張忠海

隨著核電工程的發(fā)展， 為滿(mǎn)足核島主設(shè)備制造過(guò)程的高質(zhì)量要求， 需要優(yōu)先選用焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊接工藝。 傳統(tǒng)的埋弧焊、 焊條電弧焊焊接環(huán)境差、 過(guò)程可控度低、 對(duì)焊工技能要求較高。傳統(tǒng)TIG 焊的優(yōu)點(diǎn)是電弧和熔池可見(jiàn)性好， 操作方便， 焊接中沒(méi)有熔渣產(chǎn)生， 焊后不用清渣， 適用于各種焊接位置[1]。 由于TIG 焊焊接中保護(hù)效果好， 焊接電弧穩(wěn)定性好， 焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)良， 適用于幾乎所有的金屬及其合金的焊接加工， 該方法的不足之處是焊接效率較低。 熱絲TIG 是一種低耗、 優(yōu)質(zhì)的焊接方法， 由于焊接過(guò)程可控， 易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、 智能化焊接， 又具有較高的熔敷效率， 所以被廣泛應(yīng)用在核島主設(shè)備的焊接制造中。

1 熱絲TIG 焊的原理及優(yōu)點(diǎn)

1.1 原理

熱絲TIG 焊是1956 年在傳統(tǒng)TIG 焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種優(yōu)質(zhì)、 高效、 節(jié)能的焊接工藝， 其基本原理就是在焊絲送進(jìn)熔池之前， 將焊絲加熱到一定的溫度， 最終實(shí)現(xiàn)高速高效焊接的目的。本文中的熱絲就是指填充金屬在被送入熔池之前通過(guò)加熱使之達(dá)到一定溫度， 也就是對(duì)焊絲進(jìn)行預(yù)熱[2]。

傳統(tǒng)TIG 焊中電弧熱的30%被用在熔化焊絲上， 使熔敷率受制于加熱熔化焊絲所需要的時(shí)間。而在普通TIG 焊的基礎(chǔ)上對(duì)焊絲預(yù)熱， 以增加熱輸入量的方法加快焊絲的熔化速度， 從而提高焊接速度（ 見(jiàn)圖1） 。 焊絲通過(guò)導(dǎo)電嘴送進(jìn)熔池中， 在導(dǎo)電嘴和焊件之間設(shè)置一個(gè)電源， 當(dāng)焊絲接觸到焊縫表面時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電流， 實(shí)現(xiàn)對(duì)焊絲加熱。 焊絲與鎢極呈40°～60°角， 在鎢極電弧的后面直接送入熔池金屬中。 為防止電弧偏吹， 熱絲電源可以采用交流電或脈沖電源。

圖1 熱絲TIG 焊原理示意圖

1.2 熱絲TIG 焊的優(yōu)點(diǎn)

熱絲TIG 焊的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1） 保留了TIG 焊電弧穩(wěn)定、 焊縫性能優(yōu)良、無(wú)飛濺等優(yōu)點(diǎn)。

（ 2） 提高了熔敷效率和焊接效率。 熱絲TIG焊時(shí)焊絲在被送入熔池前已經(jīng)加熱到300～500 ℃，從電弧獲取能量減少， 熔敷效率比冷絲焊提高3～5倍， 焊絲熔化速度達(dá)20～50 g/min（見(jiàn)圖2）。

（3） 減少焊接變形。 由于熱絲焊熔化預(yù)熱后的填充金屬， 減少總熱輸入量， 有利于減小焊接變形。 從焊縫熱輸入量的角度看， 焊絲預(yù)熱的能量和焊接電弧的能量分別控制， 焊接熔敷速度的提高與焊縫熱輸入量的增加沒(méi)有直接關(guān)系， 即在不提高熱輸入的條件下， 提高焊接熔敷速度， 使焊絲熔化速度增加。 在相同電流的情況下， 焊接速度可提高一倍以上。

（4） 減少焊接缺陷。 由于熱絲TIG 焊的送絲速度獨(dú)立于焊接電流， 所以能夠更好地控制焊縫成形， 對(duì)于坡口焊縫的焊接， 側(cè)壁熔合性較好。 焊絲經(jīng)過(guò)預(yù)熱后表面得到凈化， 預(yù)熱電流對(duì)熔池的攪拌作用， 以及預(yù)熱電流磁場(chǎng)改變焊接電弧形態(tài)， 在這些因素的共同作用下焊縫質(zhì)量更為優(yōu)良[3]。

圖2 不同電弧焊方法熔敷效率的比較 [2]

2 在核電設(shè)備制造中的應(yīng)用

2.1 在堆焊中的應(yīng)用

鑒于核島一回路主設(shè)備長(zhǎng)期接觸帶有放射性和腐蝕性的載熱劑介質(zhì)， 所以在內(nèi)壁上堆焊有優(yōu)良耐蝕性和耐熱性的奧氏體不銹鋼堆焊層及鎳基合金堆焊層。 例如核反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)壁大面積堆焊奧氏體不銹鋼堆焊層、 蒸汽發(fā)生器管板一回路側(cè)堆焊鎳基合金堆焊層。 由于堆焊層的質(zhì)量關(guān)系到設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量， 故在選擇堆焊工藝時(shí)需要在保證堆焊質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高堆焊效率。 由于蒸汽發(fā)生器一次側(cè)管板的堆焊質(zhì)量， 還影響到后續(xù)U 型管與管板焊縫的焊接質(zhì)量， 對(duì)于不能實(shí)現(xiàn)帶極堆焊的部位均可采用熱絲TIG 堆焊。 目前， 三代核電AP1000 反應(yīng)堆壓力容器接管內(nèi)表面不銹鋼堆焊層、 接管大端端面鎳基堆焊、 流量分配裙支承塊堆焊、 徑向支承塊隔離層鎳基堆焊、 J 坡口鎳基隔離層堆焊均已采用熱絲TIG 堆焊， 熱絲TIG 堆焊已占到所有堆焊焊縫熔敷金屬量的40%。

采用熱絲TIG 工藝堆焊不銹鋼及鎳基合金時(shí)，可通過(guò)選擇合理的焊接參數(shù)將焊縫的母材稀釋率控制在較低的水平， 得到良好的焊道成形質(zhì)量， 減少焊道表面打磨工作量， 同時(shí)又能夠保證焊縫的無(wú)損檢驗(yàn)質(zhì)量。 另外， 由于焊接熔池的形狀易于控制，即便如泵殼等結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的設(shè)備也可采用熱絲TIG 堆焊， 通過(guò)配置數(shù)控系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)堆焊， 既提高了核電裝備制造的自動(dòng)化水平， 也符合綠色核電制造的最新發(fā)展理念。

2.2 在接管與安全端焊縫制造中的應(yīng)用

在核島一回路系統(tǒng)中， 主設(shè)備通過(guò)接管安全端與一回路管道相連， 共同構(gòu)成反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的重要組成部分。 在核電站運(yùn)行中， 接管安全端部位承受高溫、 高壓的交變復(fù)雜應(yīng)力作用， 安全端焊縫不但要保證壓力邊界的結(jié)構(gòu)完整性， 同時(shí)還要保證性能的可靠性， 這就要求焊接接頭不僅應(yīng)具有高塑性、 高韌性， 而且還要具備較高的耐腐蝕性和足夠的斷裂韌性及抗疲勞性。 因此， 在制造過(guò)程中需要采用低熱輸入、 焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊接工藝方法。 以往二代核電制造過(guò)程中， 安全端的焊接常選擇焊條電弧焊、 埋弧焊的焊接方法， 焊縫返修風(fēng)險(xiǎn)高。 三代核電采用熱絲TIG 焊接， 在保證焊縫質(zhì)量的同時(shí)保證焊接效率。 國(guó)核示范過(guò)程反應(yīng)堆壓力容器 (CAP1400) 接管安全端焊縫坡口（ 見(jiàn)圖3，表1） 焊接完成后， 焊縫合格率達(dá)100%。

2.3 在低合金鋼焊縫中的應(yīng)用

1963 年美國(guó)Battelle 結(jié)合熱絲TIG 焊和窄間隙焊接的優(yōu)勢(shì)開(kāi)發(fā)了窄間隙熱絲TIG 焊， 與一般的窄間隙焊接方法相比， 窄間隙熱絲TIG 焊除了熔敷效率相對(duì)較低外， 在側(cè)壁熔合和焊接接頭的抗裂性等方面具有較明顯的優(yōu)勢(shì)， 所以在大厚度低合金鋼焊縫的焊接中得到廣泛的應(yīng)用。 為推廣熱絲TIG焊在低合金鋼焊接中的應(yīng)用而開(kāi)發(fā)低合金鋼熱絲TIG 對(duì)接焊工藝， 通過(guò)低合金鋼窄間隙熱絲TIG 焊工藝試驗(yàn)證明焊縫質(zhì)量良好， 接頭機(jī)械性能優(yōu)良（見(jiàn)表2～6）。

表1 接管安全端焊接工藝參數(shù)

圖3 接管安全端坡口形式

隨著核電設(shè)備不斷升級(jí)， 無(wú)論是主管道、 核級(jí)管道， 還是CPR1000 反應(yīng)堆壓力容器管， 焊接難度均在不斷增加。 因此， 窄間隙熱絲TIG 焊占據(jù)了越來(lái)越重要的地位[4]。 目前， 在低合金鋼焊縫焊接中， 堆芯補(bǔ)水箱入口接管與上封頭焊縫的焊接、 出口接管與下封頭焊縫的焊接中都已采用了窄間隙熱絲TIG 焊， 焊縫質(zhì)量良好， 接頭機(jī)械性能優(yōu)良。

3 結(jié) 語(yǔ)

熱絲TIG 焊是焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良、 熔敷效率高的焊接工藝方法， 在核電設(shè)備制造中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用， 目前已經(jīng)成功應(yīng)用在包括核電設(shè)備內(nèi)壁不銹鋼及鎳基堆焊層的堆焊、 接管安全端焊縫的焊接及低合金鋼窄間隙焊縫的焊接。

表2 彎曲試驗(yàn) (AWS B4.0M-2000)

表4 拉伸試驗(yàn)（ 棒拉） (AWS B4.0M-2000)

表5 金相檢驗(yàn)結(jié)果

表6 沖擊韌性試驗(yàn)（AWS B4.0M-2000）