热丝TIG自动焊在核电站钢衬里施工中的研究与应用*

陈旭芳，王 康，王 雄

(中国建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概况

国内某第三代核电堆型采用双层安全壳设计，在内层混凝土安全壳上敷钢衬里，安全壳钢衬里主要是由1万多m2的6mm厚碳钢板拼接而成的超大容器，钢板牌号为P265GH。国内核电站安全壳钢衬里对接焊缝预制安装时，多使用手工焊条电弧焊、熔化极气体保护焊或埋弧焊进行焊接。热丝TIG自动焊具有电弧燃烧稳定、焊接质量优异等特点，相比冷丝焊接，热丝焊接熔化速率更快、熔敷效率更高。该焊接技术已成熟应用于核电站管道、不锈钢水池钢覆面焊接中。

2 热丝TIG自动焊工艺试验

2.1 材料与设备

1)母材

安全壳钢衬里P265GH钢板为优质碳素钢板，相当于国内核电材料标准的20HR或Q265HR。碳当量CE为0.30%，焊接性能良好，焊接6mm厚钢板时不需焊前预热及后热处理。P265GH钢板化学成分如表1所示。

表1 P265GH钢板化学成分百分比 %

2)焊材

根据母材力学性能及设计标准要求，选用型号ER50S-6、牌号CHG-56HR的焊丝进行焊接。保护气体采用纯度≥99.99%的纯氩。ER50S-6焊丝的熔敷金属力学性能如表2所示，熔敷金属力学性能优异，熔敷金属较纯净。

3)焊接设备

焊接设备采用米加尼克PI350 TIG焊接电源，并配备冷却水箱、控制系统、热丝电源、自动焊机头、真空吸盘轨道及气泵等设施，具有弧压跟踪、预热焊丝的功能，可通过自动控制电弧高度、焊枪升降的方式，动态跟踪、动态补偿电弧长度，同时焊前外加电源预热焊丝，提高熔敷效率，实现高效焊接。自动焊机头轨道抽真空后吸附于钢板上，组装简单方便。

2.2 焊接工艺

1)坡口设计及焊道分布

热丝TIG自动焊采用单面焊双面成型工艺焊接钢衬里碳钢板。本次试验为平焊位置，焊接坡口角度为单边37.5°±2.5°，坡口钝边厚0.5～1.5mm，组对间隙为2～2.5mm，如图1所示。

图1 坡口设计

试验采用2块500mm×150mm×6mm的试板。试板组对点固焊采用手工钨极氩弧焊进行焊接，打底焊时点固焊缝全部熔入试板焊缝。试板焊缝采用热丝TIG脉冲焊时分3道焊缝，第1道为打底焊缝，第2道为填充层焊缝，第3道为盖面层焊缝，焊道分布如图2所示。

图2 焊道分布

2)焊接工艺规范

通过一定数量的模拟件进行焊接后，确定本试验焊接电流、焊接电压及送丝速度等参数，采用直流正接，占空比为50%，保护气体流量为18L/min，热丝电流为50～70A，其余焊接参数如表3所示。焊接时热输入全过程控制在9kJ/cm内，焊接层温度控制在5～200℃，环境湿度控制在90%以下。

表3 焊接参数

3 试验结果分析

3.1 无损检测

完成焊接后，对试板进行100%目视检测、100%泄漏检测、100%液体渗透检测及100%射线检测。检测结果全部合格，焊缝表面及内部均无缺陷，焊缝成型美观(见图3)。

图3 焊缝外观质量

3.2 拉伸试验

截取2个横向拉伸试样，参照GB/T 2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》进行室温拉伸试验，试验标准为抗拉强度≥410MPa。经试验，室温抗拉强度分别为437,434MPa，试样断于母材，拉伸试验结果全部合格。

3.3 冲击试验

截取2组(每组3件)5mm×10mm×55mm的冲击试样，在0℃下进行冲击试验，参照GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》，1组为焊缝区熔敷金属冲击试验，冲击试样缺口位于焊缝中心，垂直于试板表面；另1组为热影响区冲击试验，冲击试样缺口位于离焊缝熔合线1mm处，垂直于试板表面。根据设计标准，0℃下熔敷金属和热影响区冲击试验结果平均值≥20J，最小值≥14J。

焊缝区、热影响区的冲击试验结果全部合格，实测值如图4所示。由试验可知，焊缝区与热影响区的冲击功均远高于标准要求，冲击功有很大裕量，说明该焊接接头有很大的韧性储备。同时经比较可知，焊缝区的冲击功均小于热影响区的冲击功。

图4 焊缝区与热影响区冲击试验实测值

3.4 金相试验

在试板焊缝上分别截取1个金相试样，以检验宏观金相和微观金相，试验参照标准分别为GB/T 226—2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》和GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》。在10倍放大镜下观察宏观金相试样，焊接接头未发现裂纹，未出现未熔合、未焊透、夹渣、气孔等焊接缺陷。

采用金相显微镜观察接头焊缝区、熔合区及热影响区。焊缝区、焊缝与母材熔合区、热影响区金相组织如图5所示。由图5可知，焊缝区与热影响区金相组织为珠光体+铁素体+贝氏体，在焊缝区及热影响区均未发现微裂纹及因淬火产生的非正常组织。

图5 金相组织(200×)

3.5 硬度试验

参照GB/T 2654—2008《焊接接头硬度试验方法》，测量焊缝金属、热影响区及靠近热影响区母材的显微硬度，硬度荷载为100N。测量点分布如图6所示，在距离上下母材表面2mm处各测量19个点。设计标准要求焊接接头的硬度HV10应≤380，经试验，接头硬度测量值均合格，结果如图7所示。从母材到焊缝金属区的硬度有逐渐增大趋势，焊接接头表面焊缝金属硬度明显高于焊接接头下表面的焊缝金属硬度。

图6 硬度测量点分布

图7 各区域硬度测量值趋势

4 工程应用

4.1 自动焊应用

采用热丝TIG自动焊对安全壳钢衬里底板进行焊接，焊缝成型美观，检测焊缝真空泄漏、液体渗透及射线情况，焊缝无损检测结果全部合格。

4.2 自动焊推广应用问题与措施

1)焊接接头组对间隙超差 热丝TIG自动焊对坡口加工精度及组对间隙要求非常高，如组对间隙超宽或变窄会影响打底焊缝质量，易产生未焊透、未熔合等缺陷。钢衬里进行产品组对时，组对间隙易超差，为保证自动焊质量，坡口应采用机械设备进行加工，以保证加工精度，同时在产品组对时严格控制组对间隙。如组对间隙超宽，应在产品焊接前模拟焊接超宽或窄间隙，以适时调整焊道分布，或改用手工钨极氩弧焊。

2)磁偏吹 在热丝TIG自动焊碳钢过程中，磁偏吹会造成未熔合、未焊透等焊接缺陷。在焊接前或焊接过程中应控制、消除产生磁偏吹的因素。

采用直流电流预热焊丝时，由于焊丝中的加热电流产生磁场影响，电弧会产生磁偏吹使电弧纵向偏摆。使用交流电源加热填充焊丝可有效消除磁偏吹，还可使用脉冲热丝TIG焊。

由于热丝TIG自动焊采用直流正接，接地线位置摆放不当易使被焊碳钢板或被焊件周边材料产生磁性，从而加重电弧偏摆程度，影响焊接质量。

3)夹钨缺陷 自动焊由于长时间进行大电流焊接，钨极产生高温而被烧损，同时在起弧、停弧时粘钨，易造成夹钨缺陷。自动焊钨极采用耐高温的镧钨极可较好解决该问题，同时应控制起弧、停弧次数，停弧后应及时处理接头。

5 结语

1)本文对核电站安全壳钢衬里采用热丝TIG自动焊进行研究。通过无损检测、拉伸试验、冲击试验、金相试验及硬度试验等方法，验证焊材选型、焊接坡口设计及焊接规范参数等符合热丝TIG自动焊的要求，表明热丝TIG自动焊接头满足安全壳钢衬里设计标准。

2)热丝TIG自动焊接头在0℃下的低温冲击性能优异，冲击韧性裕量大。

3)将热丝TIG自动焊安全应用于核电站安全壳钢衬里，证明热丝TIG自动焊工艺可行，焊接质量满足核电站设计标准要求。

4)对热丝TIG自动焊在核电站安全壳钢衬里施工应用中的质量控制要点进行总结，并加以分析。