保護氣體對管子-管板全位置TIG焊接接頭質量的影響

和廣慶，李翠翠，田洪志

(1.國核工程有限公司，上海 200233；2.中核集團中國中原對外工程有限公司，北京 100191)

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保護氣體對管子-管板全位置TIG焊接接頭質量的影響

和廣慶1，李翠翠2，田洪志1

(1.國核工程有限公司，上海 200233；2.中核集團中國中原對外工程有限公司，北京 100191)

摘要：結合核電AP1000蒸汽發生器產品結構，研究了管子-管板全位置TIG焊不同焊接保護氣體對焊道成形、焊喉尺寸的影響，研究了100%Ar保護下在較高熱輸入下焊接時焊縫根部裂紋的形貌和形成機理。結果表明：相同焊接工藝參數下，100%Ar保護下的焊道最窄，100%He保護下的焊道最寬，95%Ar+5%H2保護下的焊縫最光亮；100%He，95%Ar+5%H2，75%He+25%Ar保護下焊接形成焊縫的焊喉尺寸均滿足技術要求，AP1000蒸汽發生器管子-管板TIG焊采用95%Ar+5%H2保護氣體時其焊接質量較好;通過提高熱輸入并降低焊接速度，100%Ar保護下的有效焊喉尺寸可滿足技術要求，但焊縫根部出現裂紋的幾率增加，裂紋為高溫裂紋。

關鍵詞：管子-管板焊接接頭；全位置TIG焊；保護氣體；裂紋

0引言

蒸汽發生器管子-管板焊縫是核電廠一回路和二回路的密封邊界，設備制造廠和核電廠實踐經驗都證明，管子-管板焊縫是蒸汽發生器的薄弱環節和關鍵環節，其質量直接影響到設備的壽命和核電廠的安全穩定運行[1]。

隨著國內核電產業的發展，國內供應商逐步掌握了百萬千瓦級蒸汽發生器的制造工藝，但對管子-管板焊接工藝的研究不夠深入，在設備制造過程中管子-管板焊縫質量存在較多的不穩定因素，導致了較多的質量問題，對設備質量和工程建設造成了影響。

目前管子-管極焊接主要采用全位置鎢惰性氣體(TIG)焊接,其焊接質量的影響因素很多，如鎢極、焊槍的旋轉方式、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、保護氣體組成及氣體流量等，但針對某一變量對核電蒸汽發生器管子-管板焊接接頭質量的影響規律研究還不夠深入[2]，對此方面的研究報道不多見。為了探討保護氣體對TIG焊接質量的影響，作者研究了100%He，100%Ar，95%Ar+5%H2，75%He+25%Ar四種保護氣體對焊道成形和焊喉尺寸的影響，同時針對100%Ar保護下在較高的熱輸入下焊接時出現的微裂紋問題，對裂紋形貌進行了分析研究，優選出較佳的保護氣體，為實際生產提供參考。

1試樣制備與試驗方法

管板材料為AP1000蒸汽發生器所用的SA-508Gr.3Cl.2鋼，厚度為100 mm，先采用帶極埋弧焊堆焊方法在管板一側堆焊Inconel 690鎳基合金，堆焊層厚度7 mm，其化學成分見表1。換熱管材料為SB-163 UNS N06690鎳基合金，規格φ17.48 mm×1.01 mm，長度150 mm，其化學成分見表2。

表1　堆焊層化學成分(質量分數)

表2　換熱管化學成分(質量分數)

考慮鎢極為焊接機頭一個重要組成部分，在焊接過程起到引弧及維持電弧挺直度的關鍵作用[3]，而稀土鈰具有一定的抗燒損能力，并能防止鎢揮發而污染焊縫，因此，作者在試驗中采用了φ2.4 mm的摻鈰鎢極，形狀和尺寸見圖1，其中鈰質量分數為2%，錐體角度為20°～30°，頂部有0.3～0.5 mm平臺。

圖1　管子-管板TIG焊示意及鎢極形狀Fig.1　Schematic diagram of tube-tubesheet TIG weldingand shape of tungsten electrode

SA-508Gr.3Cl.2鋼管板在一次側堆焊后鉆孔，孔中心距約24.89 mm，每塊板上鉆約50個孔，焊前采用橡膠脹接定位管子，脹接長度18～32 mm，內徑不小于15.50 mm。

圖2　TS25焊槍Fig.2　TS25 welding torch

采用法國POLYSOUDE公司生產的管子-管板專用TIG焊接設備進行焊接，使用PS-254-2電源和TS25焊槍(見圖2)。該焊槍采用全封閉保護罩，焊接時，焊接接頭完全在氣體保護狀態下，因為沒有焊絲送進裝置和弧壓跟蹤反饋裝置，所以焊槍輕便靈活，但是起弧前需要較長的時間將氣體保護罩中的空氣排出，同時充滿保護氣體。

TIG焊的工藝性能受保護氣體的成分、物理和化學性能的影響[4]，導致在電弧穩定性、熔滴過渡、焊縫成形等方面的行為不同?？紤]鎳基合金的焊接特點，根據ASME SFA-5.32，分別選用100%Ar，95%Ar+5%H2，100%He，75%He+25%Ar(體積分數)四種氣體作為焊接保護氣體進行試驗，焊接參數見表3。

采用焊接工藝1，分別在四種保護氣體下各焊接至少7個接頭。由于100%Ar保護下焊接的焊縫熔深較淺，有效焊喉尺寸不能滿足要求，因此作者在試驗中增大熱輸入，采用焊接工藝2在100%Ar保護下重新焊接管子-管板。

焊接接頭首先進行無損滲透檢驗，檢測合格后，按圖3方向切割焊接接頭，每個接頭有四個檢測面。采用10%草酸溶液(質量分數)對檢測面進行腐蝕后，采用SZX16型體式顯微鏡進行宏觀檢測，并測

圖3　宏觀取樣和焊喉測量示意Fig.3　Schematic map of sampling (a) and welding throat measurement (b)

工藝峰值電流/A峰值時間/ms基值電流/A基值時間/ms焊接速度/(mm·min-1)氣體流量/(L·min-1)15610026100205142861003310019514

量接頭有效焊喉尺寸(要求不小于管壁厚的2/3)。

采用Axiovert 200 MAT型光學顯微鏡(OM)和Hitachi S4800型場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)對100%Ar保護下采用工藝2焊接后的焊接接頭檢測面上的宏觀裂紋進行觀察，同時采用附帶的能譜儀(EDS)對裂紋進行化學成分測定。

2試驗結果與討論

2.1　焊縫外觀質量

由圖4可見，在相同焊接參數下，在100%Ar保護下焊接時焊縫的焊道最窄，100%He保護下的焊道最寬，在75%He+25%Ar和95%Ar+5%H2混合氣體保護下的介于兩者之間；95%Ar+5%H2保護下的焊縫最光亮，其余氣體保護下的焊縫表面比較暗，這是因為還原性氣體H2的加入克服了鎳基金屬容易氧化的缺點,避免了氧化物的出現，因此焊縫表面較為光亮。在95%Ar+5%H2保護下的焊道比100%Ar保護下的寬，是因為H2的加入提高了焊道的潤濕程度，改善了熔池的流動性，使焊道截面加寬。

氦氣作為保護氣體時，要求較高的電弧電壓，在同樣的焊接電流下，其電弧熱輸入約為氬氣保護下的1.3倍[5]。從圖4可見，在100%He保護下進行焊接時，焊道最寬，但是焊縫成形相對不規則。

2.2　焊喉尺寸

由表4可見，在相同的焊接參數下焊接時，在100%He，95%Ar+5%H2，75%He+25%Ar三種氣體保護下焊縫的焊喉尺寸均大于0.7 mm，滿足焊喉的尺寸要求(不小于0.7 mm)；在100%He保護下的焊喉尺寸最大，為0.96 mm，95%Ar+5%H2和

圖4　不同氣體保護下管子-管板焊接接頭外觀形貌Fig.4　 Morphology of tube-tubesheet weld joint under various shield gases

焊喉尺寸工藝1工藝2100%He95%Ar+5%H2100%Ar75%He+25%Ar100%Ar測量值/mm0.99,0.97,0.94,0.940.92,0.88,0.85,0.890.66,0.65,0.70,0.680.89,0.91,0.87,0.900.88,0.93,0.90,0.93平均值/mm0.960.880.670.890.92

圖7　焊縫裂紋處SEM形貌及元素面掃描結果Fig.7　SEM morphology (a) and Ni(b), Si(c), O(d) element surface scan results of weld crack

大明顯，可能在晶界析出低熔點共晶物，晶界在液態存在的時間越長，液化裂紋傾向就越大[7]。

3結論

(1) 在相同的焊接參數下，100%He，95%Ar+5%H2，75%He+25%Ar保護下焊接形成焊縫的焊喉尺寸均大于0.7 mm，滿足焊喉尺寸要求；在100%He保護下的焊喉尺寸最大，為0.96 mm，95%Ar+5%H2和75%He+25%Ar保護下的次之。

(2) 在95%Ar+5%H2混合氣體保護下焊接時，焊縫成形良好，滿足焊喉尺寸要求，且焊縫較為光亮，適宜作為AP1000蒸汽發生器全位置TIG焊保護氣體。

(3) 在相對較低的焊接電流和高的焊接速度下，采用100%Ar保護焊接后的焊道最窄，焊喉尺寸不能滿足技術要求；提高熱輸入、降低焊接速度后，100%Ar保護下的焊喉尺寸滿足技術要求，但換熱管與管口根部出現裂紋幾率增加，裂紋為高溫裂紋;若采用此保護氣體，制定焊接工藝應控制熱輸入，降低焊接電流，減少高溫停留時間，增加焊接速度和送絲速度。

參考文獻：

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[3]張其先, 吳紹炳, 劉鳴宇, 等. 核電蒸汽發生器用國產化傳熱管焊接性能試驗研究[J]. 熱加工工藝, 2012, 41(23):159-162.

[4]CARY.現代焊接技術[M]. 陳茂愛, 王新洪, 陳俊華, 譯. 第六版. 北京:化學工業出版社, 2010:1-1.

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[7]史耀武. 中國材料工程大典:第22卷[M]. 北京：化學工業出版社, 2006.

75%He+25%Ar保護下的次之；在100%Ar保護下，采用焊接工藝1的焊喉尺寸為0.67 mm，不滿足技術要求，而采用焊接工藝2的焊喉尺寸達到0.92 mm，因此，在100%Ar保護下，需要提高焊接電流，降低焊接速度，才可以獲得滿足焊喉尺寸要求的焊接接頭。

雖然氦氣保護下的焊喉尺寸最大，但是由于氦氣起弧非常困難，用量較大，價格昂貴，同時氦氣的相對原子質量和密度小，受周圍空氣流動影響較大，容易出現氣孔，因此工業生產一般不會選擇100%He作為保護氣體。綜上，在管子-管板全位置TIG焊接中選擇95%Ar+5%H2保護較適宜。

2.3　工藝2的接頭質量

在100%Ar保護下采用工藝1進行焊接時，焊喉尺寸不能滿足要求；采用工藝2的焊喉尺寸雖達到了0.92 mm，但熱裂紋敏感性增大。

工藝1和工藝2相比，由于焊接熱輸入增加，焊縫根部出現裂紋的幾率明顯增大。采用工藝1焊接的試樣，90個試樣中僅有1個檢測面在焊縫根部出現微小裂紋;而采用工藝2焊接時，70個試樣中有6個檢測面發現裂紋。圖5為100%Ar保護下，采用工藝2焊接時焊縫中裂紋的宏觀形貌。

圖5　焊縫中裂紋的宏觀形貌Fig.5　 Macro-morphology of weld cracks

圖6　焊縫裂紋處的顯微形貌Fig.6　Micro-morphology of weld crack

圖6為圖5中裂紋尖端及其放大的裂紋形貌，A為管板一次側堆焊區域，B為換熱管區域，C為焊縫區域。由圖6可知，裂紋在換熱管與管口根部產生，向堆焊層內部擴展。

由圖7可以看出，在100%Ar保護下，采用工藝2焊接的接頭，其焊縫裂紋處不含硅元素，而氧元素明顯較多，說明裂紋中不存在含硅的夾雜物。同時，氧元素沿著整個裂紋分布，即整個裂紋均被氧化了，而不是局部存在氧化物夾雜，證明是高溫裂紋，即在高溫時，換熱管與管口根部在拉應力的作用下成為裂紋源，然后裂紋向堆焊層內部擴展。

由表5可以看出，裂紋處沒有夾雜物存在，但其中氧元素含量較高，說明裂紋是在換熱管與管口根部拉應力的作用下，在高溫時就已經形成了，其擴展與夾雜物無關。

表5　 焊縫中A點裂紋EDS分析結果

Inconel 690鎳基合金堆焊層具有較高的裂紋敏感性，裂紋的形成與多種因素有關。首先與冶金因素關系緊密，鎳可以與許多元素形成低熔點共晶相，焊縫金屬結晶速率越快，富鎳-鈮低熔點的共晶相在結晶過程越容易偏析于晶界或亞晶界，在金屬結晶產生拉應力作用下產生裂紋[6]。但在冶金因素一定的情況下，焊接工藝參數不當也容易產生結晶裂紋。焊接接頭的冷卻速率越大，所產生的應變速率也越大，因而結晶裂紋傾向增大，同時焊接熱輸入越大，晶粒長

圖７　焊縫裂紋處SEM 形貌及元素面掃描結果Fig敭７　SEM morphology a andNi b Si c O d elementsurfacescanresultsofweldcrack

Effect of Shield Gas on the Quality of Tube to Tubesheet Joint Welded

by All-Position TIG Welding

HE Guang-qing1, LI Cui-cui2, TIAN Hong-zhi1

(1.State Nuclear Power Engineer Co., Ltd., Shanghai 200233, China;

2.CNNC China Zhongyuan Engineer Corp., Beijing 100191, China)

Abstract:Based on the structure of AP1000 steam generator, the effects of various shield gases on the welding shape and throat dimension of tube to tubesheet joint welded by all-position TIG welding were studied. The morphology and forming mechanism of the cracks appeared during welding under 100%Ar gas and higher heat input were also studied. The results show that under the same welding parameters, the weld pass was the narrowest at the atmosphere of 100%Ar and the widest under 100%He gas. The weld surface was the brightest under 95%Ar+5%H2gas. The dimension of welding throat can meet with the technical requirements when welded under the atmosphere of 100%He，95%Ar+5%H2and 75%He+25%Ar. The optimum quality of tube to tubesheet joint was obtained when using TIG welding at the atmosphere of 95%Ar+5%H2. When improving heat input and lowering weld speed, the dimension of welding throat with 100%Ar could meet the technical requirements, but the probability of thermal cracks also increased. Those cracks were high temperature cracks.

Key words:tube to tubesheet welded joint; all-position TIG welding; shield gas; cracking

中圖分類號：TG44

文獻標志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)10-0070-04

作者簡介：和廣慶(1981-)，男，山東曹縣人，工程師，碩士。

收稿日期:2015-02-22；

修訂日期:2015-08-14

DOI:10.11973/jxgccl201510016