李雙燕

1.概述

第三代核電EPR堆型電功率約為1 600MW，每個機組由4個環(huán)路組成，每個環(huán)路有一臺蒸汽發(fā)生器。蒸汽發(fā)生器型號為77/19TE，傳熱面積為7 960m2。蒸汽發(fā)生器是核電站一回路主設(shè)備之一，起著隔離一回路和二回路的作用。由于蒸汽發(fā)生器管板一回路側(cè)長期接觸帶有放射性和腐蝕性的載熱劑介質(zhì)，其表面需堆焊一定厚度的鎳基合金，以保證一定的耐蝕性。

由于EPR管板直徑大，厚度較厚，堆焊要求較高，工藝控制要求高，同時Inconel 690材料焊接性差，對氧化、DDC敏感，所以選擇堆焊質(zhì)量要求高的方式尤為重要。由于熱絲TIG堆焊相對熱輸入低，變形量和殘余應(yīng)力小，堆焊層成形良好，不易有夾渣等缺陷，表面質(zhì)量良好，且具有高純度焊縫，有利提高管子-管板焊縫質(zhì)量，使焊縫產(chǎn)生缺陷的概率降到最低水平，所以EPR管板Inconel 690 鎳基合金大面積堆焊選擇熱絲TIG堆焊工藝。

2.產(chǎn)品技術(shù)要求

蒸汽發(fā)生器管板材料為低合金20MND5，管板厚度為622mm、φ3 816mm，Inconel 690鎳基合金堆焊厚度≥8mm。由于EPR堆型裝機容量較大，對管板材料的要求較高，包括厚度、化學(xué)成分及力學(xué)性能，以保證設(shè)備質(zhì)量滿足設(shè)計技術(shù)指標(biāo)和運行壽命要求。管板化學(xué)成分如表1所示，20MND5對P、S含量提出了更高的要求。

按產(chǎn)品技術(shù)要求，堆焊層化學(xué)成分需滿足表2要求。堆焊層的化學(xué)分析應(yīng)在堆焊后堆焊層表面打磨0.5mm后1.5mm深度范圍內(nèi)取樣。

3.熱絲TIG堆焊工藝

鎢極氬弧焊是一種應(yīng)用非常廣泛的高品質(zhì)焊接方法。傳統(tǒng)的TIG焊由于其電極的載流能力有限，電流功率受到限制，焊縫熔深淺，焊接速度低，使用受到一定限制。熱絲TIG焊是在普通TIG焊的基礎(chǔ)上對焊絲進(jìn)行預(yù)熱，以提高熱輸入量，增加熔化速度，從而提高焊接速度，同時仍具有TIG焊高品質(zhì)焊縫的特點。圖1為熱絲TIG焊的基本原理。熱絲TIG焊最主要的改進(jìn)是將填充焊絲送入焊接熔池之前由獨立的電源電阻加熱到接近填充絲的熔化溫度，大大加快了焊絲和母材的熔化速度，提高了熔敷率，同時調(diào)整了焊接熔池的熱輸入量，降低了母材的稀釋率，擴大了焊接工藝方法的適應(yīng)性和應(yīng)用范圍，具有較高的經(jīng)濟價值。熱絲TIG焊生產(chǎn)效率可達(dá)常規(guī)TIG焊的3倍以上。選用合理的熱絲TIG焊焊接參數(shù)，可將焊縫的母材稀釋率控制在較低的水平，適用于不銹鋼、鎳基合金的表面堆焊。由于焊接熔池的形狀易于控制，可以完成大多數(shù)形狀制件的表面堆焊。

圖1 熱絲TIG焊基本原理

（1）焊接材料的選擇 考慮到Inconel 690材料堆焊時堆焊金屬潤濕性差，易產(chǎn)生熱裂紋，為獲得質(zhì)量良好的堆焊層，我們選擇了不同牌號的焊接材料。從堆焊焊道表面質(zhì)量、無損檢測結(jié)果、金相檢測結(jié)果等方面綜合考慮，選擇了美國SMC公司生產(chǎn)的Inconel filler metal 52牌號焊絲、φ1.2mm，表3為焊絲及堆焊層熔敷金屬的典型化學(xué)成分。

為分析管子-管板焊縫對管板堆焊層的熱影響，我們對管板堆焊用焊絲按RCC—M S3750進(jìn)行模擬試驗，試驗可用5根管子與堆焊層焊接，也可在堆焊層試件上進(jìn)行重熔（5條單道環(huán)焊縫和5條雙層重疊焊道環(huán)焊縫），焊接工藝和參數(shù)與管子-管板焊縫焊接相一致。焊5條重熔線（重熔線的直徑代表管子環(huán)焊縫直徑），每條重熔線焊1圈代表對堆焊層的熱影響為1次；再焊5條重熔線，每條重熔線焊2圈代表對堆焊層的熱影響為2次。焊接后，進(jìn)行目視檢測和液體滲透檢測，保證重熔線及熱影響區(qū)無任何裂紋。此外，還需從焊1圈管子焊縫和焊2圈管子焊縫上分別切取橫向和縱向截面按RCC—M MC1320和SI400進(jìn)行微觀金相檢驗。

（2）堆焊工藝試驗 熱絲TIG堆焊設(shè)備全套由法國SAF提供，包括焊機電源、焊接系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。焊機電源為Nertamatic 450自動焊電源。TIG焊接系統(tǒng)包括機頭、焊槍，機頭部分包括送絲電機和弧壓自動調(diào)節(jié)和反饋系統(tǒng)，機頭的擺動裝置；焊槍為水冷TIG焊槍，包括氣體保護(hù)裝置和水冷回路?？刂葡到y(tǒng)包括熱絲系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等組件，包括氣、水、電路控制系統(tǒng)，全部由一套微機系統(tǒng)控制。

試驗在20MND5 試板上熱絲TIG 堆焊三層，堆焊后進(jìn)行模擬熱處理及無損探傷、彎曲試驗及金相檢驗等工序，以驗證焊接工藝。由于鎳基焊材自動熱絲TIG堆焊極其容易出現(xiàn)微裂紋，因此必須嚴(yán)格控制堆焊過程中相關(guān)的焊接參數(shù)，才能滿足堆焊層性能要求。經(jīng)過多次工藝試驗后，選擇出一組最佳的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接工藝評定。最佳焊接參數(shù)如表4所示。

表1 20MND5化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 堆焊層熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 焊絲及堆焊層熔敷金屬化學(xué)成分典型值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

熱絲TIG堆焊過程中還需注意層間溫度、焊槍角度、焊道搭接量等參數(shù)，以及清潔度的控制。鎳基合金堆焊對溫度控制要求很高，一旦層間溫度過高，則很可能產(chǎn)生熱裂紋，因此焊接過程中需控制預(yù)熱溫度和層間溫度。由于熱絲TIG堆焊對待焊面、焊絲中的雜質(zhì)很敏感，容易造成堆焊層表面氧化物過多、氣孔、夾渣等缺陷，所以不僅要妥善保管焊絲，焊前徹底清理待焊面，焊接過程中還要隨時監(jiān)測待焊區(qū)是否清潔。另外，定時更換鎢極，清理保護(hù)氣體過濾罩也是非常必要的。

新型審批模式的平臺必須支持移動化的作業(yè)要求和條件。只有移動化才能打破原有的時間和空間的限制。確?？稍陔S時隨地進(jìn)行審批工作。

熱絲TIG堆焊過程中，如果焊槍傾斜角度過大或鎢極伸出噴嘴長度過長，則對氣體保護(hù)不利，會造成電弧保護(hù)不充分，電弧不穩(wěn)，造成夾渣、未熔合等缺陷，同時電弧的熱量不集中，熔滴過渡形式不好，也會影響電流的穩(wěn)定性，使焊道成形不好。因此焊槍的角度必須選擇好。

另外，適當(dāng)?shù)暮傅篱g搭接量也很重要，搭接量過小，會造成焊縫表面不平整，很可能造成搭接線附近鐵素體含量不均勻；搭接量過大，會造成堆焊層過厚，熔合線附近容易出現(xiàn)夾渣、氣孔等缺陷。

因此，每道焊接前，焊接操作工要對鎢極伸出噴嘴長度進(jìn)行重新測量定位，也要對鎢極在焊道上的位置按照工藝參數(shù)焊道搭接量要求重新測量定位。

4.堆焊工藝評定試驗

根據(jù)壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則（RCC—M）（2000版+2002、2005、2007版補遺）規(guī)范及工藝評定技術(shù)要求進(jìn)行Inconel 690鎳基合金堆焊工藝評定試驗。

（1）試驗材料 母材采用20MND5試板，厚度≥90mm，試板化學(xué)成分如表5所示。焊接材料采用Inconel 690類型鎳基合金氬弧焊絲，類別為ERNiCrFe—7，牌號為 Inconel filler metal 52、φ1.2mm，由美國SMC公司提供。

（2）堆焊評定實施 試驗選用母材20MND5鍛件,規(guī)格100mm×400mm×400mm。堆焊前母材表面進(jìn)行100%磁粉檢測，電紅外預(yù)熱，直到進(jìn)行后熱處理。按表4焊接參數(shù)堆焊三層，堆焊位置為平焊，預(yù)熱≥125℃，層間溫度≤225℃。堆焊后立即進(jìn)行后熱處理，溫度≥200℃，時間≥2h。打磨堆焊層表面平整，進(jìn)行100%液體滲透檢查和100%超聲波檢查，而后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，熱處理保溫溫度為（610±5）℃，時間為16～16.5h，350℃以上加熱速度≤55℃/h，冷卻速度≤55℃/h，降到350℃以下靜止在空氣中冷卻。

（3）堆焊層檢測及性能試驗 試板熱處理后對堆焊層進(jìn)行100%液體滲透檢測和100%超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)缺陷。試樣解剖后進(jìn)行彎曲、化學(xué)成分分析、金相檢驗、硬度測定等試驗項目。試驗結(jié)果均滿足產(chǎn)品設(shè)計要求。

彎曲試驗：彎曲角度為180°。考核要求：無明顯的裂紋，單個裂紋、氣孔或夾渣≤3mm。

化學(xué)成分分析：在堆焊后試件表面打磨去0.5mm后以下2mm深度范圍內(nèi)取樣。分析結(jié)果如表6所示。

表4 熱絲TIG 堆焊焊接參數(shù)和氣體參數(shù)

表5 20MND5試板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表6 堆焊層熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

金相檢測：宏觀金相檢測照片如圖2所示，微觀金相檢測照片如圖3和圖4所示，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

硬度測定：三條硬度測量線均垂直于母材表層，其中之一通過堆焊層第一層的兩個焊道之間的搭接區(qū)（見圖5）?？己藰?biāo)準(zhǔn)：母材及熱影響區(qū)維氏硬度HV10≤350。測定結(jié)果如表7所示。

5.產(chǎn)品管板堆焊

基于上述一系列試驗，第三代核電EPR項目蒸汽發(fā)生器管板鎳基合金堆焊采用熱絲TIG焊進(jìn)行。管板一次側(cè)待堆焊面直徑約3 500mm，熱絲TIG堆焊系統(tǒng)主要設(shè)備為兩套Air Liquid Welding France公司的SAF—FRO熱絲TIG焊接設(shè)備，彼此相對布置。由于熱絲堆焊成形效果好、質(zhì)量穩(wěn)定，但堆焊效率低，為了縮短堆焊工作時間，使用雙機頭同時堆焊的形式，采用龍門架將兩個同樣的焊機聯(lián)系起來，可同時在一個工件上執(zhí)行聯(lián)動堆焊作業(yè)，也可單獨控制。

焊接過程中管板水平放置在專用的非速度控制型轉(zhuǎn)臺上，該轉(zhuǎn)臺可以通過在控制面板上輸入焊接位置數(shù)據(jù)來自動調(diào)節(jié)焊接速度，比傳統(tǒng)的速度型變位器更為靈活和準(zhǔn)確。大面積堆焊對工件已堆焊區(qū)域清潔度保護(hù)、保溫，待焊面清理、預(yù)熱，焊工保護(hù)，氣體保護(hù)都提出了更高的要求。由于整個產(chǎn)品堆焊過程持續(xù)時間長，工作量大，采取適當(dāng)措施如制作工裝固化工藝、參數(shù)記錄等，保證每班工人的堆焊質(zhì)量非常重要。

產(chǎn)品堆焊如圖6所示，自外向內(nèi)進(jìn)行，共堆焊4層，中心區(qū)域采用直道堆焊，每層堆焊厚度約為3mm。熱絲TIG堆焊過程中，焊道間搭接位置過渡平滑、均勻，焊道表面光潔，無咬邊現(xiàn)象，清潔度較好。焊道搭接位置基本不需要打磨就可以進(jìn)行下一道焊接。堆焊層焊后進(jìn)行100%液體滲透檢測和100%超聲波檢測，除個別位置出現(xiàn)點狀缺陷外，未發(fā)現(xiàn)其他超標(biāo)缺陷，一次性合格率高于99%。

6.結(jié)語

（1）為獲得高純度焊縫，提高管子-管板焊縫質(zhì)量，使焊縫產(chǎn)生缺陷的概率降低到最低水平，核電蒸汽發(fā)生器管板大面積鎳基合金堆焊可選擇熱絲TIG堆焊工藝。

（2）選用Inconel filler metal 52焊絲堆焊，可獲得化學(xué)成分和性能均滿足要求的堆焊金屬。

（3）要獲得優(yōu)質(zhì)堆焊層，焊前需徹底清理待焊面，保持焊絲清潔，焊接過程中需控制層間溫度；另外，還要定時更換鎢極，清理保護(hù)氣體過濾罩也是非常必要的。

圖2 堆焊層宏觀金相組織照片

圖3 垂直于堆焊層截面微觀照片

圖4 平行于堆焊層截面微觀照片

圖5 硬度測量線

表7 硬度測量結(jié)果（HV10）

圖6 管板熱絲TIG堆焊