摘 要：文章介绍了AP1000压水堆核电机组铜母线现场组对焊接质量控制要点，针对纯铜高热导率、高热裂敏感性、易产生气孔等特点，以及现场安装空间受限、组对易发生变形、不易焊前预热等难点，进行了分析研究，通过采取手工钨极氩弧焊的焊接方法，找出了适合纯铜焊接的工艺参数、质量控制方法和措施，保证了铜母线现场焊接质量。
关键词：铜母线；钨极氩弧焊；焊接工艺；操作要领
1 纯铜的焊接特点
1.1 热导率高。常温下纯铜的导热系数比碳钢的大八倍，焊接过程中电弧的热量被迅速传导出去，使纯铜焊件局部难以熔化，导致母材金属难以与焊缝金属充分熔合，从而产生未焊透或未熔合等焊接缺陷。因此，焊接纯铜时必需利用大量的热源进行预热。但大量的热源会造成母材焊接变形更加严重，所以要采取相应的防变形措施（如利用夹具）。
1.2 焊缝热裂倾向大。纯铜的线膨胀系数比碳钢大15%左右，收缩率比碳钢大一倍左右，当焊缝层间温度相差较大时，极易产生热裂纹，故焊接时要保持稳定的层间温度。焊前必须彻底清理焊接材料和母材金属的表面，减少有害杂质的来源，并在焊接过程中利用硼砂等对熔池进行脱氧处理，加强对熔池的保护。
1.3 焊缝易产生气孔。纯铜焊接时，易在焊缝中产生气孔。因为铜的导热系数比较高，纯铜在液态转变成固态过程中，焊缝熔池快速冷却并凝固，液态时溶解的大量氢、氧、二氧化碳等气体来不及从熔池中逸出，结晶时就在焊缝中心或熔合线上形成气孔。所以，为避免气孔的产生，应选用含有强脱氧剂的填充材料（如含有磷和硅作为脱氧剂的S201焊丝），并采取预热措施。
2 纯铜焊接工艺的选择
2.1 焊接方法的选择。纯铜最常用的焊接方法有手工钨极氩弧焊、碳弧焊、埋弧焊等几种。但手工钨极氩弧焊焊接时热量集中，焊接热影响区窄，焊件变形小，氩气对熔池的保护效果好，熔池易控制，焊缝成形美观，特别适合中薄件的焊接。AP1000核电机组铜母线厚度为10mm，故选用手工钨极氩弧焊工工艺较为适合。
2.2 焊接材料及机具的选择。选用的焊丝应符合国家标准GB/T 9460-2008《铜及铜合金焊丝》中的规定及要求。焊缝焊后的抗拉强度、耐蚀性能、塑性等应高于母材的下限标准值（退火状态），焊接性能良好，导电性能良好且满足加工和使用要求。故纯铜焊接时，添加熔剂易选择CJ301材料，焊接材料易选用纯铜焊丝（HS201），焊接材料必须经过报审合格后方可领入现场使用。电焊机推荐选择WSME-500逆变式交直流脉冲焊机。
2.3 预热方法的选择。由于纯铜的导热系数很强，为改善结晶条件，降低焊缝冷却速度，保证焊接质量，焊接前必需对母材进行预热。利用电加热和利用火焰加热是预热常用的两种方法。但使用火焰加热时易造成母材损伤、温度不均匀、热量流失快等缺点，不易控制焊接质量。但电加热时，通过温度传感器，设备对预热温度自动进行精确控制，可有效保持恒定的预热温度，热量不会流失，易于控制焊接质量。故纯铜焊接时，选择电加热工艺进行预热为宜。
2.4 焊接工艺参数的选择。母线焊接的规范参数严格执行焊接工艺卡的规定，焊接前将无水酒精与熔剂CJ301混合在一起调成糊状，在焊丝表面和母材坡口均匀涂敷，预热温度加热到规定的温度后及时焊接。焊接工艺参数详见表1。
3 纯铜焊接要点
3.1 焊前准备。坡口的尺寸、清洁度和表面形状应符合图纸、规范或工艺文件的要求。采用冷加工等机械方法进行坡口制备，坡口上不应有分层、折叠、裂纹、撕裂等缺陷。坡口及其两侧30-50mm宽度的金属表面焊前应清除氧化膜（可用φ0.15-0.2mm不锈钢丝刷或金属磨头），用无水酒精或丙酮（沾丙酮的白布应干净，不要使用棉布或棉纱，以避免擦拭时带出毛绒）等有机溶剂清洗去除油脂、水分与其他污染物。应保持母材焊件、焊丝的干燥和清洁，清理干净后不能用手或其它杂物接触焊接部位，避免焊件二次污染，否则应重新进行清理。局部污染可局部重新清理，最好用白纸覆盖在已清理过的坡口两侧。如铜母线清理后不能及时施焊，超过4小时后，应重新按要求清理后再焊接。母线的组对严格按照DL/T 754-2013《母线焊接技术规程》和相关设计文件中的规定及要求进行。
3.2 焊缝组对。铜母线焊接前组对应严格按照DL/T 754-2013《母线焊接技术规程》和相关设计文件中的规定及要求进行。为防止焊接变形，需要利用自制夹具将铜板和铜垫块压紧，保持紧密接触，保证对口尺寸要求。
3.3 焊接前预热措施。选择电加热方式对纯铜进行预热，预热温度控制在300-450℃。为提高预热工作效率和改善焊工工作条件，可以自行设计制作专用的铜排预热夹具，即：在自制的预热夹具内先装上保温棉，然后加装与夹具盒匹配的加热片，两个盒子一组，一个焊接接头需要两组，接头两侧各一组来给铜母线加热，确保了整个焊接过程预热温度的稳定，在保证预热温度准确性的同时，可以大大提高劳动生产率。
3.4 焊接操作要领。现场装配时，铜垫块要超出母线导体两端5-10mm，一端超出的垫块长度可适当长些。焊接时应在垫板上引弧，待温度达到工艺要求的温度（300-450℃），电弧过渡到铜母线坡口内后正常焊接。焊接过程中应注意观察母材熔池颜色及状态，及时添加焊丝，均匀移动焊枪，防止过热导致熔池下挂，形成缺陷。焊枪与焊件保持近似90°的夹角，便于令热源集中及方便填加焊丝。焊丝与焊件间保持20-30°的夹角，操作时保持稳定的电弧长度（一般3-5mm），焊枪左右摆动均匀，向前运弧速度恒定。收弧时，应适当增加高频衰减的时间，并适当填充焊丝，使接头处饱满后，再进行衰减收弧。焊接过程中要保持稳定的层间温度，且应高于预热温度。每层施焊完毕，并进行层间清理干净后，应继续在焊缝及坡口边缘均匀涂抹CJ301糊状熔剂，达到增加熔池铁水流动性、有效清除各种氧化物、提高焊接质量目的。焊接完成后，接头自然冷却至常温前，应避免震动或受力，然后拆除保温装置和固定夹具。焊后可对焊接接头进行轻轻锤击，以改善焊缝性能，消除残余应力，防止变形。
4 焊接质量检查
焊接接头数量总数为1341只，所有焊缝经外观检查、验收评定、报验合格后，进行渗透和射线无损检验。渗透检验达到JB/T 4730.5的Ⅱ级，检验比例100%，合格率100%；射线检验达到JB/T 4730.2 的Ⅲ级（也可参照L/T 754-2013《母线焊接技术规程》执行），检验比例符合设计要求，无损探伤合格率99.2%；焊接结束后，按规程GBJ149-1990的要求，采用双臂电桥法进行电阻率测试，测定的最大电阻率为0.014Ωmm2/m， 测定结果完全符合要求。
5 结束语
通过对结构自身特点、纯铜的焊接性分析及工艺试验，确定了合理的焊接方法、焊接顺序、焊接工艺、焊接参数，制作了专用对口夹具、预热夹具，提高了焊接质量，降低了机组非正常停机的概率，确保了机组长期的安全稳定运行，达到了减少能源浪费、降低经济损失的目的。同时，铜母线焊口一次探伤合格率的提升，不仅减少了返修焊口的数量，提高了施工人员、机械的劳动效率，节约了工程项目的施工成本，还加快了工程项目的施工进度，对于今后纯铜焊接施工提供了有力的技术保障。
参考文献
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