核級主設(shè)備焊接技術(shù)探討及展望

羅英 鄭浩 邱天 黃炳炎 董元元 邱陽 余志偉

摘要：核級主設(shè)備在役期間長期承受高溫、高壓、中子輻照等作用，其質(zhì)量和安全性要求極高。焊接作為主設(shè)備制造和安裝過程中的基本手段，對主設(shè)備的質(zhì)量和安全性影響極大。簡要探討我國核電主設(shè)備的焊縫類型、方法、焊材及存在的問題;對焊接的幾大難點——鎳基合金焊接、核級焊材國產(chǎn)化、鈷基合金堆焊進行原因分析，提出了解決思路。對核級主設(shè)備焊接技術(shù)的發(fā)展方向進行簡要的總結(jié)和展望，提出數(shù)值模擬仿真、焊接數(shù)字化建設(shè)、增材制造技術(shù)、先進焊接方法應(yīng)用和智能化焊接應(yīng)是未來的主要發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：核級主設(shè)備;焊接材料;增材制造;數(shù)字化;智能化

中圖分類號：TG47? ? ? ? ? 文獻標志碼：C? ? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2020）09-0194-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.20

0? ? 前言

核電反應(yīng)堆系統(tǒng)主設(shè)備主要包括：反應(yīng)堆壓力容器（RPV）、蒸汽發(fā)生器（SG）、穩(wěn)壓器（PRZ）、堆內(nèi)構(gòu)件（RVI）、控制棒驅(qū)動機構(gòu)（CRDM）、主管道、主泵（RCP）等。核級主設(shè)備在役期間長期承受高溫、高壓、循環(huán)載荷、交變熱載荷及中子輻照作用，因此對其質(zhì)量和安全性都有極高的要求[1]。在核級主設(shè)備的制造和安裝中，焊接是最基本、也是最重要的手段，焊縫類型主要分為承壓焊縫和非承壓焊縫。在焊接過程中，焊縫和熱影響區(qū)都經(jīng)歷了復(fù)雜的熱循環(huán)冶金過程，焊縫質(zhì)量受到焊接操作人員、焊材質(zhì)量、焊接工藝、熱處理等因素的共同影響。焊后可能出現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力過大、變形、宏觀缺陷、晶粒粗大和組織偏析等一系列問題。尤其是承壓焊縫，其安全性和質(zhì)量穩(wěn)定性對反應(yīng)堆系統(tǒng)的固有安全性產(chǎn)生直接影響。據(jù)統(tǒng)計，在我國核電項目主設(shè)備制造過程中產(chǎn)生的不符合項，與焊接相關(guān)的占比很大。為促進我國核電事業(yè)發(fā)展，核級主設(shè)備焊接技術(shù)能力的提升勢在必行。

目前我國核電向著大型化、整體化、長壽化方向發(fā)展，同時又必須兼顧經(jīng)濟性與安全性[2]。為適應(yīng)我國核電的發(fā)展趨勢各主設(shè)備均展開了相應(yīng)的研制優(yōu)化工作。RPV大型鍛件、一體化成型、長壽期材料;RVI由螺栓式連接改為整體式，整體式堆芯圍筒和整體式上支承柱;SG總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計;大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的整體鍛造工藝;CRDM鉤爪一體式成型等研制研究工作均取得了階段性成果。隨著上述工作的開展，為提升核電主設(shè)備的固有安全性及經(jīng)濟性，對核電主設(shè)備焊接質(zhì)量、穩(wěn)定性、焊縫性能等提出了更高的要求，對核電主設(shè)備焊接技術(shù)的發(fā)展提出了新的期望。

回顧和總結(jié)我國核電主設(shè)備焊接領(lǐng)域的成功經(jīng)驗、制造難點、技術(shù)能力、科研成果，并對未來核電主設(shè)備焊接技術(shù)的發(fā)展方向開展思索與探討，提升我國核電主設(shè)備制造能力與技術(shù)水平，為我國核電事業(yè)的發(fā)展貢獻力量。

1 核電主設(shè)備焊接淺析

1.1 焊縫類型、焊接方法

核電行業(yè)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已從第一代核電堆型發(fā)展至第三代核電堆型。目前我國在建核電主要以具有自主知識產(chǎn)權(quán)的華龍一號三代核電為主，國內(nèi)已開工建設(shè)4臺機組，國外2臺機組，擬建7臺機組。核電行業(yè)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，但是各主設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)及其焊縫類型始終沒有大的改變。以“華龍一號”為例簡要介紹主設(shè)備的主要焊縫、堆焊層、填充材料、焊接方法、相關(guān)設(shè)備等，如表1所示。

由表1可知，核電主設(shè)備所涉及的焊縫及堆焊層種類較多，包括同種金屬對接焊、異種金屬對接焊、同種金屬密封焊、異種金屬密封焊、異種金屬堆焊和隔離層堆焊等。采用的焊接方法也多為成熟常用的焊接方法如SAW、ESW、SMAW、TIG、LBW、氧乙炔焊等。主設(shè)備低合金鋼鍛件間的對接焊縫多為承壓焊縫，焊縫形式為環(huán)焊縫，通常稱為主焊縫。應(yīng)盡量采用窄間隙焊縫焊接，必須是全焊透焊縫。為保證主設(shè)備的耐蝕性，在RPV筒體內(nèi)壁、SG下封頭、PRZ及RCP低合金鋼上堆焊不銹鋼堆焊層，堆焊層包括過渡層和耐蝕層，過渡層堆焊采用309L型不銹鋼焊材，耐蝕層堆焊采用308L型不銹鋼焊材。RPV、SG、PRZ和RCP的接管嘴為低合金鋼鍛件，與其相連的管道為不銹鋼管。在廠內(nèi)預(yù)先焊接不銹鋼安全端，以實現(xiàn)現(xiàn)場焊接為同種金屬對接焊。低合金鋼與安全端間的連接采用低合金鋼—鎳基隔離層—鎳基對接焊縫—安全端的方式，如圖1所示。RVI的部件多為不銹鋼板材或鍛件，吊籃筒體縱焊縫、法蘭與筒體環(huán)焊縫、筒體間環(huán)焊縫采用埋弧自動焊，填充金屬為ER308L。堆芯支承板與吊籃筒體間采用熱絲TIG焊，填充金屬為ER308L。為提升部件的耐磨性，在RVI的U型嵌入件（鎳基合金鍛件）上采用TIG焊方式堆焊鈷基合金，在CRDM的鉤爪（不銹鋼鍛件）上采用氧乙炔焊的方式堆焊鈷基合金。主管道間采用TIG自動焊或手工TIG焊+SMAW的方法進行焊接，填充金屬為316L或316LSi不銹鋼焊材。

1.2 核級主設(shè)備焊接材料

焊接材料的良好性能是主設(shè)備焊縫質(zhì)量穩(wěn)定與性能優(yōu)異的基本前提，“華龍一號”主設(shè)備使用的焊材材料主要分為四大類：低合金鋼、不銹鋼、鎳基合金及鈷基合金焊接材料，據(jù)統(tǒng)計一臺“華龍一號”機組焊材用量達230余噸。低合金鋼焊接材料主要應(yīng)用于RPV、SG及PRZ的低合金鋼鍛件的對接焊，低合金鋼對接焊縫多為承壓主焊縫，對焊縫的強度及低溫沖擊韌性要求很高，以RPV為例，低合金鋼焊縫熔敷金屬RTNDT≤

-28.9℃，上平臺能量≥104 J，主要使用的焊材為電弧焊焊條及埋弧焊焊絲/焊劑。不銹鋼焊接材料主要應(yīng)用于RPV、SG、PRZ及RCP低合金鋼鍛件的內(nèi)壁堆焊、主管道間的對接焊及RVI的不銹鋼鍛件間的對接焊，包括308L和309L型不銹鋼手工電弧焊焊條、TIG焊絲、埋弧焊焊帶/焊劑、埋弧焊焊絲/焊劑，316L型手工電弧焊焊條與埋弧焊焊絲/焊劑。鎳基合金焊材主要用于低合金鋼鍛件上的堆焊、隔離層及異種金屬焊接，包括RPV上封頭J型焊縫、RPV下封頭與徑向支承塊的隔離層與對接焊縫、SG管板堆焊、接管與安全端隔離層及對接焊縫等。包括ENiCrFe-7手工焊焊條、ERNiCrFe-7/7A氣保焊焊絲、EQNiCrFe-7/7A焊帶與焊劑。鈷基合金應(yīng)用于RVI的U型嵌入件與CRDM鉤爪上的堆焊層，以提升其耐磨性。

2 常見問題

國內(nèi)核電主設(shè)備實現(xiàn)自主設(shè)計制造已經(jīng)多年，其結(jié)構(gòu)形式和采用的焊接方法均未發(fā)生太大改變。國內(nèi)制造廠的焊接技術(shù)能力經(jīng)過多年積累與沉淀已相當(dāng)成熟，但在主設(shè)備的焊接制造過程中依舊存在一些技術(shù)難點與瓶頸。由于主設(shè)備的焊接自動化與智能化程度不高，焊接質(zhì)量嚴重依賴于焊接人員的技術(shù)能力與責(zé)任心。在主設(shè)備的焊接過程中，雖然采用的焊接工藝成熟穩(wěn)定，但仍不時出現(xiàn)探傷不合格的情況。除此以外鎳基合金的焊接、焊接材料不能實現(xiàn)自主可控、鈷基堆焊層堆焊也是困擾主設(shè)備焊接的難點。

2.1 鎳基合金焊縫（堆焊層）

以RPV為例，在RPV的所有焊縫中，鎳基合金焊縫（堆焊層）的焊接難度最大，也是核電行業(yè)公認的焊接難題。鎳基合金流動性較差、潤濕性差、容易產(chǎn)生氣孔及夾渣。實際焊接過程中，鎳基合金焊材每焊一道時，通常需要打磨一半的厚度以去除缺陷和裂紋，這極大地增加了工作量，降低了生產(chǎn)效率，同時也增加了焊縫的道間清理難度。鎳基合金在焊接過程中常常出現(xiàn)微裂紋，主要表現(xiàn)為長度小于0.5 mm 的結(jié)晶裂紋和高溫失塑裂紋（Ductility Dip Cracking，DDC）[3-5]。鎳基合金焊材主要應(yīng)用于RPV安全端的焊接、貫穿件與封頭的J型焊縫以及部分位置的堆焊，如圖1和圖2所示。

據(jù)不完全統(tǒng)計，在國內(nèi)不同項目的多臺機組中，多組RPV接管安全端鎳基焊縫都出現(xiàn)了探傷不合格。甚至在某臺RPV上6個接管安全端，其中5個鎳基合金焊縫出現(xiàn)探傷不合格需要返修，嚴重影響了工程進度。為解決該難題，國內(nèi)各制造廠做了大量試驗以避免缺陷和裂紋的產(chǎn)生，從而保證焊接質(zhì)量，但到目前為止仍不能完全保證焊接質(zhì)量。貫穿件與封頭的J型焊縫，每根貫穿件與封頭的位置關(guān)系都不一致，水壓試驗后又必須保證貫穿件的垂直度，因此J型焊縫的焊接必須依靠經(jīng)驗豐富的焊工完成。焊工在施焊過程中既要克服鎳基合金流動性差、潤濕性差等缺點，又要保證貫穿件的垂直度和焊接質(zhì)量，因此J型焊縫成為了RPV焊接的難點之一。以國內(nèi)某臺核電機組RPV為例，J型焊縫先后出現(xiàn)多次探傷不合格的情況，耽誤工期達半年以上，鎳基合金的焊接問題同樣困擾著SG和PRZ。

2.2 核級焊接材料

目前我國在建及在役的核電站主設(shè)備，其制造和安裝過程中的焊接材料完全依賴于進口。以“華龍一號”RPV、SG、CRDM、RVI為例，其設(shè)計與制造都由我國完全自主，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。其各零部件的鍛造、機加工、焊接均由國內(nèi)廠家完成，且所有原材料均由國產(chǎn)。但焊接所用的核級低合金鋼、不銹鋼、鎳基合金、鈷基合金焊接材料全部依賴進口，每臺機組焊材用量約230 t，需花費約4 000萬元。國內(nèi)焊接材料行業(yè)，在核級焊接材料（如低合金鋼、不銹鋼、鎳基合金焊材）的研制上有過一些嘗試和探索，也取得了一定的研究成果，但目前尚未實現(xiàn)工程應(yīng)用，與世界先進水平還存在著較大差距。主要原因有以下幾點：（1）焊材金屬的超純冶煉困難、微量元素含量難以控制、合金成分配比難以把控。尤其以鎳基合金焊材的制造難度最大，技術(shù)要求最高。在國際上主要被SMC、Sandvik等公司壟斷。（2）國內(nèi)焊材企業(yè)在焊接材料產(chǎn)品性能、可靠性質(zhì)量評價體系的建立上有所欠缺。國產(chǎn)核級焊材質(zhì)量穩(wěn)定性較差，批次之間的性能和質(zhì)量差異較大。（3）國產(chǎn)核級焊材在力學(xué)性能方面已能比肩進口焊材，甚至優(yōu)于進口焊材。但焊接工藝性能卻不如進口焊材。如工藝穩(wěn)定性、電弧穩(wěn)定性、脫渣性、成型外觀等均較差。制造廠焊接人員普遍反映國產(chǎn)焊材能用但是不好用。對于鈷基合金焊材，目前國內(nèi)尚無任何研制基礎(chǔ)。

核級焊材完全依賴進口給我國核電事業(yè)的發(fā)展帶來了許多弊端。首先，焊材的成本大幅提升，供貨周期難以控制，完全受制于人，存在影響項目工期的巨大風(fēng)險，同時進口焊材將極大降低核電機組經(jīng)濟性。若實現(xiàn)核級焊材國產(chǎn)化，每臺機組將降低成本近2 000萬元。其次由于我國核電的大規(guī)模發(fā)展，核級焊材供不應(yīng)求，導(dǎo)致進口焊材質(zhì)量日趨下降。最后，鑒于目前的國際形勢發(fā)展，核級焊材的進口存在因政治因素而被封鎖的風(fēng)險。核級焊材一旦被封鎖，將極大影響我國核電事業(yè)的發(fā)展[6-7]。

2.3 鈷基合金堆焊

鈷基合金焊材在核電主設(shè)備焊接中用量較少，每臺機組用量約100 kg。其用于CRDM鉤爪堆焊層時，采用氧乙炔的焊接方法，同時對熔敷金屬的硬度要求很高，最大值與最小值之間的偏差不得超過5 HRC，因此對焊接工藝及焊工的技術(shù)水平提出了很高的要求。在實際生產(chǎn)制造過程中，堆焊層一次合格率較低，材料浪費量大，目前尚無很好的解決方法。

2.4 解決思路

針對上述主設(shè)備焊接存在的常見問題，提出以下幾點解決思路。

（1）主設(shè)備焊接自動化與智能化程度較低，焊接質(zhì)量嚴重依賴于焊接人員的技術(shù)能力與責(zé)任心。從主設(shè)備的設(shè)計伊始，設(shè)計人員就應(yīng)考慮主設(shè)備的焊縫設(shè)置及焊縫結(jié)構(gòu)，盡可能地使焊縫適合自動焊，同時緊跟核電發(fā)展方向，提升主設(shè)備一體化水平，以減少焊縫數(shù)量降低焊接工作量。制造單位應(yīng)根據(jù)自身情況，積極進行焊接技術(shù)升級，借鑒焊接自動化智能化程度較高的行業(yè)經(jīng)驗，如汽車、軌道車輛、航空航天等，大膽嘗試焊接機器人等先進智能焊接設(shè)備，提升焊接自動化智能化水平。進一步完善強化質(zhì)保體系，提升焊接人員薪資水平，提高焊接人員的專業(yè)技術(shù)能力。

（2）鎳基合金焊接難度大，焊接時流動性較差、潤濕性差、容易產(chǎn)生氣孔及夾渣。這些特點是鎳基合金的固有特性難以消除。通過優(yōu)化提升現(xiàn)有焊接工藝和方法難以完全解決該問題。為突破鎳基合金焊接難題，應(yīng)大膽嘗試新的焊接方法與改變設(shè)計思路?？梢試L試新的焊接方法如超聲電弧焊、電子束、激光焊等。改進安全端的焊縫結(jié)構(gòu)，填充金屬由鎳基合金改為梯度材料，或嘗試新的制造方法，如不銹鋼鍛件與低合金鋼鍛件一體成型等。

（3）實現(xiàn)核級焊材國產(chǎn)化，必須集中設(shè)計單位、設(shè)備制造單位、焊材生產(chǎn)企業(yè)多方的優(yōu)勢資源，共同推進核級焊材國產(chǎn)化進程。研制并完善核級焊材生產(chǎn)全過程質(zhì)量管控體系，建立與之匹配的焊接材料力學(xué)性能及工藝性能評價體系。解決國產(chǎn)焊材目前存在的問題，提升國產(chǎn)焊材質(zhì)量穩(wěn)定性，焊接工藝性能。實現(xiàn)核級焊材的自主可控。

（4）對于鈷基合金堆焊問題，通過優(yōu)化提升現(xiàn)有焊接工藝和方法難以解決。可嘗試新的制造方法，如增材制造方法。研究不銹鋼與鈷基合金的一體式成型工藝或梯度材料制造工藝。

3 核級主設(shè)備焊接技術(shù)的未來發(fā)展

3.1 數(shù)值仿真模擬技術(shù)的應(yīng)用

有限元模擬仿真技術(shù)在大型設(shè)備的設(shè)計制造過程中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在核級主設(shè)備的設(shè)計階段，有限元軟件如ANASYS、MATLAB等都已實現(xiàn)了工程應(yīng)用。目前先進的焊接專用模擬軟件在航空航天、軌道交通、汽車等行業(yè)焊接領(lǐng)域發(fā)揮了積極作用。而核級主設(shè)備的焊接領(lǐng)域焊接專用模擬軟件尚未實現(xiàn)工程應(yīng)用。推動焊接專用模擬軟件的應(yīng)用將對核級主設(shè)備的焊接產(chǎn)生以下幾點積極影響：（1）在設(shè)計階段能對焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、應(yīng)變、微觀組織等進行預(yù)判，更為精確地研判主設(shè)備焊縫的應(yīng)力狀態(tài)與力學(xué)性能。提升主設(shè)備的固有安全性。（2）在進行焊接工藝評定前，先通過焊接模擬軟件對焊接工藝的熱輸入量、焊道順序、約束狀態(tài)、預(yù)熱溫度、道間溫度等工藝參數(shù)進行模擬計算。對后續(xù)的工藝評定進行指導(dǎo)，減少工藝試驗工作量，提升工藝評定成功率與焊縫質(zhì)量。（3）通過模擬計算能夠得到主設(shè)備在焊接和焊后熱處理后完整的應(yīng)力場與溫度場變化情況，更為直觀準確地對主設(shè)備狀態(tài)進行有效分析，避免過大的焊接殘余應(yīng)力對主設(shè)備結(jié)構(gòu)及安全性產(chǎn)生影響[8-10]。

3.2 主設(shè)備焊接數(shù)字化建設(shè)

數(shù)字化反應(yīng)堆建設(shè)是反應(yīng)堆系統(tǒng)建設(shè)的重點方向之一，主設(shè)備焊接也必須緊跟數(shù)字化建設(shè)步伐，大力推進主設(shè)備焊接的數(shù)字化建設(shè)。主設(shè)備焊接的數(shù)字化建設(shè)應(yīng)從以下幾個方面開展。

（1）搭建主設(shè)備材料數(shù)據(jù)庫，通過試驗得到主設(shè)備常用的低合金鋼、不銹鋼、鎳基合金、低合金鋼焊材、不銹鋼焊材、鎳基合金焊材等材料的物性參數(shù)，尤其是高溫物性參數(shù)。以便后續(xù)模擬分析及設(shè)計制造時調(diào)用。

（2）總結(jié)歸納主設(shè)備典型焊縫（低合金鋼鍛件間的主焊縫、不銹鋼堆焊層、鎳基合金隔離層等）的成熟合格的焊接工藝評定。在某型焊接模擬軟件中對每項工藝評定進行模擬計算，得出應(yīng)力應(yīng)變場、溫度場、升降溫曲線等數(shù)值模擬結(jié)果。

（3）基于某焊接模擬軟件進行二次開發(fā)，開發(fā)適用于核電主設(shè)備用的焊接專用軟件，該軟件主要具備以下幾種功能：

①具備工藝評定與焊接工藝規(guī)程的邏輯關(guān)系，根據(jù)相應(yīng)工藝評定自動輸出工藝規(guī)程。

②軟件具備記錄主設(shè)備所有焊縫及堆焊層焊接工藝規(guī)程、支撐規(guī)程的焊接工藝評定、模擬計算結(jié)果的能力。能夠?qū)崟r調(diào)用查看任意一條焊縫或堆焊層的模擬計算結(jié)果。

③建立該軟件與其他常用力學(xué)分析軟件的接口，當(dāng)對主設(shè)備整體或局部進行力學(xué)分析需考慮焊接因素影響時，能夠?qū)崟r調(diào)用相應(yīng)模擬計算結(jié)果以供使用[11]。

3.3 增材制造

核級主設(shè)備制造一直采用鍛造、焊接、機加工等制造方式，缺點有：制造周期長、原材料使用效率不高、鍛造產(chǎn)品存在一次制造不合格的可能，一旦失敗嚴重影響工期、組織均勻性難以保證等。目前，增材制造技術(shù)作為一種新型制造技術(shù)發(fā)展日趨成熟。其中電弧熔絲技術(shù)作為增材制造技術(shù)的一種，具有成型速率高、材料利用率高、成本相對較低等優(yōu)點，尤其在大型零部件的制造上具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，并已在石油、化工、航空航天等領(lǐng)域有成功應(yīng)用經(jīng)驗。從本質(zhì)上說，電弧熔絲增材制造的成型過程就是焊接的冶金過程。目前國內(nèi)已有研究團隊應(yīng)用電弧熔絲技術(shù)打印RPV樣件，其力學(xué)性能比肩于鍛件[12-13]。將電弧熔絲技術(shù)應(yīng)用于RPV的制造，可實現(xiàn)RPV的整體成型制造，同時具有以下優(yōu)點：制造周期較短，可實現(xiàn)快速制造、原材料利用率高、組織均勻性好，無尺寸效應(yīng)、突破了傳統(tǒng)制造方法受制于冶煉技術(shù)、冶煉設(shè)備、鍛造設(shè)備的限制，克服了傳統(tǒng)制造方法的諸多弊端。從源頭上減少了RPV的焊縫，理論上可將焊縫完全消除。對于RPV的內(nèi)壁不銹鋼堆焊層、安全端鎳基隔離層、異種金屬接頭等，采用電弧熔絲的制造方式，可實現(xiàn)一體化成型，省去堆焊過程。或通過改變絲材成分，實現(xiàn)異種金屬間成分的梯度過渡，進一步提升隔離層及過渡層金屬的力學(xué)性能與質(zhì)量。電熔增材制造技術(shù)同樣適用于SG及穩(wěn)壓器的制造。采用激光送粉或鋪粉技術(shù)，應(yīng)用于RVI復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、導(dǎo)向板、堆芯圍筒、CRDM導(dǎo)向板、PRZ噴霧頭等，都將有效地減少焊縫數(shù)量，提升設(shè)備可靠性及制作成本。目前該技術(shù)應(yīng)用于核級主設(shè)備的制造仍有許多尚待解決的難點。首先，增材制造材料未經(jīng)輻照試驗驗證，其抗輻照性能有待評價。其次，增材制造的材料是否應(yīng)按焊縫進行評判，并進行相應(yīng)的在役檢查尚無權(quán)威結(jié)論。最后，增材制造技術(shù)在核行業(yè)的應(yīng)用尚處于起步階段，相關(guān)標準、力學(xué)評價體系、無損檢驗體系等都尚未建立。增材制造技術(shù)應(yīng)用于核級主設(shè)備的制造符合核電行業(yè)大型化與整體化的發(fā)展方向，是一種顛覆式的技術(shù)創(chuàng)新，雖然目前有許多亟待解決的難題，但增材制造技術(shù)依舊是核級主設(shè)備制造技術(shù)未來的發(fā)展方向之一[14]。

3.4 先進焊接方法應(yīng)用與智能化焊接技術(shù)推進

核電行業(yè)因其行業(yè)的特殊性，在焊接領(lǐng)域?qū)τ谙冗M焊接技術(shù)的應(yīng)用嘗試相對保守，就核級主設(shè)備而言，目前采用的所有焊接方法都是傳統(tǒng)焊接方法，先進的全自動與智能化焊接設(shè)備應(yīng)用還不充分。隨著焊接行業(yè)的發(fā)展，如激光焊、真空電子束焊、超聲電弧焊等焊接方法與智能焊接機器人在很多行業(yè)都實現(xiàn)了成功的應(yīng)用。與此同時，核電主設(shè)備向著大型化與一體化方向發(fā)展，未來RPV、SG、PRZ的主焊縫厚度可能越來越大，RVI和CRDM等焊縫的焊接精度要求越來越高，目前的焊接方式可能不再適用。因此嘗試應(yīng)用先進新型焊接方法與智能化焊接技術(shù)符合主設(shè)備未來的發(fā)展趨勢。

激光焊具有焊接速度快、熔焊深度大、焊縫寬度小、熱影響區(qū)小、殘余應(yīng)力小等優(yōu)點。也具有焊接成本較大、裝配要求較高等缺點。激光-電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)是利用電弧能量降低激光功率而實現(xiàn)焊接的焊接技術(shù)，它發(fā)揮了激光與電弧焊各自的優(yōu)勢，同時互相彌補各自的不足，具有穩(wěn)定焊接過程、增大熔深、降低裝配條件等優(yōu)點。目前，國內(nèi)學(xué)者對這種焊接技術(shù)開展了大量的研究。激光焊在RVI上已實現(xiàn)了工程化應(yīng)用，但在低合金鋼鍛件主焊縫及不銹鋼鍛件的窄間隙大厚度焊接激光焊接并不能體現(xiàn)其優(yōu)勢，而激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)為窄間隙大厚度焊接提供了新的思路[15-17]。

真空電子束焊是指在真空中施焊，具有功率密度高、穿透能力強、深寬比大、不開坡口、一次成型、焊縫化學(xué)成分純凈等特點。同時具有設(shè)備昂貴、真空要求高、焊接過程中產(chǎn)生X射線等缺點。局部真空電子束焊是在焊縫周圍添加真空設(shè)備，該設(shè)備沿焊接方向隨焊槍移動而移動，時刻保證被焊部位施焊時保持真空狀態(tài)，其應(yīng)用突破了真空電子束焊受真空室大小的限制，大大拓寬了真空電子束焊的使用條件。該項技術(shù)同樣能夠適用于低合金鋼鍛件主焊縫與不銹鋼鍛件對接焊的窄間隙大厚度焊接[18]。

超聲電弧焊技術(shù)是在采用電弧焊接時對焊縫熔池施加超聲波，超聲波對焊縫熔池產(chǎn)生震蕩和攪拌作用。超聲電弧焊能夠起到細化晶粒及消除焊接缺陷的作用。因鎳基合金流動性差、潤濕性差、容易產(chǎn)生氣孔和夾渣，在焊接時也常常出現(xiàn)DDC裂紋與結(jié)晶裂紋，是核電焊接的難點之一。因此嘗試將超聲電弧焊接方法應(yīng)用于RPV、SG、PRZ、RCP的安全端鎳基隔離層和RPV貫穿件與封頭的J型焊縫，以解決鎳基合金的焊接問題[19-20]。

智能化焊接技術(shù)已在汽車、軌道客車、工程機械等行業(yè)實現(xiàn)了大規(guī)模的應(yīng)用，據(jù)了解在某型高速動車組車體焊接中，自動焊焊接量已占整車焊接總量的80%，而核電主設(shè)備焊接的自動化智能化水平依舊偏低。核電主設(shè)備智能化焊接技術(shù)的推進應(yīng)從以下幾個方面開展：

（1）針對設(shè)備關(guān)鍵焊縫，以及焊接難度較大的焊縫如RPV上的貫穿件與封頭、鎳基隔離層、鎳基對接焊縫等。根據(jù)焊縫結(jié)構(gòu)特點及具體焊接工藝，大力研發(fā)或應(yīng)用先進焊接設(shè)備，推進先進焊接機器人的應(yīng)用。

（2）開展焊縫熔池實時監(jiān)測技術(shù)研究，采用先進的視覺傳感技術(shù)，在焊接過程中對焊縫熔池情況進行實時監(jiān)測觀察。抓取焊縫熔池關(guān)鍵參數(shù)（如熔深、熔寬、余高等），建立關(guān)鍵參數(shù)與焊縫質(zhì)量的關(guān)系模型，實時判定焊縫焊接質(zhì)量，提升安全性。

（3）焊接系統(tǒng)大平臺的搭建，將智能化焊接設(shè)備、焊接模擬仿真、焊接工藝及工藝評定數(shù)據(jù)庫、焊材數(shù)據(jù)庫、焊縫熔池監(jiān)測系統(tǒng)等，統(tǒng)一集成至焊接系統(tǒng)大平臺中。實現(xiàn)焊接設(shè)備與焊接工程師的直接交互，實現(xiàn)遠程控制、遠程焊接、遠程診斷，實現(xiàn)真正的智能化焊接[21]。

4 結(jié)論

以“華龍一號”主設(shè)備為例簡要介紹了核級主設(shè)備的焊縫類型、主要焊接方法、無損檢驗方法、焊接填充材料。分析了目前主設(shè)備焊接所面對的難點，包括自動化智能化程度較低、鎳基合金焊接難題、核級焊材嚴重依賴進口、鈷基合金焊接難度較大等，并提出了相應(yīng)的解決思路。為適應(yīng)未來核電行業(yè)及主設(shè)備設(shè)計制造的發(fā)展趨勢，對主設(shè)備焊接技術(shù)的發(fā)展方向進行了探討。增材制造技術(shù)的迅猛發(fā)展對相關(guān)行業(yè)設(shè)備的設(shè)計、生產(chǎn)、檢驗產(chǎn)生了顛覆式的影響，焊接相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)緊跟增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢，同時發(fā)揮自身優(yōu)勢，勇敢嘗試將增材制造技術(shù)應(yīng)用于主設(shè)備的設(shè)計與制造。推進數(shù)值仿真模擬與數(shù)字化在主設(shè)備焊接領(lǐng)域的應(yīng)用，嘗試新的焊接方法，將提升設(shè)計分析能力與主設(shè)備固有安全性，為主設(shè)備焊接提出新的思路。淺析我國核電主設(shè)備焊接與探討對未來焊接的發(fā)展方向，為提升主設(shè)備安全性做出努力，為我國核電事業(yè)的發(fā)展貢獻力量。

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Discussion and prospect of welding technology for nuclear grade main equipment

LUO Ying， ZHENG Hao， QIU Tian， HUANG Bingyan， DONG Yuanyuan，

QIU Yang， YU Zhiwei

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory， Nuclear Power Institute of China， Chengdu 610213， China）

Abstract： Nuclear grade main equipment has been subjected to high temperature， high pressure and neutron irradiation for a long time in service， and its quality and safety requirements are very high. Welding， as a basic means in the manufacturing and installation process of main equipment， has a great impact on the quality and safety of the main equipment. This paper briefly discusses the types， methods， welding materials and existing problems of main nuclear power equipment in China. This paper analyzes the causes of several difficulties in welding， such as nickel base alloy welding， localization of nuclear grade welding materials and surfacing welding of cobalt base alloy， and puts forward solutions. The development direction of welding technology for nuclear grade main equipment is briefly summarized and prospected. It is proposed that numerical simulation， digital welding construction， additive manufacturing technology， application of advanced welding methods and intelligent welding should be the main development directions in the future.

Key words： nuclear grade main equipment; welding materials; additive manufacturing; digitization; intellectualization