核電設備中的鎳基合金堆焊工藝

李雙燕， 張茂龍

(上海電氣核電設備有限公司， 上海 201306)

核電技術

核電設備中的鎳基合金堆焊工藝

李雙燕， 張茂龍

(上海電氣核電設備有限公司， 上海 201306)

從堆焊工藝原理、焊接設備、焊接材料、焊接參數方面介紹了四種不同核電蒸汽發生器管板堆焊方法，并對四種不同堆焊工藝進行了對比分析。結果表明：在管板鎳基合金堆焊方式的選擇上，雙熱絲等離子堆焊更具有優勢；Inconel 690鎳基合金雙熱絲等離子堆焊技術，可應用于核電設備的產品堆焊。

核電設備； 鎳基合金； 堆焊

核電站設備蒸汽發生器管板一回路側長期接觸帶有放射性和腐蝕性的載熱劑介質，若在表面上大面積堆焊鎳基合金，可以保證一定的耐腐蝕性。管板表面鎳基合金堆焊層的質量優劣關系到U形管與管板接頭的焊接質量。因此，管板堆焊工藝的選擇至關重要，一方面需要考慮管板堆焊的生產效率及堆焊層質量，另一方面需要考慮堆焊層的純凈度，以便后面工序中減少管子管板接頭焊縫的返修率。

Inconel 690鎳基合金材料焊接性比較差，熱裂紋敏感性高，堆焊金屬潤濕性差[1]，對氧化、高溫失塑裂紋(DDC)敏感。目前國內外在蒸汽發生器管板的大面積鎳基合金堆焊過程中，常采用的堆焊工藝為雙熱絲惰性氣體鎢極保護堆焊(TIG堆焊)、帶極電渣堆焊、帶極埋弧堆焊，但鎳基合金熱絲等離子堆焊的研究較少。

1 堆焊方法介紹

1.1帶極埋弧堆焊

圖1為帶極埋弧堆焊的原理示意圖。

圖1 帶極埋弧堆焊原理

埋弧焊是電極與工件之間產生的電弧由焊劑覆蓋的一種焊接技術，埋弧焊焊接熔池由焊劑形成渣保護，不受大氣侵入。帶極埋弧堆焊是指采用埋弧焊接技術將鋼帶及母材熔化形成焊縫，其主要特點有：熔敷效率高，生產效率高；焊接質量好，焊縫表面光潔；較高的熱輸入量；焊接工藝成熟；無輻射和噪聲，是一種安全、綠色的焊接方法。

帶極埋弧堆焊的焊接設備包括焊接操作機、焊接電源、行走機構、送帶機構、工作臺、帶極堆焊機頭、焊接控制器、控制系統及焊劑輸送回收系統等。帶極埋弧堆焊的焊接材料采用EQNiCrFe-7A類型與配套燒結型焊劑組合，常采用Inconel Weldstrip 52M焊帶及配套INCOFLUX SAS2焊劑，進行Inconel 690材料鎳基合金焊接。

帶極埋弧堆焊時需控制的焊接參數包括堆焊電流、堆焊電壓、堆焊速度。為保證焊接質量，每條焊道之間的搭邊量以及每層焊道之間的錯邊量需嚴格控制。為提高生產效率，埋弧焊帶尺寸一般選擇為60 mm×0.5 mm。表1為典型的焊接參數，圖2為產品的帶極埋弧堆焊照片。

表1 堆焊工藝參數

圖2 產品帶極埋弧堆焊

帶極埋弧堆焊層的典型金相組織見圖3。

圖3 帶極埋弧堆焊層的典型微觀金相組織

圖3中堆焊層為典型柱狀晶結構，靠近熔合線的低合金鋼母材熱影響區為粗晶區，粗晶區寬度很小，在熱影響區的大部分區域的組織已細化。

1.2帶極電渣堆焊

帶極電渣堆焊采用的是電渣熔焊方法，它是在帶極埋弧堆焊和電渣焊的技術基礎上發展起來的。它的熔化原理與電渣焊相同，即焊劑因電弧熱而熔化形成熔渣，熔渣的導電率較高且大于電弧的導電率，電流將直接流過熔渣進入工件，起焊時引燃的電弧則隨之被熄滅。電流流過熔渣產生電阻熱電阻熱用于熔化帶材、母材和新加入的焊劑及維持渣池的熔化狀態。金屬熔池位于渣池下面從而得到保護。與帶極埋弧堆焊不同，焊劑粉末只在帶極的前方送入。圖4是帶極電渣堆焊的原理示意圖。

圖4 帶極電渣堆焊的原理示意

與帶極埋弧堆焊相比，帶極電渣堆焊的特點有：熔敷效率更高，生產效率更高；熔深淺，母材稀釋率低；焊接電流大，熱輸入量較埋弧焊更大；需要使用磁控裝置；單側焊劑供給，相對埋弧焊的焊劑消耗更少。

帶極電渣堆焊的焊接設備與帶極埋弧堆焊基本相同，采用60 mm寬度焊帶進行帶極電渣堆焊時，電流高于1 000 A，由焊接電流感應磁場而所產生的電磁力產生的磁收縮效應十分明顯，因此必須采用外加輔助磁場，使用專用的磁控裝置來盡量抵消堆焊行進過程中自動產生的電磁場，從而克服咬邊和改善焊道外觀成型。帶極電渣堆焊時需控制的焊接參數與帶極埋弧堆焊基本相同，由于增加了磁控裝置，堆焊時還需調節磁極參數。一般南北兩磁極分別置于帶極兩側，橫向距焊帶邊緣10～20 mm，縱向略靠焊帶后(沿焊接方向)3～8 mm，垂直方向磁極離焊件表面10～20 mm。同時，必須選擇合理的磁控電流大小，外加磁場太強或太弱均會影響堆焊焊道的成形，實際焊接時N極電流應大于S極電流[2]。

帶極電渣堆焊采用的焊接材料型號為EQNiCrFe-7A，與配套燒結型焊劑組合。為提高生產效率，埋弧焊帶尺寸一般選擇為60 mm×0.5 mm。表2為典型的焊接參數，圖5為產品的帶極電渣堆焊照片。

表2 堆焊工藝參數

圖5 產品帶極電渣堆焊照片

帶極電渣堆焊層的典型金相組織照片見圖6。

圖6 帶極電渣堆焊層的典型微觀金相組織

從金相照片中可以看出堆焊層為典型的柱狀晶結構，主要組織為奧氏體。低合金鋼母材熱影響區分為粗晶區和細晶區，在靠近熔合線的區域，晶粒比較粗大，其他區域由于后續層堆焊時會對第一層堆焊時產生的熱影響區粗大晶粒有細化作用，堆焊試件經歷了焊后熱處理之后熱影響區的其他大部分區域的晶粒和組織大大細化。

1.3熱絲TIG堆焊

熱絲TIG焊技術是在普通TIG焊的基礎上對焊絲進行預熱，以提高熱輸入量，加快焊絲和母材的熔化速度，提高熔敷率，調整焊接熔池的熱輸入量，降低母材的稀釋率，同時仍具有TIG焊高品質焊縫的特點。熱絲TIG焊的基本原理見圖7，其生產效率可達常規TIG焊的3倍以上。

圖7 熱絲TIG焊基本原理

熱絲TIG自動堆焊的焊絲熔敷系數高，熔合比小，母材稀釋率低，焊縫成形美觀，焊縫金屬雜質含量少，可顯著減少焊縫咬邊概率。選用合理的熱絲TIG焊焊接工藝參數，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。

熱絲TIG堆焊的焊接設備可采用SAF-FRO熱絲TIG堆焊專機，包括機頭、焊槍、焊機電源、焊接系統和控制系統。堆焊材料采用類別為ERNiCrFe-7A，牌號為Inconel Filler Metal 52M的鎢極氬弧焊絲，焊絲直徑選用1.2 mm[3]。

針對Inconel 690鎳基合金特點，在熱絲TIG堆焊時需選擇合適的保護方式和保護氣體成分，以及嚴格控制焊接電流、焊接速度、熱絲電流、送絲速度、焊道間搭接量等工藝參數，才能達到宏微觀金相檢驗、無損探傷和彎曲試驗要求，保證各項性能的指標。選用1.2 mm ERNiCrFe-7A焊絲堆焊時的典型最佳焊接參數見表3。

表3 堆焊工藝參數

熱絲TIG自動堆焊時，每條焊道之間的搭接量非常重要。搭接量過小，會造成焊縫表面不平整，出現咬邊等缺陷；搭接量過大，會造成堆焊層過厚，熔合線附近容易出現夾渣、氣孔等缺陷。根據工程經驗，每條焊道之間的搭接量至少為焊道寬度的50%最為合適。圖8為產品的雙熱絲TIG堆焊照片。

圖8 產品熱絲TIG堆焊

熱絲TIG堆焊層的典型金相組織見圖9。

圖9 熱絲TIG堆焊層的典型微觀金相組織

圖9中堆焊層靠近熔合線的熱影響區寬度很小，堆焊層組織非常細小，結構致密。堆焊接頭熔合良好，未發現氣孔等缺陷。

1.4熱絲等離子堆焊

等離子弧堆焊是利用聯合型等離子弧或轉移型等離子弧作為熱源，以焊絲或合金粉末作為填充金屬的一種堆焊工藝。與其他常規堆焊熱源相比，等離子弧溫度高、能量集中、燃燒穩定，能迅速而順利地堆焊難熔材料。由于堆焊材料的送進和等離子弧參數的調節是獨立的，所以稀釋率和表面形狀較容易控制，稀釋率最低可達5%，堆焊層厚度為0.5～8.0 mm[1]。

熱絲等離子弧堆焊時，采用單獨預熱電源，利用電流通過焊絲所產生的電阻熱預熱焊絲，再將其送入等離子弧區進行堆焊，可用單絲或雙絲自動送進。由于焊絲預熱，使熔覆率的提高和稀釋率的降低非常明顯，并且可去除焊絲表面的水分，減少堆焊層的氣孔。雙熱絲等離子弧堆焊適用于大面積自動堆焊，常用于壓力容器內壁的堆焊，常堆焊不銹鋼、鎳基合金等材料，而用于核電設備中大面積鎳基合金堆焊較少。雙熱絲等離子弧堆焊示意圖見圖10，國外雙熱絲等離子弧堆焊產品照片見圖11。

1—工件；2—等離子弧直流電源；3—等離子槍；4—氣體保護拖罩；5—焊絲預熱夾頭；6—送絲電動機；7—填充焊絲；8—預熱交流電源。

圖10 雙熱絲等離子堆焊原理

圖11 產品雙熱絲等離子堆焊

熱絲等離子弧堆焊設備包括兩套電源，即熱絲電源和等離子弧電源。熱絲等離子弧堆焊時，需控制的工藝參數，包括等離子弧焊接的工藝參數(等離子弧的電流、電壓、保護氣體等)，以及熱絲的工藝參數(熱絲電流、熱絲電壓、熱絲送絲速度等)。堆焊材料可選擇型號為ERNiCrFe-7A的焊絲，尺寸為d=1.2 mm或d=1.6 mm。在低合金鋼鍛件SA508 Gr3 Cl2上，選用Inconel Filler Metal 52M的焊絲，進行雙熱絲等離子堆焊工藝試驗。試驗結果顯示堆焊層PT檢查、UT檢查、彎曲試驗、宏微觀金相檢驗、化學成分分析等各項性能指標均滿足設計要求。采用焊絲擺動焊接時，焊接熔敷速率非常高，可達每小時熔敷15 kg，其熔敷速率達到了帶極堆焊的熔敷速率。由于等離子堆焊技術具有熔敷率高、稀釋率低、焊材消耗少的特點，因此雙熱絲等離子堆焊技術可以進行開發，用于核電設備Inconel 690鎳基合金堆焊，得到稀釋率低、熔深淺、成型良好的堆焊層。

2 分析

通過選取合適的堆焊參數，采用帶極埋弧堆焊、帶極電渣堆焊、熱絲TIG堆焊、雙熱絲等離子堆焊等四種不同堆焊工藝方法進行Inconel 690鎳基合金堆焊，堆焊層的無損檢測結果和理化試驗結果，均能滿足管板堆焊的技術要求，且均能獲得性能良好的焊縫(見表4)。

表4 四種堆焊方法工藝對比

四種堆焊方法中帶極埋弧堆焊和帶極電渣堆焊屬于焊帶堆焊，熱絲TIG堆焊和雙熱絲等離子堆焊屬于焊絲堆焊。根據表4中的對比結果可知：從焊接熱輸入量來看，焊絲堆焊的焊接熱輸入量比焊帶堆焊的??；從熔敷速率來看，帶極堆焊比焊絲堆焊的高，但雙熱絲等離子堆焊的熔敷速率已經達到了帶極堆焊的熔敷速率；從母材稀釋率來看，雙熱絲等離子堆焊最??；從單個焊道的厚度尺寸來看，雙熱絲等離子堆焊最大；從U形管與管板接頭的焊接質量考慮，焊絲堆焊層的純凈度高于焊帶堆焊層的純凈度。

四種堆焊方法綜合對比后，從生產效率、堆焊層質量、堆焊層純凈度、減少管子管板接頭焊縫返修率等方面綜合考慮，在管板鎳基合金堆焊方式的選擇上，雙熱絲等離子堆焊比其他三種更具有優勢。

3 結語

在低合金鋼SA508 Gr3 Cl2鍛件上分別采用Inconel 690鎳基合金焊接材料進行產品帶極埋弧堆焊、產品帶極電渣堆焊、產品熱絲TIG堆焊、雙熱絲等離子堆焊工藝試驗，四種不同堆焊工藝獲得的堆焊層質量均能滿足管板堆焊的技術要求。從生產效率、堆焊層質量、堆焊層純凈度、減少管子管板接頭焊縫返修率等方面綜合考慮，在管板大面積鎳基合金堆焊方式的選擇上，雙熱絲等離子堆焊更具有優勢。選擇合適的工藝規范，雙熱絲等離子堆焊可得到稀釋率低、熔深淺、成型良好的堆焊層。雙熱絲等離子堆焊技術可以進行開發，并應用于核電設備的產品堆焊。

[1] 中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊[M]. 3版. 北京: 機械工業出版社, 2008.

[2] 李雙燕. 核電設備中的鎳基合金帶極電渣堆焊[J]. 壓力容器, 2011, 28(3): 33-37.

[3] 李雙燕. 核電設備中的Inconel 690鎳基合金熱絲TIG堆焊技術[J]. 金屬加工(熱加工), 2014(16): 56-59.

ApplicationofNickel-basedAlloyCladdingTechnologyinManufactureofNuclearPowerEquipment

Li Shuangyan, Zhang Maolong

(Shanghai Electric Nuclear Power Equipment Co., Ltd., Shanghai 201306, China)

A comparative analysis was conducted on four different cladding technologies for nuclear steam generator with tube-tubesheet joints from the aspects of welding technology, welding equipment, welding consumables and welding parameters. Results show that the dual-hot wires gas-metal plasma arc cladding technology is prevailing in the welding of nickel-based alloy tube-tubesheet joints, which can be used in actual cladding of nuclear power equipment products made of Inconel 690 nickel-based alloy.

nuclear power equipment; nickel-based alloy; cladding

2017-02-14；

2017-02-22

李雙燕(1978—)，男，工程師，主要從事核電設備和化工壓力容器焊接與熱處理技術工作。E-mail: lishy@shanghai-electric.com

TM 623.91; TL 353.13

A

1671-086X(2017)06-0411-05