA位置。拍片结果中，35张底片共8张不合格，涉及5条焊缝，气孔6张，其中0.6，0.7mm直径的气孔占3张、1mm直径气孔3张，包括1张2mm厚的夹渣、1张未熔合及烧穿缺陷。焊缝缺陷及位置如表1所示。

表1 焊缝缺陷及位置

3.2 缺陷原因分析

焊接过程中焊机运行正常，焊接小车与送丝机无死机、停顿等异常现象。模拟焊接时，环境温度为22℃，湿度为81%，风速为0.1～0.6m/min。操作工为2名取证焊工，技能稳定，采用99.99%的纯氩，手工焊、自动焊都进行集中供气。

1)由于焊接环境湿度高达81%，距离禁止焊接的环境湿度90%只差9%，可能导致出现气孔。

2)焊缝距墙面较近，影响操作工操作，可能造成焊接不稳定，导致熔池变化，出现问题。焊缝WXMNNJD009组对间隙局部为5.0～6.0mm，超过设计图纸要求的0～4mm，WXMNNJD005焊缝在焊接过程中，局部组对间隙收缩到最小值1.8mm，导致焊缝熔池不能正常打开，影响焊缝成型，造成焊接缺陷。

3)WXMNNJQB014焊缝组对时，局部覆面板有拍片槽间隙，由于现场条件苛刻，导致贴合间隙>1.0mm，进行不加丝打底焊接时，造成覆面板与拍片槽贴合处不能有效熔合。

4)坡口质量较差，部分焊缝单边坡口角度<(30±2.5)°，如WXMNNJQB017焊缝端部有缺失的坡口。

5)WXMNNJD009焊缝出现2mm厚的夹渣，经挖凿发现，夹渣在垫板母材上，可能是母材缺陷。

6)垫板与埋件环组对有间隙，造成WXMNNJQB017(A3-1)被烧穿。

相比焊接送丝量与工艺卡，由于填充使用的送丝量偏大，尤其是WXMNNJD005焊缝局部组对间隙收缩到最小值1.8mm，送丝量1.8m/min偏大，造成气体不能及时排出，形成气孔。

4 防治措施

4.1 防治改进措施

1)现场焊接环境湿度偏高是普遍存在的客观因素，需在自动焊区域设立专区或隔间，并配备专用除湿机，摆放温湿度计时刻观察。

2)为自动焊挑选焊缝时，尽量考虑焊接操作工的可操作性，避免部分焊缝因为位置或空间影响操作工的焊接。

3)焊接操作工需加强现场焊接经验，若局部组对间隙偏大或偏小，需及时调整焊丝送丝量，避免每道焊缝熔敷金属后，导致气体不能及时溢出，形成气孔。

4)覆面板与拍片槽贴合不严实，焊接前需进行检查并标记，将贴合间隙>0.5mm的区域改为氩弧打底，采用自动焊填充盖面的焊接方式。

5)自动焊焊接前必须验证焊机设备状态，采用小试板模拟焊接，以确认焊机焊接成型良好，运行顺畅无卡顿。

6)现场在满足条件的情况下，自动焊优先考虑焊接组对间隙为2.5～4mm的焊缝(经验证，次组对间隙合格率最高)。

7)需将现场焊缝进行局部溜底焊，避免自动焊在完成焊缝填充盖面后应力增大，将两侧焊缝点固点拉裂。

8)打底采用干烧不加丝焊接方式，有利于覆面板与拍片槽间的熔合，增加脉冲焊接，使电弧更精密、更聚弧、功率强度更密集，加大均匀熔深，减小热影响区域，加大电弧压力，有效连接拍片槽与覆面板。

9)通过自动焊弧压跟踪系统，实时监控自动焊接时的弧压控制在11V，避免焊接过程中弧压突变，造成焊接质量问题。

10)自动焊热丝电流控制在50～60A，焊丝提前加热，可提高焊接效率。

4.2 防治措施验证

根据模拟件的焊接情况，验证重新调整后的焊接参数，验证试验焊缝为3条，即1条横缝、1条立缝、1条平缝，共16张底片。验证试验焊接前，编制专项焊接防止措施，重新将上次出现的问题及原因跟焊接操作工交底，了解重点控制细节及改进工艺。验证试验焊缝最终按照设计文件《不锈钢覆面板建造-无损检测(B.T.S)》进行目视检测、渗透检验、真空检漏检验、射线检验、无损检测，结果全部合格，其中小缺陷在合格范围内。

5 结语

通过焊接不锈钢水池模拟试验件，发现焊接过程中出现的常见焊接缺陷有气孔、夹渣、未熔合、烧穿等，进而分析每种焊接缺陷，找到问题根源或防治措施，通过进一步的试验验证，确认防治措施可有效解决这些常见的焊接缺陷。通过最终验证，发现如下防治措施对常见焊接缺陷具有参考价值。

1)减小焊丝填充速度，保证每层熔敷金属厚度在1～2mm内，有利于熔池气孔及夹渣溢出。

2)焊接前先进行加热除湿，保证焊缝干燥，避免湿气原因造成气孔缺陷。

3)若覆面板与拍片槽贴合不严，可采用手工氩弧打底+自动焊填充盖面工艺进行焊接，避免覆面板根部未熔合问题。

4)坡口加工时严格按照图纸要求，以满足制造进度要求，有利于自动焊接。

5)焊接过程一定选用适合当前焊缝的焊接工艺参数，焊接工艺参数偏大易烧穿、偏小则烧不透。

6)选用最佳组对间隙，即2.5～4mm，有利于保证焊缝质量，提高自动焊的一次合格率，有效防治焊接缺陷。