Inconel690與06Cr18Ni11Ti異種鋼插套角焊縫自動焊接缺陷分析及對策

潘曉冬，薛敬凱，付榮真，宋怡漾，王 建

（1.中國核動力研究設計院四所，四川 成都610041；2.中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興314300）

Inconel690與06Cr18Ni11Ti異種鋼插套角焊縫自動焊接缺陷分析及對策

潘曉冬1，薛敬凱1，付榮真2，宋怡漾1，王 建1

（1.中國核動力研究設計院四所，四川 成都610041；2.中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興314300）

針對核電站穩(wěn)壓器Inconel690/06Cr18Ni11Ti異種鋼插套型式角焊縫自動TIG焊試驗中出現(xiàn)的焊縫根部未焊透、表面咬邊、焊塌問題，開展缺陷影響分析、成因判定及缺陷防止措施驗證研究。結(jié)合兩種材料的冶金特點、焊縫結(jié)構(gòu)形式、自動焊電弧特性等改進各工藝要素，總結(jié)不同缺陷形式的應對措施，最終消除此類缺陷。提出的處理措施及對策對于核電站類似材質(zhì)及結(jié)構(gòu)型式焊縫的焊接及維修具有指導作用和借鑒意義。

穩(wěn)壓器；異種插套角焊縫；自動TIG焊；缺陷

0 前言

Inconel690合金是一種w（Cr）=30%的奧氏體型鎳基耐蝕合金，因其優(yōu)異的耐腐蝕性能及較高的強度逐漸取代對晶間腐蝕（IGA）及晶間應力腐蝕開裂（IGSCC）敏感的Inconel600合金，成為理想的核電Ⅰ級部件用材；06Cr18Ni11Ti（美TP321）奧氏體不銹鋼同樣因其較好的熱穩(wěn)定性和耐蝕性，廣泛應用于壓水堆型核電站核級管道、穩(wěn)壓器、熱交換器等耐蝕部件及高溫焊接構(gòu)件。在核電站一回路設備關(guān)鍵承壓部件連接部位，涉及到大量Inconel690合金及06Cr18Ni11Ti不銹鋼這兩類不同材料的連接，均采用傳統(tǒng)TIG焊[1]，而未見自動焊接工藝的應用及相關(guān)報道。主要原因是：雖然目前自動焊接設備具有自動化程度高、焊接過程穩(wěn)定和焊接一致好等優(yōu)點，但自動焊接時的冶金過程和手工焊差別很大，加之自動焊接非一元化的焊接特性以及異種金屬材質(zhì)物理性能的差異性，工藝制定耗費的時間是手工焊的幾倍到幾十倍；特別是對于某些外觀成形、焊縫尺寸、焊縫內(nèi)部質(zhì)量要求很高的角焊縫的焊接，焊接工藝的制定過程相比其他型式焊縫更加復雜，容易出現(xiàn)外觀成形不良及焊縫內(nèi)部質(zhì)量缺陷[2]。

針對上述問題，以核電站穩(wěn)壓器Inconel690/ 06Cr18Ni11Ti插套角焊縫為研究對象（見圖1），從技術(shù)探索角度出發(fā)，開展自動焊接試驗研究。針對角焊縫自動焊接過程中易出現(xiàn)的外觀成形不良及焊縫內(nèi)部質(zhì)量缺陷，分析原因并制定防止措施。既滿足了建造安裝期間的技術(shù)需求，達到提高焊接質(zhì)量和焊接效率的目的，又為在役運行期間的故障性維修提供技術(shù)支持。

1 基本工藝概述

試驗采用母材為Inconel690管材和06Cr18Ni11Ti鍛件，焊接材料為直徑φ1.0mm的ERNiCrFe-7A焊絲，母材及焊材化學成分如表1所示。

圖1 Inconel690/06Cr18Ni11Ti插套角焊縫連接示意Fig.1 Sketch diagram of Inconel690/06Cr18Ni11Ti dissimilar socket weld

插套角焊縫焊接試件焊接部位的結(jié)構(gòu)尺寸和實際核電站按1∶1比例進行設計加工。焊接時，首先進行試件的點焊裝配定位，滿足2～3 mm插接間隙要求后，采用經(jīng)改造后的Polysoude 350PC自動氬弧管焊機進行橫角焊位置的焊接（見圖2），分為自熔打底和填充添絲兩個步驟，根據(jù)經(jīng)驗制定最初的焊接工藝參數(shù)，工件裝配及焊縫示意如圖3所示，焊接參數(shù)如表2所示。

表1 母材及焊材化學成分Table 1 Chemical composition of experimental materials %

焊接過程中，根據(jù)焊縫尺寸要求確定焊道的層次和焊道數(shù)量，并注意層間清理，層間溫度控制在100℃以下。針對插接根部焊接，在保證熔透的前提下盡量采用較小熱輸入、低壓短弧施焊、縮短高溫停留時間、減小冷卻速度，避免產(chǎn)生焊接缺陷。

表2 初設焊接參數(shù)Table 2 Initial welding parameters

2 缺陷的產(chǎn)生及分析

焊接試驗完成后，參照ASME標準進行外觀尺寸、液體滲透及金相檢驗，檢測發(fā)現(xiàn)焊縫中存在未焊透及外觀成形不良等缺陷，并分析缺陷影響及產(chǎn)生原因。

2.1 角焊縫缺陷影響

2.1.1 根部未焊透

圖2 焊接設備實物Fig.2 Pictorial diagram of automatic welding equipment

圖3 工件裝配及焊縫示意Fig.3 Sketch diagram of assembly and welding seam

完工焊縫的橫截面金相如圖4所示。焊縫根部位置出現(xiàn)了未完全熔透現(xiàn)象，經(jīng)測量，未焊透區(qū)為419 μm×307 μm×553 μm三角形截面區(qū)域，是一種面積缺陷，該類缺陷對接頭承載截面積的減小非常明顯，會降低接頭的力學性能，且未焊透的邊緣處易產(chǎn)生應力集中，會在邊緣處向外擴展成裂紋，導致整個焊縫的開裂。因為角焊縫不方便作射線或超聲波探傷檢查，只能考慮通過嚴謹可靠的工藝來避免出現(xiàn)根部未焊透，保證接頭的質(zhì)量和性能。

2.1.2 外觀成形不良

外觀成形不良主要表現(xiàn)為焊縫咬邊及焊塌（見圖5），主要出現(xiàn)在添絲填充焊過程。由圖5可知，在Inconel690與 06Cr18Ni11Ti插套角焊縫接頭的Inconel690側(cè)，焊趾邊沿呈現(xiàn)出斷續(xù)、由淺至深的咬邊，深度0.2～0.5 mm，而局部區(qū)段接近1 mm，屬于典型的寬型咬邊。咬邊缺陷會造成焊趾部位的應力集中，增加裂紋生成的風險。

圖5 焊縫咬邊及焊塌缺陷Fig.5 Undercut and turned-down edge on the welding joints

由圖5還可知，在06Cr18Ni11T側(cè)的焊趾邊緣位置，集中在300°～360°的焊縫區(qū)間內(nèi)均出現(xiàn)不同程度的焊塌，工件焊塌不僅無法滿足設計圖紙對角接頭焊縫K值和a值的要求，同時擴展了焊縫熱影響區(qū)，增加高溫敏化風險，對鄰近不銹鋼母材組織性能造成不良影響[3]。

另外，電加熱元件在頻繁的加熱和冷卻循環(huán)下，Inconel690與 06Cr18Ni11Ti插套角接接頭及其附近部位受到較大的軸向交變熱應力，在焊縫表面及根部附近容易產(chǎn)生大量的環(huán)向熱疲勞裂紋。特別有缺陷處通過冷熱疲勞也會導致疲勞開裂，并隨冷熱交換次數(shù)增加而擴展。因此，需從工藝、操作技能等方面加以分析，達到消除此類缺陷的目的。

2.2 缺陷形成原因

2.2.1 根部未焊透

形成未焊透的主要原因是焊接電流太小，焊接速度過快、坡口尺寸不合適或焊絲未對準焊縫中心等[4]。

（1）焊接電流偏小，使電弧穿透力不足，產(chǎn)生的電阻熱減小，整體熱輸入量不足。

（2）焊接速度過快，導致焊接坡口或根部金屬未得到充分熔化。

（3）工件表面存在氧化物、銹、油、水等污物，使一部分熱量損失在熔化雜物上，剩余熱量不足以熔化坡口。

（4）焊槍角度偏離正常位置，使熔化金屬不能流動填充焊縫夾角根部。

（5）焊件散熱過快，造成熔化金屬結(jié)晶過快，導致與母材金屬之間得不到充分熔合。

2.2.2 咬邊及焊塌

（1）咬邊缺陷。

出現(xiàn)在Inconel690側(cè)的焊趾咬邊屬于典型的寬型咬邊，這類咬邊易出現(xiàn)在大的熱輸入量和熔池呈紊流狀態(tài)下；同時，由于橫角焊位置的特殊性，在焊縫蓋面焊部位也極易造成這類咬邊。其主要原因是：由于電弧力攪拌沖刷和鐵水重力下墜的雙重作用，造成鄰近焊趾的Inconel690合金母材金屬（坡口邊緣處）產(chǎn)生凹坑，而送入熔池內(nèi)的熔化焊絲沒有及時流回焊趾凹坑進行填充或填充量不夠，當電弧移走后，在焊趾邊緣處凝固形成咬邊。

（2）焊塌缺陷。

對于手工焊，焊塌是屬于操作造成的焊接缺陷，可在不改變工藝參數(shù)的前提下靈活采取變速焊和變角度焊的方式避免。而針對自動焊非一元化的焊接特性，需要綜合各項工藝要素多方面分析原因。造成工件焊塌的主要原因有電弧過長、裝配精度不高、焊接電流過大等；觀察發(fā)現(xiàn)，Inconel690/06Cr18Ni11Ti角焊縫焊塌現(xiàn)象僅出現(xiàn)在最后1/4圈焊縫近收弧區(qū)域，且具有規(guī)律性。對于這種下塌現(xiàn)象，可從焊縫成形過程進行分析。在焊接過程中，焊縫各處的散熱條件不同。其中，06Cr18Ni11T不銹鋼材質(zhì)本身散熱較差，蓋面焊在邊緣處熱量易積聚。特別是焊炬行至熄弧處時，熱量累計最多，散熱條件也最差，沿焊接方向的熔池前方熱量吸收率慢，此時熔池流動性也更強，在熄弧時的電弧吹力甚至熄弧后瞬間在保護氣體的吹動下，極易沿著焊接方向和焊縫兩側(cè)流動，造成06Cr18Ni11T側(cè)邊緣母材的部分燒損和焊塌。

3 缺陷處理措施的制定及驗證

3.1 解決根部未焊透

根據(jù)上述結(jié)論，針對未焊透缺陷不同成因制定工藝調(diào)整措施，并通過試驗驗證是否能夠改善或避免未焊透缺陷的發(fā)生。通過開展3組摸索性試驗，不斷優(yōu)化改進焊接參數(shù)，解決了角焊縫根部未焊透缺陷。具體試驗措施及結(jié)果如下：

（1）第一組試驗。

在初步焊接工藝的基礎上進行優(yōu)化調(diào)整：將峰值電流從107A增加至119A，基值電流從39A大幅增加至85 A，電壓由9.8 V調(diào)低至9 V，焊接速度由60mm/min降低至50mm/min，脈沖比1∶1增加至2∶1，基值時間50ms增加至100ms；同時加強工件表面狀態(tài)檢查，特別是待焊區(qū)域內(nèi)Inconel690與06Cr18Ni11Ti裝配插接部位的雜質(zhì)清理；在自動焊接過程中，時刻保持焊槍尖端精確對準焊縫根部夾角中心位置，確保焊接質(zhì)量。第一組試驗焊接參數(shù)如表3所示，金相檢驗結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，焊縫根部位置仍有未完全熔透現(xiàn)象；經(jīng)測量，未焊透區(qū)三角形截面區(qū)域尺寸為246μm ×369 μm×492 μm，較參數(shù)調(diào)整前未焊透截面積減少37.2%，改善效果明顯?？梢?，通過增加電流、降低焊接速度來增加熱輸入，降低弧壓提高電弧挺度和穿透力，增加脈沖比增強電弧力攪拌作用，增加基時時間維持深寬比等措施均可較好地防止未焊透。

圖6 第1組試驗焊縫金相圖Fig.6 Morphology of welding joints in the first test

表3 改進焊接參數(shù)表1Table 3 The improved welding parameters 1

進一步觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫根部未焊透均傾向于在Inconel690合金側(cè)出現(xiàn)，該側(cè)母材與焊縫金屬間的未熔合程度較不銹鋼側(cè)更加明顯。在兩側(cè)不同母材受熱一致的情況下，Inconel690合金母材相對于06Cr18Ni11T不銹鋼母材未充分熔化，且夾角位置缺少足量的液態(tài)金屬回填，原因是：鎳基合金流動性差、熔敷率低對未焊透存在一定影響。

（2）第二組試驗。

第二組試驗焊接參數(shù)與第一組試驗參數(shù)相同，采取的措施為：焊槍相對于套管傾斜角由45°調(diào)減為35°±5°，且鎢極尖端從指向夾角正中心位置偏移向夾角部位的套管側(cè)，焊接位置角度調(diào)整示意如圖7所示，目的是讓更多的熔敷金屬流到焊縫根部填充死角。

第二組試驗焊縫金相如圖8所示。僅在焊縫根部Inconel690側(cè)出現(xiàn)極微小的未完全熔透缺陷；未焊透區(qū)三角形截面區(qū)域尺寸146μm×182μm×281μm，相比第一次改進試驗未焊透截面積再次減少83.2%，缺陷情況進一步得到改善。由此可見，通過合理調(diào)整焊接角度，充分熔化Inconel690合金母材金屬，并利用電弧吹力增強其鎳基合金液態(tài)金屬流動性，及時填充易產(chǎn)生缺陷的焊縫夾角根部，對防止未焊透作用效果明顯。

圖7 焊接位置及角度調(diào)整示意Fig.7 Sketch diagram of welding target positions and welding torch angles

圖8 第二組試驗焊縫金相圖Fig.8 Morphology of welding joints in the second test

（3）第三組試驗。

前兩組試驗反饋證實工藝得到了優(yōu)化改進。鑒于鎳基合金的液體流動性差、不易潤濕展開，不易流到焊縫兩邊[5]，尤其是在橫角焊位置還受到重力作用影響，焊縫金屬更不易熔敷在Inconel690合金母材表面，第三次試驗在前兩次試驗基礎上，在工藝允許范圍內(nèi)再次調(diào)整焊接電流，增加峰值電流至140 A，其余條件不變，焊接參數(shù)如表4所示。

第三組試驗焊縫金相如圖9所示。焊縫根部Inconel690合金與06Cr18Ni11Ti不銹鋼母材在插套焊縫夾角位置充分熔合，焊縫根部未熔透缺陷完全消除。這是因為隨著焊接峰值電流的加大，焊件整體熱輸入量增加、熔池區(qū)域在合理范圍內(nèi)適宜擴大，并進一步加強了前期工藝優(yōu)化有利因素產(chǎn)生的作用，最終解決了異種金屬角焊縫根部未焊透問題。

3.2 外觀成形不良缺陷

3.2.1 解決措施

（1）咬邊缺陷。

采取措施：降低脈沖比、提高焊接速度以及改變焊道分布。將基值時間從100 ms提高至200 ms來降低脈沖比至1∶1，以減小電弧攪拌沖刷造成的熔池紊亂；將機頭旋轉(zhuǎn)速度從60mm/min提高至70mm/min，從而降低線能量，減少焊接熱輸入對Inconel690合金母材金屬的耗蝕；優(yōu)化焊道分布順序，使熔池保持在相對穩(wěn)定狀態(tài)，防止鐵水隨意流動形成凹坑，優(yōu)化前后的焊道分布順序如圖10所示。交換第3道與第4道蓋面焊的焊接順序后，第3道蓋面焊形成的焊道凸起阻礙了第4道蓋面焊熔池鐵水向下流淌，防止產(chǎn)生凹坑并形成咬邊。

表4 改進焊接參數(shù)表2Table 4 Improved welding parameters 2

圖9 第三組試驗焊縫金相圖Fig.9 Morphology of welding joints in the third test

（2）焊塌缺陷。

采取措施：減小焊接電流和降低弧壓，通過焊接參數(shù)分區(qū)控制，在0°～270°采取原有焊接參數(shù)，在270°～360°適當降低焊接電流和弧壓，減少熄弧段熱積聚程度，避免出現(xiàn)焊塌缺陷。

（3）解決措施效果驗證。

綜合上述各項措施，采取改進的焊接參數(shù)（見表5）開展驗證性試驗，焊接實物如圖11所示。

由圖11可知，焊縫表面均勻美觀，無咬邊、焊塌等成形不良缺陷，角接頭焊縫K值和a值滿足設計圖紙的技術(shù)要求。改進后的焊接工藝和相關(guān)措施可防止焊縫外觀成形不良的缺陷。

圖10 焊道順序優(yōu)化調(diào)整前后示意Fig.10 Sketch diagram of welding sequence optimization

表5 改進焊接參數(shù)表3Table 5 Improved welding parameters 3

圖11 驗證試驗件焊接實物Fig.11 Pictorial diagram of welding proof-test

4 結(jié)論

（1）產(chǎn)生角焊縫未焊透缺陷時，可通過增加電流、降低焊接速度、降低弧壓、增加脈沖比、增加基值時間，以及合理調(diào)整焊接角度等措施予以解決。

（2）產(chǎn)生角焊縫成形不良缺陷時，可通過減小熱輸入量、降低脈沖比、優(yōu)化焊道分布順序，以及焊接參數(shù)分區(qū)控制等措施予以解決。

[1]中國核動力研究設計院.穩(wěn)壓器電加熱元件套管及其連接件技術(shù)條件[S]．

[2]姚肖潔，侯振國，王陸釗，等.軌道車輛用鋁合金厚板角接自動焊工藝[J].電焊機，2013，43（5）:147-151.

[3]孫晉峰，雷宏剛.鋼結(jié)構(gòu)焊接缺陷及角焊縫超標淺析[J].科學之友，2007（2）:14-15.

[4]王為輝，田甜，齊艷麗.WB36CN1材質(zhì)聯(lián)箱角焊縫焊接缺陷的分析及處理[J].焊接，2013（10）:54-57.

[5]于世行，郝丁華.鎳基耐腐蝕合金焊接工藝[J].石油化工應用，2008，27(3):87-89.

Defect analysis and countermeasure for Inconel690/06Cr18Ni11Ti dissimilar socket weld with automatic TIG welding

PAN Xiaodong1，XUE Jingkai1，F(xiàn)U Rongzhen2，SONG Yiyang1，WANG Jian1
（1.Nuclear Power Institute of China Fourth Institute，Chengdu 610041，China；2.CNNP Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.，Jiaxing 314300，China）

For some kinds of defects such as incomplete penetration，undercut and turned-down edge occurred in automatic TIG welding experiments which are performed on Inconel690/06Cr18Ni11Ti dissimilar socket weld,a series of defect influence analysis, cause determination and preventive measures verification research are carried out.And technologies are improved by considering the metallurgical characteristics of two types of materials，weld structure and automatic TIG arc characteristics.The results show the measures against the three defects are effective and ultimately eliminate these defects.Meanwhile，the proposed measures and countermeasures have much reference and significance for welding and maintenance of similar material and structural weld in nuclear power plants.

pressurizer；dissimilar socket weld；automatic TIG welding；defect

TG409

A

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻

郭吉昌，朱志明，閆國瑞，等.基于UG的弧焊機器人離線編程系統(tǒng)開發(fā)[J].電焊機，2017，47（03）：1-6.

2017-01-18；

：2017-03-20

潘曉冬（1982—），男，湖北人，碩士，主要從事核電相關(guān)的焊接工藝研發(fā)工作。