劉偉
我國(guó)第三代核電AP1000技術(shù)采取標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制、模塊化施工的制作方式,其中結(jié)構(gòu)模塊主要作為結(jié)構(gòu)墻體、結(jié)構(gòu)樓板、樓梯以及其他輔助結(jié)構(gòu),使核島及輔助廠房?jī)?nèi)部形成不同的獨(dú)立區(qū)域及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體,這其中廣泛使用了螺柱焊接的方式。螺柱焊在第三代核電模塊預(yù)制過(guò)程中大量應(yīng)用,為模塊化制造及縮短預(yù)制周期等提供了保障。
螺柱焊是采用專用的焊接設(shè)備,通過(guò)在螺柱與母材間引燃電弧,當(dāng)螺柱與母材被電弧加熱到合適溫度時(shí),專用焊槍機(jī)構(gòu)會(huì)自動(dòng)地施加外力,將螺柱壓入母材的熔池中,使二者達(dá)到原子間結(jié)合,形成永久焊接接頭的一種連接方式。
(1)人員因素 所有從事螺柱焊接的操作人員均應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)程序、焊機(jī)操作培訓(xùn),并應(yīng)考取可覆蓋該項(xiàng)工作的相應(yīng)資格證書(shū),才能勝任螺柱焊接工作。
(2)材料因素 主要由螺柱和工件母材兩方面決定,所需材料均應(yīng)按照相關(guān)程序進(jìn)行接收,且驗(yàn)收合格。
螺柱:對(duì)螺柱的選擇主要是外形尺寸和材質(zhì)兩方面。螺柱本身的碳含量,直接決定了焊后焊縫金屬存在的相態(tài)力學(xué)性能。
焊接螺柱前端鉚有Al制引弧結(jié),該引弧結(jié)的完好性是實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的前提。由于Al的熔點(diǎn)較低,容易引起電弧,保證焊接過(guò)程的實(shí)現(xiàn),加上Al是氧化劑,可以減小空氣中O2和N2對(duì)接頭的影響,改善焊縫質(zhì)量,同時(shí)鋁與氧的親和力較強(qiáng),在焊接過(guò)程中能參與熔池化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)后形成第二相氧化物粒子,這些細(xì)小的氧化物粒子均勻彌散地分布在焊縫金屬中,起到細(xì)化晶粒的作用,進(jìn)而有利于提高焊縫質(zhì)量。
工件外形及表面狀態(tài):焊接工件的外部形狀對(duì)焊接質(zhì)量具有較大影響,在非對(duì)稱或者不規(guī)則工件上進(jìn)行電弧螺柱焊,若不采取相應(yīng)的防護(hù)措施,有可能發(fā)生磁偏吹現(xiàn)象。磁偏吹表現(xiàn)為螺柱與工件間的電弧不穩(wěn)定,導(dǎo)致螺柱與工件結(jié)合處金屬熔化不規(guī)則,結(jié)合面面積小于螺柱面積,從而影響焊接質(zhì)量。工件的表面狀態(tài)包括油污、鐵銹、油漆、水分及氧化皮等。其中,水分對(duì)焊接質(zhì)量影響最大,易產(chǎn)生大量蜂窩狀氣孔及飛濺。
(3)設(shè)備因素 電弧螺柱焊焊接時(shí)間短、自動(dòng)化程度高,焊接質(zhì)量在一定程度上更依賴于焊接設(shè)備的性能,作為焊接能量的提供者,焊接電源的性能在很大程度上影響著焊接過(guò)程的順利實(shí)現(xiàn)和焊接質(zhì)量的優(yōu)劣,因而焊接設(shè)備的使用狀況對(duì)焊接質(zhì)量起著不可忽視的作用。
同時(shí),螺柱焊槍是焊接過(guò)程的執(zhí)行機(jī)構(gòu),起著實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的作用。焊接過(guò)程中螺柱的提起、送進(jìn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)主要是由線圈的通斷電和彈簧的壓縮、釋放來(lái)完成。涉及螺柱運(yùn)動(dòng)的焊槍行為參數(shù)主要有螺柱提升高度和螺柱插入深度。
螺柱提升高度:螺柱提升高度決定了焊接過(guò)程的電弧長(zhǎng)度,也就決定了電弧電壓的大小。根據(jù)待焊螺柱的直徑選擇合適的提升高度。提升高度太小,容易出現(xiàn)短路現(xiàn)象,電弧燃燒不穩(wěn)定甚至造成“縮頸”現(xiàn)象;提升高度過(guò)大時(shí),焊接熱輸入增大,但是長(zhǎng)的電弧容易產(chǎn)生磁偏吹,從而影響焊接質(zhì)量。所以在保證電弧穩(wěn)定燃燒的情況下,提升高度可以采取保守的選擇。
螺柱插入深度:螺柱插入深度和送進(jìn)速度直接關(guān)系到焊接接頭的成形情況,決定了結(jié)合面處的輪廓,從而對(duì)接頭質(zhì)量產(chǎn)生影響。插入深度不足容易產(chǎn)生螺柱與工件接頭處結(jié)合不緊密,強(qiáng)度不高的現(xiàn)象;插入深度過(guò)大又會(huì)使過(guò)多熔池金屬擠壓出來(lái)。理想的插入深度應(yīng)該是保持螺柱與工件間有一層熔化金屬存在。
(4)工藝因素 焊接過(guò)程控制主要是對(duì)焊接電弧參數(shù)的控制,其中,電弧電壓、焊接電流和焊接時(shí)間是拉弧式電弧螺柱焊的主要焊接參數(shù)。電弧電壓主要決定于焊接電弧的長(zhǎng)度,一定弧長(zhǎng)的情況下,電弧電壓變化不會(huì)很大。焊接電流使得金屬熔化和蒸發(fā),電流大小的變化決定了熔化金屬量;而焊接時(shí)間同樣對(duì)金屬熔化量起著決定作用,合適的焊接時(shí)間保證工件表面污染物燒損或氣化。
(1)焊前控制 母材檢查:螺柱不得有銹、氧化皮、油漆、涂層及潮氣等影響焊接質(zhì)量的物質(zhì)。在焊接前,螺柱表面應(yīng)使用丙酮或酒精進(jìn)行清潔,應(yīng)清除制作余渣。螺柱焊接前,應(yīng)按照生產(chǎn)商的要求對(duì)螺柱幾何形狀進(jìn)行檢查,包括對(duì)焊劑小球的檢查,以確保焊劑小球沒(méi)有丟失或損壞。
待焊區(qū)域及鄰近焊縫表面不得有氧化皮、銹、潮氣、油漆和其他有害物質(zhì),以得到滿意的焊縫和避免難聞的煙氣。這些部位可以用鋼絲刷、打磨機(jī)或丙酮等進(jìn)行清理,清理范圍需要大出瓷環(huán)外徑5mm以上。
陶瓷環(huán)需要保證干燥,若陶瓷環(huán)受潮,則應(yīng)在120℃烘干2h,或按照廠家推薦的烘干要求進(jìn)行烘干。
設(shè)備檢查:在產(chǎn)品螺柱焊接前,QC人員和焊工班長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)相關(guān)的文件要求對(duì)所用螺柱焊機(jī)和焊槍的參數(shù)進(jìn)行檢查,檢查無(wú)誤后,螺柱焊焊接操作工在焊接產(chǎn)品螺柱的過(guò)程中不得隨意改變參數(shù)。當(dāng)由于焊接位置、螺柱尺寸及材料種類等的改變而需要改變焊接參數(shù)時(shí),應(yīng)通知QC人員對(duì)所調(diào)整的焊接參數(shù)重新進(jìn)行檢查,確認(rèn)符合相應(yīng)要求后,才可進(jìn)行焊接。
應(yīng)按照螺柱焊機(jī)相應(yīng)的操作規(guī)程進(jìn)行設(shè)備的操作,并對(duì)其進(jìn)行定期維護(hù)。
根據(jù)焊接方法中使用的能量,接地電纜應(yīng)滿足制造方有關(guān)尺寸和長(zhǎng)度的要求,并且確保電纜狀況良好,在該電纜長(zhǎng)度內(nèi)沒(méi)有破損。
每天應(yīng)核實(shí)焊槍提升高度和插入深度。
生產(chǎn)前試驗(yàn):對(duì)于每一名螺柱焊焊接操作工,在每一班開(kāi)始焊接產(chǎn)品螺柱前,應(yīng)進(jìn)行生產(chǎn)前螺柱焊試驗(yàn)。當(dāng)螺柱焊槍、電源、焊接電纜總長(zhǎng)度、螺柱直徑、焊接位置以及焊接參數(shù)變化時(shí),應(yīng)重新進(jìn)行生產(chǎn)前螺柱焊試驗(yàn)。
生產(chǎn)前試驗(yàn)應(yīng)在非正式產(chǎn)品母材上進(jìn)行,選用的試件材質(zhì)應(yīng)與所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品母材材質(zhì)相同,并且試件厚度的改變不得超過(guò)產(chǎn)品母材厚度的±25%。焊接位置及焊接參數(shù)應(yīng)與產(chǎn)品焊接參數(shù)相同。
每次試驗(yàn)應(yīng)至少連續(xù)焊接兩個(gè)螺柱,螺柱必須有360°飛邊且沒(méi)有進(jìn)入螺柱焊接端的咬邊現(xiàn)象。除對(duì)試驗(yàn)螺柱進(jìn)行目視檢查外,焊接螺柱冷卻后必須進(jìn)行彎曲試驗(yàn),使用錘子或管子將螺柱從原始軸線彎曲至約30°。溫度<10℃時(shí),應(yīng)對(duì)螺柱連續(xù)緩慢加載,直到彎曲至約30°。
若目視檢查發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)螺柱沒(méi)有360°飛邊,或者試驗(yàn)中任一螺柱斷裂在焊縫區(qū)域,則應(yīng)調(diào)整工藝參數(shù)在試板上再連續(xù)焊接兩個(gè)螺柱,并進(jìn)行目視及彎曲檢測(cè)。若任一螺柱仍然不合格,則必須繼續(xù)在試板上補(bǔ)加螺柱焊試驗(yàn),直至連續(xù)有兩個(gè)螺柱試驗(yàn)合格為止,才能在產(chǎn)品上進(jìn)行焊接。
做好每次生產(chǎn)前試驗(yàn)的記錄,必須使用數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng),并記錄保存相關(guān)過(guò)程數(shù)據(jù)。
(2)焊中控制 監(jiān)督螺柱焊操作工必須嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的焊接工藝規(guī)程(WPS)等文件的要求。
每名螺柱焊操作工在開(kāi)始焊接正式產(chǎn)品時(shí),應(yīng)對(duì)其開(kāi)始焊接的前10個(gè)螺柱進(jìn)行目視檢查。如果其中有1個(gè)不合格,則應(yīng)對(duì)其后續(xù)的10個(gè)螺柱全部進(jìn)行目視檢查,對(duì)不合格的螺柱進(jìn)行返修。若在初始的10個(gè)螺柱中發(fā)現(xiàn)有1個(gè)以上的螺柱不合格,則表明這名螺柱操作工技能存在問(wèn)題,要撤換該名操作工,并對(duì)其進(jìn)行重新培訓(xùn)。
若同一部件上的螺柱返修率超過(guò)10%,生產(chǎn)部門(mén)應(yīng)將返修比例報(bào)送給質(zhì)量和技術(shù)部門(mén),共同對(duì)焊接設(shè)備進(jìn)行評(píng)估、檢查。
一旦開(kāi)始產(chǎn)品的螺柱焊焊接,任何焊接參數(shù)的改變必須重新進(jìn)行生產(chǎn)前試驗(yàn),試驗(yàn)合格后方可恢復(fù)生產(chǎn)活動(dòng)。
決定螺柱焊質(zhì)量最關(guān)鍵的因素是焊接過(guò)程中對(duì)熱輸入的控制,而焊接參數(shù)是焊接能量控制的核心。某公司采用了世界上先進(jìn)的焊接軟件控制系統(tǒng),不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每一顆螺柱進(jìn)行能量參數(shù)記錄,且可通過(guò)計(jì)算熱輸入的高低,為判定螺柱焊接質(zhì)量是否合格提供依據(jù)。
(3)檢測(cè)方法 不銹鋼螺柱焊縫熔化值測(cè)量:對(duì)于螺柱焊接過(guò)程,螺柱長(zhǎng)度的減小或焊接中發(fā)生的熔化值是焊縫質(zhì)量的可靠指標(biāo),并用作焊接工藝控制指標(biāo)。在螺柱焊接過(guò)程中,必須熔化一定數(shù)量的螺柱長(zhǎng)度以獲得較好質(zhì)量的焊縫,并形成焊縫金屬環(huán)或者焊接的螺柱底部周圍的飛邊。熔化值測(cè)量的測(cè)量分為實(shí)際測(cè)量法和過(guò)-不過(guò)測(cè)量法兩種。
在一張鋼板隨機(jī)選擇大約15%的螺柱進(jìn)行熔化值的檢查。如果>5%的螺柱的熔化值小于規(guī)定值,則應(yīng)對(duì)100%的螺柱進(jìn)行檢查。
目視及其他檢測(cè)手段:生產(chǎn)過(guò)程中,如何科學(xué)合理地評(píng)判焊接質(zhì)量,將直接決定后序生產(chǎn)時(shí)工藝參數(shù)設(shè)定及產(chǎn)品質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,使用多種科學(xué)檢測(cè)手段,可最大程度、最大范圍內(nèi)對(duì)螺柱焊接質(zhì)量進(jìn)行有效評(píng)估。
常態(tài)目測(cè)法:在評(píng)判螺柱焊的質(zhì)量時(shí),均按照美國(guó)焊接協(xié)會(huì)AWS 標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。首先進(jìn)行外觀檢測(cè),要求螺柱的整個(gè)360°均必須有飛邊且沒(méi)有接端咬邊現(xiàn)象。若發(fā)現(xiàn)任一螺柱沒(méi)有完整的360°飛邊或曾進(jìn)行過(guò)焊接修補(bǔ),則必須對(duì)其進(jìn)行偏離約15°的彎曲試驗(yàn),對(duì)于飛邊不足360°的螺柱,必須向無(wú)飛邊的反方向進(jìn)行彎曲。
百顆定檢法:每焊接完成100顆螺柱后,應(yīng)停止焊接,并對(duì)已焊接完成的100顆螺柱中最后1顆螺柱進(jìn)行彎曲試驗(yàn),彎曲角度至少為15°,彎曲合格后,方可進(jìn)行后續(xù)螺柱的焊接。若被彎曲的螺柱不合格,則應(yīng)按照螺柱的焊接順序依次向前對(duì)兩個(gè)螺柱進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。
隨機(jī)抽查法:當(dāng)軟件提示所焊接的當(dāng)前螺柱不符合設(shè)定的焊接參數(shù)時(shí),應(yīng)立即停止焊接,并尋找原因,確定設(shè)備及參數(shù)設(shè)置無(wú)誤時(shí),重新開(kāi)始焊接,并對(duì)顯示不符合的螺柱進(jìn)行15°彎曲試驗(yàn)。當(dāng)QC人員對(duì)當(dāng)前所焊接的螺柱產(chǎn)生懷疑時(shí),可選取適當(dāng)?shù)臄?shù)量補(bǔ)加螺柱彎曲試驗(yàn)。
追加抽查法:當(dāng)在母材表面溫度低于10℃的情況進(jìn)行產(chǎn)品焊接時(shí),應(yīng)在每100顆螺柱中抽檢1顆追加螺柱進(jìn)行彎曲試驗(yàn),彎曲角度為30°。對(duì)于需要抽檢的螺柱若抽檢不合格,則應(yīng)成倍增加抽檢比例,直到抽檢的螺柱全部合格為止,對(duì)不合格的螺柱進(jìn)行返修。
(4)設(shè)備保養(yǎng) 應(yīng)建立焊接設(shè)備的日常維護(hù)計(jì)劃,以保證焊接設(shè)備控制焊接參數(shù)的部件得到維護(hù)檢查。同時(shí),螺柱操作工根據(jù)“三好”(管好、用好、維護(hù)好),“四會(huì)”(會(huì)使用、會(huì)保養(yǎng)、會(huì)檢查、會(huì)排除簡(jiǎn)單故障)的要求,做好日常維護(hù)工作。
對(duì)正在使用的螺柱焊接設(shè)備,一級(jí)保養(yǎng)在每班工作中或工作后,以操作人員為主,動(dòng)力保障人員為輔;二級(jí)保養(yǎng)每半年進(jìn)行一次,以動(dòng)力保障人員為主,操作人員為輔。
焊機(jī)設(shè)備維修人員應(yīng)對(duì)每一臺(tái)螺柱焊機(jī)建立一份螺柱焊機(jī)維護(hù)臺(tái)帳,臺(tái)帳中包括被維修的螺柱焊機(jī)設(shè)備型號(hào)及編號(hào)、維修開(kāi)始及結(jié)束時(shí)間、故障現(xiàn)象、更換的零部件、維修結(jié)果是否合格等內(nèi)容。焊槍在焊接一萬(wàn)枚左右螺柱后進(jìn)行定期檢修一次。
通過(guò)對(duì)螺柱焊接工藝進(jìn)行評(píng)估,采用先進(jìn)的焊接設(shè)備,對(duì)操作人員進(jìn)行多次交底培訓(xùn),有效提高了螺柱焊接控制過(guò)程的有效性和針對(duì)性,并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接參數(shù)的自動(dòng)記錄,完善了螺柱焊接質(zhì)量控制體系的完整性,保證每顆螺柱焊接過(guò)程的可追溯性。
在車間螺柱焊接的質(zhì)量影響因素主要包括材料因素、焊接能量參數(shù)、焊槍行為參數(shù)、焊接過(guò)程不確定因素等若干方面。
為保證螺柱焊接的可靠與高效,在提高焊接產(chǎn)品質(zhì)量方面車間采取如下控制要點(diǎn):
(1)在選用焊接材料時(shí),優(yōu)先選用符合AWS標(biāo)準(zhǔn)的螺柱和陶瓷環(huán),將是獲得良好焊接質(zhì)量的前提。
(2)材料因素中的螺柱及焊接工件的外形及表面狀態(tài)是影響焊接質(zhì)量的重要因素,焊接設(shè)備所提供的焊接熱輸入和焊槍行為對(duì)接頭質(zhì)量影響最大。
(3)采用科學(xué)的檢測(cè)手段將是輔助保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要方法。
(4)螺柱操作工必須是經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)并取得相應(yīng)資質(zhì)的人員。
(5)施焊記錄資料的完整性,將為產(chǎn)品質(zhì)量信息做到有效追蹤。
[1] 程石來(lái),于百川,程結(jié). 影響螺柱焊質(zhì)量的因素及對(duì)策[J].現(xiàn)代制造工程,2008,(8):67-70.
[2] 池強(qiáng),張建勛,付繼飛. 電弧螺柱焊技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 焊接技術(shù),2003,32(6):18-20.
[3] 解德政,高偉廷. 淺析螺圈和螺柱對(duì)螺柱焊接質(zhì)量的影響及對(duì)策[J].變壓器,2000,37(4):26-28.
[4] 王建勛. 焊接電弧磁偏吹問(wèn)題的理論解釋及解釋辦法[J].電焊機(jī),2003,33(6):46-47.