大厚壁管扁焊槍的改進(jìn)優(yōu)化

呂旭偉，朱德才，譚文良，馬力川，康澤壇

（中廣核工程有限公司，廣東深圳518120）

大厚壁管扁焊槍的改進(jìn)優(yōu)化

呂旭偉，朱德才，譚文良，馬力川，康澤壇

（中廣核工程有限公司，廣東深圳518120）

隨著國內(nèi)二代半、三代核電站的規(guī)?；ㄔ欤g隙自動(dòng)焊工藝被廣泛應(yīng)用于主回路管道焊接過程中。主管道焊接采用自動(dòng)焊標(biāo)準(zhǔn)大焊炬，焊接過程中需要消耗大量的保護(hù)氣體，且易受外界環(huán)境的影響，不便于進(jìn)行量化控制，成本較高，這些因素很大程度上制約了自動(dòng)焊技術(shù)的推廣和普及?；谧詣?dòng)焊焊機(jī)自身特點(diǎn)，借鑒國外的成熟扁焊槍經(jīng)驗(yàn)，分析焊槍結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)能夠匹配自動(dòng)焊焊機(jī)的焊槍結(jié)構(gòu)，使得該扁焊槍可深入至焊縫表面進(jìn)行近距離保護(hù)，大大減少所需保護(hù)氣體流量，且不易受外界環(huán)境影響，保護(hù)效果更佳，便于量化控制。

自動(dòng)焊焊機(jī)；焊槍；窄間隙自動(dòng)焊；氬氦保護(hù)氣

本文參考文獻(xiàn)引用格式：呂旭偉，朱德才，譚文良，等.大厚壁管扁焊槍的改進(jìn)優(yōu)化[J].電焊機(jī)，2017，47（05）：52-58.

0 前言

隨著大壁厚管道自動(dòng)焊技術(shù)逐漸應(yīng)用于核電、風(fēng)電、石化等國民工業(yè)領(lǐng)域，焊接過程中所需的惰性氣體（如Ar、He）的消耗量不斷增加。在生產(chǎn)惰性保護(hù)氣體時(shí)，耗費(fèi)能源大，投入資金多，很大程度上制約了自動(dòng)焊技術(shù)的推廣和普及。

CPR1000主管道自動(dòng)焊采用LIBURDI公司的GT-VI代焊機(jī)，如圖1所示，焊槍采用標(biāo)配大焊炬，采用石英玻璃氣罩對鎢極進(jìn)行惰性氣體保護(hù)，氣罩造價(jià)高、易損壞。在大壁厚管道焊接過程中，由于焊縫較深，而氣罩又無法靠近焊縫，因此需要大流量的氣體保護(hù)，且保護(hù)效果不佳?；诖?，本研究借鑒臺(tái)山EPR機(jī)組自動(dòng)焊的扁焊槍實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，突破傳統(tǒng)模式，通過改裝優(yōu)化，設(shè)計(jì)出能夠匹配目前GT-VI自動(dòng)焊焊機(jī)的扁焊槍，該焊槍可深入至焊縫表面進(jìn)行近距離保護(hù)，大大降低保護(hù)氣體流量，不易受外界環(huán)境影響，保護(hù)效果更佳，且便于量化控制[1]。

1 焊槍結(jié)構(gòu)分析

從機(jī)械設(shè)計(jì)角度分析，標(biāo)準(zhǔn)大焊炬和扁焊槍反映了兩種設(shè)計(jì)理念：一體式設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)大焊炬采用一體式的設(shè)計(jì)方式，焊炬結(jié)構(gòu)簡單，氣路較為簡約；而扁焊槍采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，焊槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣路和冷卻回路較為精細(xì)[2]。

圖1 自動(dòng)焊焊機(jī)整體

1.1 標(biāo)準(zhǔn)大焊炬結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)大焊炬結(jié)構(gòu)如圖2所示，由耐熱殼、氣體導(dǎo)流室、鎢極、濾網(wǎng)和石英玻璃氣罩構(gòu)成。整個(gè)焊炬結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)靈活。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)大焊炬結(jié)構(gòu)

保護(hù)氣體依次經(jīng)過耐熱殼、氣體導(dǎo)流室和濾網(wǎng)，最終在石英玻璃氣罩中匯聚。由于結(jié)構(gòu)所限，標(biāo)準(zhǔn)大焊炬不能深入坡口對焊縫表面實(shí)施近距離保護(hù)，所以氣路設(shè)計(jì)比較寬大。在焊接過程中，氣體流量隨坡口深度增加而增大，特別是在根部焊道（深度>80mm）的焊接過程中，為了獲得成形良好的焊縫，氣流量會(huì)達(dá)到80 L/min，從而耗費(fèi)掉大量的保護(hù)氣體。

1.2 扁焊槍結(jié)構(gòu)

扁焊槍采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，如圖3所示，整個(gè)焊槍包括槍體和氣水兩個(gè)模塊。槍體模塊包括：鎢極、陶瓷管、槍體、濾網(wǎng)；氣水模塊包括：連接塊、外殼、分配塊、鎢極頂絲、槍芯頂絲、槍芯。槍體模塊的作用是深入坡口進(jìn)行焊接工作；氣水模塊的作用是分流保護(hù)氣體和冷卻水。扁焊槍流體線路設(shè)計(jì)如圖4所示，在整個(gè)焊槍中集成了兩條各自獨(dú)立的流體線路——?dú)饴泛退贰?/p>

1.2.1 氣路

保護(hù)氣體通過進(jìn)氣孔進(jìn)入分配塊，改變方向后進(jìn)入槍芯，而后經(jīng)過連接塊到達(dá)槍體。與標(biāo)準(zhǔn)大焊炬相比，由于不需要較大流量的保護(hù)氣體，因此氣路截面設(shè)計(jì)得比較小，所以保護(hù)氣體消耗量大為降低；與此同時(shí)，考慮到沿程阻力損失對氣體流通產(chǎn)生的不利影響，扁焊槍雖未采用直通式氣路設(shè)計(jì)，但整個(gè)氣路亦設(shè)計(jì)得較為簡單，保證了氣體的順暢流通。

1.2.2 水路

冷卻水進(jìn)入進(jìn)水孔后分成兩路，一路經(jīng)分配塊左側(cè)的出水孔進(jìn)入攝像頭冷卻線路對攝像頭進(jìn)行冷卻，后經(jīng)分配塊左側(cè)的進(jìn)水孔進(jìn)入分配塊，從右側(cè)的出水孔流出，完成一次循環(huán)；另一路先后經(jīng)過分配塊、槍芯、連接塊抵達(dá)槍體，后折返，依次經(jīng)過連接塊、槍芯、分配塊，與攝像頭冷卻水匯合后通過右側(cè)出水孔，完成一次循環(huán)。由于焊接過程中產(chǎn)生大量的輻射熱，若扁焊槍不經(jīng)過充分冷卻，極易損毀；加之監(jiān)控?cái)z像頭在工作過程中亦產(chǎn)生大量熱，需要及時(shí)進(jìn)行冷卻，故扁焊槍內(nèi)部精心設(shè)計(jì)了循環(huán)冷卻水回路，確保二者能夠及時(shí)冷卻降溫[3]。

圖3 扁焊槍結(jié)構(gòu)

圖4 扁焊槍氣路、水路示意

2 扁焊槍改進(jìn)優(yōu)化

扁焊槍的改進(jìn)優(yōu)化主要是循環(huán)冷卻流道和連接位置的優(yōu)化，包括：為解決扁焊槍與攝像頭同時(shí)冷卻問題而進(jìn)行的循環(huán)冷卻流道設(shè)計(jì)與改進(jìn)；為實(shí)現(xiàn)扁焊槍與視頻攝像系統(tǒng)結(jié)合而進(jìn)行的焊槍連接位置的優(yōu)化與改進(jìn)。

2.1 扁焊槍循環(huán)冷卻流道改進(jìn)

目前國外核電項(xiàng)目及臺(tái)山核電項(xiàng)目自動(dòng)焊焊機(jī)均無攝像頭，與其相配套的扁焊槍也無需考慮攝像頭的冷卻，只需冷卻自身系統(tǒng)。因此在原有扁焊槍上只有一側(cè)有循環(huán)水端口，另一側(cè)沒有，如圖5所示。而GT-6代自動(dòng)焊焊機(jī)機(jī)頭上有一個(gè)以焊炬、攝像頭等部件為主的完整冷卻循環(huán)系統(tǒng)，如圖6所示。

對比上述機(jī)頭，初步改造扁焊槍的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，在扁焊槍另一側(cè)增設(shè)循環(huán)冷卻水的端口，使扁焊槍的冷卻水能夠冷卻攝像頭，形成一個(gè)完整的冷卻循環(huán)系統(tǒng)，如圖7所示。

圖5 臺(tái)山核電自動(dòng)焊焊機(jī)機(jī)頭

圖6 CPR1000機(jī)組核電自動(dòng)焊焊機(jī)機(jī)頭

圖7 扁焊槍循環(huán)水端口改造過程

2.2 扁焊槍連接位置的優(yōu)化與改進(jìn)

現(xiàn)有扁焊槍頂端與機(jī)頭不匹配，頂端孔槽尺寸偏大，無法將扁焊槍安裝在機(jī)頭上面，這也造成了其與LIBURDI公司焊機(jī)的視頻和攝像系統(tǒng)不兼容，因此法國法馬通公司（ANP）在遇到這一問題時(shí)選擇舍棄了自動(dòng)焊機(jī)的視頻和攝像功能，不利于焊接質(zhì)量控制和跟蹤。針對此項(xiàng)問題，重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化了扁焊槍連接位置，切掉原有尺寸為50 mm寬的頭部卡座，重新制作卡套并將距離改成46 mm，使之能夠匹配在現(xiàn)有機(jī)頭上面，如圖8所示。

圖8 扁焊槍頂端孔槽改造過程

3 扁焊槍模擬調(diào)試和焊接驗(yàn)證

通過大量的焊接試驗(yàn)，觀察焊縫表面保護(hù)顏色，確定保護(hù)氣體流量大小和鎢極伸出長度的范圍，如表1所示。

自動(dòng)焊工藝參數(shù)已經(jīng)通過大量的試驗(yàn)和產(chǎn)品焊接得到了有效驗(yàn)證；扁焊槍的應(yīng)用在某種程度上只是研究改變氣流大小和鎢極伸出長度，但二者的改變需要考慮對不同焊接區(qū)域、不同填充材料、缺陷預(yù)防和不同焊接過程控制的跟蹤和調(diào)節(jié)，如何得出二者最佳配合，需要進(jìn)行大量試驗(yàn)驗(yàn)證。

保護(hù)氣體流量的大小取決于焊槍結(jié)構(gòu)和尺寸、噴嘴直徑、噴嘴到工件的距離、焊接速度、電流大小、接頭形式、材料種類等。噴嘴直徑與有效保護(hù)區(qū)直徑的關(guān)系如圖9所示，對于一定直徑的噴嘴，其保護(hù)氣流量有一個(gè)最佳值，此時(shí)保護(hù)區(qū)范圍大，保護(hù)效果最佳[4]。

表1 扁焊槍鎢極長度和氣流量研究配比

圖9 保護(hù)氣體流量-參數(shù)變化

工藝試驗(yàn)流程如圖10所示。

圖10 工藝試驗(yàn)流程

最終得出鎢極伸出長度18 mm、保護(hù)氣流量9～11 L/min時(shí)焊縫保護(hù)效果最佳。

4 扁焊槍可行性分析

理化試驗(yàn)是檢驗(yàn)焊接接頭性能最直觀的表現(xiàn)。采用自動(dòng)焊扁焊槍焊接1組工藝評(píng)定件，然后機(jī)加工取樣，如圖11所示。將加工好的試樣進(jìn)行理化試驗(yàn)，包括拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、化學(xué)分析和晶間腐蝕等[5]。

（1）拉伸試驗(yàn)。包括橫向拉伸試驗(yàn)和熔敷金屬縱向拉伸試驗(yàn)（室溫及350℃高溫），試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

圖11 試驗(yàn)項(xiàng)目及取樣示意

表2 焊接接頭橫向拉伸試驗(yàn)

表3 熔敷金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果

（2）沖擊試驗(yàn)。包括熔敷金屬?zèng)_擊和熔合線沖擊，采用V型缺口，結(jié)果如表4所示。

表4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

（3）彎曲試驗(yàn)。包括面彎和背彎，要求無明顯開裂，單個(gè)裂紋長度不得大于3 mm，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

（4）化學(xué)分析。根據(jù)RCC-M和設(shè)計(jì)要求，主管道窄間隙自動(dòng)焊工藝評(píng)定需測量13種元素的化學(xué)成分和焊縫中δ鐵素體的含量，如表6所示。

表5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表6 化學(xué)分析結(jié)果%

（5）晶間腐蝕。腐蝕試樣有2件，其中1件為對比試樣。腐蝕前進(jìn)行敏化處理（在5 min內(nèi)加熱到725℃±10℃，保溫30 min，然后以（60℃±5℃）/h的速度冷卻到500℃，之后空冷），結(jié)果為無晶間腐蝕傾向，如表7所示。

表7 晶間腐蝕結(jié)果

（6）金相檢驗(yàn)。包括宏觀金相和微觀金相。宏觀金相放大10倍，結(jié)果無裂紋、未焊透、未熔合及大于等于4 mm的氣孔。微觀金相放大200倍，結(jié)果為無顯微裂紋和影響接頭性能的沉淀物，如圖12示。

圖12 金相檢驗(yàn)

綜上所述，經(jīng)過工藝評(píng)定焊接和理化試驗(yàn)驗(yàn)證，扁焊槍焊接工藝符合RCCM對核電主管道的要求，因此可以用于核電主管道焊接。

5 結(jié)論

自動(dòng)焊扁焊槍工藝經(jīng)過大量的試驗(yàn)摸索，最終通過了工藝評(píng)定焊接的各項(xiàng)要求，為后續(xù)扁焊槍工藝的核電應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)。采用扁焊槍焊接工藝能夠?qū)缚p表面進(jìn)行近距離保護(hù)，且保護(hù)氣體消耗量較少，不易受外界環(huán)境影響，保護(hù)效果更佳，便于量化控制。扁焊槍的應(yīng)用使單個(gè)焊口的平均耗氣量由原來的70瓶降低至20瓶，減少約70%，如圖13所示。未來推廣至華龍一號(hào)為代表的三代核電上，將使每臺(tái)機(jī)組節(jié)約用氣價(jià)值達(dá)150萬，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。扁焊槍的研究優(yōu)化了自動(dòng)焊焊接工藝，有利于節(jié)約成本，提高焊縫質(zhì)量。

圖13 標(biāo)準(zhǔn)大焊炬與扁焊槍氬氦氣體消耗量對比

[1]譚文良，康澤壇，康澤壇，等.自動(dòng)焊技術(shù)在核電站主回路波動(dòng)管安裝中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015，12（21）：127-129.

[2]張鄂.現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[3] 馬力川，彭杰，康澤壇，等.窄間隙自動(dòng)焊用焊槍研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015（34）：93-95.

[4] 劉鳴放.金屬材料力學(xué)性能手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[5]法國核島設(shè)備設(shè)計(jì)、建造及在役檢查規(guī)則協(xié)會(huì)編.RCCMM壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則（2000版+2002補(bǔ)遺）[S].中科華核電技術(shù)研究院有限公司，譯.上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2010.

Improvement and optimization of flat welding torch in large thick-wall pipes

LV Xuwei，ZHU Decai，TAN Wenliang，MA Lichuan，KANG Zetan
（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Shenzhen 518120，China）

With the domestic two generation half，three generation of nuclear power plant construction scale，the narrow gap automatic welding technology has been widely used in the main circuit of pipeline welding process.But at present，the main pipe welding is mainly used in automatic standard welding torch welding need to consume large amounts of gas protection during welding，and the welding is easily affected by the external environment，it is not easy to quantify control，and it is high cost，these factors largely restrict the popularization and popularization of automatic welding technology.This topic through the automatic welding machine and its own characteristics，referring to foreign mature flat welding torch experience，through the analysis of welding structure，the design of welding torch automatic welding machine can be matched，so that the flat welding torch can be deep to the weld surface close protection，the protection gas flow is greatly reduced，not easily affected by the environment.The protection effect is better，and is convenient for quantitative control.

automatic welding machine；welding torch；narrow gap automatic welding；Ar-He protection gas

TG431

B

1001－2303（2017）05－0052-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.11

2017-01-09；

2017-05-03

呂旭偉（1985—），男，工程師，學(xué)士，主要從事核島主系統(tǒng)管道自動(dòng)焊及焊接工藝評(píng)定的研究。E-mail：mumulxw0512@163.com。