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摘要：某核电工程核岛辅助工艺管道的连接完全是采用焊接方法来实现的，焊接接头形式以对接接头为主。所设计的不锈钢管道坡口形式为最常见的T形坡口，与既往核电项目相比较，不锈钢管道焊接接头的坡口及组对形式有所不同，所设计的T形坡口钝边大、间隙小，若采用常规大摇摆的焊接手法，难以保证根部焊缝焊透且易出现凹陷等缺陷，但这种坡口组对间隙小、工件变形量小、填充熔敷金属少、节约焊材、可提高工作效率。 该核电站核岛辅助管道安装工程的不锈钢管道，焊接接头设计的坡口是依据 ПНАЭГ－7－009—1989《核动力装置的设备和管道焊接和堆焊的基本规则》相关部分设计的，质量评定的标准是按照ПНАЭГ－7－010—1989《核动力装置的设备和管道焊接接头的堆焊的检验规则》评定，并指导施工。 田湾核电机组不锈钢T形坡口尺寸和组对要求详见图1，从图1可见，坡口形式与我国其他建设的核电项目部有所不同，既往建设过的核电站，核岛辅助管道直径≥57 mm，坡口钝边为0～2 mm，坡口间隙为 1～5 mm， 而俄方设计的钝边为 2.7～3 mm，若间隙为0～0.3 mm，上述数据对比说明该核电站设计的不锈钢管焊接接头坡口特点是钝边大、组对要求的间隙小，但这种坡口的优点是焊缝组对间隙小、工件变形量小、填充熔敷金属少、节约焊材、可提高工作效率。 图1 T形坡口形式示意图 1.1 坡口形式对比 从T形坡口准备示意图上分析：钝边为2.7～3 mm，组对间隙为 0～0.3 mm，坡口内采用了半径R为1～1.5 mm的圆角，起到了良好的熔滴过渡作用。背面45°斜角的设计可储存一定量的熔敷金属，从一定程度上起到了缓存作用，对保证整体焊缝透度的均匀性具有积极作用。而窄间隙焊接过程中，焊工无法观察到熔池内部，易出现凹陷和根部未熔合等缺陷，需要焊工做出正确的判断，则对焊工技能要求较高。T形坡口与V形坡口的优缺点见表1。 表1 T形坡口与V形坡口对比 1.2 凹陷产生的因素 在整个焊接过程中，打底焊缝的质量是最为关键的，而焊工操作手法是产生缺陷的根本原因。通过对T形坡口的分析，发现焊工无法在焊接过程中直接观察到熔池内部透度，必须依靠熔池的形态做出正确的判断，对焊工技能的要求极为苛刻。在T形坡口焊接中出现的凹陷与焊工的技能水平和送丝的手法有着直接的关系，需要通过较为长期的适应性练习使焊工掌握操作要领。 通过在车间焊接过程的观察发现，部分边界焊口可通过肉眼或触摸等方式观察到内部透度，其中有一部分焊口在打底焊完成后内部透度良好，未出现凹陷缺陷，而在填充焊接第1层后，仰焊局部出现凹陷，且无法通过正常的焊接手法进行矫正。通过分析熔池的影响因素，焊接电流、电弧电压和焊接速度对熔池的形态具有很大的影响，再观察返修焊口的焊接手法：焊工在填充第1层时，与V形坡口填充焊接选用电流方式一致，焊接电流稍大，且焊接时摆幅大，焊接速度慢，在焊接过程中产生的大熔深使根部熔敷金属二次熔化，仰焊部位的熔敷金属在重力的作用下下坠，出现凹陷，所以在全位置焊接时，仰焊部位尤为重要。T形坡口与V形坡口焊接操作手法见表2。 表2 T形坡口与V形坡口操作操作手法对比 通过分析T形坡口的特点以及目前焊工焊接手法，发现焊工的焊接手法是产生凹陷的根本原因，填充层的焊接电流、电弧电压和焊接速度也是关键的影响因素，为此制订了T形坡口适应性练习举措，以保障T形坡口的焊接质量。 焊工的技能水平有待提升，针对焊接T形坡口的焊工在进入施工现场前需进行一到两周时间的适应性练习，培训完成后对焊工进行考核，考核试件经无损检验合格后方可进行现场焊接施工，并且重点培养焊工在焊接过程和焊接完成后对焊缝的自检意识，让焊工认识到质量过程控制的重要性。经过练习T形坡口焊接工艺手法总结经验，焊工在培训过程中可依据自身情况进行深刻体会并掌握其中的要领。 2.1 打底焊接操作要领 打底焊接在T形坡口焊接中是最为关键的环节，其焊接的好坏直接影响最终焊缝质量。首先要在焊接数据单上选择合适的焊接电流，调节钨极伸出长，使钨极位于焊缝间隙中间部位，钨丝尖距离焊缝1～2 mm，保持喷嘴与管切线所成夹角为80°～90°，喷嘴与试件轴线保持90°左右。 采用月牙式摆动方式操作焊枪，保持喷嘴与管切线所成后倾夹角接近90°，焊接时摆幅应尽量小，电弧中心要严格控制在焊缝间隙中部，在钝边端部两侧各1 mm以内摆动，如果摆幅过大，熔宽增大、熔敷金属下坠，容易导致根部焊缝凹陷；如果向前摆动过快，熔深不够，钝边未熔化，容易形成根部未熔合；整个T形坡口打底焊接的关键部位在仰焊位置，这一段焊接操作由于基本无间隙，不能通过熔孔直接打开的办法控制熔池内部透度，只能通过观察熔池形态的方法掌握内部透度的成形；在6点钟位置起焊后，观察熔池形态呈椭圆平整或微凹状态，说明铁液被内部吸附渗透，此时的熔池内部透度良好，继续保持操作节奏和观察熔池状态运作；如果观察熔池形态呈圆滑微鼓，说明内部透度有凹陷形成的趋势，可以向前稍微提高焊接速度，分散熔池部分温度。 焊接向上进行至立焊位置，喷嘴与管切线所成后倾夹角接近80°～85°，此时操作相对容易掌握，焊件的整体温度已经升高，保持焊枪的小幅摆动节奏，观察熔池形态平整或者微微鼓出都为正常状况。 继续向上焊接至平焊位置，喷嘴与管切线所成后倾夹角接近80°，此时操作要点主要是控制熔池内部透度，避免产生内部凸度过大的现象，仍然是通过观察熔池形态来掌握内部透度；如果观察熔池形态成凹形，说明熔敷金属下坠，向内渗透加剧，有内部凸度过大趋势，应提高向前的摆动速度，增加向两侧摆动宽度的方法进行控制操作。 2.2 接头操作要领 打底焊操作是焊接质量保证的关键，通过实践表明，大多数焊缝质量不合格的原因都发生在焊接接头上。以下主要对2个难点接头进行描述。 起焊接头操作：起焊点焊接接头操作都采用搭接方式，在接头前端10～15 mm处引弧释放焊接电流，快速摇摆焊接，避免将原焊缝二次熔化形成凹陷，焊接至距离焊接接头点端部5 mm左右时，操作钨极端部在焊缝中心位置，观察产生的熔池由焊缝中心向坡口两侧根部的起弯处扩展，到达边缘部位后，控制熔池在原地停留4 s左右，再按照正常的焊接节奏向前摆动，此时起焊点已经处于二次熔化状态，注意观察熔池的形态：圆滑微鼓的熔池说明内部透度有凹陷形成的趋势，可以向前稍微提高焊接速度，分散熔池部分温度，或尝试断续送丝方法填加焊丝，观察送入一滴铁液后，熔池不会增加微鼓的状态，说明铁液被内部吸附渗透，可以再断续点丝操作。如果点丝后，熔池微鼓状态增加，则停止送丝，采取向前提高焊接速度的方法操作；椭圆平整或微凹状态的熔池，说明铁液被内部吸附渗透，此时的焊缝内部透度良好，继续保持操作节奏和观察熔池状态运作。 对于12点钟终点接头操作：T形坡口终点接头不需要进行打磨处理，接头操作难度相对于V形坡口终点接头难度减小，关键点之一在于最后焊接段落焊接前，需要打开管道内部氩气室排气口封堵，调整氩气流量，减小到5 L/min左右，以防止最后封口焊接时管道内部压力过大影响接头质量；其二在于焊接操作到接头刚重合位置后，向前焊接的节奏要放慢，观察产生的熔池由焊缝中心向坡口两侧根部的起弯处扩展，到达原焊缝边缘部位并宽度一致，注意观察熔池的形态，若圆滑熔池平整，说明内部透度良好，可以向前继续焊接，越过起焊点5～10 mm操作，熔池移动到坡口边缘进行电弧衰减直至熄灭，接头操作完成。 接头操作是焊缝打底操作的关键技术，焊工在适应性训练过程中应重点掌握，也可以有意识地在练习中停留后形成接头操作点，以加强接头操作练习机会。 2.3 熄弧操作要领 焊接结束熄弧前，应填满弧坑，并继续向前焊接10 mm左右，先将焊丝脱离熔池和电弧区域，在喷嘴的保护区停留，以避免焊丝端部在保护区外氧化，同时控制电弧引向T形坡口一侧根部的起弯处边缘以上部位，再采用电弧衰减功能，按下控制开关进行电弧衰减直至熄灭。 2.4 填充第1层操作要领 首先调节填充层焊接电流以及钨极伸出长，从6点位置引弧采用连续送丝法焊接，熔覆金属不宜太厚，控制在2 mm左右。焊接时应采用较快的焊接速度，并保证与打底层特别是T形坡口两侧根部的起弯处充分熔合，焊接速度相对V形坡口填层焊接要快些，摆动焊枪控制熔池到达坡口两侧根部的起弯处，立即向另一侧摆回，主要是避免打底层的二次熔化造成立焊位置以下的凹陷或以上位置的凸度过大缺陷产生；焊接过程中同样需要注意变换焊枪的角度，填充其余中间层时操作同上，采用的焊接电流可以稍微加大一些，在焊缝厚度达到5 mm以上时，填充层及盖面焊接过程中管道内部可以不用充氩保护，操作手法基本与V形坡口的相同。 适应性培训完成后，需经过焊培中心评定合格后才可返回现场施工。此外，为保证焊接质量，制定出 “前3道口探伤”评定举措：每一名焊工在现场施工的前3道T形坡口焊缝需全部探伤合格后，方可进行后续施焊操作，否则需重新进行T形坡口适应性练习，并重新评定。 该核电站核岛辅助管道安装工程的不锈钢管道，焊接接头是依据 ПНАЭГ－7－009—1989 《核动力装置的设备和管道焊接和堆焊的基本规则》相关部分设计的：对于管径在76～325 mm范围内，厚度在4～40 mm范围内的不锈钢管道对接中均采用为C－42型的T形坡口，其适用广泛。 通过对T形坡口分析以及操作手法的不断实践和总结，在该核电站核岛不锈钢大厚壁焊接前，焊工均经过了为期1～2周的适应性练习，在练习过程中将上述操作手法的学习宣贯，同时采用视频辅助教学，取得比较好的效果：通过统计该核电站二期工程核岛T形坡口不锈钢大厚壁管道焊接情况，一次合格率优秀，没有产生凹陷缺陷。 通过对T形坡口的简介及分析，并在焊接过程中根据操作要领进行适应性练习，在现场施工中取得很好的效果，可以得出以下结论： （1）焊工技能水平对T形坡口焊接有直接影响，T形坡口焊接的难点、重点在于打底焊缝的仰焊位置及第1层填充焊道的焊接。 （2）打底焊接时，采用小摇摆或不摇摆的焊接手法，通过观察熔池的形态掌握加丝的时机，需要焊工在培训练习和工作实践中重点掌握。 （3）进行填充层焊接时，采用小焊接电流，并适当加快焊接速度，避免打底层的二次熔化产生凹陷等缺陷。 作者简介：兰垂祥 （1987—），男，工程师，焊接控制室主任，现主要从事焊接技术研究及焊接工程施工. 中国核工业二三建设有限公司，北京 |
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