CN103769727A - 核电站钢制安全壳自动焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种核电站钢制安全壳自动焊接方法，属于核电站建造技术领域。该方法采用匹配实芯焊丝和特定工艺参数的熔化极活性气体保护电弧焊；垂向焊缝采用摆动焊，水平环缝采用直线焊。本发明的方法能提高核电站钢制安全壳焊缝的内在与外观质量并确保其稳定性，大大提升了钢制安全壳厚板焊接的效率，焊接工期明显缩短。

Description

核电站钢制安全壳自动焊接方法
技术领域
本发明涉及一种焊接方法，尤其是一种核电站钢制安全壳自动焊接方法，属于核电站建造技术领域。
背景技术
核电站钢制安全壳（CV）作为非能动系统的重要组成部分，在事故工况下能有效阻止安全壳内部压力超出设计值和防止放射性物质外泄，是保证核电安全运行的重要设备之一。AP1000三代核电站钢制安全壳是一个密封性钢容器,包括底封头、筒体及顶封头三部分，均由40mm～50mm厚低合金高强韧SA738Gr.B钢板拼焊而成，焊缝总长约为3400m，坡口截面大，相比CPR1000、EPR等堆型核电站，焊接工作量至少增加了8倍。
核电建造对CV所有焊缝的质量要求非常严格，焊接接头的致密性、强韧性、焊接变形量等是必须控制和保证的质量指标。特别是，为防止40mm～50mm厚低合金高强韧SA738Gr.B钢板的焊接裂纹，消除焊后存在的残余应力确保焊接接头综合机械性能，CV所有焊缝均需采取严格、精确的热处理工艺，主要包括焊前预热、焊后消应力热处理等。
目前我国所有AP1000核电机组的建造中，CV焊缝的焊接均采用手工电弧焊（SMAW），热处理工作通常采用火焰烘烤法或简易支撑电加热法，存在以下问题：
1.SMAW工艺的电流、电压、焊接速度等能量参数波动性大，未熔合、夹渣、气孔等缺陷产生的几率较大，同时容易导致局部焊接变形超标，焊接质量的稳定性和一致性较差。
2.采用SMAW工艺需频繁更换焊条，焊接过程规律性中断，且清渣、打磨工作量大，焊接效率大打折扣，焊接工期难以得到确实保证。
3.火焰烘烤法为循环性局部集中加热，在散热面积大的客观条件下，采用此方法进行焊缝的热处理无法实现焊缝长度、厚度方向热处理温度的均匀分布和恒定化，热处理质量得不到保证，且烘烤到规定温度需要的时间长，消耗的可燃气体多。
4.简易支撑电加热法为重复性在焊缝上支撑固定加热块和在加热块上铺设保温棉，加热块与焊缝、保温棉与加热块不能紧密贴合，热传导和保温效果差，热处理质量存在较大风险，施工效率低。申请人曾经申请的201110351452.0、201210368249.9、201310304367.8、201310162438.5虽从不同角度对核电站建设中的焊接进行了改进，但均不能直接用于解决CV焊接的上述问题。
发明内容
本发明的首要目的在于：针对上述现有焊接存在的问题，通过工艺改进，提出一种可以使焊接质量得到保证的核电站钢制安全壳安装自动焊接方法。
本发明的进一步目的在于：针对上述现有热处理存在的问题，通过制作专用辅助装置，确保热处理效果，从而进一步保证核电站钢制安全壳安装自动焊接质量。
为了达到以上首要目的，本发明的核电站钢制安全壳安装自动焊接方法为：采用匹配实芯焊丝和预定工艺参数的熔化极活性气体保护电弧焊；
所述活性气体为体积80±5%氩气和20±5%二氧化碳混合气体，输出流量为15～40L/min；
所述实芯焊丝为材质与安全壳材质匹配的直径1.2±0.1mm盘装焊丝；
所述特定工艺参数为，焊接电流为频率90-170Hz的脉冲电流，
垂向焊缝采用摆动焊，焊接电源的平均电流为100A～150A，焊接电压为19V～22V，焊接行进速度为7～15cm/min，焊丝的伸出长度为10～15mm，焊丝在焊缝两侧的滞留时间为0.3s～0.9s，焊丝从焊缝一侧摆动至另一侧的速度为13～26mm/s，焊丝从焊缝一侧摆动至另一侧的宽度为5～20mm；
水平环缝采用直线焊，焊接电源的平均电流为140A～190A，焊接电压为20V～23V，焊接行进速度为15～35cm/min，焊丝的伸出长度为10～15mm。
理论和实践证明，采用本发明后，与现有SMAW工艺相比，具有以下优点：
1）脉冲电流降低了焊接热输入，焊接变形小，焊接接头具有更好的低温冲击韧性，同时增加了电弧对母材的熔透能力，有效抑制了未熔合和未焊透缺陷的产生；
2）科学确定垂向和水平焊缝的焊接方式、速度等参数，使焊接过程稳定、连续，局部焊接变形得到有效控制；
3）合理频率的脉冲电流、适当比例的混合气以及合适参数的实心焊丝相结合，实现了熔滴的喷射过渡，同时使焊接熔池冶金反应相对简单，焊接飞溅和气孔、夹渣产生几率大大减少，保证了焊缝的均匀美观。
因此采用本发明后能够有效提高焊接质量，并使整体焊接的质量更加稳定。
为了达到进一步的目的，还包括以下步骤：
——制作核电站钢制安全壳热处理专用辅助装置,
该装置主要由主体骨架（Z-1）、加热保温器（Z-2）、行走机构（Z-3）、温度传感器件（Z-4）、自动温控仪（Z-5）组成；
所述主体骨架（Z-1）主要由顶端带连接板（1-10）的至少两根立柱（1-11、1-12）、上下间隔固定在两根立柱之间的横梁（1-21、1-22、1-23、1-24）构成；
所述加热保温器（Z-2）主要由电加热器件（2-R）和保温棉（2-W）构成；所述保温棉（2-W）的一面具有凹槽，所述电加热器件（2-R）安置于凹槽内紧密贴合，用金属丝网（2-S）裹覆成整体；
所述行走机构（Z-3）由连接面板（3-1）、从连接面板下表面朝下延伸的两对行走限位板（3-2）、安装于相对的行走限位板上部之间的传力轴（3-4），以及套在传力轴上的行走滚轮（3-3）构成；
所述行走机构（Z-3）的连接面板（3-1）下表面两侧分别固定一主体骨架（Z-1），所述主体骨架的相对表面分别安装一加热保温器（Z-2）；
所述温度传感器件（Z-4）的信号输出端接自动控温仪（Z-5）的对应端口，所述自动控温仪的控制输出端接电加热器件，用以根据温度传感器件输入温度值与预设温控值的比较结果控制电加热器件的通断；
——垂向焊缝自动焊接前
将所述专用辅助装置行走机构的行走滚轮支撑在安全壳壁板的上沿，使分别固定有加热保温器的两主体骨架分别位于安全壳壁板内外表面；
将温度传感器安置在待热处理的垂向焊缝处；
沿环形的安全壳壁板上沿移动行走机构，使安全壳壁板两面的加热保温器处于夹持待热处理垂向焊缝的位置；
将自动温控仪设定预热温度100～200℃，加热速率为200±20℃/小时，接通电加热器件，在自动温控仪的闭环控制下，对垂向焊缝进行预热处理；
移开待焊面背面的专用辅助装置，进行垂向焊缝的自动焊接；
——垂向焊缝自动焊接之后
将温度传感器安置在待热处理的垂向焊缝处；
沿环形的安全壳壁板上沿移动行走机构，使安全壳壁板两面的加热保温器处于夹持待热处理垂向焊缝的位置；
将自动温控仪设定保温温度为595～615℃，保温时间为2±0.1小时，且在425℃以上时，56℃/小时≤温度变化速率（加热或冷却速率）≤110℃/小时，接通电加热器件，在自动温控仪的闭环控制下，对垂向焊缝进行消应力热处理。
之后将专用辅助装置移至下一垂向焊缝，按上述同样过程完成自动焊接，之后以此类推，直至完成核电站钢制安全壳所有焊缝的焊接。由于采用专用辅助装置，既克服了火焰烘烤法散热面积大、无法实现焊缝各向热处理温度均匀恒定的缺点，又解决了简易支撑电加热法为热传导和保温效果差的，从而通过保证焊缝的热处理效果进一步有效保证了焊接质量。
本发明进一步的完善是，所述主体骨架的相对表面分别安装一加热保温器（Z-2），并在主体骨架与热保温器之间安插活动传力板（B-1、B-2、B-3）；所述两根立柱（1-11、1-12）之间设有与横梁（1-21、1-22、1-23、1-24）固定连接的垂向加劲管（1-31、1-32、1-33）,所述加劲管上间隔分布有内端顶住活动传力板的压紧螺杆（G）;在使安全壳壁板两面的加热保温器处于夹持待热处理垂向焊缝的位置后，在垂向焊缝两侧分别固定勾住主体骨架横梁两端的卡具，拧紧压紧螺杆，通过顶紧活动传力钢板使加热保温器与安全壳壁板更紧密贴合。
这样，使保温棉、电发热器件、焊缝间紧密贴合，通过确保热处理质量和效率，显著提高自动焊接质量，缩短焊接工期。
实践证明，本发明的方法能提高核电站钢制安全壳焊缝的内在与外观质量并确保其稳定性，大大提升了钢制安全壳厚板焊接的效率，焊接工期明显缩短。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为核电站钢制安全壳整体结构示意图。
图2为本发明一个实施例的专用辅助装置结构示意图。
图3为图2实施例中的主体骨架立体结构示意图。
图4为图2实施例中的凹形卡具与楔形装置立体结构示意图。
图5为图2实施例中的加热保温器结构示意图。
图6为图2实施例中的活动传力钢板位置结构示意图。
图6-1为图6的B-B剖面结构示意图。
图7为图2实施例中的行走机构立体结构示意图。
图7-1为图7的侧视图。
图8为图2实施例中的热电偶工作端固定压块结构示意图。
图8-1为图8的侧视图。
图9为核电站钢制安全壳焊接结构示意图。
图9-1为图2实施例的使用状态结构示意图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的优选实施例。
如图1所示，本实施例的核电站钢制安全壳（CV）包括球缺形底封头、圆筒型筒体和球缺形顶封头三部分，直径为39.6m。其中，底封头和顶封头均由共64块双曲面高强韧SA738Gr.B钢板拼焊而成。筒体由11圈壁板构成，每圈由12块单曲面高强韧SA738Gr.B钢板拼焊而成。焊缝包括垂向焊缝（又称纵缝）和水平环缝（又称环向焊缝）。
焊接采用匹配实芯焊丝和预定工艺参数的熔化极活性气体保护电弧焊；活性气体由体积80%的氩气和20%的二氧化碳混合而成，输出时的流量控制在15～40L/min，最好25-30L/min；实芯焊丝为材质与安全壳材质匹配的直径1.2mm盘装焊丝；预定工艺参数如下：
焊接电流为频率在90-170Hz范围内选定为120Hz的脉冲电流。
对于垂向焊缝，采用摆动焊，焊接电源的平均电流在100A～150A范围选定120A，焊接电压在19V～22V范围选定20V，焊接行进速度在7～15cm/min范围选定10cm/min，焊丝的伸出长度在10～15mm范围选定12mm，焊丝在焊缝两侧的滞留时间在0.3s～0.9s范围选定0.6s，焊丝从焊缝一侧摆动至另一侧的速度在13～26mm/s范围选定20mm/s，焊丝从焊缝一侧摆动至另一侧的宽度在5～20mm范围选定12mm；
对于水平环缝，采用直线焊，焊接电源的平均电流在140A～190A范围选定160A，焊接电压在20V～23V范围选定22V，焊接行进速度在15～35cm/min范围选定25cm/min，焊丝的伸出长度在10～15mm范围选定12mm。
以上各参数的范围均经过试验验证，切实可行，选定值为优选参数。
为了确保焊接质量，焊缝中摆动焊形成的垂向焊缝焊前必须进行预热处理，缝焊后需进行消应力热处理。
为此，本实施例还制作了图2所示的核电站钢制安全壳热处理专用辅助装置，该装置包括主体骨架Z-1、加热保温器Z-2、行走机构Z-3、热电偶Z-4、自动温控仪Z-5。温度传感器件采用热电偶Z-4，其信号输出端接自动控温仪Z-5（型号WCK-240，吴江市东南焊割设备有限公司制造）的对应端口，自动控温仪Z-5的控制输出端接电加热器件，按预设的参数对热处理过程进行控制与调整，用以根据温度传感器件输入温度值与预设温控值的比较结果控制电加热器件的通断。
主体骨架Z-1具体结构如图3所示，主体骨架Z-1的左、右边界为顶端带连接板1-10的两根对称分布的角形立柱1-11、1-12，其外表面沿长度方向上、下等间距焊接固定有四根等长度方管横梁1-21、1-22、1-23、1-24。
两根立柱1-11、1-12之间设有与横梁1-21、1-22、1-23、1-24焊接固连的第一、二、三列垂向加劲方管1-31、1-32、1-33；第二列加劲方管1-32焊于横梁的中点，其余二列1-31、1-33以第二列1-32为对称中心对称分布，所有加劲方管均间隔分布有内端顶住活动传力板（参见图6）的压紧螺杆G。
为了便于安置，本实施例制作了一组图4所示的开口朝上的凹形卡具K，使用时焊接固定在垂向焊缝两侧，以便分别勾住各横梁的两端，并借助楔形块X楔紧。
加热保温器Z-2如图5所示，包括作为电加热器件的电发热块2-R（履带式陶瓷电发热块，正大电器有限公司制造）和保温棉2-W，保温棉2-W的一面为凹槽状，厚度留有压缩余量，其凹槽宽度和深度与电发热块2-R相配，电发热块2-R恰好置容于保温棉2-W的凹槽内，紧密贴合后，用不锈钢丝网2-S裹覆成整体。
如图6和图6-1所示，主体骨架Z-1的三列加劲方管与加热保温器的接触面分别设有三块被压紧螺杆G顶住的活动传力钢板B-1、B-2、B-3。
行走机构Z-3如图7和图7-1所示，包括连接面板3-1、两对从连接面板下表面朝下延伸的行走限位板3-2、行走滚轮3-3、传力轴3-4，传力轴3-4安装于相对的行走限位板上部之间，行走滚轮3-3套在传力轴上。该行走机构Z-3的连接面板3-1下表面两侧分别固定一主体骨架Z-1，主体骨架的相对表面分别安装一加热保温器Z-2。
为了方便热电偶的安置，本实施例制作了图8和图8-1所示的开槽固定压块4-10，使用时将其焊接在垂向焊缝一侧，将热电偶Z-4的工作端插入其中即可。
本实施例的核电站钢制安全壳焊接结构如图9所示，先焊接最下方第N圈板的所有垂向焊缝，再焊接第N+1圈板的所有垂向焊缝ZF-1——ZF-12，之后进行两圈之间环缝HF的焊接。进行垂向焊缝焊接前、后，分别需要对焊缝进行预热处理和去应力热处理。热处理的过程如下（参见图9-1）：
1）将热处理装置行走机构Z-3的行走滚轮3-3支撑在安全壳壁板Z的上沿，使分别固定有加热保温器Z-2的两主体骨架Z-1分别位于安全壳壁板Z内外表面；
2）将三块开槽的固定压块4-10上下间隔焊接在垂向焊缝ZF-1一侧的上、中、下三处，分别将三根热电偶Z-4的工作端分别安插在各固定压块4-10的槽中；
3）沿环形的安全壳壁板Z上沿移动行走机构Z-3，使安全壳壁板Z两面的加热保温器Z-2处于夹持待热处理垂向焊缝ZF-1的位置；在此垂向焊缝两侧分别焊接固定勾住主体骨架Z-1各横梁两端的开口朝上凹形卡具K，并借助楔形块X楔紧各横梁；再拧紧压紧所有螺杆G，通过顶紧各活动传力钢板使加热保温器Z-2与安全壳壁板紧密贴合；
4）操控自动温控仪Z-5，接通加热保温器Z-2电发热块，在自动温控仪的闭环控制下，将垂向焊缝加热至预定温度。
对于焊接之前的预热处理而言，设定自动温控仪的预热温度为100～200℃，加热速率为200±20℃/小时；对于焊接之后的消应力热处理而言，设定自动温控仪的保温温度为595～615℃，保温时间为2±0.1小时；在425℃以上时，56℃/小时≤温度变化速率（加热或冷却速率）≤110℃/小时。
之后，松开楔形块X，沿环形的钢制安全壳壁板圆周方向借助行走滚轮将热处理装置移动至其他焊缝，参照以上步骤依次进行焊缝ZF-2、ZF-3、ZF-4……ZF-12的热处理。
归纳起来，采用本实施后，相对于现有的SMAW焊接工艺及火焰烘烤法或简易支撑电加热处理法具有以下显著优点：
1.焊接能量参数稳定且操控容易，避免了人为因素对焊接质量的影响，提高了焊缝内在和外观质量，并确保了其稳定性。
2.可实现焊缝的连续焊接，减小了SMAW工艺多次停弧造成的局部焊接变形，大大提升了焊接效率，焊接工期明显缩短。
3.强化热传导和保温效果，保证整条焊缝长度、宽度、厚度方向的温度均匀与恒定，热处理质量能得到有效提高；
4.专用辅助装置结构简单，安装方便，可沿圆周方向快速移动至任意待热处理焊缝，热处理施工工效大大提高，核电站钢制安全壳的建造周期也相对缩短。

Claims (5)

1.一种核电站钢制安全壳自动焊接方法，其特征在于采用匹配实芯焊丝和预定工艺参数的熔化极活性气体保护电弧焊；
所述活性气体为体积80±5%氩气和20±5%二氧化碳混合气体，输出流量为15～40L/min；
所述实芯焊丝为材质与安全壳材质匹配的直径1.2±0.1mm盘装焊丝；
所述预定工艺参数为，焊接电流为频率90-170Hz的脉冲电流，
垂向焊缝采用摆动焊，焊接电源的平均电流为100A～150A，焊接电压为19V～22V，焊接行进速度为7～15cm/min，焊丝的伸出长度为10～15mm，焊丝在焊缝两侧的滞留时间为0.3s～0.9s，焊丝从焊缝一侧摆动至另一侧的速度为13～26mm/s，焊丝从焊缝一侧摆动至另一侧的宽度为5～20mm；
水平环缝采用直线焊，焊接电源的平均电流为140A～190A，焊接电压为20V～23V，焊接行进速度为15～35cm/min，焊丝的伸出长度为10～15mm。
2.根据权利要求1所述的核电站钢制安全壳自动焊接方法，其特征在于还包括以下步骤：
——制作核电站钢制安全壳热处理专用辅助装置
该装置主要由主体骨架（Z-1）、加热保温器（Z-2）、行走机构（Z-3）、温度传感器件（Z-4）、自动温控仪（Z-5）组成；
所述主体骨架（Z-1）主要由顶端带连接板（1-10）的至少两根立柱（1-11、1-12）、上下间隔固定在两根立柱之间的横梁（1-21、1-22、1-23、1-24）构成；
所述加热保温器（Z-2）主要由电加热器件（2-R）和保温棉（2-W）构成；所述保温棉（2-W）的一面具有凹槽，所述电加热器件（2-R）安置于凹槽内紧密贴合，用金属丝网（2-S）裹覆成整体；
所述行走机构（Z-3）由连接面板（3-1）、从连接面板下表面朝下延伸的两对行走限位板（3-2）、安装于相对的行走限位板上部之间的传力轴（3-4），以及套在传力轴上的行走滚轮（3-3）构成；
所述行走机构（Z-3）的连接面板（3-1）下表面两侧分别固定一主体骨架（Z-1），所述主体骨架的相对表面分别安装一加热保温器（Z-2）；
所述温度传感器件（Z-4）的信号输出端接自动控温仪（Z-5）的对应端口，所述自动控温仪的控制输出端接电加热器件，用以根据温度传感器件输入温度值与预设温控值的比较结果控制电加热器件的通断；
——垂向焊缝自动焊接前
将所述专用辅助装置行走机构的行走滚轮支撑在安全壳壁板的上沿，使分别固定有加热保温器的两主体骨架分别位于安全壳壁板内外表面；
将温度传感器安置在待热处理的垂向焊缝处；
沿环形的安全壳壁板上沿移动行走机构，使安全壳壁板两面的加热保温器处于夹持待热处理垂向焊缝的位置；
接通电加热器件，在自动温控仪的闭环控制下，对垂向焊缝进行预热处理；
移开待焊面背面的专用辅助装置，进行垂向焊缝的自动焊接；
——垂向焊缝自动焊接之后
将温度传感器安置在待热处理的垂向焊缝处；
沿环形的安全壳壁板上沿移动行走机构，使安全壳壁板两面的加热保温器处于夹持待热处理垂向焊缝的位置；
在自动温控仪的闭环控制下，对垂向焊缝进行消应力热处理。
3.根据权利要求2所述的核电站钢制安全壳自动焊接方法，其特征在于：所述主体骨架的相对表面分别安装一加热保温器（Z-2），并在主体骨架与热保温器之间安插活动传力板（B-1、B-2、B-3）；所述两根立柱（1-11、1-12）之间设有与横梁（1-21、1-22、1-23、1-24）固定连接的垂向加劲管（1-31、1-32、1-33）,所述加劲管上间隔分布有内端顶住活动传力板的压紧螺杆（G）;在使安全壳壁板两面的加热保温器处于夹持待热处理垂向焊缝的位置后，在垂向焊缝两侧分别固定勾住主体骨架横梁两端的卡具，拧紧压紧螺杆，通过顶紧活动传力钢板使加热保温器与安全壳壁板更紧密贴合。
4.根据权利要求3所述的核电站钢制安全壳自动焊接方法，其特征在于：所述自动焊接之前的预热处理温度为100～200℃，加热速率为200±20℃/小时。
5.根据权利要求4所述的核电站钢制安全壳自动焊接方法，其特征在于：所述自动焊接之后的消应力热处理保温温度为595～615℃，保温时间为2±0.1小时，且在425℃以上时，56℃/小时≤温度变化速率≤110℃/小时。
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