Inconel 690傳熱管GTAW對接焊接頭組織及力學性能研究

喬建毅 葉亮 劉遠彬 楊小杰 張國迅

摘要：對Inconel 690傳熱管材進行鎢極氣體保護焊（GTAW）對接焊，采用拉伸試驗機、壓扁試驗機和光學顯微鏡測試和分析傳熱管焊接接頭，同時利用ANSYS軟件開展焊接接頭在設計工況失壓時的一次應力強度校核。研究結果表明：焊縫中心為樹枝胞狀晶，熔合線附近為粗大柱狀晶。室溫時接頭的平均抗拉強度為619 MPa，平均屈服強度為292 MPa，350 ℃時接頭平均抗拉強度為475 MPa，平均屈服強度為206 MPa，拉伸接頭斷裂從熔合區開始貫穿整個焊縫組織，呈塑性斷裂。壓扁試驗和反向壓扁試驗結果表明管接頭完好。通過ANSYS分析可知，設計工況下傳熱管接頭350 ℃許用應力強度150 MPa限值可滿足其一次應力強度要求，且裕量較大。

關鍵詞：Inconel 690鎳基合金;GTAW;焊接接頭;一次應力強度;塑性斷裂

中圖分類號：TG422? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）03-0089-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.16

0? ? 前言

Inconel 690鎳基合金具有顯著的抗氧化、耐腐蝕性能，廣泛應用于耐腐蝕關鍵部件。但是在實際焊接過程中，由于其電阻率較高、線膨脹系數大、導熱率低，焊接接頭中會產生較大的焊接應力，容易產生焊接變形，同時鎳屬于單相組織，焊接時容易產生焊接熱裂紋、焊接氣孔、夾渣、晶間腐蝕等焊接缺陷，Inconel 690鎳基合金焊接難度極大。掌握Inconel 690鎳基合金材料特性和焊接特點對于其焊接是非常必要的[1]。

由于690合金材料成分處于應力腐蝕開裂免疫區，所以目前全世界各國核電站都相繼采用其作為蒸發器耐腐蝕材料，其應用已較為成熟，例如：我國的大亞灣核電站/嶺澳核電站和秦山二期核電站的蒸汽發生器傳熱管材料采用了690合金;法國FRMATOME已在新的設計中采用690合金代替600合金作為耐蝕材料[2]。目前熱交換器的傳熱管基本是通過冷軋直接成型，冷軋設備的制造能力在一定程度上限制了傳熱管的長度，而大長度傳熱管的連接方式一般采用焊接，在國外的大型熱交換器中已有使用，國內對此研究較少，工程上的應用也較少。文中通過研究Inconel 690鎳基合金傳熱管GTAW對接焊接頭組織及力學性能，以期為將來工程應用積累寶貴的經驗，同時為傳熱管的焊接提供工藝參考和理論支持。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為SB-163 N06690TT管材。傳熱管規格為φ19 mm×2.5 mm，傳熱管材的化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。

焊接材料采用熔化嵌環，如圖1所示，熔化嵌環直接從母材中截取制備，其化學成分和力學性能與母材一致。熔化嵌環的寬度約為3 mm，厚度略大于管材厚度。

1.2 試驗方法

采用鎢極氣體保護焊（GTAW）對Inconel 690TT傳熱管管材進行對接焊，使用POLYSOUDE PC600 電源+L型機頭（見圖2），焊接時管與管之間帶熔化襯環，焊接位置為水平固定全位置。焊縫正背面均采用氣體保護，正面保護氣體為純度99.999%的氦氣，背面保護氣體為99.999%的氬氣，焊接工藝參數如下：直流正接，一元化脈沖，基值電流19～25 A，峰值電流38.9～45.8 A，峰值脈沖時間180～200 ms，基值脈沖時間280～300 ms，電壓15～22 V，焊接速度9.1～9.5 cm/min，氣體流量均為10～20 L/min。最大熱輸入0.7 kJ/min，鎢極直徑φ1.6 mm。

采用機械方法將管材坡口加工成Ⅰ型坡口，坡口表面粗糙度Ra≤6.3 μm，焊前進行PT檢測。制定了專用工裝夾具（見圖3）進行裝配固定，保證錯邊量不大于0.1 mm。

根據ASME BPVC Ⅸ卷QW-462.1要求，制備室溫和350 ℃各2組小直徑管全截面拉伸試樣如圖4所示。按照AWS B4.0/B4.0M和ASTM E21進行室溫和高溫試驗[4-5]。

根據ASME BPVC SA-450/SA-450M的要求，制備2段長100 mm的成品焊接試樣，分別進行壓扁試驗和反向壓扁試驗。按照ASTM-A751進行焊縫的化學成分分析[6]。按照ASTM E340和ASTM E407要求，焊縫接頭采用10%草酸水溶液電解腐蝕后，分別進行宏觀和微觀金相檢測[7-8]。

2 結果和分析

2.1 焊接接頭的力學性能

室溫和350 ℃傳熱管接頭的抗拉強度（Rm）和屈服強度（Rp0.2）如表3所示，室溫時接頭的平均抗拉強度為619 MPa，平均屈服強度為293 MPa，平均斷后伸長率為24%;350 ℃時接頭的平均抗拉強度為475 MPa，平均屈服強度為206 MPa，平均斷后伸長率為23%。接頭斷裂從熔合區開始貫穿整個焊縫組織，呈塑性斷裂，拉伸斷裂接頭如圖5所示。這說明焊縫為接頭的薄弱環節，力學性能較母材差。

壓扁試驗：將焊接管的焊縫置于與加載力方向成90°的位置（最大彎曲點處）。第一步是延性試驗，將試樣一直壓到板間距H小于7.6 mm時，在焊接管試樣的內外表面，無裂紋或破裂;第二步是完整性試驗，壓扁繼續進行，直到試樣破裂或管子相對兩壁相碰，壓扁試件完好。

反向壓扁試驗：在焊縫兩側90°處縱向剖開，對試樣進行壓扁，使得焊縫處在最大彎曲點上，焊縫處未出現裂紋、未焊透或疊層等痕跡，反向壓扁試件完好。

2.2 傳熱管接頭焊縫的無損檢測和通球率檢測

接頭通過無損檢測（VT、DT、PT和RT）都合格，管內焊縫內凸平均值≤0.2 mm，且最大值≤0.3 mm，管外焊縫無凹陷。焊縫管通球率檢測如圖6所示，通球直徑φ13.4 mm，焊縫內凸檢測率合格。

2.3 接頭的宏觀形貌和顯微組織

傳熱管焊縫的化學成分如表4所示，滿足ASME規范相關要求[9]，在母材化學成分要求范圍內。說明了焊接過程中焊縫熔覆金屬燒損很少，熔覆率高。

傳熱管接頭整體橫截面的宏觀形貌和顯微組織如圖7所示，焊縫與母材完全熔合，焊縫無裂紋、夾雜、氣孔等缺陷。焊縫熔合線清晰，附近為沿熔合線垂直生長的粗大柱狀晶，焊縫中心為樹枝胞狀晶。熔合區晶粒粗大，這是由于傳熱管的導熱性較差，晶粒長大速度較快，所以熔合區晶粒有明顯增大，這也說明了接頭斷裂始于熔合區并貫穿整個焊縫的原因。

焊縫無顯微裂紋和影響接頭性能的沉淀物，由焊縫的化學成分可知（見表4）合金Cr含量較高，約為30%，Cr可以防止晶界碳化物的析出，從而避免晶界附近產生缺Cr現象，提高抗氧化的能力。

2.4 焊接接頭的力學強度校核

接頭斷裂在焊縫，由此可判斷焊縫力學性能較母材差。傳熱管接頭應用環境是高溫高壓，傳熱管材料（SB-163 N06690）在高溫下的許用應力強度為161 MPa[10]，而目前焊接工藝下接頭在高溫下的許用應力強度為150 MPa，低于兩側母材的許用應力強度，不滿足ASME BPVC第Ⅸ卷的焊縫抗拉強度不小于母材抗拉強度的要求。文中基于ANSYS17.1軟件，開展焊接接頭在設計工況下一次側或二次側失壓時的一次應力強度校核。傳熱管SB-163 N06690的物理性能如表5所示，傳熱管本體材料和焊縫強度參數如表6所示。

在實際應用中含多層螺旋傳熱管，每根螺旋傳熱管中間通過焊接連接，不同傳熱管之間螺旋半徑不同。單根最內層傳熱管幾何模型示意如圖8所示。

2.4.1 傳熱管對接焊縫分析模型

對于傳熱管之間的焊接接頭，同時評價最內側與最外側傳熱管，分別對應最小與最大螺旋直徑。此外，還考慮螺旋管橫截面0%橢圓度和最大7%橢圓度的兩種極限條件。對于螺旋傳熱盤管，可截取焊縫兩側足夠長的一段管道作為邊界進行分析。模型采用Solid186單元劃分網格，螺旋管兩側端部固定約束，其有限元模型如圖9、圖10所示。計算載荷僅考慮壓力載荷。設計工況載荷如表7所示。

2.4.2 對接焊縫力學分析結果

設計工況下傳熱管對接焊縫應力強度云圖如表8所示。對于圓形截面，沿壁厚取任一徑向路徑為評定路徑;對于橢圓截面，保守考慮，在長軸方向沿壁厚取評定路徑，具體如圖11所示。

根據ASME BPVC第Ⅲ卷第1冊NB-3221的要求，在設計工況下評定準則如下：總體一次薄膜應力強度Pm≤Sm;局部一次薄膜應力強度Pl≤1.5Sm;一次薄膜+一次彎曲應力強度 Pm（Pl）+Pb≤1.5Sm;Pm為總體一次薄膜應力強度，Pl為局部一次薄膜應力強度，Pb為一次彎曲應力強度，Sm為許用應力強度。

計算結果如表9所示，設計工況下焊縫一次應力強度滿足應力限值要求。

3 結論

（1）采用鎢極氣體保護焊方法對Inconel 690傳熱管材進行熔化嵌環對接焊，獲得的焊縫接頭成形良好，焊接過程中焊縫熔覆金屬燒損很少，熔覆率高，管內焊縫內凸平均值≤0.2 mm。焊縫中心為樹枝胞狀晶，熔合線附近為粗大柱狀晶，焊縫無顯微裂紋和影響接頭性能的沉淀物。

（2）室溫時接頭的平均抗拉強度為619 MPa，平均屈服強度為292 MPa，350 ℃時接頭平均抗拉強度為475 MPa，平均屈服強度為206 MPa，拉伸接頭斷裂從熔合區開始貫穿整個焊縫組織，呈塑性斷裂。壓扁試驗和反向壓扁試驗結果顯示管接頭完好。

（3）通過ANSYS分析可知，設計工況下傳熱管接頭350 ℃許用應力強度150 MPa限值可滿足其一次應力強度要求，且裕量較大。

參考文獻：

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