鎳基690合金管子與管板焊接技術

孫國輝，　鄒迪婧，　謝彥武

(哈電集團(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

孫國輝，鄒迪婧，謝彥武

(哈電集團(秦皇島)重型裝備有限公司， 河北秦皇島 066206)

摘要：用試驗方法研究了AP1000核電站蒸汽發生器鎳基690合金管子與管板焊縫焊接工藝.采用全位置自動鎢極惰性氣體保護焊方法焊接，以95%Ar+5%H2作為焊接保護氣體，對每條焊縫的焊接參數分區段設置并采用單層單道自熔焊接工藝，獲得了滿意的焊接接頭質量.對使用不同焊接保護氣體、不同焊接熱輸入焊接的管子管板焊縫截面進行宏觀和微觀檢驗.結果表明：焊接電參數相同，焊接保護氣體不同，獲得的有效焊喉尺寸不同；增大焊接熱輸入，會使管子管板焊縫根部發生裂紋的概率明顯增大.

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

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

筆者采用鎢極惰性氣體保護焊(TIG)方法焊接AP1000核電站蒸汽發生器管子與管板焊縫，并對焊接保護氣體、焊接電參數等對焊接質量的影響進行試驗研究，最終確定適合產品焊接的管子與管板焊接工藝.將該工藝用于國產首臺AP1000蒸汽發生器產品的焊接，焊縫的液體滲透檢驗(PT)和氦檢漏獲得很高的一次合格率，水壓試驗無一泄漏.

1焊接特點

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

對于鎳基690合金管子管板焊縫的焊接，如果使用大的焊接熱輸入，容易增加焊接時的熱裂紋傾向，但是如果焊接電參數過小，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向最大應力位于焊縫根部[5]，因此易發生焊縫根部裂紋.目前，雖然管子管板焊縫的射線探傷方法已經在部分生產實踐中得到應用[6-7]，但是鎳基合金管子管板產品的焊縫根部裂紋還沒有有效的檢出方法.試驗中只能對管子管板焊縫的剖面進行金相檢驗，檢查是否存在裂紋或其他缺陷，同時測量有效焊喉尺寸，在統計、分析試驗數據的基礎上確定可靠的焊接工藝參數，以保證產品的焊接質量.

2焊接工藝試驗

2.1試驗方案

AP1000蒸汽發生器管板堆焊層為鎳基690合金，堆焊層厚度為(6.4±1.6) mm，換熱管材質為SB-163 UNS N06690，換熱管尺寸為內徑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.

試驗采用直流脈沖全位置TIG方法，自熔、單道焊接.試驗材料、設備和焊縫接頭形式等均與AP1000蒸汽發生器產品一致.針對影響管子管板焊縫焊接質量的主要因素進行試驗，檢驗不同試驗條件下的焊接接頭質量，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

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

管子與管板間采用橡膠脹方法定位，按照要求脹接長度為18～32 mm，脹接后管內徑應≥15.50 mm，實際脹接后換熱管內徑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位置，二是消除管子外壁與管板孔的間隙.如果管端相對管板位置不滿足要求，或者脹接后間隙消除不徹底，將會影響焊縫尺寸，同時增加焊接缺陷發生的概率.

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試驗設備

采用管子管板焊接專用設備PS406型直流脈沖TIG焊電源.焊槍帶全封閉氣體保護罩，焊接過程中，通過預送氣將氣體保護罩中的空氣排出，使整個焊接區均處于焊接保護氣體的保護下(見圖3).通過調節鎢極與管壁的距離以及鎢極的高度，達到調節焊縫成形和電壓的目的.該焊槍因體積小，可以實現管板邊緣和靠近水室隔板短節處焊縫的自動焊接.

2.4試件的焊接

裝配前和焊前應對管子和管板進行有效清潔，并在清潔的環境中施焊.本試驗使用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°，頂部平臺直徑約0.1 mm.

圖3　焊槍圖片

2.4.1焊接熱輸入

試驗中焊接熱輸入的改變主要通過調整峰值電流和焊接速度來實現，主要焊接電參數見表2.

2.4.2焊接保護氣體

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

2.4.3焊接分區

為了克服焊接過程中重力和管板溫度變化對熔池的影響，保證不同焊接位置焊縫尺寸均滿足要求，將一周焊接參數分為5個區分別編程，控制焊接熱輸入，第5分區域為搭接區.起弧位置在11點(即焊槍轉動的起點)，設為0°，每個程序行走370°后開始衰減，不同區段焊接熱輸入的變化不超過±10%.管子管板焊縫的焊接位置和對應的焊接熱輸入見圖4.

圖4　管子管板焊接位置和焊接熱輸入關系圖

2.5取樣及檢驗

試件焊后對焊接接頭進行PT檢驗，合格后解剖試件，制備宏觀試樣.試樣加工前使用機械方法，去除試件上焊縫周圍的多余部分并將厚度加工到13 mm，再采用線切割的方式分割試樣.試樣分割示意圖見圖5.每條焊縫取4個不同位置的檢驗面，每個檢驗面均采用磨床磨光，滿足金相檢驗要求.10倍放大測量焊縫尺寸，并觀察焊接接頭是否存在缺陷.

圖5　試樣分割示意圖

3 試驗結果及分析

3.1保護氣種類的影響

焊接保護氣是產生電弧的氣體介質，不僅保護焊縫熔池，而且影響焊接過程的穩定和焊接質量.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氣，焊接鎳基690管子管板焊縫，均可獲得滿意的焊縫表面質量.表3為有效焊喉尺寸的統計結果，采用不同焊接保護氣與焊接程序組合，每種組合焊接10個接頭，檢查40個剖面.由表3可知，使用表2中程序1焊接，純Ar保護下獲得的焊縫有效焊喉尺寸最小，純He保護下獲得的焊縫有效焊喉尺寸最大.如果使用純Ar保護焊接產品，必須增大焊接熱輸入(采用程序2)，以獲得滿足要求的有效焊喉尺寸.

表3不同保護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、相同電弧長度的情況下，使用95%Ar+5%H2作為保護氣體與使用純Ar作為保護氣體相比，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種保護氣體相比，純He保護下焊接起弧困難，并且需要較大的氣體流量，經濟性較差.純Ar保護時，增大焊接熱輸入可以獲得滿意的焊縫尺寸，但增大了裂紋產生概率.

3.2焊縫根部裂紋

檢驗采用焊接程序1焊接的80個剖面，其中僅有1個檢驗面根部發現微小裂紋；檢驗采用焊接程序2焊接的試樣， 80個檢驗剖面中有8個發現裂紋，裂紋圖片見圖6.上述宏觀檢驗數據統計結果表明，當焊接熱輸入增大到180 J/mm時，裂紋的產生概率明顯增大.

圖6　管子管板焊縫裂紋宏觀照片

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

3.3裂紋的微觀圖片

觀察帶有裂紋的微觀試樣可見，裂紋從換熱管與管板之間的間隙開始，從焊縫根部沿管子管板焊縫熱影響區方向發生了拐折(見圖7).裂紋為沿晶裂紋，裂紋兩側有氧化的痕跡，說明裂紋是在高溫下形成的.

4結論

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

(2) 采用95%Ar+5%H2作為焊接保護氣，有

圖7　裂紋微觀圖片

利于獲得優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，焊接熱輸入超過180 J/mm時，焊縫根部的開裂概率明顯增大.

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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

基金項目：國家科技重大專項基金資助項目(2010ZX06001-12)

作者簡介：孫國輝(1964-),女，遼寧昌圖人，正高級工程師，碩士，主要從事核安全設備材料、焊接和制造技術方面的工作.

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

文獻標志碼：A學科分類號：430.15

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