核電用TP304與H62異種金屬的焊接工藝

寧亮亮，李 濤

（哈爾濱華德學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

0 引言

隨著核電工業(yè)的不斷發(fā)展， 核電產(chǎn)品技術(shù)的不斷完善， 對核電廠中各種結(jié)構(gòu)部件的性能要求也越來越高。 傳統(tǒng)的單一金屬材料制成的結(jié)構(gòu)器件往往難以滿足使用要求，在分離設(shè)備制造中，為了使產(chǎn)品擁有較好的強度和韌性常采用黃銅法蘭與不銹鋼管焊接的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。 TP304 與H62 異種材料的焊接采用傳統(tǒng)的熔焊方法難以實現(xiàn)［1］，原因是二者的熔點、導(dǎo)熱系數(shù)、膨脹系數(shù)等物理性質(zhì)差異較大，導(dǎo)致接頭中產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力， 進而產(chǎn)生熱裂紋等焊接缺陷。 如何將兩種材質(zhì)的零件焊接到一起并保證焊接質(zhì)量，一直是焊接領(lǐng)域上的難題。本文選擇高頻感應(yīng)釬焊進行合理的接頭設(shè)計， 采用合理的工藝參數(shù)避免了熱裂紋、針孔、溶蝕等缺陷。

1 焊接設(shè)備及材料

1.1 焊接設(shè)備

采用的焊接設(shè)備是高頻感應(yīng)加熱設(shè)備， 其工作原理為高頻加熱原理： 工件置于通有一定頻率交變電流的感應(yīng)圈中，工件會在交變磁場的作用下，產(chǎn)生頻率相同的交變的電動勢， 從而在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流）［2］，通過渦流電阻加熱，迅速熔化釬料、釬劑，繼而完成工件焊接。

1.2 母材的選用

試驗材料為D13 mmH62 黃銅和D11 mmTP304不銹鋼棒材。

H62 黃銅主要為銅和鋅組成的二元合金， 表面呈淡黃色。黃銅中鋅的沸點較低，僅為907 ℃，但其含量比較高。 用焊條進行電弧焊時，在1 000～1 200 ℃焊接高溫作用下，鋅的蒸發(fā)量接近40%，鋅的大量損失，導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能和耐蝕性能下降。同時，對應(yīng)力腐蝕的敏感性增強。鋅蒸發(fā)后在空氣中立即被氧化，成為氧化鋅。氧化形成的白色煙霧嚴(yán)重污染操作環(huán)境，并對焊工的身體健康造成很大的影響。黃銅的焊接性能極差，焊接時極易產(chǎn)生氣孔、裂紋，還存在氧化等問題［2］。

TP304 不銹鋼為三元合金， 具有穩(wěn)定的奧氏體組織，有較好的抗晶間腐蝕性能。奧氏體不銹鋼具有很強的韌性和塑性， 焊接時其線膨脹系數(shù)比碳鋼大得多，焊縫極易出現(xiàn)焊接熱裂紋。這兩種材料的化學(xué)成分如表1 和2 所示。

表1 H62 黃銅化學(xué)成分 （%）

表2 TP304 不銹鋼化學(xué)成分 （%）

1.3 焊材的選用

1）選用的釬劑為 QJ102 銀釬焊熔劑，適用于600～850 ℃溫度范圍內(nèi)與銀基釬料配合，釬焊銅及銅合金、碳鋼、不銹鋼等，成分如表3 所示。

表3 釬焊用釬劑

2）選用的釬料為L326 的銀基釬料。為了降低銀的熔點，該釬料加入銅、鋅等。 進一步降低銀基釬料的熔點，更有利于不銹鋼和黃銅的焊接。釬料成分如表4 所示。

表4 釬焊用釬料

2 焊接工藝

2.1 焊前準(zhǔn)備

焊件表面如果有污漬或油脂等雜質(zhì)要進行清理，否則將影響焊接接頭質(zhì)量。焊前可以用刮刀鉆頭等工具來處理焊件上的毛刺以及做倒角， 將工件和焊接釬料用食用醚在超聲波清洗機中清洗， 保證工件表面光潔。

2.2 釬焊過程

試驗過程中， 針對不銹鋼和黃銅的連接采用內(nèi)置釬料的方法，對黃銅、不銹鋼進行特殊結(jié)構(gòu)的加工設(shè)計圖及加工試件的實物圖，如圖1、圖2 所示。

圖1 H62 和TP304 加工的特殊結(jié)構(gòu)

圖2 焊件的裝配

1） 放置釬料。 將絲狀的銀基釬料圍成直徑為5.0 mm 的環(huán)狀釬料，將其用斜口鉗剪成單個環(huán)狀，如圖3 所示。 將清理好的釬料環(huán)放置在TP304 不銹鋼試件加工好的內(nèi)槽中，如圖4 所示。由于焊接面上涂有釬劑及釬料環(huán)支撐， 為提高接頭連接質(zhì)量必須增加焊接壓力。 當(dāng)釬劑及釬料熔化時， 焊接面壓強為0.13 MPa 使焊接間隙達到釬焊理想的間隙。

圖3 釬料環(huán)的制備

圖4 釬料的放置

2）放置釬劑和裝配工件。 把提前和好的膏狀釬劑涂覆在釬料及不銹鋼和銅的焊接處， 再將黃銅和不銹鋼裝配好。

3）感應(yīng)加熱。 將裝配好的焊件放在適當(dāng)?shù)母哳l感應(yīng)線圈中進行加熱，在高頻感應(yīng)線圈磁場中，由于電阻值不同， 不銹鋼加熱速度大約是黃銅10 倍，因此TP304 的溫度要比H62 的溫度上升的快，同時黃銅的導(dǎo)熱性能要比不銹鋼強。 如果線圈過于靠上或靠下， 會造成焊接時兩個焊接位置只有一側(cè)釬料完全鋪展。 其正確的放置位置是將線圈放在H62 黃銅的中間，如圖5 所示。

圖5 線圈放置位置

4）焊接參數(shù)的選定。 將裝配好的焊件放置在高頻感應(yīng)線圈中的合理位置， 同時在焊面的垂直方向給一個適當(dāng)?shù)膲毫?.13 MPa， 電流選擇350～450 A進行加熱焊接。當(dāng)加熱溫度達到釬料的熔點時，釬料迅速熔化，在銅和不銹鋼表面潤濕鋪展，然后立刻停止加熱。

5）焊后處理。將工件接頭在空氣中自然冷卻，釬料凝固形成焊縫，然后撤去壓力。 再進行濃度為7%硝酸清洗，露出金屬光澤。

2.3 溫度監(jiān)測

由于黃銅的熔點很低， 所以對焊接溫度要求嚴(yán)格。在焊接時，采用了熱電偶來進行溫度采集，針對試件的三部分（不銹鋼-黃銅-不銹鋼）分別進行了溫度監(jiān)測，焊接過程中黃銅的峰值溫度為740 ℃，高于釬料熔點720 ℃，而且低于黃銅熔點905 ℃，其結(jié)果進一步的說明選擇焊接參數(shù)的合理性，如圖6 所示。

3 焊后檢驗

3.1 破壞性檢驗

圖6 熱電偶溫度監(jiān)測

為了測定黃銅-不銹鋼焊接接頭在外力作用下抵抗變形的最大能力以及發(fā)生破壞的極限值， 采用萬能試驗機， 以5 mm／s 的加載速度進行拉伸試驗。對焊接接頭進行了拉伸試驗， 接頭的抗拉強度平均值為200 MPa， 雖然斷裂均發(fā)生在抗拉強度較低的焊縫處，但完全滿足工程結(jié)構(gòu)對接頭的強度要求。

3.2 金相檢驗

把試樣沿垂直于焊縫的方向切開， 用鑲嵌機鑲嵌成標(biāo)準(zhǔn)試樣，然后分別用 400，600，800，1 000，1 500和2 000 號砂紙依次打磨試樣， 最后經(jīng)過拋光機拋光后用 FeCl3（10 g）+HCl （20 ml）+ H2O（40 ml） 溶液進行腐蝕。 采用低放大倍數(shù)對整個焊接接頭的整體形貌進行分析， 焊接接頭的金相宏觀組織觀察發(fā)現(xiàn)焊縫金屬與母材的熔合情況良好， 釬縫表面連續(xù)致密、焊角光滑均勻，焊接接頭沒有裂紋、針孔、溶蝕等缺陷產(chǎn)生，潤濕良好。 奧氏體不銹鋼與黃銅焊接時，釬料流入黃銅與奧氏體不銹鋼焊接面的縫隙中，形成了合格的釬焊接頭。

4 結(jié)束語

按照以上工藝步驟施焊的H62 黃銅和TP304不銹鋼， 通過對力學(xué)性能試驗、 金相檢驗， 符合GB150.4—2011《壓力容器》的要求，滿足 JB／T6966—93 的Ⅰ級釬縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 該工藝產(chǎn)品合格率高達99.9%，接頭質(zhì)量良好，完全能夠滿足實際使用要求，可為我國的核電工業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域提供參考。