核电站薄板不锈钢水池热丝TIG自动焊应用研究*

杜恒芳，李 政，王 雄，王 康，陈旭芳

(中国建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概况

某核电站不锈钢水池属于核质保Q1级、核安全Ⅱ级的设备，对接带垫板焊缝需进行100%VT+100%LT+100%PT+100%RT探伤，焊接质量要求严格。不锈钢水池由底板、池壁、天花组成，包含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、运载井及准备井等，水池材质为022Cr19Ni10，池壁和天花厚4mm，池底厚6mm，坡口形式为V形，角度为单边(30+2.5)°，组对间隙2～6mm，不锈钢水池对接焊缝长达13 000m，焊接工作量大，且薄板在焊接时易变形，质量控制难度很大。

采用手工氩弧焊焊接打底焊缝，现场组装焊缝时，覆面板与拍片槽垫板间易贴合不严密，干烧焊接熔化坡口底部后，进一步加大覆面板与拍片槽贴合面间隙，熔化的铁水沿间隙流入，但温度不足以熔化覆面板底部母材，造成拍片射线底片有加宽的黑线，而此黑线与未熔合缺陷显示类似，判定为未熔合缺陷。

该热丝TIG激光跟踪自动焊由激光视觉检测系统、智能控制系统、数据通信及控制、焊接小车、焊接电源和摆动送丝机构等构成。打底焊道采用15 000Hz超级脉冲+摆动焊接+热丝+弧压跟踪+焊接前进行激光示教的方式，保证焊接时实时跟踪坡口变化和焊道直线度变化，并切换事先储存的焊接JOB号调，调用适合的焊接参数完成焊接，电弧更精密、更聚弧、功率强度更密集，能加大均匀的熔深，减少热影响区域，加大电弧压力，有效连接拍片槽与覆面板，避免现场组对时因覆面板与拍片槽贴合不严，导致射线底片出现黑线的未熔合缺陷。采用德国蕾姆电源，以获得稳定电弧，保证自动焊打底、填充、盖面焊接参数稳定输出，焊接过程连续，提高焊缝质量。不锈钢水池三维模型如图1所示，其现场焊接接头节点如图2所示。

图1 不锈钢水池三维模型

图2 不锈钢水池现场焊接接头节点

2 现场有间隙焊缝模拟试验

2.1 试验材料、设备

覆面板与垫板(拍片槽)材质均为022Cr19Ni10，抗拉强度Rm均≥490MPa，垫板使用φ1.2的大西洋焊丝ER308L，焊机型号为Inverting prodigtal 350DC。

2.2 有间隙模拟件制作

根据现场焊接经验，在不锈钢覆面板和拍片槽组对紧密的情况下，当采用自动焊进行无填充、无摆动工艺时，焊缝一般不出现未熔合等缺陷，但因现场条件复杂，很难保证长直焊缝贴合紧密、焊缝不出现未熔合缺陷。所以根据现场情况，采用自动焊工艺进行有间隙焊缝模拟试验，并分析原因，提出解决办法。

试验件施工流程如下：根据设计图纸，确定焊接工艺方案→根据质量计划，对钢板下料→加工钢板坡口→构件组对，覆面板与垫板间隙为1.5，1.3mm→焊接覆面板，进行无损检测→分析射线检测结果→理化检测。

参考BS3RXC25232DPZS42SD《内环池-2.7m以下池壁钢覆面焊接节点图》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焊无填充、无摆动的焊接工艺，构件组对时要求焊缝一侧间隙为1.5mm，另一侧为1.3mm(见图3)。

图3 覆面板与垫板间隙

参与试验的人员需参加交底培训，完成后焊工按照模拟工艺参数焊接覆面板，模拟件编号为SYYJ-GG-001，工艺参数如表1所示。

表1 模拟件焊接工艺参数

打磨干净试件两侧各50mm的区域，避免氧化物或夹杂物对焊接产生影响，进行自动焊时，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，是否有松动的零部件，严禁使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现场环境，确保无易燃易爆的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适当距离。

按照焊接参数焊接焊缝，焊缝成型良好，焊接后对焊缝进行无损检测。

根据检测报告，VT，LT，PT检测结果合格，RT检测结果为1号片在88～99处存在2个气孔，-15～95mm处未熔合；2号片在-100～85mm处未熔合，焊缝射线不合格，无损检测结果如表2所示。

表2 无损检测结果统计

射线底片中有2条明显的黑线(见图4)，且黑线有一定宽度，与未熔合现象特征基本吻合，故无损检测评定结果为焊缝未熔合缺陷。由于覆面板与垫板焊接时存在间隙(1.3，1.5mm)，分析焊缝未熔合缺陷主要是因为根部存在间隙，同时对射线缺陷进行力学分析，研究缺陷对焊缝质量的影响。

图4 试验焊缝射线底片影响

标识焊缝无损检测报告中的缺陷位置，有2处连续的未熔合缺陷，且在88，94mm处有超标气孔，为进一步研究射线底片黑线对焊缝力学性能的影响，在缺陷位置切取试样，进行常温拉伸、面弯、背弯、宏观金相、微观金相等理化试验，为有效辨别已有缺陷与底片黑线对焊缝性能影响的区别，将SYYJ-GG-001-2背弯试块取88，94mm处超标气孔，其他试样取其余底片黑线处进行研究。

对选取的试样进行理化检测，检测项目及检测依据与实际焊缝要求一致，理化报告显示取自其余底片黑线处的常温拉伸、面弯、背弯、宏观金相、微观金相试验满足要求，结果为合格，同时宏观金相未发现未焊透、未熔合及超过射线检验标准的气孔，且无裂纹。而88，94mm处超标气孔存在5.1mm宽的开口性缺陷，不合格。

3 模拟试验分析及改进措施

3.1 模拟试验未熔合问题分析

1)覆面板与垫板组对存在间隙时，焊缝表面成型良好，无损检测VT，PT，LT结果合格，焊缝打底采用不加丝、无摆动焊接方法时，RT底片显示黑线影像(见图5)。

图5 焊缝截面(背后有间隙时)

2)对RT底片存在黑线影像位置及超标缺陷位置进行理化试验，当所取试样仅在黑线位置(无其他缺陷)，理化试验结果满足要求；当所取试样在黑线位置且有超标气孔缺陷时，理化试验结果不满足要求。说明射线底片有未熔合缺陷时，对焊缝力学性能影响不明显或影响甚微，但有超标缺陷的情况下，对焊缝力学性能影响较大，导致不合格。

3.2 模拟试验改进措施

现场不锈钢覆面板带拍片槽对接焊接时，存在拍片槽安装不平整、覆面板沿墙弧度安装时变形、组对角度偏差、顶紧力不足等问题，导致覆面板与垫板组对时存在一定间隙，难以达到设计要求的零间隙，需改进焊接工艺，减少现场焊接工艺或规避因环境因素导致的焊接缺陷，具体如下。

1)采用15 000Hz超级脉冲+摆动焊接打底，电弧更精密、更聚弧、功率强度更密集，能加大均匀熔深，减小热影响区域，加大电弧压力，可有效连接拍片槽与覆面板。打底时增加摆动功能，可将熔池内的金属母材两侧融化、填充间隙，避免在根部产生未熔合缺陷。

2)自动焊采用激光视觉跟踪系统，可在焊接环境中实时提取焊接区域信息，如位置、间隙、错边、面积、电弧、熔池、咬边、余高等，以保证焊接质量。

3)自动焊采用弧压跟踪系统，可保证自动焊接时实时监控弧压，使均匀处于正常弧压下，避免焊接时弧压突变引起焊接质量问题。

4)自动焊接时增加热丝功能，可提前加热焊丝，提高焊接效率。

5)改进后的焊接工艺参数如表3所示。

表3 改进焊接工艺参数

4 改进措施验证

依据改进措施进行焊接，确认焊接工艺无问题后，按照《RCC-M压水堆核电站核岛机械设备设计与建造规则》(2007版)和ISO 15614—7—2016《金属材料焊接工艺规程及评定》要求，进行试件焊接、试样检验、性能测定验证，最终结果均满足要求，检测结果如表4～6所示。

表4 无损检测结果

表5 化学分析检测结果 %

表6 力学性能检测结果

5 自动焊现场应用

现场应用前制作1∶1的模拟件，并通过无损检测(100%VT+100%LT+100%PT+100%RT)，验证该工艺在现场条件下是否满足要求，模拟件完成后，按照实体焊缝施工流程执行质量开启计划、焊接专项交底、焊接控制单，并在焊接时控制不锈钢覆面板焊接变形。TIG自动焊工艺在IRWST水池、反应堆水池、ASG水池中优先开启应用。热丝TIG激光跟踪自动焊IRWST水池焊缝如图6所示。

图6 热丝TIG激光跟踪自动焊IRWST水池焊缝

6 结语

核电站薄板不锈钢水池采用热丝TIG自动焊工艺，通过对核工艺进行开发研究、模拟试验验证、工艺参数改进及现场应用验证等措施，得到以下结论。

1)打底焊道采用15 000Hz超级脉冲+摆动焊接工艺，可有效解决覆面板与拍片槽贴合不严密产生未熔合的问题。

2)不锈钢水池进行TIG自动焊时，采用弧压跟踪、激光跟踪控制的方法，很大程度上实现自动化、智能化焊接，操作简单，可减少对熟练焊工的依赖。

3)不锈钢水池TIG自动焊具有热丝功能，可加速焊丝熔敷率，提高焊接效率。

4)蕾姆电源性能稳定，可保证自动焊打底、填充、盖面的焊接参数稳定输出，使焊接过程连续，提高焊缝质量。

5)现场使用热丝TIG自动焊的应用效果良好，表明此工艺已具备现场实体焊接的能力，焊接质量可靠，可大量推广。