窄間隙焊在核電設備制造安裝中的應用現(xiàn)狀程定富1,，張 釗1，李 銅2,，廖東波2 （1.中國核工業(yè)第五建設有限公司,，上海 201512；2.西華大學 材料科學與工程學院,，四川成都 610039） 摘要：在核電設備制造安裝過程中,，對厚板結構件多采用大坡口多層多道常規(guī)弧焊方法，包括焊條電弧焊,、MIG/MAG焊,、TIG焊、單絲埋弧焊或多絲埋弧焊,。由于板材較厚,，焊材消耗多，焊接效率低,，焊接接頭存在較大的變形,。厚板焊接存在的技術問題是焊接接頭力學性能、焊接接頭質量與焊接生產效率之間的矛盾,，為了達到較好的優(yōu)化效果,，窄間隙焊接技術在核電設備安裝過程中得到了較好的應用。主要論述了NG-SAW,、NG-TIG,、NG-GMAW在核電設備制造安裝中的應用現(xiàn)狀,，描述三種窄間隙焊技術各自的特點。 關鍵詞：窄間隙焊接,；NG-SAW,；NG-TIG；NG-GMAW,；核電制造安裝 0 前言窄間隙焊接（Narrow Gap Welding,，NGW）的概念是美國Battelle研究所于1963年在《鐵時代》雜志上提出的。顧名思義,，窄間隙焊接就是焊縫所開坡口窄于常規(guī)焊縫,，但是究竟多大的坡口間隙才算窄間隙焊接，在長時間內并沒有統(tǒng)一標準,。 按照20世紀80年代日本壓力容器研究委員會施工分會第八專門委員會對窄間隙焊接的定義,，窄間隙焊接是將板厚30 mm以上的鋼板按照小于板厚的間隙相對放置開設坡口，再進行機械化或自動化弧焊的方法（鋼板厚度小于200 mm時,，間隙小于20 mm,；鋼板厚度超過200 mm時，間隙小于30 mm）[1-3],。 隨著技術的進步,，目前對于常規(guī)厚板（30～60mm）的窄間隙焊接，坡口尺寸一般都控制在15 mm以下,，甚至出現(xiàn)了坡口間隙僅為5～6 mm的超窄間隙焊接。 窄間隙焊接并不是一種新的焊接方法,，而是一種特殊的焊道熔敷技術,。目前，多種常規(guī)焊接方法都可以用于窄間隙焊接,，如窄間隙TIG焊（NG-TIG）,、窄間隙氣體保護焊（NG-GMAW）、窄間隙埋弧焊（NGSAW）等[2,，4],。 窄間隙焊接廣泛應用于各種大型重要結構，比如鋼架橋梁,、壓力容器,、核容器、大型船體,、蒸汽鍋爐等厚大件的生產,。目前，發(fā)達國家窄間隙焊的應用相對較多,，尤其是日本,，無論是對窄間隙焊的研究還是窄間隙焊的應用都遠遠地走在世界前列,。日本于1966年就開始了對窄間隙焊接的應用研究，其窄間隙焊技術一直領先于其他各國,，研究成果占世界60%以上,。根據(jù)Lucas在1984年的文獻報道，日本NG-GMAW的應用占窄間隙焊的78%,，NG-SAW占18%,，NG-TIG占4%[2]。 窄間隙焊技術是一種特別的焊接技術,，與普通弧焊技術的不同之處在于它采用了I型或開角僅為幾度的U型坡口,，V.Y.Malin在1983年提出了窄間隙焊接的特征[2，5-7]：（1）窄間隙焊接是利用了現(xiàn)有電弧焊法的一種特別的焊道熔敷技術,；（2）主要采用I型對接坡口,，坡口角度取決于焊接中的角變形大小,；（3）多層焊接,；（4）通常采用1道或2道焊道；（5）焊接線能量小或中等,；（6）可以是全位置焊接,。 1 窄間隙焊接技術分類窄間隙焊接是在已有的電弧焊法和焊接工藝的基礎上，使用特殊的焊接材料,、保護氣體,，電極在狹窄的坡口內焊接以及使用焊縫自動跟蹤等技術而形成的一種專門焊接技術。根據(jù)焊接方法的不同,，窄間隙焊分為9種不同的焊接技術,，如圖1所示[2-4]。  圖1 窄間隙焊技術分類 使用窄間隙焊技術獲得的焊縫具有良好的力學性能,，焊接殘余應力和變形較低,、焊接生產效率高和生產制造成本低（設備投入除外），因此該技術在厚板鋼結構焊接領域有著巨大的應用潛力和廣闊的應用市場,。從技術角度看,，技術優(yōu)勢明顯，但從經濟角度上來講,，該技術存在著一個影響經濟效益的最佳板厚范圍的問題,。一般來講，板厚越大,，其經濟效益越顯著,。具有明顯經濟優(yōu)越性的最小板厚可稱為窄間隙焊的下限板厚[3]。該下限板厚受到焊接結構鋼材種類,、對焊接結構的要求,、焊接結構尺寸和空間位置改變的影響而變化,，通常為20～30 mm。一般認為,，不存在上限板厚的限制,。目前的窄間隙焊技術在焊接600～700 mm板厚的鋼板時不存在任何技術問題[8]。 2 窄間隙埋弧焊在核電設備制造安裝中的應用2.1 窄間隙埋弧焊技術優(yōu)點（1）埋弧焊電弧的弧柱截面積大,，焊縫成形系數(shù)（深寬比）大,，電弧功率大。利用埋弧焊方法自身的電弧熱源及其作用特性,，只要能控制好焊絲和間隙壁之間的距離,，就可以直接解決兩側側壁熔合的問題，而無需像熔化極氣保焊那樣必須采用較復雜的電弧側偏技術,。這是埋弧焊方法在窄間隙技術中應用比例最高的主要原因,。 （2）埋弧焊的電弧熱功率高。在相同的電流變化量ΔI下,，與其他電弧焊方法相比,，埋弧焊時引起的熱能波動量要小得多。焊接過程中參數(shù)的波動對焊縫幾何尺寸的影響較小,。 （3）埋弧焊的熔滴過渡為渣壁過渡,，熔渣膜和焊劑顆粒的“阻擋”作用使得焊接過程中不會產生飛濺，這是埋弧焊在所有熔化極弧焊方法中獨有的優(yōu)點,，這也正是窄間隙焊技術全力追求的,。因為深而窄的坡口內一旦產生較大顆粒的飛濺，送絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性,、保護效果以及焊槍的移動都將受到影響,。 （4）采用多層多道焊時，通過改變單道焊縫成形系數(shù),，可以有效地控制母材焊接熱影響區(qū)和焊縫區(qū)中粗晶區(qū)和細晶區(qū)的比例。焊縫成形系數(shù)越大,，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)中的細晶區(qū)所占比例越大,。這是因為熔敷焊道越薄，后續(xù)焊道對先前焊道積累的熱處理作用越充分,，通過多次固態(tài)相變,，可使焊縫和熱影響區(qū)中的部分粗大晶粒轉變成細晶粒，這對提高窄間隙焊技術中焊接接頭的組織性能和力學性能具有極其重要的意義,。 埋弧焊法只需要依靠電弧自身特性而無需采取特殊技術即可解決小坡口面角度（0°～7°）條件下的側壁熔合難題,；焊縫幾何尺寸對焊接參數(shù)波動不敏感；無焊接飛濺,；多層多道焊時,，細晶區(qū)比例高的技術特性無條件地遺傳給了窄間隙埋弧焊技術,，從而極大地提高了窄間隙埋弧焊焊縫的熔合質量和焊接過程的可靠性。 2.2 窄間隙埋弧焊技術的缺點（1）埋弧焊本身使用的焊絲直徑較粗,，導致焊槍尺寸大,；其熔滴過渡形式為渣壁過渡，因埋弧焊焊接電流較大,，導致熔渣膜和氣泡尺寸較大,；埋弧焊使用了氣渣聯(lián)合保護形式，在進行下一道焊接前必須先行清渣,，而過小的間隙將影響焊渣清理,。這些因素導致在NG-SAW技術中不可能把焊縫間隙縮小到NG-TIG、NG-GMAW那樣?。?0 mm）,，最小的間隙一般也在18mm左右，這是NG-SAW在技術和經濟上難以更理想化的根本原因,。 （2）埋弧焊方法的許多技術優(yōu)點是由于采用了大功率電弧,，但這使得NG-SAW的焊接線能量增大，在焊態(tài)時焊接接頭的塑性,、韌性難以提高,，重要的NG-SAW接頭常常需要焊后熱處理才能滿足使用性能要求。 （3）僅可在平焊,、平角焊,、船型焊的空間位置施焊。 2.3 窄間隙埋弧焊的應用窄間隙埋弧焊是最成熟可靠,、應用比例最高的窄間隙焊接技術,。目前，在工業(yè)上比較成熟的窄間隙埋弧焊技術一共有5種[2-5,，8],。 在核電設備制造中，核島主設備壁厚大,，縱縫和環(huán)縫能夠實現(xiàn)平焊位置的焊接,，一般考慮采用埋弧焊施焊，也就意味著可以使用窄間隙埋弧焊來替代常規(guī)埋弧焊,。比如劉自軍等[9]研究了壓水堆核電站核島主設備,，包括反應堆壓力容器（RPV）、蒸汽發(fā)生器（SG）,、穩(wěn)壓器（PR）焊縫焊接技術,。核電站核島主設備屬于大型厚壁（120～250 mm）設備，對焊接接頭的焊接質量要求高,，在采用常規(guī)焊接方法時很難獲得高質量的焊接接頭,，因此國內壓水堆核電站核島主設備的縱縫,、環(huán)縫通常采用NG-SAW方法焊接。NG-SAW坡口間隙24～28 mm,，最大可焊厚度達250 mm,，焊絲直徑φ3～4 mm。目前主要的窄間隙焊接設備有ESAB和AMET公司的窄間隙埋弧焊接工作站,。焊接時注意根據(jù)材料類型和鋼板厚度確定合適的坡口角度,，同時要保證坡口角度的加工精度，否則會影響接頭的力學性能,。另外窄間隙埋弧焊使用的焊劑必須具有優(yōu)良的脫渣性,，否則焊縫極易夾渣。圖2為某公司在焊接BHW35（13MnNiMo54）材質的核電容器的縱縫,、環(huán)縫時,，使用常規(guī)埋弧焊焊接時所采用的坡口截面。  圖2 常規(guī)埋弧焊坡口 常規(guī)埋弧焊坡口角度30°,，在焊接時需要采用多層多道焊,，目前使用了窄間隙埋弧焊來代替常規(guī)埋弧焊，坡口形式如圖3,、圖4所示,，坡口角度改為1.5°～2°，整個坡口面積明顯減小,，大大節(jié)省了填充材料和焊接工時,。  圖3 板厚145 mm窄間隙埋弧焊坡口 3 窄間隙鎢極氬弧焊在核電設備制造安裝中的應用當TIG焊用于窄間隙焊時，通常采取熱絲TIG焊的形式,，即先給填充焊絲通電預熱,，再填充到焊縫中的方法。但是磁偏吹現(xiàn)象是熱絲TIG焊的一個普遍問題,。目前廣泛采用的窄間隙TIG焊接方法有HST窄間隙TIG焊和MC窄間隙TIG焊[6]兩種,。  圖4 板厚234 mm窄間隙埋弧焊坡口 3.1 窄間隙TIG焊在核電設備制造中的應用目前在核電設備的制造中窄間隙TIG焊具有相當重要的地位，主要應用在大型機械設備（如轉子,、重型支撐的焊接等）,、反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器,、精密焊縫（如CRDM中的OMEGA“Ω”形焊縫等）的焊接。 核電轉子的材料為22Cr2NiMo,、22Cr2Ni3MoV等,，轉子的最大外徑可達3 500 mm，長度為8 000～15000mm,，質量30～300t,。采用常規(guī)焊接方法焊接如此大型的核電設備是相當困難的,，因此常先采用窄間隙TIG焊進行打底層焊接，再采用窄間隙埋弧焊焊接填充層和蓋面層,。 安全端的材料往往會使用奧氏體不銹鋼來制造,，在與反應堆壓力容器進行接管焊接時，存在著材料差異性大,，運行期間受高溫高壓,、輻射及疲勞載荷的作用，而且對安全性能的要求非常高,，一直是核電制造中的重點與難點,。目前安全端的焊接以及安全端與反應堆壓力容器的接管焊接通常采用窄間隙TIG焊，可以得到質量優(yōu)良的焊縫,。 日本東芝公司的SatoruAsai在焊接核電站中的SUS316L不銹鋼材質的大型金屬護罩時采用了窄間隙TIG焊,，在待焊接部位開設寬度約為7 mm、斜坡角約為6°的窄間隙坡口,，所獲接頭質量好,。 3.2 窄間隙TIG焊在核電設備安裝中的應用在核電站現(xiàn)場安裝階段主要涉及到各種管道的焊接，目前核電站的現(xiàn)場安裝仍然主要采用手工TIG焊和焊條電弧焊,，但是傳統(tǒng)的手工焊有許多缺點,，如焊接質量不穩(wěn)定、焊接生產效率低下,、勞動強度大,、對焊工的技能依賴程度高等。因此,，發(fā)展使用高效的半自動,、自動化焊接方法是當今的趨勢，其中窄間隙TIG焊技術又是熱點之一,。目前國內相關企業(yè)已經引進或自主開發(fā)了一些可實現(xiàn)全位置窄間隙TIG焊的先進焊接設備應用到核電安裝中,。 核電站主管道（主冷卻劑回路管道）連接反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器,、主泵構成一回路壓力邊界,。核工業(yè)工程研究設計有限公司的王海東等[10-11]進行了壓水堆核電站主管道的窄間隙TIG焊工藝研究，結果表明,，與焊條電弧焊相比,，窄間隙TIG焊焊縫質量更好且更穩(wěn)定，自動焊對焊接過程實現(xiàn)了精確的控制,，縮短了焊接工期,，對于提高核電站的建設效率有很大幫助。 中國核工業(yè)第二三建設有限公司承建的福清1～4號機組、寧德核電1～2號機組,、紅沿河1～2號機組,、臺山核電1～2號機組、方家山核電1～2號機組主管道焊接均采用窄間隙TIG焊接,，焊接質量穩(wěn)定,。中國核工業(yè)第五建設有限公司在AP000核電主管道安裝中進行了大量的工藝研究和試驗，并成功應用到AP1000三門核電1,、2號機組,、海陽核電1、2號機組工程核電站主管道的焊接,。中廣核集團研究了核電管道的全位置窄間隙TIG焊的應用技術,，并運用測量軟件對焊接過程中的對口誤差、加工量,、焊接變形等重要參數(shù)進行了精確的測量控制,，結果顯示采用全位置窄間隙TIG自動焊技術進行的核電機組安裝，可以獲得高質量的焊接接頭,，并大幅縮短了施工工時,。 窄間隙TIG焊接具有焊接生產效率高、焊縫質量穩(wěn)定,、對焊工技能依賴程度低等優(yōu)點,，但也存在一些缺點： （1）對坡口的組對間隙要求高。組對間隙要求控制在2.0 mm以內,，如果組對間隙超過2.0 mm,，則不能使用窄間隙TIG焊法施焊，因為組對間隙過大會導致焊縫的根部寬度過大,，焊接打底層時電弧加熱集中在根部鈍邊上,，易使坡口鈍邊因熱輸入量過大而燒穿。 （2）對坡口錯邊量的控制嚴格,。要求錯邊在1.5mm以內,，如果裝配時錯邊量超過1.5 mm，則可能出現(xiàn)根部燒穿,、根部未熔透和咬邊等焊接缺陷,。而且當錯邊量過大時，會因坡口兩側熱輸入不一致而造成更多的焊接缺陷,。 窄間隙TIG焊與常規(guī)手工焊相比,，常規(guī)手工焊對焊件的組對間隙要求為1.0～4.0 mm，而窄間隙TIG焊對焊件的組對間隙要求為0～2.0 mm,，從而對零件的加工尺寸精度,、裝配精度提出了更高的要求,，是制約窄間隙TIG焊在核電安裝中大批量應用的主要因素。 為有效解決上述坡口間隙和錯邊量的問題,，可對核電站主管道安裝使用三維激光建模技術，在一端坡口的實際尺寸擬合好的情況下去加工另外一端坡口,，以保證裝配尺寸精度,，同時采用高端的數(shù)字式坡口加工機，以提高坡口尺寸加工精度,。目前國內核電站主管道窄間隙TIG焊接采用這種方法加工坡口并施焊了約300余道焊縫,，未產生上述焊接缺陷。因此窄間隙TIG焊接技術在核電站主管道焊接應用已經非常成熟,。 3.3 窄間隙TIG焊在核電設備修復中的應用核電設備的現(xiàn)場修復由于受到輻射和空間的限制,，對遠程操作和設備體積有較高的要求，所以一些能實現(xiàn)復雜位置焊接且小型便攜的設備,、自動化程度高且配備有焊接過程遠程監(jiān)控的焊接設備已經成為研究熱點,，例如柔性機器人焊接系統(tǒng)、軌道式全位置自動焊系統(tǒng)等,，均被開發(fā)出來應用于輻射環(huán)境下的焊接維修作業(yè),。近年來，通過使用機械手或者機器人技術的自動TIG焊得到快速發(fā)展,。但是,，目前應用在核電設備維修焊接的很多弧焊機器人基本上仍屬于示教機器人。目前中國核工業(yè)第二三建設有限公司正在積極研究在核電設備修復中使用窄間隙TIG焊技術配合機器人焊接技術的方法,。 哈爾濱工業(yè)大學先進焊接與連接國家重點實驗室的杜愛國等針對核輻射環(huán)境下特殊的焊接維修作業(yè),，提出了一種通過宏-微結構的機器人遙控操作的方法來實現(xiàn)遠程監(jiān)控焊接。實驗結果表明,，宏－微結構的機器人能夠通過遙控操作快速地完成核輻射環(huán)境下的管道焊接維修作業(yè),，并且焊接質量穩(wěn)定可靠。 4 窄間隙熔化極氣保焊在核電制造中的應用窄間隙熔化極氣體保護焊NG-GMAW是1975年研制成功的[6,，13],。由于電弧的弧柱中心溫度高，弧柱周圍的溫度低,，如果焊絲豎直向下,，會使得坡口側壁的熱輸入小，從而導致坡口側壁出現(xiàn)未熔合的問題,，這是該種窄間隙焊的一個主要問題,。一般會采用一個特殊的焊絲彎曲結構，使焊絲保持彎曲,，從而解決坡口側壁的未熔合問題,。在各種窄間隙焊接方法中,，NG-GMAW的氣體保護方式、焊絲對中和缺陷形成等各種問題最具代表性,，其質量控制是窄間隙焊接研究的重點和難點,。由于這種方法適合焊接超厚板（可達500～700 mm）、接頭質量好,、生產效率高,、層間無需清渣，成為應用非常廣泛的一類窄間隙焊接方法,。 NG-GMAW技術的主要開發(fā)者之一Babcock Hitachi KK制造的NG-GMAW焊接設備在1977年被Babcock和Wilcox應用于常規(guī)電站和核電站的壓力容器焊接中,。Babcock Hitachi攻克了側壁未熔合的難關。GMAW在窄間隙焊中應用的另一關鍵問題是需要精確控制熔滴位置,，使用短弧焊和短路過渡方式能夠解決這個問題,，但使用短弧容易在側壁和焊槍上形成飛濺，并且容易導致電弧在兩邊側壁放電,，使電弧攀爬到側壁上,，并回燒到導電嘴而燒壞導電嘴。Babcock Hitachi通過采用脈沖電流以維持短弧,，同時利用一個滑塊在將焊絲送入導電嘴之前折彎成波浪形,，電弧在折彎的焊絲端頭燃燒，周期性地變換方向并指向兩邊相對的側壁,，從而增大對側壁的熱輸入,，徹底消除了側壁未熔合的缺陷。 NG-GMAW焊的焊接速度為180～350 mm/min,，熔敷率取決于焊絲直徑和焊接參數(shù),，為1.9 kg/h。如果焊接內徑1 m,、壁厚150 mm,、坡口間隙12 mm的環(huán)焊縫，則需要55 kg的焊絲,，焊接時間6～28 h,。 GMAW可用于全位置焊接，理論上NG-GMAW亦可如此,。但目前,，NG-GMAW的焊接主要用于平焊、向下立焊和橫焊,。 為解決側壁未熔合問題,，改善焊縫成形，焊接工作者研發(fā)了許多具體的NG-GMAW應用形式,，主要分類如圖5所示,。NG-GMAW按照焊絲數(shù)量可分為單絲焊和多絲焊,，而在多絲焊中應用較廣泛的是雙絲焊。單絲焊時依據(jù)電弧形式可分為擺動電弧,、旋轉電弧和不擺動電弧3種[12],。  圖5 NG-GMAW分類 使用旋轉射流過渡形式的NG-GMAW焊，焊接電流大于第二臨界電流,，焊接生產 Page 92 Application status of narrow gap welding used in the manufacture and installation of nuclear power equipment CHENG Dingfu1,，ZHANG Zhao1，LI Tong2,，LIAO Dongbo2 Abstract：In the manufacture and installation of nuclear power equipment,，multi-layer multi-channel conventional arc welding was often usedinweldingofthickplatestructures,，suchasSMAW，MIG,，MAG,，TIG，SAWetc.Astheplatesarethicker,，there are some problems such as high welding materials consume,，low welding efficiency，large welding deformation in the welded joints.The biggest technical problem in thick plateweldingisthemechanicalpropertiesofjoints,，thecontradictionbetweenweldingqualityandweldingefficiency.Inordertoachieve better optimization results,，narrow gap welding technology has been a good application in the manufacture and installation of nuclear power equipment in recent years.In this paper the application status of NG-SAW，NG-TIG and NG-GMAW in the manufacture and installation of nuclear power equipment is mainly discussed.The characteristics of these three narrow gap welding technologies are described. Key words：narrow gap welding,；NG-SAW,；NG-TIG；NG-GMAW,；nuclear power manufacturing and installation 中圖分類號：TG457 文獻標志碼：C 文章編號：1001－2303（2017）08－0076-06 DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.14 收稿日期：2017-04-19,； 收稿日期：2017-07-14 作者簡介：程定富（1980—），男,，高級工程師,，學士，主要從事核電安裝焊接工藝研究工作,。E-mail：28791611 @qq.com,。 本文參考文獻引用格式：程定富,，張釗，李銅,，等.窄間隙焊在核電設備制造安裝中的應用現(xiàn)狀[J].電焊機,，2017，47（08）：76-80+92. |
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