GMAW-P自动焊工艺在核电站钢制安全壳中的应用

(国核示范电站有限责任公司，山东 荣成 264312)

GMAW-P自动焊工艺在核电站钢制安全壳中的应用

刘非

(国核示范电站有限责任公司，山东荣成264312)

简要介绍了GMAW的工艺特点和应用现状，从钢制安全壳设计单位支持、焊接坡口形式及尺寸确定、焊接工艺参数匹配、坡口组对和背面清根等方面探讨了GMAW-P自动焊工艺在核电站钢制安全壳制造中的实施难点及保证措施，对国产核电后续安全壳自动化焊接制造和质量保障具有重要的工程意义。

核电工程钢制安全壳GMAW-P自动焊工艺

0 序 言

国内某大型先进压水堆核电站钢制安全壳直径为43 m，高度为73.6 m，壳体材料为低合金高强度 SA738 Gr.B 调质钢板，壁厚为43～55 mm，钢制安全壳由上下封头和筒体组成，筒体由144块弧板现场拼装焊接而成，涉及144条纵焊缝和13条环焊缝，焊缝总长度约为2 300 m。国内在建的AP1000核电站钢制安全壳焊接采用焊条电弧焊工艺[1-2]。核电站钢制安全壳作为民用核安全设备，其焊接制造质量尤为重要。传统采用焊条电弧焊方法制造钢制安全壳受外在因素影响较大，其质量可靠性保证难度增加。为了提高核电站钢制安全壳焊接质量，减少人为因素的影响，压缩工期，采用先进、高效的自动焊接技术，是未来核电建设发展的趋势。

1 GMAW自动焊工艺特点及应用现状

相比传统的焊条电弧焊，熔化极气体保护自动焊具有焊接生产效率高、焊接变形小、可以获得含氢量较焊条低的焊缝金属、可以连续焊接、不过分依赖焊接人员技能水平、焊接质量稳定等优点，但是焊接过程需要防风，存在灵活性差、可达性差等缺点。随着熔化极气体保护自动焊设备和焊接材料的发展，熔化极气体保护自动焊工艺已广泛应用于锅炉、压力容器制造[3-5]。为适应核电发展，国内某些单位已开展了钢制安全壳(钢衬里)TIG自动焊工艺[6]和熔化极气体保护自动焊工艺[7]的研究和应用。核电站钢衬里多选用优质的低合金钢和碳素钢，如国内的20HR、法国的A42、欧洲标准的P265GH等[8]。钢衬里的钢板厚为6 mm，采用TIG自动焊工艺相比焊条电弧焊工艺，能满足工程建设高效率和质量建设需要，但是对于三代非能动的AP1000和CAP1400核电站钢制安全壳筒体(壁厚为52 mm和55 mm两种规格)焊接，宜选用更加高效的熔化极气体保护自动焊工艺焊接。

2 GMAW自动焊工艺在钢制安全壳应用难点

GMAW自动焊工艺虽然已在桥梁、汽车、压力容器等行业广泛应用，但是在国内核电站钢制安全壳筒体焊接还是首次，按照国家核安全法律法规要求，一项新工艺要应用于民用核安全设备必须证明该工艺是成熟可靠的。

2.1 钢制安全壳设计单位支持是工艺应用的前提

核电站钢制安全壳属于民用核安全设备，因此承担钢制安全壳设计、制造的单位必须是民用核安全设备设计、制造持证单位。熔化极气体保护焊自动焊工艺要在核电站钢制安全壳焊接中应用前提是钢制安全壳的设计单位支持(为支持其设计工作，设计单位在开展设计之前通常会开展相关的试验，其试验成果将成为支持其设计的关键输入)，并在钢制安全壳设计相关文件中明确可以采用熔化极气体保护焊工艺，如CAP1400示范工程钢制安全壳设计单位在《钢安全壳设备规格书》中进行了明确，并配套发布了《钢安全壳用ER90S-G气体保护焊焊丝技术条件》、《钢安全壳用药芯焊丝技术条件》、《安全级设备焊接工艺评定技术条件》等设计文件。

钢制安全壳制造单位必须按照设计单位要求，完成GMAW自动焊工艺试验和焊接工艺评定，向设计单位提交成果，证明该单位已经掌握了熔化极气体保护焊工艺，且已有实施该工艺的设备和人员。所以，钢制安全壳的设计单位的支持，是工艺应用的前提。

2.2 焊接坡口形式及尺寸确定

选择合理的坡口形式和通过大量的工艺试验确定坡口尺寸是焊接工艺顺利实施的基础和确保焊接质量的关键要素之一，焊接坡口形式的选择通常与焊接方法、产品结构形式、焊件材质与厚度、技术要求以及焊件的焊接工况等有关，在保证焊件焊量(保证根部焊透、坡口侧壁熔合)的前提下，应尽可能考虑减少坡口熔敷金属的填充量，提高焊接效率、减小焊件变形以及坡口形状容易加工等因素。

由于GMAW自动焊工艺是首次应用到核电站钢制安全壳筒体焊接，为了确保钢制安全壳筒体焊接的质量和顺利实施，不影响工程建造周期，钢制安全壳焊接单位必须充分考虑GMAW自动焊工艺首次应用的困难，制定相应的应对措施。为此，承担国内某核电站钢制安全壳焊接单位准备了两种焊接工艺：焊条电弧焊工艺和GMAW自动焊工艺，当钢制安全壳筒体拼装焊接条件满足自动焊工艺焊接(打底、填充和盖面)时，则完全采用自动焊工艺；反之，则根据现场实际情况合理选择采用焊条电弧焊工艺或两种混合工艺。

由于钢制安全壳筒体壁板重量和厚度，壁板滚压成弧板，坡口加工精度和条件等方面要求和限制，壁板焊接坡口需要在壁板滚压成弧板前采用机械加工方法加工成需要的坡口形式和尺寸。

基于上述原因，选择的坡口形式和尺寸必须满足两种焊接工艺要求。为此，需要开展大量的工艺试验才能确定出适合两种工艺的焊接坡口形式和尺寸。选择合适的坡口形式和确定最终的焊接坡口尺寸是GMAW自动焊工艺的难点之一。

2.3 焊接工艺参数的匹配

在确定的母材和焊材匹配以及焊接设备选定的情况下，根据已经确定的坡口型式和焊接坡口的装配要求，保证焊接质量是非常关键的。GMAW自动焊工艺参数较多，包括焊接电流、焊接电压、保护气体流量、焊丝伸长长度、焊丝角度、焊接小车行走速度、焊枪摆动宽度等工艺参数。为了保证根部焊透、侧壁和层间良好熔合，针对不同的工况确定出最佳焊接工艺参数是非常难的，因为各种焊接参数不是孤立的，而是相互影响的，另外现场坡口组对质量也将影响到焊接参数的设置。因此，合理的焊接参数是确保焊接质量的关键，通过熔化极气体保护自动焊的电流、电压、焊枪摆动宽度、保护气体流量等参数最佳匹配，实现根部打底焊透，填充过程层间熔合和侧壁熔合，满足无损检测、理化试验对焊接接头质量的要求。

2.4 坡口组对和背面清根

现场焊口的组对质量(坡口间隙和错边量)，将影响到GMAW自动焊工艺能否顺利实施(尤其是打底焊接)，由于现场条件限制和筒体壁板滚压卷制过程圆弧的不均匀性、变形等因素影响，现场焊口组对难以达到均匀一致的高精度，这就要求自动焊设备能根据坡口尺寸及偏差自动调整有关工艺参数，以降低或消除不均匀参数对焊接质量的影响。在现场如果出现了不能满足自动焊组对要求时，无法实现自动焊打底焊接时，可以采用焊条电弧焊打底，完成打底焊接后，再使用自动焊进行填充和盖面。另外筒体正面焊接完成后背面清根质量也将影响是采用焊条电弧焊填充还是自动焊工艺填充的问题。因此，确保坡口组对和背面清根质量是确保自动焊工艺能否顺利实施应用的关键。

3 焊接工艺试验及评定

开展工艺试验目的是通过大量的工艺试验，达到焊接相关人员能够熟练掌握各种工况条件下的焊接工艺参数的匹配和焊工熟练操作焊接设备，为焊接工艺评定和现场工艺应用做好充分的技术准备工作，开展焊接工艺试验前应解决如下问题。

3.1 焊接方法选择

熔化极气体保护焊包括熔化极惰性气体保护焊(MIG)、熔化极氧化性混合气体保护焊(MAG)、二氧化碳气体保护焊(CO2)、药芯焊丝气体保护焊(FCAW)等四类，根据上述四类焊接方法的特点、产品材质和厚度、焊接质量要求、现场可达性方面以及上述焊接方法的实际应用领域和情况等多方面综合考虑，某核电站钢制安全壳筒体焊接选用脉冲熔化极氧化性混合气体自动焊工艺方法(GMAW-P)，该方法是一种高效、优质的焊接方法，主要利用脉冲电流来控制熔滴过度，减小飞溅，改善焊缝成形，提高焊接质量，该种焊接方法可在平均电流小于喷射过度电流情况下实现稳定的喷射过度，可实现厚板全位置焊接。

3.2 焊接设备选择

选择焊接设备时，应考虑到产品的焊接工艺以及焊接技术所提出的要求，根据焊件材料种类、焊件厚度、焊接位置、现场工况等提出具体焊接设备性能，如焊接设备的输出功率范围、电源的空载电压、电源的动特性和静特性、输出电流类型、焊接参数的调节范围和送丝速度等因素。新购置的焊接设备除了上述特性要求外，还要考虑工作环境、焊接位置(焊接小车和机头)可达性、焊接操作人员素质以及焊接设备的可靠性和经济性等要求。综合上述考虑，某核电站钢制安全壳筒体焊接设备选用的国外某焊接设备公司生产的R350型脉冲熔化极气体保护焊机，该套焊接系统由焊接电源、焊接轨道、焊接小车、焊接机头和遥控面板等组成，焊接电源为全数字化控制，熔滴过渡为“一脉一滴”直流脉冲过渡，该种熔滴过渡方式能有效的控制焊接线能量和焊缝成形；焊接小车带有自动反馈系统，能有效控制焊丝伸出长度与焊接电流的大小，系统能够通过自动调节焊丝伸出长度保证焊接电流的恒定输出。

3.3 焊接材料选择

熔化极气体保护自动焊采用的焊接材料包括焊丝和保护气体，母材、焊丝和保护气体的化学成分决定了焊缝金属的性能和化学成分。焊丝的选择包括焊丝尺寸和化学成分的选择，焊丝尺寸的选择主要考虑到被焊工件厚度和焊接位置等因素，按照某核电站钢制安全壳设计单位对焊丝选用要求(《钢安全壳用ER90S-G气体保护焊焊丝技术条件》)并结合现场焊接位置(立焊和横焊)，GMAW自动焊工艺试验选用与SA738Gr.B钢性能匹配的国内某焊材厂生产的ER90S-G焊丝，焊丝直径为φ1.2 mm。保护气体特性对焊接过程会产生重要影响，进而影响到焊接质量，保护气体选用二元氧化性混合气体80%Ar+20%CO2，该种混合气体具有焊接速度高，熔深较大，容易控制熔池，可用于喷射过渡、脉冲射滴过渡，适用于全位置焊接，飞溅小，冲击韧性好，焊缝成形美观等特点[9]。

3.4 焊接坡口设计

合理的坡口设计，是保证质量、 提高劳动效率的重要环节，坡口设计中的坡口形式选择和尺寸与相应的焊接工艺相匹配，钢制安全壳筒体焊缝位置有立焊和横焊两个位置，考虑到坡口组对和背面清根质量对自动焊工艺应用的影响，结合焊条电弧焊坡口设计要求，通过大量的工艺试验确定了适合焊条电弧焊和GMAW自动焊工艺的坡口尺寸和组对要求，图1为GMAW自动焊工艺立焊和横焊坡口形式及尺寸。

图1 坡口形式及尺寸

3.5 焊接工艺参数匹配试验

GMAW自动焊工艺的焊接电流、极性、电弧电压、焊接速度、焊丝伸出长度、焊枪倾角、焊丝直径、保护气体成分和流量以及焊接位置等都将影响焊缝熔深、焊道几何形状和焊接质量。对上述焊接参数的影响与控制的目的是为了获得质量良好的焊缝，这些焊接参数不是完全独立的，改变某一个焊接参数就要求同时改变另一个或另一些焊接参数以便获得所要求的结果。最佳的焊接工艺参数受母材和焊材成分、焊接位置和质量要求等因素影响，需要焊接人员较高的技能和丰富的经验。因此，对于每一种情况，为获得最佳结果，焊接工艺参数的搭配可能有好几种方案，而不是唯一的一种。

为了获得最佳的焊接工艺参数，在焊接坡口形式确定以后，需要根据坡口型式进行大量的焊接工艺参数的匹配试验，如在焊接过程中焊接小车的行走速度和焊枪的摆动速度以及摆动到坡口两侧的停留时间等，都决定焊缝质量。通过大量试验获得最佳的匹配参数设置，最终通过对工艺评定和产品的无损检测和理化试验，验证所用焊接工艺参数是能够焊接出合格的产品。表1为立焊位置推荐GMAW自动焊工艺工艺参数，图2为立焊和横焊位置熔化极气体保护焊正面打底焊后的焊缝成形。

3.6 焊接工艺评定

按照某核电站钢制安全壳设计单位编制的《安全级设备焊接工艺评定技术条件》要求，钢制安全壳筒体焊接单位在熟练掌握GMAW自动焊工艺后，进行了焊条电弧焊和GMAW自动焊工艺的立焊和横焊两个位置的焊接工艺评定，各项试验结果满足设计单位《安全级设备焊接工艺评定技术条件》要求，证明了拟定的焊接工艺参数能够焊接出合格产品，其工艺是可行的。

表1 推荐GMAW工艺参数①

注：①最小预热温度为120 ℃，最大层间温度为190 ℃；导电嘴距离工件距离为10～18 mm；喷嘴尺寸为18～35 mm；后热温度为200～350 ℃，保温时间不少于30 min；热处理温度为595～620 ℃。

图2 GMAW-P自动焊打底焊缝

4 工艺应用

4.1 坡口组对、预热、焊接、后热

某核电站钢制安全壳设计单位设计文件要求，钢制安全壳筒体纵焊缝和环焊缝的坡口组对间隙为0～10 mm，纵焊缝错边量≤3.25 mm，环焊缝错边量≤6.5 mm；通过前期大量的工艺试验和焊接工艺评定确定的坡口形式为双X形坡口，组对间隙为0～5 mm时，可直接采用GMAW自动焊工艺打底焊，对于组对间隙为5～10 mm的焊缝，则采用陶瓷衬垫后，再使用GMAW自动焊工艺打底焊。

坡口组对点焊和定位焊接使用评定合格的采用焊条电弧焊工艺，纵焊定位焊缝长度为60～80 mm，间隔长度为200～300 mm；环焊缝定位焊长度为100～150 mm，间隔距离为300～500 mm；点焊和定位焊时的预热温度≥120 ℃。

熔化极气体保护自动焊轨道采用铝合金轨道，单根轨道长度为3 mm,轨道固定采用耐高温的磁铁，轨道安装时要保证连接处圆滑过渡，已满足焊接小车顺利通过。焊接纵焊缝的方向为从下到上，焊接前应按工艺规程要求，增加引弧和收弧板，无法增加引弧板时，在环焊缝坡口上起弧，焊接完成后，对起弧位置熔敷金属打磨去除。环焊缝焊接时根据焊机数量(至少4台)分段对称焊。正面打底、部分填充焊接后，根据背面清根质量情况，可选用焊条电弧焊工艺进行坡口填充焊，满足自动焊工艺条件时则使用自动焊工艺焊接。

为了保证钢制安全壳筒体焊接质量，防止产生冷裂纹，在每段焊缝终止焊接时(焊接不再进行预热或焊接时)，温度降低到最低预热温度以前应立即铺设加热板继续加热，加热温度到200～350 ℃后进行保温，保温时间不得低于30 min。图3为已完成的纵焊缝焊接过程示意图，图4为正在进行环焊缝焊接。

4.2 防风问题

GMAW-P自动焊工艺焊接过程中必须注意防风问题，为了有效保证GMAW-P自动焊工艺顺利实施和焊接质量，创造一个良好的施工作业环境，在焊接施工区域需要搭设整体防风棚，使施焊的外接风速满足焊接工艺要求。

4.3 工艺应用结果

GMAW-P自动焊工艺已在国内某核电站2号机组钢制安全壳一环和二环24条纵焊缝焊接应用，现场坡口组对尺寸满足了GMAW-P自动焊工艺要求，其整条焊缝的打底、填充和盖面按照评定合格的工艺已完成了焊接，焊接完成后按照设计要求完成了100%VT和RT检验，焊缝一次合格率都在95%以上，出现的缺陷主要为大量焊接飞溅、层间未熔合。经现场工程师分析，缺陷产生的主要原因是因为前期焊工经验不足，焊接过程中对于局部坡口组对间隙不一致的情况，需要焊工根据焊缝熔合情况通过遥控面板适当调节焊接小车行走速度和焊枪摆动弧度以及摆动到坡口边缘两端的停留时间。

按照设计文件要求，在纵焊缝设置了产品焊件，对焊接产品进行了拉伸、弯曲、冲击试验等试验，试验结果满足设计文件要求。

目前正在进行一环和二环之间的环焊缝焊接工作(已经完成了正面焊缝打底和部分填充层焊接，正在进行背面清根，根据背面清根质量拟采用焊条电弧焊进行部分填充，待满足自动焊工艺填充时在选用自动焊工艺填充和盖面)，图5为GMAW-P自动焊正面完成后背面清根后的PT检测。

图3 纵焊缝焊接过程示意图

图4 环焊缝打底、填充焊接过程示意图

图5 背面清根PT检测

5 结 论

通过大量的工艺试验，掌握了GMAW-P自动焊工艺，通过焊接工艺评定试验结果和现场部分焊缝焊接实施以及产品见证件力学性能试验结果表明，GMAW-P自动焊工艺应用于核电站钢制安全壳筒体现场拼装焊接是可行性。

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2017-04-19

刘 非，1976年出生，学士，高级工程师。主要负责生产准备、技术设计、计划合同、生产运行和维修等工作。