螺柱焊在AP1000模块预制中的参数与质量控制研究

刘伟

1. 概述

我国第三代核电AP1000技术采取标准化预制、模块化施工的制作方式，其中结构模块主要作为结构墙体、结构楼板、楼梯以及其他辅助结构，使核岛及辅助厂房内部形成不同的独立区域及相应的结构体，这其中广泛使用了螺柱焊接的方式。螺柱焊在第三代核电模块预制过程中大量应用，为模块化制造及缩短预制周期等提供了保障。

螺柱焊是采用专用的焊接设备，通过在螺柱与母材间引燃电弧，当螺柱与母材被电弧加热到合适温度时，专用焊枪机构会自动地施加外力，将螺柱压入母材的熔池中，使二者达到原子间结合，形成永久焊接接头的一种连接方式。

2. 螺柱焊控制要点

（1）人员因素 所有从事螺柱焊接的操作人员均应进行相应程序、焊机操作培训，并应考取可覆盖该项工作的相应资格证书，才能胜任螺柱焊接工作。

（2）材料因素 主要由螺柱和工件母材两方面决定，所需材料均应按照相关程序进行接收，且验收合格。

螺柱：对螺柱的选择主要是外形尺寸和材质两方面。螺柱本身的碳含量，直接决定了焊后焊缝金属存在的相态力学性能。

焊接螺柱前端铆有Al制引弧结，该引弧结的完好性是实现焊接过程的前提。由于Al的熔点较低，容易引起电弧，保证焊接过程的实现，加上Al是氧化剂，可以减小空气中O2和N2对接头的影响，改善焊缝质量，同时铝与氧的亲和力较强，在焊接过程中能参与熔池化学反应，反应后形成第二相氧化物粒子，这些细小的氧化物粒子均匀弥散地分布在焊缝金属中，起到细化晶粒的作用，进而有利于提高焊缝质量。

工件外形及表面状态：焊接工件的外部形状对焊接质量具有较大影响，在非对称或者不规则工件上进行电弧螺柱焊，若不采取相应的防护措施，有可能发生磁偏吹现象。磁偏吹表现为螺柱与工件间的电弧不稳定，导致螺柱与工件结合处金属熔化不规则，结合面面积小于螺柱面积，从而影响焊接质量。工件的表面状态包括油污、铁锈、油漆、水分及氧化皮等。其中，水分对焊接质量影响最大，易产生大量蜂窝状气孔及飞溅。

（3）设备因素 电弧螺柱焊焊接时间短、自动化程度高，焊接质量在一定程度上更依赖于焊接设备的性能，作为焊接能量的提供者，焊接电源的性能在很大程度上影响着焊接过程的顺利实现和焊接质量的优劣，因而焊接设备的使用状况对焊接质量起着不可忽视的作用。

同时，螺柱焊枪是焊接过程的执行机构，起着实现焊接过程的作用。焊接过程中螺柱的提起、送进运动的实现主要是由线圈的通断电和弹簧的压缩、释放来完成。涉及螺柱运动的焊枪行为参数主要有螺柱提升高度和螺柱插入深度。

螺柱提升高度：螺柱提升高度决定了焊接过程的电弧长度，也就决定了电弧电压的大小。根据待焊螺柱的直径选择合适的提升高度。提升高度太小，容易出现短路现象，电弧燃烧不稳定甚至造成“缩颈”现象；提升高度过大时，焊接热输入增大，但是长的电弧容易产生磁偏吹，从而影响焊接质量。所以在保证电弧稳定燃烧的情况下，提升高度可以采取保守的选择。

螺柱插入深度：螺柱插入深度和送进速度直接关系到焊接接头的成形情况，决定了结合面处的轮廓，从而对接头质量产生影响。插入深度不足容易产生螺柱与工件接头处结合不紧密，强度不高的现象；插入深度过大又会使过多熔池金属挤压出来。理想的插入深度应该是保持螺柱与工件间有一层熔化金属存在。

（4）工艺因素 焊接过程控制主要是对焊接电弧参数的控制，其中，电弧电压、焊接电流和焊接时间是拉弧式电弧螺柱焊的主要焊接参数。电弧电压主要决定于焊接电弧的长度，一定弧长的情况下，电弧电压变化不会很大。焊接电流使得金属熔化和蒸发，电流大小的变化决定了熔化金属量；而焊接时间同样对金属熔化量起着决定作用，合适的焊接时间保证工件表面污染物烧损或气化。

3. 焊接过程控制要点

（1）焊前控制 母材检查：螺柱不得有锈、氧化皮、油漆、涂层及潮气等影响焊接质量的物质。在焊接前，螺柱表面应使用丙酮或酒精进行清洁，应清除制作余渣。螺柱焊接前，应按照生产商的要求对螺柱几何形状进行检查，包括对焊剂小球的检查，以确保焊剂小球没有丢失或损坏。

待焊区域及邻近焊缝表面不得有氧化皮、锈、潮气、油漆和其他有害物质，以得到满意的焊缝和避免难闻的烟气。这些部位可以用钢丝刷、打磨机或丙酮等进行清理，清理范围需要大出瓷环外径5mm以上。

陶瓷环需要保证干燥，若陶瓷环受潮，则应在120℃烘干2h，或按照厂家推荐的烘干要求进行烘干。

设备检查：在产品螺柱焊接前，QC人员和焊工班长应根据相关的文件要求对所用螺柱焊机和焊枪的参数进行检查，检查无误后，螺柱焊焊接操作工在焊接产品螺柱的过程中不得随意改变参数。当由于焊接位置、螺柱尺寸及材料种类等的改变而需要改变焊接参数时，应通知QC人员对所调整的焊接参数重新进行检查，确认符合相应要求后，才可进行焊接。

应按照螺柱焊机相应的操作规程进行设备的操作，并对其进行定期维护。

根据焊接方法中使用的能量，接地电缆应满足制造方有关尺寸和长度的要求，并且确保电缆状况良好，在该电缆长度内没有破损。

每天应核实焊枪提升高度和插入深度。

生产前试验：对于每一名螺柱焊焊接操作工，在每一班开始焊接产品螺柱前，应进行生产前螺柱焊试验。当螺柱焊枪、电源、焊接电缆总长度、螺柱直径、焊接位置以及焊接参数变化时，应重新进行生产前螺柱焊试验。

生产前试验应在非正式产品母材上进行，选用的试件材质应与所对应的产品母材材质相同，并且试件厚度的改变不得超过产品母材厚度的±25%。焊接位置及焊接参数应与产品焊接参数相同。

每次试验应至少连续焊接两个螺柱，螺柱必须有360°飞边且没有进入螺柱焊接端的咬边现象。除对试验螺柱进行目视检查外，焊接螺柱冷却后必须进行弯曲试验，使用锤子或管子将螺柱从原始轴线弯曲至约30°。温度＜10℃时，应对螺柱连续缓慢加载，直到弯曲至约30°。

若目视检查发现试验螺柱没有360°飞边，或者试验中任一螺柱断裂在焊缝区域，则应调整工艺参数在试板上再连续焊接两个螺柱，并进行目视及弯曲检测。若任一螺柱仍然不合格，则必须继续在试板上补加螺柱焊试验，直至连续有两个螺柱试验合格为止，才能在产品上进行焊接。

做好每次生产前试验的记录，必须使用数据获取系统，并记录保存相关过程数据。

（2）焊中控制 监督螺柱焊操作工必须严格执行相应的焊接工艺规程（WPS）等文件的要求。

每名螺柱焊操作工在开始焊接正式产品时，应对其开始焊接的前10个螺柱进行目视检查。如果其中有1个不合格，则应对其后续的10个螺柱全部进行目视检查，对不合格的螺柱进行返修。若在初始的10个螺柱中发现有1个以上的螺柱不合格，则表明这名螺柱操作工技能存在问题，要撤换该名操作工，并对其进行重新培训。

若同一部件上的螺柱返修率超过10%，生产部门应将返修比例报送给质量和技术部门，共同对焊接设备进行评估、检查。

一旦开始产品的螺柱焊焊接，任何焊接参数的改变必须重新进行生产前试验，试验合格后方可恢复生产活动。

决定螺柱焊质量最关键的因素是焊接过程中对热输入的控制，而焊接参数是焊接能量控制的核心。某公司采用了世界上先进的焊接软件控制系统，不仅可以实现对每一颗螺柱进行能量参数记录，且可通过计算热输入的高低，为判定螺柱焊接质量是否合格提供依据。

（3）检测方法 不锈钢螺柱焊缝熔化值测量：对于螺柱焊接过程，螺柱长度的减小或焊接中发生的熔化值是焊缝质量的可靠指标，并用作焊接工艺控制指标。在螺柱焊接过程中，必须熔化一定数量的螺柱长度以获得较好质量的焊缝，并形成焊缝金属环或者焊接的螺柱底部周围的飞边。熔化值测量的测量分为实际测量法和过-不过测量法两种。

在一张钢板随机选择大约15%的螺柱进行熔化值的检查。如果＞5%的螺柱的熔化值小于规定值，则应对100%的螺柱进行检查。

目视及其他检测手段：生产过程中，如何科学合理地评判焊接质量，将直接决定后序生产时工艺参数设定及产品质量。在实际生产过程中，使用多种科学检测手段，可最大程度、最大范围内对螺柱焊接质量进行有效评估。

常态目测法：在评判螺柱焊的质量时，均按照美国焊接协会AWS 标准相关规定进行。首先进行外观检测，要求螺柱的整个360°均必须有飞边且没有接端咬边现象。若发现任一螺柱没有完整的360°飞边或曾进行过焊接修补，则必须对其进行偏离约15°的弯曲试验，对于飞边不足360°的螺柱，必须向无飞边的反方向进行弯曲。

百颗定检法：每焊接完成100颗螺柱后，应停止焊接，并对已焊接完成的100颗螺柱中最后1颗螺柱进行弯曲试验，弯曲角度至少为15°，弯曲合格后，方可进行后续螺柱的焊接。若被弯曲的螺柱不合格，则应按照螺柱的焊接顺序依次向前对两个螺柱进行弯曲试验。

随机抽查法：当软件提示所焊接的当前螺柱不符合设定的焊接参数时，应立即停止焊接，并寻找原因，确定设备及参数设置无误时，重新开始焊接，并对显示不符合的螺柱进行15°弯曲试验。当QC人员对当前所焊接的螺柱产生怀疑时，可选取适当的数量补加螺柱弯曲试验。

追加抽查法：当在母材表面温度低于10℃的情况进行产品焊接时，应在每100颗螺柱中抽检1颗追加螺柱进行弯曲试验，弯曲角度为30°。对于需要抽检的螺柱若抽检不合格，则应成倍增加抽检比例，直到抽检的螺柱全部合格为止，对不合格的螺柱进行返修。

（4）设备保养 应建立焊接设备的日常维护计划，以保证焊接设备控制焊接参数的部件得到维护检查。同时，螺柱操作工根据“三好”（管好、用好、维护好），“四会”（会使用、会保养、会检查、会排除简单故障）的要求，做好日常维护工作。

对正在使用的螺柱焊接设备，一级保养在每班工作中或工作后，以操作人员为主，动力保障人员为辅；二级保养每半年进行一次，以动力保障人员为主，操作人员为辅。

焊机设备维修人员应对每一台螺柱焊机建立一份螺柱焊机维护台帐，台帐中包括被维修的螺柱焊机设备型号及编号、维修开始及结束时间、故障现象、更换的零部件、维修结果是否合格等内容。焊枪在焊接一万枚左右螺柱后进行定期检修一次。

4. 结语

通过对螺柱焊接工艺进行评估，采用先进的焊接设备，对操作人员进行多次交底培训，有效提高了螺柱焊接控制过程的有效性和针对性，并通过软件实现对焊接参数的自动记录，完善了螺柱焊接质量控制体系的完整性，保证每颗螺柱焊接过程的可追溯性。

在车间螺柱焊接的质量影响因素主要包括材料因素、焊接能量参数、焊枪行为参数、焊接过程不确定因素等若干方面。

为保证螺柱焊接的可靠与高效，在提高焊接产品质量方面车间采取如下控制要点：

（1）在选用焊接材料时，优先选用符合AWS标准的螺柱和陶瓷环，将是获得良好焊接质量的前提。

（2）材料因素中的螺柱及焊接工件的外形及表面状态是影响焊接质量的重要因素，焊接设备所提供的焊接热输入和焊枪行为对接头质量影响最大。

（3）采用科学的检测手段将是辅助保证产品质量的重要方法。

（4）螺柱操作工必须是经过专业培训并取得相应资质的人员。

（5）施焊记录资料的完整性，将为产品质量信息做到有效追踪。

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