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(shù)方面介紹了四種不同核電蒸汽發(fā)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(yōu)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(chǎn)品堆焊。

核電設備； 鎳基合金； 堆焊

核電站設備蒸汽發(fā)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(zhì)，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(zhì)量優(yōu)劣關系到U形管與管板接頭的焊接質(zhì)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(chǎn)效率及堆焊層質(zhì)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(nèi)外在蒸汽發(fā)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(chǎn)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(chǎn)效率高；焊接質(zhì)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(tǒng)及焊劑輸送回收系統(tǒng)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(shù)包括堆焊電流、堆焊電壓、堆焊速度。為保證焊接質(zhì)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(chǎn)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(shù)，圖2為產(chǎn)品的帶極埋弧堆焊照片。

表1 堆焊工藝參數(shù)

圖2 產(chǎn)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(qū)為粗晶區(qū)，粗晶區(qū)寬度很小，在熱影響區(qū)的大部分區(qū)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(fā)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(chǎn)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(tài)。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(chǎn)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(chǎn)生的電磁力產(chǎn)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(chǎn)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(shù)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(diào)節(jié)磁極參數(shù)。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(chǎn)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(shù)，圖5為產(chǎn)品的帶極電渣堆焊照片。

表2 堆焊工藝參數(shù)

圖5 產(chǎn)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(qū)分為粗晶區(qū)和細晶區(qū)，在靠近熔合線的區(qū)域，晶粒比較粗大，其他區(qū)域由于后續(xù)層堆焊時會對第一層堆焊時產(chǎn)生的熱影響區(qū)粗大晶粒有細化作用，堆焊試件經(jīng)歷了焊后熱處理之后熱影響區(qū)的其他大部分區(qū)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(diào)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(zhì)焊縫的特點。熱絲TIG焊的基本原理見圖7，其生產(chǎn)效率可達常規(guī)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(shù)高，熔合比小，母材稀釋率低，焊縫成形美觀，焊縫金屬雜質(zhì)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(shù)，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(tǒng)和控制系統(tǒng)。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(shù)，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(shù)見表3。

表3 堆焊工藝參數(shù)

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(xiàn)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(xiàn)夾渣、氣孔等缺陷。根據(jù)工程經(jīng)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(chǎn)品的雙熱絲TIG堆焊照片。

圖8 產(chǎn)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(qū)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(fā)現(xiàn)氣孔等缺陷。

1.4熱絲等離子堆焊

等離子弧堆焊是利用聯(lián)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(guī)堆焊熱源相比，等離子弧溫度高、能量集中、燃燒穩(wěn)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(shù)的調(diào)節(jié)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(chǎn)生的電阻熱預熱焊絲，再將其送入等離子弧區(qū)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)，包括等離子弧焊接的工藝參數(shù)(等離子弧的電流、電壓、保護氣體等)，以及熱絲的工藝參數(shù)(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(fā)，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(shù)，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(jù)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小；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(jīng)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?。粡膯蝹€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(zhì)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(chǎn)效率、堆焊層質(zhì)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(yōu)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(chǎn)品帶極埋弧堆焊、產(chǎn)品帶極電渣堆焊、產(chǎn)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(zhì)量均能滿足管板堆焊的技術要求。從生產(chǎn)效率、堆焊層質(zhì)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(yōu)勢。選擇合適的工藝規(guī)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(fā)，并應用于核電設備的產(chǎn)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(yè)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