AP1000 核电项目带自动跟踪系统的剪力钉自动焊的工艺开发

AP1000 核电项目带自动跟踪系统的剪力钉自动焊的工艺开发

龚雪群

宁波华业钢结构有限公司 浙江宁波　 315200

摘 要：结合美国不锈钢焊接规范AWS1.6和AP1000核电项目剪力钉焊接规范的学习和了解，开发出带自动跟踪系统的不锈钢剪力钉的自动焊工艺，运用自动跟踪系统和采用每天焊前评定制度保证高合格率，在提高工作效率的同时，有效保证焊接质量，为后续的核电项目提供技术支持。

关键词：剪力钉 自动跟踪系统 焊前评定制度

AP1000 Nuclear Power shear Stud Welding with Auto Trace Sysetem Process Development

Gongxuequn

（NingBo HuaYe Steel Structure CO.,LTD　Ningbo of Zhengjiang Prov.315200,China）

Abstract：Through the learning and understanding of the shear stud weld specification by combined American Stainless Steel Weld Specification AWS 1.6 and AP1000 nuclear power project, automatic welding progress of stainless steel shear stud with automatic tracking system has been developed. Using the automatic tracking system and everyday pre-welding assessment system to make sure the high acceptability improves the work efficiency and at the same time effectively ensure weld quality, which provide technical support for the follow-up nuclear power project.

Keyword： shear stud, automatic tracking system, pre-welding assessment system

1 前言

螺柱焊接目前已成为工业与建筑、桥梁、电力系统、汽车等设备的接合的标准应用。它比传统的焊接方法拥有更高的强度。比手动焊接快得多，而且避免了在结构固件上钻孔所带来的固有问题。AP1000堆型是国家全面技术引进的第三代核电技术，AP1000技术具有“非能动安全系统”和“模块化施工”两大特色。我们公司承接的结构模块产品，其中重要的模块因为就位后它将埋入混凝土中，为了增加与混凝土的铆固力，加强模块与混凝土层的整体性，其双相不锈钢材料的表面需焊接大量的不锈钢剪力钉，每颗剪力钉的优良的焊接质量是整个结构模块质量的基本保证。

如果工艺参数或设备的选择不当将带来质量、进度和成本上的许多风险。对于母材A240 S32101双相不锈钢和A276 316L材质的剪力钉的栓焊，目前国内尚无可参考的工艺参数，而且国内常规的工艺也无法保证和满足高合格率要求。有鉴于此，我们对结构模块的剪力钉的螺柱焊工艺参数确定和焊接试验进行研究开发。

2 剪力钉焊接特点

我公司制造的AP1000项目核电模块，母材特殊，均为双相不锈钢材料（A240　S32101），产品表面焊接的剪力钉数量众多，如果采用手工焊接，不光焊接质量难以保证，而且效率极低。因此我们采用机械自动焊-专用螺柱焊机，不仅提高工作效率，质量也能得到基本的保证。

2.1 基本原理及方法

利用受到控制的电弧熔解螺柱或焊条的末端和母材（基层金属）的一部分，以便形成接合。螺柱自动落入熔解的金属内，形成高质量的熔焊，焊接强度比螺柱本身还要强。

主要采用拉弧焊方法，此方法的特点：

用于焊接的紧固件的焊接端有焊剂。能够改善起弧、稳定焊接电弧，并使熔化的焊接金属去氧。这样获得的焊接区域质量高无气孔，形成的焊接接头具有完全的螺柱强度。

焊接过程中，使用瓷环保护。一则起保护作用，防止熔化金属飞溅，控制可见电弧光；二则将电弧和热量限制在制定面积，金属不流失形成均匀的飞边。

2.2 影响焊接的参数

在自动焊的工艺参数设定过程中，有五个参数对焊接质量有影响。

插入，指螺柱伸出瓷环的长度，在螺柱和瓷环放在焊枪内后测量。它用于熔化形成飞边。插入过大会引起飞溅和太高的或不均匀的角焊缝。

提升，指的是焊枪从母材把螺柱拉开的距离。对螺柱焊方法提升是主要的，它造成螺柱和母材之间的间隙，电流从该间隙通过，产生热量熔化螺钉和板材。提升太小，熔化金属短接电弧间隙，造成焊接过冷；提升过大，会增加弧吹的机会和偏弧。

时间，是正常的焊接过程时间。在薄的母材上焊接时，能采用短于正常焊接时间和较大的电流来获得足够的热量而仍不烧穿母材。

电流，是从电源流过焊接电弧的电流。愈高焊接热量愈大。螺柱尺寸越大，电流设置越高。

对直，指螺柱在焊接过程中提升和插入时不与瓷环接触。接触易造成磨擦、牵制，降低插入速度影响插入深度，造成无法达到完全焊接强度。

了解了以上的设定或调整和这些设定和调整与焊接质量的关系，为得到完全强度的螺柱焊结果作好准备工作。

3 确定工艺参数

因为母材采用了新材料A240 S32101双相不锈钢材料，目前国内没有可参考的工艺参数，因此我们首先要通过完成不锈钢剪力钉的焊接工艺评定,进行工艺参数的选定，再分别完成各自评定参数条件下的各项力学性能试验，最终确定最佳工艺参数。

3.1 工艺评定试验

为了获得最佳的焊接质量，试验分为三种：

(1)在最佳电流设定的15个焊缝

(2)最佳电流增加10%的15个焊缝，时间在最佳设定

(3)最佳电流减少10%的15个焊缝，时间在最佳设定

因为在实际焊接条件中，这种偏差是会发生的，因此以上这种量化的评定可以帮助这样确定的最佳电流对大多数焊接应用是一个好的起点。试验过程详见下图1和图2

图1 拉弧焊焊接过程

图2 焊接完成图

拉伸实验、90度折弯实验和焊缝宏观试验成功后就可以确定此工艺评定合格有效，详见下图3，并以此设定最佳电流，焊接工艺规程将参数限到最佳值，变动范围为±10。采用这种方式可以基本保证在焊接过程中电流值控制在比较好的范围内，获得较高的焊接接头质量。

图3 焊缝宏观试验

4 工艺参数的监控

从以上2.2条的影响参数可以看出，如果在实际的焊接过程中参数发生了变化或设备发生了故障，很容易发生焊接质量问题。为了保证产品的高品质性能，避免个别剪力钉焊接接头出现不合理的现象，我们可以通过配置自动跟踪系统软件来监控工艺参数，时时测量焊接时间和电流进行验证，当偏离已建立的系统参数时，发出警告或关闭系统，停止焊接，避免不合格的焊缝接头出现。跟踪软件监控过程见下图4。

图4 软件监控焊缝波形图

系统软件会描述错误代码和试验结果的详细信息，并采取两个主要措施：1）失败焊缝停止焊接----如果焊缝失败的话，可以检查焊缝波形来暂停焊缝。当发现了失败焊缝的时候，一个错误提示会出现在屏幕前面，并禁止进一步的焊接直到在电脑上点击“重新开始焊接”按钮。

2）插入警告错误----当检查的时候，当发生以下两种情况之一时，显示器会显示“失败”来进行警告：一是当焊缝能量超过了设定的公差；二是每个焊缝插入时间都超过了设定的公差时间的“目标值” 插入时间。

每次焊接后的详细焊缝数据都可以进行保存和查看。为质量控制作好追溯记录。

5 焊前评定制度

为了进一步保证高合格率，采用每天焊前评定制度。即在每天或每个班次开工前，对最初焊接的二个焊钉进行检测。检测在一个和生产材料的厚度和性能相类似的材料上进行。检查是否有360度飞边，除了外观目测外，再进行30度折弯试验。如果所检测螺钉没有显示360度飞边或是折弯试验时，焊接区域发生了破裂，那么之前的工艺需进行调整。

一旦生产焊接启动，对焊接设定或焊接工艺的任何更改，在继续进行生产焊接前，都应要求进行预生产检测。

6 结语

通过以上几个方面的设置和控制措施，经过多次试验，结合完善的质量保证和检验程序，所有100%的焊接接头将达到完全强度和完美的质量要求，即焊缝合格率可以达到100%。

随着我国核电事业发展和后续核电自主化的建设，掌握了结构模块剪力钉的先进的自动焊工艺，将使我公司具备优良的竞争能力。通过三门1#、2#堆和海阳1#、2#堆的生产实践，可以在后续的核电建设中进行推广应用，为后续核电提供技术支持，争取在新的核电领域取得更多的机会。

参考文献：

[1] ANSl /AWS D1 .6-1999，美国焊接协会钢结构焊接规范[S].（ANSl /AWS D1 .6-1999，American Welding Society "Structural Welding Code" [S].）

[2] APP-VW01-Z0-001 ，结构模块剪力钉焊接规范[S].（Structural module shear stud welding specification [S].）

[3] ANSIIAISC-N690, 1994，核设施用有关安全的钢结构规范[S].（ANS/IAISC-N690, 1994，American institute of Steel Construction (AISC),"Specification for the Design, Fabrication and Erection of Steel Safety Related Structures for Nuclear Facilities" [S].）