核电站MIG半自动焊接技术的研究与应用

核电站MIG半自动焊接技术的研究与应用

杜恒芳，王康，王雄

中国建筑第二工程局有限公司核电建设分公司  广东省深圳市  518000

摘要：在核电站的设计和建设中，核电站水池不锈钢覆面焊缝为核一级焊缝，焊接质量要求非常严格，由于水池现场焊接劳动条件较差、劳动强度高，难以保证焊接过程持续有效，传统手工焊接工艺焊接质量不稳定，焊缝一次合格率较低。通过本次对MIG半自动焊技术的研究，包括设备选型、气体比例选择、工艺评定试验等方面，MIG半自动焊工艺的焊接参数稳定、焊接过程连续，提高了焊缝内在和外观质量并确保了其稳定性，焊缝能够满足力学性能和化学性能要求。MIG半自动焊接技术能够有效地提高核电站水池不锈钢覆面焊缝的焊接质量及工效。

关键词：核电；水池、不锈钢；半自动；焊接

1 前言

水池不锈钢覆面主要功能在于为核设备运行提供适宜的清洁环境、阻止放射性物质渗入核电站内部混凝土结构、保护运行期间工作人员、方便核电站退役后清洁处理、燃料临时存放、废料处理等，其建造质量的好坏直接影响着核电站运行的安全性。在核电站的设计和建设中，不锈钢水池属于核质保Ⅰ级、核安全Ⅱ级的设备，其覆面板安装焊缝的等级为核一级，焊后需进行100%无损检测（其中乏池、装载井水池、IVR水池、IRWST水池及ASG水池液位高度以下钢覆面焊缝需进行100%射线检验）和致密性试验，焊接质量要求非常严格。

以目前国内外均采用手工钨极氩弧焊工艺来看，现场坡口焊存在以下问题：

（1）电弧电压、焊接速度、送丝速度等重要焊接参数波动性较大，加大了未熔合、气孔、夹钨等焊接缺陷产生的几率，焊缝表面成型不够美观，焊缝内在质量的稳定性和一致性较差。

（2）焊接劳动条件差、强度高，难以保证焊接过程持续，焊接效率大打折扣及焊接质量不稳定，焊缝一次合格率低，焊接工期无法切实得到保证。

2 MIG半自动焊应用技术研究

2.1 MIG半自动焊接技术设计路线

MIG半自动焊接技术实施的思路具体从设计文件梳理、焊机选型、材料确定、设备采购、工艺试验、模拟件制作等步骤进行。通过对RCCM标准及上游文件的充分掌握，编制水池自动焊技术文件，确定焊接设备及焊材的型号，初步拟定焊接参数，根据后续的不断试验，对焊接参数进行优化。

2.2 材料及设备选用

（1）母材材质为022Cr19Ni10，覆面板和池壁板厚为4mm，池底厚度为6mm。

（2）根据不锈钢水池母材的化学性能及物理性能要求，选择四川大西洋焊丝的规格型号为：ER308L、Ф1.2/Ф0.8（小盘）。

（3）焊机选型应综合考虑焊机性能、经济性、标准要求及现场实施要求，并充分进行市场调研、对比分析，确定焊机型号为松下二保焊机YD-350/500GL3。

2.3 MIG半自动焊气体选用

MIG半自动焊技术研究的关键点之一为惰性气体混合比的选择，工艺开发初期需要制定不同的比例，通过实验进行不同混合比的可焊性、成型性验证。初步制定惰性气体混合比方案为：试验使用的气体混合种类有：Ar+He；Ar +O2；Ar +CO2 ； Ar + He+ O2。试验用的混合气含量比例如下表。

表1 试验用混合气含量

2.4 不同气体混合试验研究

试验确定的固定参数有：组对间隙为3mm-3.5mm，坡口为I型坡口，垫板为陶瓷，变量为不同气体混合及不同气体含量比例。

1）对于Ar+He中A/B/C/D/E系列气体混合比例规律为，Ar比例依次增大，He比例依次减小。进行A组混合气焊接时，焊缝单道成型，焊缝表面有少量飞溅，焊缝两边熔合参差不齐，焊缝中间起拱，焊缝余高较大 ，但熔池在焊接时稳定，弧压较稳定。进行B系列混合气焊接时，焊缝表面成型和A差不多；C系列时，焊缝表面成型不美观，中间起拱，余高较高，两边与母材熔合较差；D系列焊接时，焊缝表面比C系列更差，无鱼鳞状成型焊缝；E系列焊接时，焊缝表面外观成型较差，与母材熔合较差，焊接时操作不稳定。

2）对于T01-04/T09-12/C06/B06/D07系列气体混合规律为：氩气含量逐渐增多，氦气逐渐减少。T01-04焊接时，焊缝表面成型不良，无鱼尾纹路的焊缝表面，有少量飞溅，熔敷量小，可以稍做打磨，进行两层焊道焊接4mm板。T09-12焊接时，焊缝表面成型良好，略带鱼尾纹路，飞溅较少，熔敷量较几种气体最小，可以稍做打磨，4mm板可进行两层焊道焊接。C06气体混合比时，焊缝表面成型良好，略带鱼尾纹路，飞溅较少，焊缝余高较高，焊缝宽度较宽。B06气体混合比时，焊缝两边熔合参差不齐，焊缝中间起拱，焊缝余高较大 ，但熔池在焊接时稳定，弧压较稳定。D07气体混合比时,焊缝表面成型良好，略带鱼尾纹路，飞溅较少，熔敷量较几种气体最小，4mm板可进行两层焊道焊接,在验证小电流时，焊缝余高及宽度都能满足标准要求。

3）对于Ar +O2混合中，F和G系列焊接时，焊缝表面成型良好，飞溅较少，焊接操作稳定，但熔敷金属量大，焊缝单道成型。

4）对于Ar +CO2混合中，H/I/J/K/L系列焊接时，焊缝表面成型良好，飞溅较少，焊接操作稳定，但焊缝向两边延展性能不好，焊缝宽度较小，焊缝单道成型。

5）三元气体混合Ar + He+ O2焊接时，焊缝表面都发黑，焊缝表面外观成型较为难看，焊缝与母材两边熔合不良，焊接操作性也不稳定。

总结如下：几种气体混合比焊接比较中，1、最为好用及焊接稳定的是20%Ar + 80%He中的T09-T12和D07气体；2、氩气含量越大，焊接操作性、焊缝成型及焊缝质量越差，如E系列的焊接性能最差。

2.5 焊接工艺技术验证

通过不同混合比实验情况分析，20%Ar+80%He混合的气体焊接效果良好，焊缝成型美观、飞溅少、焊缝纹路均匀。通过做工艺评定来验证20%Ar+80%He混合的气体，焊接出来的接头是否满足力学性能和化学性能要求。

经过对不同比例混合气体焊接试验对比分析，20%Ar+80%He组合的混合气体操作性及稳定性都比较好，可以适用于薄板不锈钢焊接，且无损检验、力学性能和化学性能均满足标准及技术规范要求，但在焊接焊缝余高不得超过1.5mm。

2.6 MIG半自动焊应用前工艺评定制作

根据现场实际焊接焊缝位置，制定两项工艺评定，通过模拟现场的焊接条件、环境温湿度、焊接位置、焊接操作人员等因素，验证MIG半自动焊的工艺可行性。

表2 焊接工艺评定参数表

表3 焊接工艺评定无损检验结果

表4 焊接工艺评定理化试验结果

表5 焊接工艺评定的力学性能

本评定结果符合GB/T 222钢的成品化学成分允许偏差，样品焊材所检项目化学成分分析结果符合ISO 3581:2003中牌号308L的要求，符合《NF EN ISO 15614-1 焊接工艺评定》所规定化学成分、测定性能，符合GB/T 1954所规定焊缝金属中铁素体含量，晶间腐蚀性能试验满足NB/T20004-2014中第18章方法1要求，评定结果为合格。

立焊、横焊和仰角焊时，为了防止熔化金属从熔池中流淌，须减小熔池面积以便于控制焊缝成形，须采用较小一些的焊接电流，一般比平焊位置小10～20%，其他焊接参数与之匹配变化。

3 结论

实践证明，MIG半自动焊的核电站不锈钢水池组焊结构相对于现有的手工钨极氩弧焊工艺技术，具有以下显著优点：

1）焊接生产率高。由于焊丝自动送进，可实现长焊缝的连续焊接。焊接时焊接电流密度大，焊丝的熔化效率高，所以熔敷速度高。焊接生产率比手工钨极氩弧焊高3～4倍，组装时间可缩短15〜20天，整个工期可缩短约1.5个月，大大提高了工作效率。

2）应用范围广。可以焊接薄板、厚板以及全位置的焊接等。

3）操作性好，具有手工钨极氩弧焊那样的灵活性。

4）MIG半自动焊工艺的焊接参数稳定、焊接过程连续，提高了焊缝内在和外观质量并确保了其稳定性。

综上所述，MIG半自动焊接技术成熟、性能稳定可靠，可用于核电不锈钢水池覆面焊接工程。

参考文献：

[1]耿正，陈树君，弧焊电源，中国焊接设备，第三期，2004.

[2]熊腊森，焊接工程基础，机械工业出版社，2002.

[3]史耀武，陈祝年等，焊接手册第三卷（第3版），机械工业出版社，2007.

[4]雷世明，焊接方法与设备（第3版），机械工业出版社，2017.

[5] 中冶科工集团建筑研究总院，GB50661-2011钢结构焊接规范，北京：中国建筑工业出版社，2011

[作者简介]杜恒芳，女，1980年出生，工程师，中国建筑第二工程局有限公司核电建设分公司龙川核电基地管理中心技术部副经理。

此论文由中国建筑股份有限公司资助的《核岛钢结构自动、半自动焊接施工创新技术研究》（课题编号CSCEC-2020-Z-53）与中国建筑第二工程局有限公司资助的《核岛钢结构焊接施工创新技术研究》（课题编号：2021ZX000004）课题组研究发表。