方一，曾凡勇，肖志威，朱稱生，鄭秀華

中國核工業(yè)第二二建設有限公司 湖北武漢 430051

1 序言

核能發(fā)展藍皮書《中國核能發(fā)展報告（2020）》指出，“十四五”期間及中長期，核電建設有望按照每年6～8臺持續(xù)穩(wěn)步推進。未來數(shù)十年，我國將繼續(xù)大力發(fā)展核電建設，開發(fā)清潔能源，與此同時，核廢料處理項目也正如火如荼地興建起來。

中國核工業(yè)第二二建設有限公司承建的某乏燃料后處理項目中，需要建造多個大型不銹鋼襯里房間（見圖1），在不銹鋼襯里房間模塊覆面板（一般尺寸為3mm×3m×6m）上需要焊接大量厚度3mm的不銹鋼隔離墊塊，用以連接覆面板和混凝土墻面碳素鋼角鋼，起到隔離鐵素體污染和連接的作用（見圖2）。墊塊的傳統(tǒng)焊接方式為手工鎢極氬弧焊，以3mm×50mm×50mm的小隔離墊塊為例，每個小隔離墊塊每條邊均需焊接2～4cm長的角焊縫，焊腳尺寸2～3mm，每個墊塊人工焊接時間約為2min，單個工人每天焊接量約為240塊。項目一期工程不銹鋼隔離墊塊總量約120萬塊，如果安排10名氬弧焊工，需工作16個月，效率較低。因此，如何提高效率，縮短工期，是我公司在該工程施工中面臨的主要難題。本文提出采用電阻焊方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)鎢極氬弧焊，從技術原理、接頭性能對比及關鍵技術等方面進行了分析討論，為電阻焊技術在不銹鋼隔離墊塊焊接中的應用和推廣提供一定借鑒。

圖1 不銹鋼襯里房間典型模型

圖2 不銹鋼覆面板隔離墊塊分布

2 電阻焊技術

2.1 基本原理

在焊件組合以后，對焊件施加一定的電極壓力，并通以電流，利用電流流經(jīng)工件與工件之間的接觸面時產(chǎn)生的電阻熱，將焊件加熱至塑性狀態(tài)或者熔化狀態(tài)，形成熔核，斷電后，熔核及其周圍的金屬開始冷卻結晶，直至形成焊點。其原理如圖3所示。

圖3 電阻焊原理

電阻焊的優(yōu)點：操作簡單，易于實現(xiàn)機械化和自動化；焊接過程中不需要焊絲、焊條等填充金屬以及其他的焊接材料，焊接成本低；與其他焊接方法相比，由于電阻焊加熱時間短，熱量比較集中，故焊接后的熱影響區(qū)較小，焊接完成后的變形與應力也小，其焊后不需要變形矯正和熱處理工序；生產(chǎn)效率高，且無噪聲、弧光及有害氣體產(chǎn)生。

2.2 應用分析

隨著航空航天、電子、汽車及家用電器等領域的發(fā)展，電阻焊越加受到廣泛重視。由于電阻焊不需焊材和保護氣體，電極頭價格低廉、壽命長，所以成本可低至傳統(tǒng)工藝的1/3；其焊接時間一般只需幾百毫秒，效率可達傳統(tǒng)焊接工藝的100倍以上，并且其焊接質(zhì)量高，適用薄板焊接，在汽車、航空航天等領域得到廣泛應用。

在以往核電項目上，由于薄板較少且多為全熔透焊縫，因此電阻焊基本沒有實際應用。目前，中國核工業(yè)第二二建設有限公司承接的項目中需要焊接大量不銹鋼半熔透、半封閉的墊塊，無需考慮密封性和熔透性，只要保證抗拉強度和耐蝕性與常規(guī)氬弧焊相當，因此該工程就非常適合采用電阻焊技術，特別是高效率的自動電阻焊技術，更是能極大地提高焊接效率。

3 可行性分析

3.1 理論論證

根據(jù)不銹鋼隔離墊塊的結構和分布，可采用自動化電阻焊設備實現(xiàn)焊接，初步設想如圖4所示。該設備上設置有多個電阻焊槍（根據(jù)不銹鋼襯里房間模塊結構設計需求，也可以設置更多電阻焊槍），按一塊墊板上焊接4個焊點來計算，平均每秒可以完成一塊墊板的焊接（單個焊點的時間為2s，主要是電阻焊槍行走的時間，實際焊接時間僅0.1s左右），則該設備每天8h焊接量為2.88萬塊，其焊接效率遠高于人工焊接，可達100倍以上（此處焊接效率是不考慮前期準備工作等其他因素的效率，如考慮其他因素，則自動電阻焊綜合效率也可達手工鎢極氬弧焊的50倍以上），且無需焊材，因此其成本也要優(yōu)于鎢極氬弧焊焊接。以往16個月工期的工程量可以在2個月內(nèi)完成（僅需1臺設備），如果設備24h連續(xù)不間斷運轉(zhuǎn)，則效率更高。通過分析，若將自動電阻焊技術應用于不銹鋼墊塊焊接，能夠大大提高焊接效率，縮短施工工期，是完全可行的。

圖4 自動電阻焊設備

3.2 試驗驗證

為了驗證電阻焊試件與鎢極氬弧焊試件的外觀質(zhì)量、力學性能等的優(yōu)劣，開展了系列對比試驗和分析。

（1）試驗材料 選用與工程實體相同類型的材質(zhì)進行焊接試驗，墊塊及覆面板厚度為3mm。具體規(guī)格見表1。

表1 材料清單

（2）試驗設備 電阻焊試驗時選用了上海豪精機電有限公司設計制造的SMD-60中頻電阻點焊機，點焊機的電極采用銅-鉻合金標準尖頭直電極，電極的端面直徑為8mm，點焊機的技術參數(shù)見表2。

表2 電阻點焊機技術參數(shù)

氬弧焊試驗采用的焊機是北京時代科技股份有限公司生產(chǎn)的逆變焊機WS-400，最大額定電流為400A。焊絲為φ1.2mm的ER308L不銹鋼氬弧焊絲，保護氣體為99.99%的純氬氣。

（3）試驗方法與過程 為了驗證電阻焊接頭的力學性能，開展了電阻焊接頭與氬弧焊接頭的抗剪對比試驗。具體試驗過程為在中型試件上，分別采用氬弧焊和電阻焊進行焊接，氬弧焊焊接采用單側(cè)焊接、雙側(cè)焊接和三側(cè)焊接的分組焊接方式，電阻焊則采用單焊點、雙焊點、四焊點和六焊點的分組焊接方式，焊后采用如圖5所示的方式進行剪切試驗。同時，為了模擬現(xiàn)場焊接，采用電阻焊方法在大型試件上焊接小塊試件，并對接頭的金相、腐蝕性能進行了對比分析。

圖5 拉剪試驗示意

3.3 試驗結果及分析

（1）抗剪力對比試驗結果 電阻焊與氬弧焊試件抗剪試驗結果見表3。從表3可以看出，采用氬弧焊方法，當單側(cè)焊縫長度為20mm、焊腳尺寸為2.5mm時，單側(cè)抗剪力約為20kN；采用電阻焊方法，焊核直徑為8mm時，單個焊點的抗剪力為21kN，與單條氬弧焊焊縫的抗剪力相當；實際隔離墊塊采用的是四面圍焊，根據(jù)試驗結果分析，四個電阻焊點的抗剪力即可滿足要求。

表3 電阻焊與氬弧焊試件抗剪力對比試驗結果

當然，電阻焊試件的抗剪力還與焊核尺寸有關，如果對承載力有更高的需求，可采取增加焊點或增大焊核直徑的方式，如當達到六個焊點時，電阻焊試件的抗剪力已可達到102kN。一般在不增加設備配置的情況下，可通過調(diào)整電阻焊焊接參數(shù)，將焊核直徑增加到12mm，預計單個焊點承載力可以增加2.25倍，即45kN。表4為優(yōu)化后的焊接參數(shù)，利用球面電極增加焊點直徑的特性，再加上一個焊接周期內(nèi)多次焊接與回火焊接，單個電阻焊點的抗剪力平均值達到了52kN，焊接試件及拉伸試驗如圖6所示。

表4 優(yōu)化焊接參數(shù)單點電阻焊試件參數(shù)與剪切拉伸試驗

圖6 優(yōu)化焊接參數(shù)單點電阻焊試件與拉伸殘樣

（2）焊接熱影響對比 同時對電阻焊和氬弧焊的熱影響進行了對比，如圖7、圖8所示。從中可以看出，采用電阻焊后的試件氧化程度明顯較氬弧焊的輕微，這是因為氬弧焊本質(zhì)為熔化焊接，焊接過程熱輸入較大，因此焊縫及其附近的母材氧化程度更加嚴重；電阻焊焊接時間很短，冷卻速度很快，因此熱影響區(qū)域更小。氧化程度的增加不僅會加劇晶間腐蝕，同時會造成更大的焊接變形和應力。通過初步試驗，電阻焊后的試件變形可忽略，而氬弧焊接頭的變形比較明顯。

圖7 電阻焊焊點熱影響

圖8 鎢極氬弧焊腳焊縫熱影響

（3）焊接效率對比 經(jīng)實測，采用手工鎢極氬弧焊，每個小墊塊焊接時間為2min，一個焊工單個工作日可以焊接240塊左右。而采用電阻焊，焊接單個焊點的時間為2s，主要是焊槍行走的時間，實際焊接時間僅1s左右，可同時設置6～12個焊槍。若按同時設置6個焊槍，每個小墊塊按2～4個焊點計算，每個小墊塊焊接時間≤2s。因此，電阻焊焊接不銹鋼覆面隔離墊塊的綜合效率可達手工鎢極氬弧焊的百倍。

另外，墊塊的電阻焊接頭可實現(xiàn)自動化焊接，還可進一步提升工效。目前，我公司正在制造第一代自動上料與焊接的自動電阻焊設備，可通過采用彈匣式自動上料裝置實現(xiàn)最多同時6塊墊塊上料，并且將上料裝置與焊接接頭近距離設計，實現(xiàn)墊塊上料、固定和焊接一體化功能，進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量與效率，如圖9所示。

圖9 自動電阻焊設備

在人員資質(zhì)、取證周期方面，隔離墊塊的人工鎢極氬弧焊焊接也需要審核焊工資質(zhì)，對焊工進行培訓與考核取證，最少需要3個月時間。而根據(jù)新HAF603的規(guī)定，電阻焊則只需要焊工聘用單位內(nèi)部進行技能評定即可，取證周期可縮短至一周。

（4）金相試驗 小試件電阻焊接頭焊接完成后，將試件切割成50mm×50mm正方形試樣，隨后沿著焊點中心線將試件剖開成50mm×25mm的兩個試樣，隨機對其中之一的斷面進行金相制樣和腐蝕，腐蝕液選用王水，然后采用10倍放大鏡觀察。根據(jù)ASME IX—2007《焊接、釬接工藝評定》的要求，厚度為3mm+3mm的試件電阻焊接頭應滿足以下技術要求。

1）焊件斷面應無裂紋、未焊透、噴濺和夾渣等缺欠。

2）焊件氣孔：在試樣橫斷面上的氣孔不超過1個、在縱斷面上的氣孔不超過3個，任何氣孔的最大尺寸應不超過焊道厚度的10%。

3）焊點熔核最小寬度應為6mm。

4）熔化深度為0.6～4.8mm。

5）熔核在3.75mm內(nèi)應無缺欠。

電阻焊接頭典型斷面宏觀金相如圖10所示，按照上述標準對金相進行檢測，結果全部合格。

圖10 電阻焊接頭斷面宏觀金相

圖11所示為氬弧焊試件的斷面金相，可以看出，氬弧焊試件在焊接時可能因為沒有貼緊，而在焊縫根部產(chǎn)生間隙，嚴重時容易出現(xiàn)未熔合缺欠，服役過程中可能會引起應力集中和腐蝕。而電阻焊焊接時，采用＞2t（19.6kN）的壓力對試件施壓，避免了氬弧焊時由于板材沒有貼緊而產(chǎn)生間隙的問題，提升了焊縫的搭橋能力，提高了焊接質(zhì)量。

圖11 氬弧焊試件宏觀金相

4 不銹鋼墊塊電阻焊關鍵技術

4.1 自動電阻焊設備

圖12所示為部分實際產(chǎn)品的墊塊分布，需研制相應的非標電阻焊設備實現(xiàn)墊塊的焊接。毫無疑問，提升墊塊與覆面板的生產(chǎn)能力，最重要的就是自動電阻焊設備。經(jīng)過分析，該設備的關鍵要素在于覆面板的輸送定位、墊塊的上料與定位、焊接過程均實現(xiàn)自動化與無人化。

圖12 不銹鋼覆面板墊塊分布

其中最為關鍵的就是墊塊的自動上料以及在同一覆面板上焊接不規(guī)格墊塊。解決方法為設計一種類似槍械彈夾的供料夾，隔離墊板可以自上而下依次出料，供料夾可根據(jù)每排墊塊需要數(shù)量通過程序控制自動排列，再結合對應布置的電阻焊槍頭，實現(xiàn)上料、固定及焊接一體化，如圖13所示。

圖13 自動上料與焊接部位

4.2 自動電阻焊工藝研究方向

一張覆面板上需要焊接約300塊墊塊，每個墊塊需焊接2～4個焊點，且電阻焊接過程基本為全自動，因此如何保證焊點的焊接質(zhì)量，順利實現(xiàn)墊塊的不間斷量產(chǎn)成為關鍵技術。

分析認為，一方面需繼續(xù)開展電阻焊接頭性能與氬弧焊性能的進一步研究，如接頭其他力學性能、耐腐蝕性能，從結構設計層面更好地實現(xiàn)電阻焊替代氬弧焊的可行性；另一方面，需繼續(xù)開展電阻焊工藝試驗，掌握影響電阻焊接頭量產(chǎn)的關鍵因素。例如：設計正交試驗方案，通過大量試驗，得到最優(yōu)化的焊接參數(shù)，以使電阻焊接頭的性能具有較大的裕度，從而保障電阻焊焊接質(zhì)量的可靠性、穩(wěn)定性；或者，開展電阻焊超聲波檢測技術研究，通過建立電阻焊超聲波信號特征與電阻焊熔核抗拉強度、抗剪力的映射關系等方法，檢驗電阻焊的質(zhì)量；還可在電阻焊設備上開發(fā)焊點質(zhì)量反饋系統(tǒng)裝置，生產(chǎn)時可實時反饋每個焊點質(zhì)量，當出現(xiàn)異常時及時停機止損。

5 結束語

1）從電阻焊技術原理進行分析，同時通過初步試驗，證明了采用電阻焊方法的接頭抗剪力與氬弧焊的相當，生產(chǎn)效率可達到手工氬弧焊的近百倍，具有明顯的優(yōu)勢。

2）分析了墊塊采用電阻焊的關鍵技術，包括自動電阻焊設備的研制，以及覆面板批量生產(chǎn)時焊點質(zhì)量的保證。

后續(xù)有待進一步研究電阻焊接頭性能以及可靠的電阻焊工藝，繼續(xù)推進不銹鋼墊塊電阻焊在現(xiàn)場的實際應用，促進我國核電關聯(lián)產(chǎn)業(yè)建設的極大發(fā)展。