不锈钢覆面焊接焊机应用分析

不锈钢覆面焊接焊机应用分析

庾涛锋 李志龙

中核工程咨询有限公司 北京 100161

摘要：工具是确保物项施工质量的基础和前提，随着国内核电批量化建设，通过采用高效工机具，优化建造工艺，推动技术创新，是实现机组建设质量、安全、进度、成本等多重优化的重要途径。目前在国产三代核电不锈钢覆面焊接中，主要采用手工钨极氩弧焊和TIG自动焊，两种焊机具有各自的特点和优势。本课题通过比较法、归纳法，结合不锈钢覆面焊缝结构形式，对两种焊接工艺的特点、焊道数量、焊接效率、射线检测结果等情况进行分析，介绍热丝TIG自动焊工艺，充分探究二者的使用特点，优化两种焊机的使用搭配，为后续质量管控和质量提升提供参考和借鉴。

关键字：国产三代核电；不锈钢覆面；焊接；热丝TIG自动焊；

引言

国产三代核电“华龙一号”是在我国30余年核电科研、设计、制造、建设和运行经验的基础上，自主设计、自主建造的三代核电站，其安全指标和技术性能达到了国际三代核电技术的先进水平。“华龙一号”采用能动与非能动结合的设计理念，全面平衡贯彻“纵深防御”的设计原则。不锈钢水池是能动与非能动系统的重要组成部分，对保障机组运行功能和安全功能具有重要意义。通过研究焊机在不锈钢覆面焊接中的应用，为后续施工提供参考，具有重要意义。

1工程概况

1.1不锈钢水池

不锈钢水池主要包括内置换料水箱、乏燃料水池、辅助给水箱、堆腔水池、非能动堆腔注水箱、非能动热量导出水池及燃料转运舱、准备井、装载井、各厂房疏水坑等，共计约728T，焊缝总长度约为13800米。

1.2焊缝主要结构形式

不锈钢覆面板主要材质为022Cr19Ni10奥氏体不锈钢，含碳量较低[1]，焊接性良好。绝大部分焊缝为对接形式，少量为角焊缝，覆面焊缝起密封作用，质量要求严格。

1.3现场使用焊机

手工钨极氩弧焊是建造不锈钢覆面传统使用的焊接方法，使用灵活，焊接效率相对较低，焊接质量受焊工技能因素影响较大。为了提高不锈钢覆面焊接质量及施工效率，适应新时期核电建造自动化发展趋势，现场研发热丝TIG自动焊焊接工艺，进行相应的工艺试验、工艺评定、模拟墙试验、专家评审、现场初步应用、分析总结等。

技术规格书要求覆面焊接采用TIG焊，焊条电弧焊仅用于支撑焊接（支撑起焊接垫板的作用），现场不锈钢覆面主要采用下面两种焊机：

1）手工氩弧焊机。焊机型号WSM-315D，直流氩弧焊。手工氩弧焊机体积为50×51×36cm，体积小巧，携带方便，在空间狭小的位置便于施焊，焊枪较小。

2）热丝TIG自动焊机。规格型号Trans Tig 5000 Job G/F，直流正接。自动焊机包括焊接主电源、热丝电源、送丝系统、冷却系统、焊枪系统、小车系统、焊缝跟踪系统等，焊枪系统体积为53×47×48cm。

2应用分析

2.1目前现状

不锈钢水池工程量大，对质量要求严格，培养一名合格的焊工需要长时间的培养和指导。从2017年开始，自动焊机首次应用到5RS内置换料水箱覆面施工中，发挥了焊接速度快、效率高、减轻劳动强度的优势，但是自动焊并不能完全代替手工焊，在某些结构形式中，使用自动焊容易产生焊接缺陷，有自己的特点和使用范围限制，通过分析两种焊机的焊接效率和RT检测结果，以量化分析焊机应用情况。

2.2焊机特点

2.2.1手工焊

优点：适用全位置焊接；使用灵活；焊机体积小，携带方便；

缺点：焊接效率相对低，对焊工技能要求高[2]；

2.2.2自动焊

优点：焊接效率高；显著减轻焊工劳动强度；焊缝美观；

缺点：适用平直长焊缝；焊机体积较大；使用前需组装调试，为避免大面积缺陷，通常使用前应焊接模拟件以确认焊机性能；需定期检查和维护。

2.3焊缝外观

与手工焊相比，热丝TIG自动焊具有自动焊缝跟踪系统，保证焊接过程的电弧稳定性，并且可以实现连续焊接，因此焊缝更加平直均匀，成型美观。

2.4焊接效率

根据现有合格的工艺评定，自动焊焊缝的定位焊和打底均采用手工焊形式，填充焊道和盖面焊道采用自动焊，自动焊焊接效率高，同等板厚，所需填层道数少。

在完成打底焊情况下，4mm不锈钢板进行立焊时，手工氩弧焊需3道填层和1道盖面，自动氩弧焊仅需1道盖面，无需填层；6mm平焊时，手工氩弧焊需4道填层和1道盖面，自动氩弧需2道填层和1道盖面即可。

通过测试，自动焊和手工焊的焊接效率对比如表1所示。

通过以上分析可知，在二者均可施焊的前提下，自动焊的焊接效率约是手工焊的3倍左右，可显著缩短焊接时间，降低工人劳动强度。

表1手工焊和自动焊效率对比

2.5射线检测结果分析

2.5.1射线检测合格率

通过分析5RS内置换料水箱射线底片，手工焊和自动焊的一次射线合格率均在99%以上，二者无明显差异。

2.5.2返修缺陷类型

在返修缺陷类型中，二者各有特点。手工焊返修缺陷主要为气孔、夹钨；自动焊缺陷类型主要为气孔、条形缺陷，夹钨极少出现。

2.5.3自动焊典型缺陷

自动焊在现场应用中具有局限性，在焊接池壁阴角包边长直焊缝时，易出现焊接缺陷。

经过分析，池壁包边安装前已在车间折弯，在安装过程中，为了保证覆面与墙体贴合严密，通过工装夹具进行定位固定，这个阶段中，池壁包边会积累大量应力，而自动焊机的焊接顺序为沿焊缝自下向上焊接，由于自动焊焊接热输入较大，导致池壁包边应力释放，焊缝间隙开始缩小，到达焊缝中部时，焊缝部分位置的间隙开始收缩到自动焊允许的最小焊缝间隙量，自动焊焊炬无法伸入焊缝根部，导致焊炬无法正常摆动，导致焊接位置出现死角，从而出现未熔合的缺陷。

3结论

针对不锈钢水池覆面焊缝结构形式，在不锈钢水池施工中：

1. 在焊接4mm、6mm对接钢板长直缝时，当具备条件的情况下，优先使用自动焊，可以提高施工效率，保证质量；

2. 在焊接池壁包边长直缝等受力复杂的构件时，应优先采用手工焊；

3. 在现场施工中，使用哪种焊机、焊接方法并不是绝对的，应综合考虑进度、质量、人力资源，从而实现效益的最优化。

质量强则国家强，质量兴则民族兴。对于核电建设而言，保证建造质量是确保核安全的根本举措，自动化、标准化、智能化是未来建造领域的发展趋势，也是保持核电经济性和性价比的重要举措。但自动化不是一蹴而就的，应充分总结已有的良好经验和经验反馈，坚持迭代优化，不断增强自主建造水平。随着技术的进步，预计将会有更高效先进的焊接工机具应用到现场，秉持严慎细实的工作态度，在实践中不断加强总结，加强事前预控、事中管控、事后把关是确保实体质量的重要手段。

参考文献

[1]李亚江.焊接冶金学：材料焊接性.北京：机械工业出版社，2006.10：120-121.Li Yajiang.Material weldaility.Beijing:China Machine Press,2006.10:120-121

[2]陈祝年.焊接工程师手册.北京：机械工业出版社，2009.10:331-332.Chen Zhunian.Welding Engineer Manual.Beijing: China Machine Press，2009.10:331-332