窄间隙自动焊用焊枪研究

马力川　彭杰　康泽坛　谭文良

摘 要：随着国内二代半、三代核电机组的批量化建造，窄间隙自动焊技术被广泛地应用于主管道焊接作业中。该技术主要采用两种焊枪施焊：标准大焊炬和扁焊枪。该文研究了两种焊枪的结构，分析了二者的工程应用。通过对比分析，我们认为二者均具备可靠的性能。然而，扁焊枪精巧的结构设计，使其具有焊接保护气体消耗量低、受外界环境影响小的突出优势，推广潜力较大。

关键词：焊枪（焊炬） 窄间隙自动焊 结构 工程应用

中图分类号：TG404 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（a）-0093-03

随着国内二代半、三代核电机组的批量化建造，窄间隙自动焊技术被广泛地应用于主管道焊接作业中。该技术主要采用两种焊枪施焊：标准大焊炬和扁焊枪。

二代半核电机组主管道自动焊实施过程中，主要采用标准大焊炬进行焊接；三代核电机组主管道自动焊实施过程中，主要采用扁焊枪进行焊接。

研究两种焊枪的结构，分析两者的工程应用，有利于窄间隙自动焊工艺的精细化改进，有利于提高其工程应用的经济性和灵活性，有利于该工艺在其他领域的推广。

1 焊枪结构研究

标准大焊炬和扁焊枪反映了两种设计理念：集约化设计和模块化设计。标准大焊炬采用了集约化的设计方式，焊炬结构简单，气路较为简约；扁焊枪采用了模块化的设计方式，焊枪结构复杂，气路和冷却回路较为精细。

1.1 标准大焊炬结构研究

标准大焊炬结构如图1所示：由1-耐热壳、2-气体导流室、3-钨极、4-滤网、5-石英玻璃气罩构成。气体导流室2安装在耐热壳1上，其中穿有钨极3、通有保护气体并进行导流；为防止气流紊乱，导流后的气体通过滤网4，得到均匀的气流，由石英玻璃气罩5汇聚后对焊缝进行保护。整个焊炬结构简单，调节灵活。

标准大焊炬的气路比较简约，属直通式气路。如图2所示：保护气体依次经过耐热壳、气体导流室和滤网，最终在石英玻璃气罩中汇聚。因为体积较大，标准大焊炬不能深入坡口至焊缝表面实施近距离保护，所以气路通量较大。焊接过程中，气体流量随坡口深度增加而增大；特别在根部焊道焊接时，为得到成形良好的焊缝，气流量会达到80 L/min，耗气量很高。

1.2 扁焊枪结构研究

扁焊枪结构如图3所示，整个焊枪包括2个模块：1-枪体模块、2-气水模块。枪体模块包括：1.1-钨极、1.2-陶瓷管、1.3-枪体、1.4-滤网；气水模块包括：2.1-连接块、2.2-外壳、2.3-分配块、2.4-钨极顶丝、2.5-枪芯顶丝、2.6-枪芯。枪体模块作用是，深入坡口至焊缝表面实施焊接作业；气水模块的作用是，分流保护气体和冷却水。两个模块组合在一起，构成了整个扁焊枪。

扁焊枪流体线路设计的较为精细，如图4所示，在整个焊枪中集成了两条独立的流体线路：气路和水路。

先来分析气路：保护气体通过进气孔进入分配块，改变方向后进入枪芯，而后经连接块到达枪体。与标准大焊炬相比，扁焊枪扁平的枪体模块可以深入坡口至焊缝表面实施近距离保护，故不需要较大流量的保护气体，因此气路通量较小，耗气量很低；与此同时，考虑到沿程阻力损失对气体流通产生的不利影响，扁焊枪虽未采用直通式气路设计，但整个气路亦设计得较为简单，从而保证了气体顺畅流通。

再来分析水路：冷却水进入右侧进水孔后，兵分二路，一路经分配块左侧的出水孔进入摄像头冷却线路对摄像头进行冷却，而后经分配块左侧的进水孔进入分配块，从右侧的出水孔流出，完成一次循环；另一路先后经分配块、枪芯、连接块抵达枪体，后折返，依次经连接块、枪芯、分配块，与摄像头冷却水汇合后通过右侧出水孔流出，完成另一次循环。因为焊接过程中会产生大量的辐射热，扁焊枪如不经充分冷却极易损毁；加之摄像头在工作过程中亦产生大量热，需要及时冷却以保证其正常工作，所以扁焊枪内部精心设计了冷却循环水回路，确保二者能够及时冷却降温。

2 焊枪工程应用分析

目前，在我国核电项目主管道焊接过程中，两种焊枪均得到了应用。以中广核集团承建的核电机组为例，标准大焊炬应用于宁德、红沿河、阳江、防城港4个项目14台机组主管道焊接作业中，扁焊枪应用于台山项目2台机组主管道焊接作业中。下面从工程应用角度对二者进行分析。

2.1 焊枪便捷性分析

“工欲善其事，必先利其器”，焊枪是否便捷易用，对焊接活动能否顺利实施影响很大。

如图5所示，CPR1000核电机组主管道焊接过程中，采用了“滚花轨道+机头+标准大焊炬”的组合方式。滚花轨道安装比较简单，每45°设置一个垫块，通过垫块将轨道固定于待焊主管道之上。机头通过导向轮卡和于滚花轨道之上，通过电机带动尼龙滚轮，与滚花轨道表面产生摩擦力推动机头前进。由于结构设计得比较简单，因此安装过程较为便捷。但从施工的全过程看，存在以下一些不利因素。

（1）机头滚轮在使用一段时间后会发生磨损，导致实际行走速度与理论行走速度存在一定偏差；更换滚轮较为繁琐，会耗费一定的施工时间。

（2）长时间焊接作业轨道容易松动，故需定期测量轨道安装定位尺寸；若发现轨道松动离开原安装位置，需暂停焊接，校正轨道，待其复位后方可继续施焊。

与CPR1000核电机组不同，EPR核电机组主管道焊接过程中，采用了“齿轮轨道+机头+扁焊枪”的组合方式，如图6所示。该轨道安装比较复杂，需精确调整轨道与管道的同轴度、轨道端面与坡口边缘距离等几何尺寸。轨道安装完成后，机头通过导向轮卡和于轨道之上，通过电机带动机头齿轮，与轨道齿轮啮合传动推动机头前进。虽然结构设计得比较复杂，安装亦较为繁琐，但从施工的全过程看，却存在以下优势。

（1）齿轮传动不易发生磨损，且传动精确，实际行走速度与理论行走速度偏差较小，行走准确度较高。

（2）轨道安装完成后，由于定位可靠，安装牢固，长时间焊接作业轨道不易松动，校正轨道几率很低，有利于焊接作业连续进行。

2.2 焊接经济型分析

主管道窄间隙自动焊工艺性能稳定，焊缝质量优异。但该工艺在焊接过程中会消耗大量昂贵的保护气体。以红沿河2#机组为例，24个主管道焊口共消耗氦-氩混合气体149组。氦-氩混合气体中，氦气价格十分昂贵，因此，每台机组主管道焊接作业仅气体一项就要花费数百万的费用。高昂的费用，极大地限制了窄间隙自动焊技术的推广。

分析焊接的各个环节，不难发现气体巨大的消耗量是由标准大焊炬自身结构造成的。标准大焊炬由于体积较大，不能深入坡口至焊缝表面实施焊接保护。焊接过程中，为了得到优质的焊缝，唯一的方法便是加大保护气体流量。保护气体流量并不是恒定的，随焊缝深度增加而增大，特别是在根部焊道焊接时，气流量会达到80 L/min，加之标准大焊炬粗犷的气路设计，氦-氩混合气体消耗量非常大。

与标准大焊炬不同，扁焊枪扁平的枪体模块可以深入坡口至焊缝表面实施近距离保护，因此保护气体的消耗量大为降低。图7反映了标准大焊炬和扁焊枪在焊接过程中气体的消耗量，从中不难发现：扁焊枪通过结构上的优化，气体消耗量大幅度降低；另一方面，因为扁焊枪与焊缝表面距离较为固定，所以焊接过程中气体流量基本不便，便于实现量化控制。

从台山项目EPR核电机组主管道焊接情况来看，采用扁焊枪后，每台机组主管道自动焊氦-氩气体消耗量仅为CPR1000核电机组的1/3，极大程度降低了焊接成本。

3 结语

通过对标准大焊炬和扁焊枪的结构研究、工程应用分析，我们认为，二者均具备可靠的性能。扁焊枪精巧的结构设计，使其具有焊接保护气体消耗量低、受外界环境影响小的突出优势，故以EPR为代表的三代核电技术多采用扁焊枪焊接主管道，推广潜力较大。

参考文献

[1] 张鄂.现代设计理论与方法[M].北京：科学出版社，2007.

[2] 法国核岛设备设计、建造及在役检查规则协会编.RCC-M压水堆核岛机械设备设计和建造规则（2000版+2002补遗[S].中科华核电技术研究院有限公司，译.上海：上海科学技术文献出版社，2010.

[3] 谭文良，马力川，康泽坛，等.自动焊技术在核电站主回路波动管安装中的应用[J].科技创新导报，2015（21）：127-129.