孫國(guó)輝，　鄒迪婧，　謝彥武

(哈電集團(tuán)(秦皇島)重型裝備有限公司， 河北秦皇島 066206)

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鎳基690合金管子與管板焊接技術(shù)

孫國(guó)輝，鄒迪婧，謝彥武

(哈電集團(tuán)(秦皇島)重型裝備有限公司， 河北秦皇島 066206)

摘要：用試驗(yàn)方法研究了AP1000核電站蒸汽發(fā)生器鎳基690合金管子與管板焊縫焊接工藝.采用全位置自動(dòng)鎢極惰性氣體保護(hù)焊方法焊接，以95%Ar+5%H2作為焊接保護(hù)氣體，對(duì)每條焊縫的焊接參數(shù)分區(qū)段設(shè)置并采用單層單道自熔焊接工藝，獲得了滿(mǎn)意的焊接接頭質(zhì)量.對(duì)使用不同焊接保護(hù)氣體、不同焊接熱輸入焊接的管子管板焊縫截面進(jìn)行宏觀(guān)和微觀(guān)檢驗(yàn).結(jié)果表明：焊接電參數(shù)相同，焊接保護(hù)氣體不同，獲得的有效焊喉尺寸不同；增大焊接熱輸入，會(huì)使管子管板焊縫根部發(fā)生裂紋的概率明顯增大.

關(guān)鍵詞：管子管板焊； 鎳基690合金； 全位置TIG焊； 裂紋； 有效焊喉尺寸

核電蒸汽發(fā)生器屬于U形管式換熱器，是重要的核島設(shè)備，由蒸汽發(fā)生器造成的停堆事故居核電廠(chǎng)事故的首位[1].管子與管板的連接失效是換熱器最主要的失效形式[2].作為分隔蒸汽發(fā)生器一次側(cè)和二次側(cè)冷卻劑重要屏障的管子與管板焊縫，是設(shè)備制造和安裝過(guò)程中水壓試驗(yàn)最易發(fā)生泄漏的部位.管子與管板堆焊層使用了鎳基690合金，其性能優(yōu)良[3]，但焊接性較差，加之管子與管板的連接結(jié)構(gòu)特殊，導(dǎo)致焊接質(zhì)量不易控制，因此管子與管板焊接成為蒸汽發(fā)生器制造的關(guān)鍵技術(shù)之一[4-5].

筆者采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)方法焊接AP1000核電站蒸汽發(fā)生器管子與管板焊縫，并對(duì)焊接保護(hù)氣體、焊接電參數(shù)等對(duì)焊接質(zhì)量的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，最終確定適合產(chǎn)品焊接的管子與管板焊接工藝.將該工藝用于國(guó)產(chǎn)首臺(tái)AP1000蒸汽發(fā)生器產(chǎn)品的焊接，焊縫的液體滲透檢驗(yàn)(PT)和氦檢漏獲得很高的一次合格率，水壓試驗(yàn)無(wú)一泄漏.

1焊接特點(diǎn)

AP1000核電站首次在蒸汽發(fā)生器中采用了鎳基690換熱管和鎳基690管板堆焊層相焊的管子管板接頭形式，每臺(tái)蒸汽發(fā)生器有20 050個(gè)管子管板焊接接頭.與其他類(lèi)型核電站蒸汽發(fā)生器的鎳基600合金或不銹鋼焊縫相比，鎳基690合金焊接時(shí)具有更大的熱裂紋敏感性，同時(shí)AP1000蒸汽發(fā)生器的管子管板焊縫排布密集，接頭數(shù)量巨大，要求焊接工藝具有良好的穩(wěn)定性和可靠性.

對(duì)于鎳基690合金管子管板焊縫的焊接，如果使用大的焊接熱輸入，容易增加焊接時(shí)的熱裂紋傾向，但是如果焊接電參數(shù)過(guò)小，不能保證有效焊喉尺寸以及排除焊縫中的氣體和夾雜物.由于管子管板接頭的環(huán)向最大應(yīng)力位于焊縫根部[5]，因此易發(fā)生焊縫根部裂紋.目前，雖然管子管板焊縫的射線(xiàn)探傷方法已經(jīng)在部分生產(chǎn)實(shí)踐中得到應(yīng)用[6-7]，但是鎳基合金管子管板產(chǎn)品的焊縫根部裂紋還沒(méi)有有效的檢出方法.試驗(yàn)中只能對(duì)管子管板焊縫的剖面進(jìn)行金相檢驗(yàn)，檢查是否存在裂紋或其他缺陷，同時(shí)測(cè)量有效焊喉尺寸，在統(tǒng)計(jì)、分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上確定可靠的焊接工藝參數(shù)，以保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量.

2焊接工藝試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方案

AP1000蒸汽發(fā)生器管板堆焊層為鎳基690合金，堆焊層厚度為(6.4±1.6) mm，換熱管材質(zhì)為SB-163 UNS N06690，換熱管尺寸為內(nèi)徑17.48 mm、壁厚1.01 mm.換熱管與管板的接頭形式為平齊式，焊接前需進(jìn)行定位脹.焊前接頭形式及焊后要求如圖1所示，圖中“e”代表有效焊喉尺寸.

試驗(yàn)采用直流脈沖全位置TIG方法，自熔、單道焊接.試驗(yàn)材料、設(shè)備和焊縫接頭形式等均與AP1000蒸汽發(fā)生器產(chǎn)品一致.針對(duì)影響管子管板焊縫焊接質(zhì)量的主要因素進(jìn)行試驗(yàn)，檢驗(yàn)不同試驗(yàn)條件下的焊接接頭質(zhì)量，以確定最佳焊接工藝.

圖1　管子管板焊接接頭示意圖

2.2試件要求

試驗(yàn)用的管板試件SA-508Gr.3Cl.2鍛件的規(guī)格為400 mm×300 mm×100 mm，一側(cè)表面采用帶極埋弧焊方法堆焊EQNiCrFe-7A，即鎳基690合金.堆焊層厚度及無(wú)損檢測(cè)要求與產(chǎn)品相同.采用深孔鉆設(shè)備加工管板孔，管板孔的尺寸及分布要求見(jiàn)圖2.試件堆焊層及換熱管的化學(xué)成分列于表1.

管子與管板間采用橡膠脹方法定位，按照要求脹接長(zhǎng)度為18～32 mm，脹接后管內(nèi)徑應(yīng)≥15.50 mm，實(shí)際脹接后換熱管內(nèi)徑d均大于15.65 mm.定位脹的作用一是固定管端與管板的相對(duì)位置，二是消除管子外壁與管板孔的間隙.如果管端相對(duì)管板位置不滿(mǎn)足要求，或者脹接后間隙消除不徹底，將會(huì)影響焊縫尺寸，同時(shí)增加焊接缺陷發(fā)生的概率.

圖2　管板孔分布

位置w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)w(Cu)w(Cr)w(Ni)w(Mo)堆焊層0.0060.312.15<0.003<0.0010.0129.6455.940.01換熱管0.0180.310.280.015<0.0010.0429.2059.300.05位置w(Ti)w(Fe)w(Co)w(N)w(Cb(Nb)+Ta)w(B)w(Al)堆焊層0.079.70<0.0100.0122.050.0010.06換熱管0.269.600.0120.007<0.10<0.0010.14

2.3試驗(yàn)設(shè)備

采用管子管板焊接專(zhuān)用設(shè)備PS406型直流脈沖TIG焊電源.焊槍帶全封閉氣體保護(hù)罩，焊接過(guò)程中，通過(guò)預(yù)送氣將氣體保護(hù)罩中的空氣排出，使整個(gè)焊接區(qū)均處于焊接保護(hù)氣體的保護(hù)下(見(jiàn)圖3).通過(guò)調(diào)節(jié)鎢極與管壁的距離以及鎢極的高度，達(dá)到調(diào)節(jié)焊縫成形和電壓的目的.該焊槍因體積小，可以實(shí)現(xiàn)管板邊緣和靠近水室隔板短節(jié)處焊縫的自動(dòng)焊接.

2.4試件的焊接

裝配前和焊前應(yīng)對(duì)管子和管板進(jìn)行有效清潔，并在清潔的環(huán)境中施焊.本試驗(yàn)使用ASMEⅡ卷C篇SFA-5.12中EWCe-2(2%氧化鈰鎢)電極.鎢極直徑為1.6 mm，鎢極尖端角度為30°，頂部平臺(tái)直徑約0.1 mm.

圖3　焊槍圖片

2.4.1焊接熱輸入

試驗(yàn)中焊接熱輸入的改變主要通過(guò)調(diào)整峰值電流和焊接速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要焊接電參數(shù)見(jiàn)表2.

2.4.2焊接保護(hù)氣體

對(duì)于TIG焊，焊接保護(hù)氣體直接影響電弧穩(wěn)定性、熔深和焊縫形狀.高純度Ar是常用的焊接保護(hù)氣體，為了獲得比Ar保護(hù)下更大的熔深，試驗(yàn)中選用95%Ar+5%H2(即Ar體積分?jǐn)?shù)為95%，H2體積分?jǐn)?shù)為5%)混合氣體，以及電離電位較高的惰性氣體高純度He作為焊接保護(hù)氣體.

2.4.3焊接分區(qū)

為了克服焊接過(guò)程中重力和管板溫度變化對(duì)熔池的影響，保證不同焊接位置焊縫尺寸均滿(mǎn)足要求，將一周焊接參數(shù)分為5個(gè)區(qū)分別編程，控制焊接熱輸入，第5分區(qū)域?yàn)榇罱訁^(qū).起弧位置在11點(diǎn)(即焊槍轉(zhuǎn)動(dòng)的起點(diǎn))，設(shè)為0°，每個(gè)程序行走370°后開(kāi)始衰減，不同區(qū)段焊接熱輸入的變化不超過(guò)±10%.管子管板焊縫的焊接位置和對(duì)應(yīng)的焊接熱輸入見(jiàn)圖4.

圖4　管子管板焊接位置和焊接熱輸入關(guān)系圖

2.5取樣及檢驗(yàn)

試件焊后對(duì)焊接接頭進(jìn)行PT檢驗(yàn)，合格后解剖試件，制備宏觀(guān)試樣.試樣加工前使用機(jī)械方法，去除試件上焊縫周?chē)亩嘤嗖糠植⒑穸燃庸さ?3 mm，再采用線(xiàn)切割的方式分割試樣.試樣分割示意圖見(jiàn)圖5.每條焊縫取4個(gè)不同位置的檢驗(yàn)面，每個(gè)檢驗(yàn)面均采用磨床磨光，滿(mǎn)足金相檢驗(yàn)要求.10倍放大測(cè)量焊縫尺寸，并觀(guān)察焊接接頭是否存在缺陷.

圖5　試樣分割示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1保護(hù)氣種類(lèi)的影響

焊接保護(hù)氣是產(chǎn)生電弧的氣體介質(zhì)，不僅保護(hù)焊縫熔池，而且影響焊接過(guò)程的穩(wěn)定和焊接質(zhì)量.采用高純Ar、高純He以及95%Ar+5%H2混合氣體3種氣體作為焊接保護(hù)氣，焊接鎳基690管子管板焊縫，均可獲得滿(mǎn)意的焊縫表面質(zhì)量.表3為有效焊喉尺寸的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，采用不同焊接保護(hù)氣與焊接程序組合，每種組合焊接10個(gè)接頭，檢查40個(gè)剖面.由表3可知，使用表2中程序1焊接，純Ar保護(hù)下獲得的焊縫有效焊喉尺寸最小，純He保護(hù)下獲得的焊縫有效焊喉尺寸最大.如果使用純Ar保護(hù)焊接產(chǎn)品，必須增大焊接熱輸入(采用程序2)，以獲得滿(mǎn)足要求的有效焊喉尺寸.

表3不同保護(hù)氣焊后的有效焊喉尺寸

Tab.3Effective throat of weld obtained with different compositions of shielding gasmm

注：1)該組采用焊接程序2焊接.

在相同焊接電流、相同電弧長(zhǎng)度的情況下，使用95%Ar+5%H2作為保護(hù)氣體與使用純Ar作為保護(hù)氣體相比，電弧的電流密度提高，因此焊縫熔深增大，可獲得較大的有效焊喉尺寸.使用純He作為保護(hù)氣體，可獲得較高的電弧電壓和壓縮電弧，因此熔深最大[6].3種保護(hù)氣體相比，純He保護(hù)下焊接起弧困難，并且需要較大的氣體流量，經(jīng)濟(jì)性較差.純Ar保護(hù)時(shí)，增大焊接熱輸入可以獲得滿(mǎn)意的焊縫尺寸，但增大了裂紋產(chǎn)生概率.

3.2焊縫根部裂紋

檢驗(yàn)采用焊接程序1焊接的80個(gè)剖面，其中僅有1個(gè)檢驗(yàn)面根部發(fā)現(xiàn)微小裂紋；檢驗(yàn)采用焊接程序2焊接的試樣， 80個(gè)檢驗(yàn)剖面中有8個(gè)發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋圖片見(jiàn)圖6.上述宏觀(guān)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，當(dāng)焊接熱輸入增大到180 J/mm時(shí)，裂紋的產(chǎn)生概率明顯增大.

圖6　管子管板焊縫裂紋宏觀(guān)照片

由于鎳元素可以與許多元素形成低熔點(diǎn)共晶，焊縫結(jié)晶時(shí)在拉應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋[8]，因此鎳基690合金具有較高的裂紋敏感性.同時(shí)，在冶金因素一定的情況下，焊接熱輸入越大，晶粒長(zhǎng)大越明顯，晶界在液態(tài)存在的時(shí)間越長(zhǎng)，液化裂紋傾向就越大[9].其次，雜質(zhì)侵入焊接區(qū)會(huì)增大鎳基焊縫裂紋產(chǎn)生的概率.管子管板焊縫因最大環(huán)向應(yīng)力位于焊縫根部，故裂紋主要發(fā)生在焊縫根部，根部裂紋會(huì)減小有效焊喉尺寸，是禁止存在的焊接缺陷，并且在產(chǎn)品焊縫中很難被發(fā)現(xiàn).

3.3裂紋的微觀(guān)圖片

觀(guān)察帶有裂紋的微觀(guān)試樣可見(jiàn)，裂紋從換熱管與管板之間的間隙開(kāi)始，從焊縫根部沿管子管板焊縫熱影響區(qū)方向發(fā)生了拐折(見(jiàn)圖7).裂紋為沿晶裂紋，裂紋兩側(cè)有氧化的痕跡，說(shuō)明裂紋是在高溫下形成的.

4結(jié)論

(1) 采用自熔TIG焊和參數(shù)分區(qū)控制，可使管子與管板焊縫整周均勻，滿(mǎn)足焊縫尺寸要求.

(2) 采用95%Ar+5%H2作為焊接保護(hù)氣，有

圖7　裂紋微觀(guān)圖片

利于獲得優(yōu)良的焊縫成形和避免焊縫根部裂紋.

(3) 鎳基690合金管子管板焊接時(shí)，焊接熱輸入超過(guò)180 J/mm時(shí)，焊縫根部的開(kāi)裂概率明顯增大.

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Tube to Tubesheet Welding Technology of Nickel-based Alloy 690

SUNGuohui,ZOUDijing,XIEYanwu

(Harbin Electric Corporation (QHD) Heavy Equipment Co., Ltd.,Qinhuangdao 066206, Hebei Province, China)

Abstract：Tube to tubesheet welding technology of nickel-based alloy 690 was experimentally studied for the steam generator of AP1000 nuclear power stations. Using the process of all-position automatic inert-gas tungsten-arc welding, qualified weld joints were obtained in the single-layer single-pass self-fusion way with 95%Ar+5%H2 as the shielding gas, and by separately setting welding parameters for different sections of each weld. Meanwhile, macroscopic and microscopic inspections were also carried out to the tube to tubesheet joints welded with different compositions of shielding gas and different heat inputs. Results show that for same welding parameters, different shielding gas would result in different sizes of effective throat. The risk of root crack would increase with the rise of welding heat inputs.

Key words：tube to tubesheet welding; nickel-based alloy 690; all-position TIG welding; crack; effective throat of weld

收稿日期：2015-06-17

修訂日期：2015-07-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2010ZX06001-12)

作者簡(jiǎn)介：孫國(guó)輝(1964-),女，遼寧昌圖人，正高級(jí)工程師，碩士，主要從事核安全設(shè)備材料、焊接和制造技術(shù)方面的工作.

文章編號(hào)：1674-7607(2016)05-0411-05中圖分類(lèi)號(hào)：TG406

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類(lèi)號(hào)：430.15

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