核電設(shè)備中的Inconel 690鎳基合金熱絲TIG堆焊技術(shù)

李雙燕

1.概述

第三代核電EPR堆型電功率約為1 600MW，每個(gè)機(jī)組由4個(gè)環(huán)路組成，每個(gè)環(huán)路有一臺(tái)蒸汽發(fā)生器。蒸汽發(fā)生器型號(hào)為77/19TE，傳熱面積為7 960m2。蒸汽發(fā)生器是核電站一回路主設(shè)備之一，起著隔離一回路和二回路的作用。由于蒸汽發(fā)生器管板一回路側(cè)長(zhǎng)期接觸帶有放射性和腐蝕性的載熱劑介質(zhì)，其表面需堆焊一定厚度的鎳基合金，以保證一定的耐蝕性。

由于EPR管板直徑大，厚度較厚，堆焊要求較高，工藝控制要求高，同時(shí)Inconel 690材料焊接性差，對(duì)氧化、DDC敏感，所以選擇堆焊質(zhì)量要求高的方式尤為重要。由于熱絲TIG堆焊相對(duì)熱輸入低，變形量和殘余應(yīng)力小，堆焊層成形良好，不易有夾渣等缺陷，表面質(zhì)量良好，且具有高純度焊縫，有利提高管子-管板焊縫質(zhì)量，使焊縫產(chǎn)生缺陷的概率降到最低水平，所以EPR管板Inconel 690 鎳基合金大面積堆焊選擇熱絲TIG堆焊工藝。

2.產(chǎn)品技術(shù)要求

蒸汽發(fā)生器管板材料為低合金20MND5，管板厚度為622mm、φ3 816mm，Inconel 690鎳基合金堆焊厚度≥8mm。由于EPR堆型裝機(jī)容量較大，對(duì)管板材料的要求較高，包括厚度、化學(xué)成分及力學(xué)性能，以保證設(shè)備質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)和運(yùn)行壽命要求。管板化學(xué)成分如表1所示，20MND5對(duì)P、S含量提出了更高的要求。

按產(chǎn)品技術(shù)要求，堆焊層化學(xué)成分需滿足表2要求。堆焊層的化學(xué)分析應(yīng)在堆焊后堆焊層表面打磨0.5mm后1.5mm深度范圍內(nèi)取樣。

3.熱絲TIG堆焊工藝

鎢極氬弧焊是一種應(yīng)用非常廣泛的高品質(zhì)焊接方法。傳統(tǒng)的TIG焊由于其電極的載流能力有限，電流功率受到限制，焊縫熔深淺，焊接速度低，使用受到一定限制。熱絲TIG焊是在普通TIG焊的基礎(chǔ)上對(duì)焊絲進(jìn)行預(yù)熱，以提高熱輸入量，增加熔化速度，從而提高焊接速度，同時(shí)仍具有TIG焊高品質(zhì)焊縫的特點(diǎn)。圖1為熱絲TIG焊的基本原理。熱絲TIG焊最主要的改進(jìn)是將填充焊絲送入焊接熔池之前由獨(dú)立的電源電阻加熱到接近填充絲的熔化溫度，大大加快了焊絲和母材的熔化速度，提高了熔敷率，同時(shí)調(diào)整了焊接熔池的熱輸入量，降低了母材的稀釋率，擴(kuò)大了焊接工藝方法的適應(yīng)性和應(yīng)用范圍，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。熱絲TIG焊生產(chǎn)效率可達(dá)常規(guī)TIG焊的3倍以上。選用合理的熱絲TIG焊焊接參數(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。由于焊接熔池的形狀易于控制，可以完成大多數(shù)形狀制件的表面堆焊。

圖1 熱絲TIG焊基本原理

（1）焊接材料的選擇 考慮到Inconel 690材料堆焊時(shí)堆焊金屬潤(rùn)濕性差，易產(chǎn)生熱裂紋，為獲得質(zhì)量良好的堆焊層，我們選擇了不同牌號(hào)的焊接材料。從堆焊焊道表面質(zhì)量、無(wú)損檢測(cè)結(jié)果、金相檢測(cè)結(jié)果等方面綜合考慮，選擇了美國(guó)SMC公司生產(chǎn)的Inconel filler metal 52牌號(hào)焊絲、φ1.2mm，表3為焊絲及堆焊層熔敷金屬的典型化學(xué)成分。

為分析管子-管板焊縫對(duì)管板堆焊層的熱影響，我們對(duì)管板堆焊用焊絲按RCC—M S3750進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)可用5根管子與堆焊層焊接，也可在堆焊層試件上進(jìn)行重熔（5條單道環(huán)焊縫和5條雙層重疊焊道環(huán)焊縫），焊接工藝和參數(shù)與管子-管板焊縫焊接相一致。焊5條重熔線（重熔線的直徑代表管子環(huán)焊縫直徑），每條重熔線焊1圈代表對(duì)堆焊層的熱影響為1次；再焊5條重熔線，每條重熔線焊2圈代表對(duì)堆焊層的熱影響為2次。焊接后，進(jìn)行目視檢測(cè)和液體滲透檢測(cè)，保證重熔線及熱影響區(qū)無(wú)任何裂紋。此外，還需從焊1圈管子焊縫和焊2圈管子焊縫上分別切取橫向和縱向截面按RCC—M MC1320和SI400進(jìn)行微觀金相檢驗(yàn)。

（2）堆焊工藝試驗(yàn) 熱絲TIG堆焊設(shè)備全套由法國(guó)SAF提供，包括焊機(jī)電源、焊接系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。焊機(jī)電源為Nertamatic 450自動(dòng)焊電源。TIG焊接系統(tǒng)包括機(jī)頭、焊槍?zhuān)瑱C(jī)頭部分包括送絲電機(jī)和弧壓自動(dòng)調(diào)節(jié)和反饋系統(tǒng)，機(jī)頭的擺動(dòng)裝置；焊槍為水冷TIG焊槍?zhuān)怏w保護(hù)裝置和水冷回路。控制系統(tǒng)包括熱絲系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等組件，包括氣、水、電路控制系統(tǒng)，全部由一套微機(jī)系統(tǒng)控制。

試驗(yàn)在20MND5 試板上熱絲TIG 堆焊三層，堆焊后進(jìn)行模擬熱處理及無(wú)損探傷、彎曲試驗(yàn)及金相檢驗(yàn)等工序，以驗(yàn)證焊接工藝。由于鎳基焊材自動(dòng)熱絲TIG堆焊極其容易出現(xiàn)微裂紋，因此必須嚴(yán)格控制堆焊過(guò)程中相關(guān)的焊接參數(shù)，才能滿足堆焊層性能要求。經(jīng)過(guò)多次工藝試驗(yàn)后，選擇出一組最佳的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。最佳焊接參數(shù)如表4所示。

表1 20MND5化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 堆焊層熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 焊絲及堆焊層熔敷金屬化學(xué)成分典型值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

熱絲TIG堆焊過(guò)程中還需注意層間溫度、焊槍角度、焊道搭接量等參數(shù)，以及清潔度的控制。鎳基合金堆焊對(duì)溫度控制要求很高，一旦層間溫度過(guò)高，則很可能產(chǎn)生熱裂紋，因此焊接過(guò)程中需控制預(yù)熱溫度和層間溫度。由于熱絲TIG堆焊對(duì)待焊面、焊絲中的雜質(zhì)很敏感，容易造成堆焊層表面氧化物過(guò)多、氣孔、夾渣等缺陷，所以不僅要妥善保管焊絲，焊前徹底清理待焊面，焊接過(guò)程中還要隨時(shí)監(jiān)測(cè)待焊區(qū)是否清潔。另外，定時(shí)更換鎢極，清理保護(hù)氣體過(guò)濾罩也是非常必要的。

新型審批模式的平臺(tái)必須支持移動(dòng)化的作業(yè)要求和條件。只有移動(dòng)化才能打破原有的時(shí)間和空間的限制。確保可在隨時(shí)隨地進(jìn)行審批工作。

熱絲TIG堆焊過(guò)程中，如果焊槍傾斜角度過(guò)大或鎢極伸出噴嘴長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，則對(duì)氣體保護(hù)不利，會(huì)造成電弧保護(hù)不充分，電弧不穩(wěn)，造成夾渣、未熔合等缺陷，同時(shí)電弧的熱量不集中，熔滴過(guò)渡形式不好，也會(huì)影響電流的穩(wěn)定性，使焊道成形不好。因此焊槍的角度必須選擇好。

另外，適當(dāng)?shù)暮傅篱g搭接量也很重要，搭接量過(guò)小，會(huì)造成焊縫表面不平整，很可能造成搭接線附近鐵素體含量不均勻；搭接量過(guò)大，會(huì)造成堆焊層過(guò)厚，熔合線附近容易出現(xiàn)夾渣、氣孔等缺陷。

因此，每道焊接前，焊接操作工要對(duì)鎢極伸出噴嘴長(zhǎng)度進(jìn)行重新測(cè)量定位，也要對(duì)鎢極在焊道上的位置按照工藝參數(shù)焊道搭接量要求重新測(cè)量定位。

4.堆焊工藝評(píng)定試驗(yàn)

根據(jù)壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則（RCC—M）（2000版+2002、2005、2007版補(bǔ)遺）規(guī)范及工藝評(píng)定技術(shù)要求進(jìn)行Inconel 690鎳基合金堆焊工藝評(píng)定試驗(yàn)。

（1）試驗(yàn)材料 母材采用20MND5試板，厚度≥90mm，試板化學(xué)成分如表5所示。焊接材料采用Inconel 690類(lèi)型鎳基合金氬弧焊絲，類(lèi)別為ERNiCrFe—7，牌號(hào)為 Inconel filler metal 52、φ1.2mm，由美國(guó)SMC公司提供。

（2）堆焊評(píng)定實(shí)施 試驗(yàn)選用母材20MND5鍛件,規(guī)格100mm×400mm×400mm。堆焊前母材表面進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)，電紅外預(yù)熱，直到進(jìn)行后熱處理。按表4焊接參數(shù)堆焊三層，堆焊位置為平焊，預(yù)熱≥125℃，層間溫度≤225℃。堆焊后立即進(jìn)行后熱處理，溫度≥200℃，時(shí)間≥2h。打磨堆焊層表面平整，進(jìn)行100%液體滲透檢查和100%超聲波檢查，而后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，熱處理保溫溫度為（610±5）℃，時(shí)間為16～16.5h，350℃以上加熱速度≤55℃/h，冷卻速度≤55℃/h，降到350℃以下靜止在空氣中冷卻。

（3）堆焊層檢測(cè)及性能試驗(yàn) 試板熱處理后對(duì)堆焊層進(jìn)行100%液體滲透檢測(cè)和100%超聲波檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷。試樣解剖后進(jìn)行彎曲、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)定等試驗(yàn)項(xiàng)目。試驗(yàn)結(jié)果均滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

彎曲試驗(yàn)：彎曲角度為180°?？己艘螅簾o(wú)明顯的裂紋，單個(gè)裂紋、氣孔或夾渣≤3mm。

化學(xué)成分分析：在堆焊后試件表面打磨去0.5mm后以下2mm深度范圍內(nèi)取樣。分析結(jié)果如表6所示。

表4 熱絲TIG 堆焊焊接參數(shù)和氣體參數(shù)

表5 20MND5試板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表6 堆焊層熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

金相檢測(cè)：宏觀金相檢測(cè)照片如圖2所示，微觀金相檢測(cè)照片如圖3和圖4所示，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

硬度測(cè)定：三條硬度測(cè)量線均垂直于母材表層，其中之一通過(guò)堆焊層第一層的兩個(gè)焊道之間的搭接區(qū)（見(jiàn)圖5）?？己藰?biāo)準(zhǔn)：母材及熱影響區(qū)維氏硬度HV10≤350。測(cè)定結(jié)果如表7所示。

5.產(chǎn)品管板堆焊

基于上述一系列試驗(yàn)，第三代核電EPR項(xiàng)目蒸汽發(fā)生器管板鎳基合金堆焊采用熱絲TIG焊進(jìn)行。管板一次側(cè)待堆焊面直徑約3 500mm，熱絲TIG堆焊系統(tǒng)主要設(shè)備為兩套Air Liquid Welding France公司的SAF—FRO熱絲TIG焊接設(shè)備，彼此相對(duì)布置。由于熱絲堆焊成形效果好、質(zhì)量穩(wěn)定，但堆焊效率低，為了縮短堆焊工作時(shí)間，使用雙機(jī)頭同時(shí)堆焊的形式，采用龍門(mén)架將兩個(gè)同樣的焊機(jī)聯(lián)系起來(lái)，可同時(shí)在一個(gè)工件上執(zhí)行聯(lián)動(dòng)堆焊作業(yè)，也可單獨(dú)控制。

焊接過(guò)程中管板水平放置在專(zhuān)用的非速度控制型轉(zhuǎn)臺(tái)上，該轉(zhuǎn)臺(tái)可以通過(guò)在控制面板上輸入焊接位置數(shù)據(jù)來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接速度，比傳統(tǒng)的速度型變位器更為靈活和準(zhǔn)確。大面積堆焊對(duì)工件已堆焊區(qū)域清潔度保護(hù)、保溫，待焊面清理、預(yù)熱，焊工保護(hù)，氣體保護(hù)都提出了更高的要求。由于整個(gè)產(chǎn)品堆焊過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，工作量大，采取適當(dāng)措施如制作工裝固化工藝、參數(shù)記錄等，保證每班工人的堆焊質(zhì)量非常重要。

產(chǎn)品堆焊如圖6所示，自外向內(nèi)進(jìn)行，共堆焊4層，中心區(qū)域采用直道堆焊，每層堆焊厚度約為3mm。熱絲TIG堆焊過(guò)程中，焊道間搭接位置過(guò)渡平滑、均勻，焊道表面光潔，無(wú)咬邊現(xiàn)象，清潔度較好。焊道搭接位置基本不需要打磨就可以進(jìn)行下一道焊接。堆焊層焊后進(jìn)行100%液體滲透檢測(cè)和100%超聲波檢測(cè)，除個(gè)別位置出現(xiàn)點(diǎn)狀缺陷外，未發(fā)現(xiàn)其他超標(biāo)缺陷，一次性合格率高于99%。

6.結(jié)語(yǔ)

（1）為獲得高純度焊縫，提高管子-管板焊縫質(zhì)量，使焊縫產(chǎn)生缺陷的概率降低到最低水平，核電蒸汽發(fā)生器管板大面積鎳基合金堆焊可選擇熱絲TIG堆焊工藝。

（2）選用Inconel filler metal 52焊絲堆焊，可獲得化學(xué)成分和性能均滿足要求的堆焊金屬。

（3）要獲得優(yōu)質(zhì)堆焊層，焊前需徹底清理待焊面，保持焊絲清潔，焊接過(guò)程中需控制層間溫度；另外，還要定時(shí)更換鎢極，清理保護(hù)氣體過(guò)濾罩也是非常必要的。

圖2 堆焊層宏觀金相組織照片

圖3 垂直于堆焊層截面微觀照片

圖4 平行于堆焊層截面微觀照片

圖5 硬度測(cè)量線

表7 硬度測(cè)量結(jié)果（HV10）

圖6 管板熱絲TIG堆焊