窄间隙自动焊技术的应用与推广

2018-06-11李兴宇

浙江电力 2018年5期

姜煌，李兴宇

（中国能源建设集团浙江火电建设有限公司，杭州 310016）

0 引言

发电厂动力管道焊接时，常用的焊接方法有2种：手工全氩弧焊接、手工氩弧焊打底加手工电弧焊填充和盖面。对于大口径厚壁管道，通常采用组合坡口型式，GTAW（氩弧焊）+SMAW（手工电弧焊）进行多层多道焊，虽然焊接设备简单，但此型式的坡口宽度大，焊接熔敷金属量大，焊材消耗多，焊接周期长，并且焊接质量不稳定，受人为因素影响较大，特别是核电站中，基于“先漏后断”（Leak-Before-Break）安全评定技术的管道，规定了焊接方法为氩弧焊，如果大口径厚壁管采用手工氩弧焊，则更是耗材、耗时、耗力。因此窄间隙脉冲自动氩弧焊的工艺近年开始从国外引进，三门、海阳AP1000核电项目，福清、宁德、方家山等CPR1000核电项目的一回路主管道焊接均采用了窄间隙自动焊氩弧焊，取得较好的质量和经济效益。

1 窄间隙焊与手工焊的比较

NG-GTAW（窄间隙焊接技术）是在应用传统氩弧焊焊接方法和工艺基础上，加上特殊焊丝、保护气、电极向狭窄坡口的导入技术以及焊缝自动跟踪等特殊技术而形成的一种专门技术；机头沿焊缝环绕管壁运动，从而实现全位置自动焊接；自下而上的各层焊道数目通常为1或2道；采用小或中等热输入进行焊接；易维持恒定的电弧长度，焊接过程稳定，容易获得较高的焊缝质量。相对于常规坡口手工焊，NG-GTAW有如下特点：

（1）焊缝坡口小，焊缝金属没有更换焊条或焊丝的接头，在很大程度上减少了焊接材料。

（2）焊接热输入率小，焊后残余应力和残余变形小。

（3）电弧自动跟踪，自动化程度高，减少了人为因素，便于控制焊接质量。

2 设备、材料的选择

2.1 焊机的选择

目前，在核电设备制造或安装中使用的窄间隙自动氩弧焊机主要来自加拿大和法国的两家公司，文中选用加拿大利宝地公司的GT-Ⅵ型焊接电源和H型机头作为试验机型。该焊机焊接电源稳定性好，具有多功能特性，综合性价比较高。

窄间隙自动焊机主要由焊接电源、视频监视系统、焊接机头和送丝（较直）机构组成，另外可配一个远程控制手盒，采用与管道规格适配的轨道，机头在轨道上行走进行焊接。

为保证焊机机头的顺利行走及焊接，GT-Ⅵ型焊机H机头的径向外部最小需求空间约为240 mm，轴向最小需求空间约为375 mm。

2.2 坡口型式选择

文中主要针对AP1000一回路主管道的材料（不锈钢SA376 TP316LN）进行窄间隙自动氩弧焊工艺的研究。

利宝地H机头焊接过程中的气体保护主要通过大气罩实现，焊接时，坡口内仅钨棒和送丝管伸入，因此窄间隙坡口可以加工小角度单面U型加膛孔或正面U型、背面V型等型式，如图1、图2所示。

单面U型加膛孔的焊口采用单面焊双面成型工艺，对打底焊接质量要求较高，而采用正面U型、背面V型时，须满足管道内部有足够的空间允许人员进入清根，并配备内轨道进行焊接，对打底焊质量要求可适当降低。具体坡口型式可根据管道规格、材质和焊接要求选择。

2.3 焊接材料的选择

本次焊接焊丝选择ER316L；钨极采用规格为Φ4.0 mm的镧钨；保护气体选用正面Ar 99.999%，背面99.99%。

4.1 TOFD由于是利用缺陷波的衍射原理和采用一发一收的至少两个探头进行检测，所以对于直管对弯头处焊缝，就不能采取TOFD技术。相控阵技术不受此结构的限制，可以单探头进行检测。

焊机本身可选用Φ0.8 mm，Φ1.0 mm，Φ1.2 mm不同规格的盘状焊丝，文中以Φ1.0 mm作为焊接工艺试验的焊丝，由于送丝机构固定在机头上，与机头一起行走，焊丝盘规格和重量不宜过大，一般选用4 in标准盘，重量约5 kg。

图1 单面U型坡口

图2 正面U型、背面V型

ER316L焊丝化学成分及理化试验结果如表1、表2所示。

3 焊接工艺质量控制

采用Φ688.85 mm×65 mm和Φ952.5 mm×82.5 mm规格、材质为SA376 TP316LN型超低碳不锈钢管进行焊接工艺研究，进行不同位置（2G，5G，6G）的焊接工艺试验，并对不同的组对间隙和错边量进行相应试验。

手工氩弧焊一般采用向上焊，与其不同的是，窄间隙自动焊可以采用周向全位置焊接或向上焊2种方式，采用向上焊的方式与手工焊类似，从6点位置分别向上焊至12点位置，熔池控制相对简单，但效率降低；采用周向全位置焊接时，可配备正反2个焊丝架，更换导丝杆方向依次反向焊接或通过改变起弧点焊接从而控制挠曲变形，可以提高焊接效率，减少接头数量。

表1 ER316L焊丝化学成分

表2 焊丝复验理化试验结果

3.1 焊口组对

根据焊机本身的性能，为保证焊接质量，应严格控制焊口组对错边量和组对间隙，错边量尽量保证在0.5 mm以内，组对间隙0~1 mm。组对完成后，在管道内壁进行点固块点固。

3.2 背面充氩保护

在管道内部设置充氩堵板或制作气室，采用99.99%以上的纯氩提前充气30 min~1 h，确保气室内氧气含量不大于1%。

3.3 打底焊

打底焊起弧一般选择上45°位置并向上焊接，具体焊接方向根据机头配置及焊丝盘布置方向而定，以利于对熔池质量的控制，采取周向焊接方式，中间不停弧，一次性完成打底焊接，如图3所示。

图3 打底焊起弧位置示意

3.4 热焊

打底焊完成后，应立即进行热焊，以防止根部焊缝受到破坏。

为保证坡口两侧熔合良好，热焊采用分道焊，通过调整机头倾斜角度，分2道进行焊接。

3.5 填充焊

打底焊、热焊及填充焊均采用脉冲弧工作模式。焊接时，钨棒不摆动，利用脉冲峰值电流的冲击力扩张熔池，使熔池与侧壁良好地熔合，同时，过程中采用基值小电流焊接，可以有效控制焊接热输入。

填充焊时，为保证坡口两侧熔合良好，根据坡口宽度与所选择的焊接工艺参数综合比较，当坡口宽度达到8 mm时，宜采用分道焊接，否则单道焊接。

填充焊每层焊缝接头错开，而且根据焊缝收缩产生的挠曲变形，可以改变起弧点来调整挠曲变形方向和变形量。

为防止背面根部焊缝重复受热二次氧化，在焊缝焊至15 mm后，再停止背面充氩保护，拆除充氩保护装置。

打底焊、热焊及填充焊的焊道分布见图4。

图4 焊道分布示意

3.6 盖面焊

盖面焊时，根据焊口位置的不同，选择不同的盖面方式。

5G位置和6G位置焊口盖面采用同步脉冲模式，钨棒随机头进行摆动，峰值电流出现在左右停留时间段，盖面单道成型，两侧与母材熔合良好。2G位置仍采用脉冲弧工作模式，从下往上分道焊接。同步脉冲电流如图5所示。

图5 同步脉冲电流示意

当盖面完成后，由于管道表面焊口附近受焊缝纵向收缩影响，局部有低于母材的缩颈现象，因此，从坡口两侧分别往外侧进行填充，最终与管道表面平滑过渡。盖面焊及缩颈填充示意如图6所示。

图6 盖面焊及缩颈填充示意

3.7 焊接工艺评定

经过多个焊口不同位置的焊接工艺试验后，最后对Φ688.85 mm×65 mm单面U型坡口型式焊口进行6G位置焊接工艺评定，焊接工艺参数设置见表3。

焊缝经过15 mm，50%壁厚及100%壁厚3次RT（射线检测）检验结果均合格，焊接工艺评定力学性能及理化性能结果见表4、表5及表6。

宏观及微观金相照片如图7所示。

4 结语

从SA376 TP316LN不锈钢管焊接工艺试验的结果来看，窄间隙自动氩弧焊完全可以焊出质量优良的焊接接头，并且通过测算，1只Φ688.85 mm×65 mm的焊口焊丝用量仅约7.5 kg，而常规坡口手工焊（GTAW+SMAW）的焊材用量约60~70 kg。窄间隙自动氩弧焊在大口径厚壁管道的焊接中具有较大的优势，如果焊接碳钢管道或合金钢管道，焊机还带有热丝焊功能，效率是冷丝焊的3~5倍。因此，窄间隙自动氩弧焊接技术不仅仅在核电施工中得到快速发展，也适合在常规火电厂的大口径厚壁管道焊接作业中进行推广和应用。