Inconel 690傳熱管GTAW對(duì)接焊接頭組織及力學(xué)性能研究

喬建毅 葉亮 劉遠(yuǎn)彬 楊小杰 張國迅

摘要：對(duì)Inconel 690傳熱管材進(jìn)行鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）對(duì)接焊，采用拉伸試驗(yàn)機(jī)、壓扁試驗(yàn)機(jī)和光學(xué)顯微鏡測(cè)試和分析傳熱管焊接接頭，同時(shí)利用ANSYS軟件開展焊接接頭在設(shè)計(jì)工況失壓時(shí)的一次應(yīng)力強(qiáng)度校核。研究結(jié)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(shí)接頭的平均抗拉強(qiáng)度為619 MPa，平均屈服強(qiáng)度為292 MPa，350 ℃時(shí)接頭平均抗拉強(qiáng)度為475 MPa，平均屈服強(qiáng)度為206 MPa，拉伸接頭斷裂從熔合區(qū)開始貫穿整個(gè)焊縫組織，呈塑性斷裂。壓扁試驗(yàn)和反向壓扁試驗(yàn)結(jié)果表明管接頭完好。通過ANSYS分析可知，設(shè)計(jì)工況下傳熱管接頭350 ℃許用應(yīng)力強(qiáng)度150 MPa限值可滿足其一次應(yīng)力強(qiáng)度要求，且裕量較大。

關(guān)鍵詞：Inconel 690鎳基合金;GTAW;焊接接頭;一次應(yīng)力強(qiáng)度;塑性斷裂

中圖分類號(hào)：TG422? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(yīng)用于耐腐蝕關(guān)鍵部件。但是在實(shí)際焊接過程中，由于其電阻率較高、線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱率低，焊接接頭中會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，容易產(chǎn)生焊接變形，同時(shí)鎳屬于單相組織，焊接時(shí)容易產(chǎn)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(diǎn)對(duì)于其焊接是非常必要的[1]。

由于690合金材料成分處于應(yīng)力腐蝕開裂免疫區(qū)，所以目前全世界各國核電站都相繼采用其作為蒸發(fā)器耐腐蝕材料，其應(yīng)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(fā)生器傳熱管材料采用了690合金;法國FRMATOME已在新的設(shè)計(jì)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?jiān)O(shè)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(nèi)對(duì)此研究較少，工程上的應(yīng)用也較少。文中通過研究Inconel 690鎳基合金傳熱管GTAW對(duì)接焊接頭組織及力學(xué)性能，以期為將來工程應(yīng)用積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)為傳熱管的焊接提供工藝參考和理論支持。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為SB-163 N06690TT管材。傳熱管規(guī)格為φ19 mm×2.5 mm，傳熱管材的化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

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

1.2 試驗(yàn)方法

采用鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）對(duì)Inconel 690TT傳熱管管材進(jìn)行對(duì)接焊，使用POLYSOUDE PC600 電源+L型機(jī)頭（見圖2），焊接時(shí)管與管之間帶熔化襯環(huán)，焊接位置為水平固定全位置。焊縫正背面均采用氣體保護(hù)，正面保護(hù)氣體為純度99.999%的氦氣，背面保護(hù)氣體為99.999%的氬氣，焊接工藝參數(shù)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(shí)間180～200 ms，基值脈沖時(shí)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(jī)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(jìn)行PT檢測(cè)。制定了專用工裝夾具（見圖3）進(jìn)行裝配固定，保證錯(cuò)邊量不大于0.1 mm。

根據(jù)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(jìn)行室溫和高溫試驗(yàn)[4-5]。

根據(jù)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(jìn)行壓扁試驗(yàn)和反向壓扁試驗(yàn)。按照ASTM-A751進(jìn)行焊縫的化學(xué)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(jìn)行宏觀和微觀金相檢測(cè)[7-8]。

2 結(jié)果和分析

2.1 焊接接頭的力學(xué)性能

室溫和350 ℃?zhèn)鳠峁芙宇^的抗拉強(qiáng)度（Rm）和屈服強(qiáng)度（Rp0.2）如表3所示，室溫時(shí)接頭的平均抗拉強(qiáng)度為619 MPa，平均屈服強(qiáng)度為293 MPa，平均斷后伸長率為24%;350 ℃時(shí)接頭的平均抗拉強(qiáng)度為475 MPa，平均屈服強(qiáng)度為206 MPa，平均斷后伸長率為23%。接頭斷裂從熔合區(qū)開始貫穿整個(gè)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(huán)節(jié)，力學(xué)性能較母材差。

壓扁試驗(yàn)：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(diǎn)處）。第一步是延性試驗(yàn)，將試樣一直壓到板間距H小于7.6 mm時(shí)，在焊接管試樣的內(nèi)外表面，無裂紋或破裂;第二步是完整性試驗(yàn)，壓扁繼續(xù)進(jìn)行，直到試樣破裂或管子相對(duì)兩壁相碰，壓扁試件完好。

反向壓扁試驗(yàn)：在焊縫兩側(cè)90°處縱向剖開，對(duì)試樣進(jìn)行壓扁，使得焊縫處在最大彎曲點(diǎn)上，焊縫處未出現(xiàn)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(cè)和通球率檢測(cè)

接頭通過無損檢測(cè)（VT、DT、PT和RT）都合格，管內(nèi)焊縫內(nèi)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(cè)如圖6所示，通球直徑φ13.4 mm，焊縫內(nèi)凸檢測(cè)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(xué)成分如表4所示，滿足ASME規(guī)范相關(guān)要求[9]，在母材化學(xué)成分要求范圍內(nèi)。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(qū)晶粒粗大，這是由于傳熱管的導(dǎo)熱性較差，晶粒長大速度較快，所以熔合區(qū)晶粒有明顯增大，這也說明了接頭斷裂始于熔合區(qū)并貫穿整個(gè)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(xué)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(chǎn)生缺Cr現(xiàn)象，提高抗氧化的能力。

2.4 焊接接頭的力學(xué)強(qiáng)度校核

接頭斷裂在焊縫，由此可判斷焊縫力學(xué)性能較母材差。傳熱管接頭應(yīng)用環(huán)境是高溫高壓，傳熱管材料（SB-163 N06690）在高溫下的許用應(yīng)力強(qiáng)度為161 MPa[10]，而目前焊接工藝下接頭在高溫下的許用應(yīng)力強(qiáng)度為150 MPa，低于兩側(cè)母材的許用應(yīng)力強(qiáng)度，不滿足ASME BPVC第Ⅸ卷的焊縫抗拉強(qiáng)度不小于母材抗拉強(qiáng)度的要求。文中基于ANSYS17.1軟件，開展焊接接頭在設(shè)計(jì)工況下一次側(cè)或二次側(cè)失壓時(shí)的一次應(yīng)力強(qiáng)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(qiáng)度參數(shù)如表6所示。

在實(shí)際應(yīng)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(nèi)層傳熱管幾何模型示意如圖8所示。

2.4.1 傳熱管對(duì)接焊縫分析模型

對(duì)于傳熱管之間的焊接接頭，同時(shí)評(píng)價(jià)最內(nèi)側(cè)與最外側(cè)傳熱管，分別對(duì)應(yīng)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(duì)于螺旋傳熱盤管，可截取焊縫兩側(cè)足夠長的一段管道作為邊界進(jìn)行分析。模型采用Solid186單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，螺旋管兩側(cè)端部固定約束，其有限元模型如圖9、圖10所示。計(jì)算載荷僅考慮壓力載荷。設(shè)計(jì)工況載荷如表7所示。

2.4.2 對(duì)接焊縫力學(xué)分析結(jié)果

設(shè)計(jì)工況下傳熱管對(duì)接焊縫應(yīng)力強(qiáng)度云圖如表8所示。對(duì)于圓形截面，沿壁厚取任一徑向路徑為評(píng)定路徑;對(duì)于橢圓截面，保守考慮，在長軸方向沿壁厚取評(píng)定路徑，具體如圖11所示。

根據(jù)ASME BPVC第Ⅲ卷第1冊(cè)NB-3221的要求，在設(shè)計(jì)工況下評(píng)定準(zhǔn)則如下：總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Pm≤Sm;局部一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Pl≤1.5Sm;一次薄膜+一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度 Pm（Pl）+Pb≤1.5Sm;Pm為總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度，Pl為局部一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度，Pb為一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度，Sm為許用應(yīng)力強(qiáng)度。

計(jì)算結(jié)果如表9所示，設(shè)計(jì)工況下焊縫一次應(yīng)力強(qiáng)度滿足應(yīng)力限值要求。

3 結(jié)論

（1）采用鎢極氣體保護(hù)焊方法對(duì)Inconel 690傳熱管材進(jìn)行熔化嵌環(huán)對(duì)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(nèi)焊縫內(nèi)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(shí)接頭的平均抗拉強(qiáng)度為619 MPa，平均屈服強(qiáng)度為292 MPa，350 ℃時(shí)接頭平均抗拉強(qiáng)度為475 MPa，平均屈服強(qiáng)度為206 MPa，拉伸接頭斷裂從熔合區(qū)開始貫穿整個(gè)焊縫組織，呈塑性斷裂。壓扁試驗(yàn)和反向壓扁試驗(yàn)結(jié)果顯示管接頭完好。

（3）通過ANSYS分析可知，設(shè)計(jì)工況下傳熱管接頭350 ℃許用應(yīng)力強(qiáng)度150 MPa限值可滿足其一次應(yīng)力強(qiáng)度要求，且裕量較大。

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