全位置鎳基內(nèi)壁與端面一體化增材堆焊技術(shù)

劉萬存，袁亮文，肖 鵬，趙 佳

(一重集團(tuán) 大連核電石化有限公司，遼寧大連 116113)

0 引言

某反應(yīng)堆壓力容器采用了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、滿足三代核能系統(tǒng)指標(biāo)的壓水堆核電機(jī)組(ACP100)。該反應(yīng)堆作為一種安全、經(jīng)濟(jì)的核電新堆型，是國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)鼓勵(lì)發(fā)展和利用的一個(gè)核能應(yīng)用新方向，許多國家都在積極研發(fā)[1]。

在整個(gè)反應(yīng)堆壓力容器制造過程中，有大量的內(nèi)壁堆焊。整個(gè)產(chǎn)品制造過程中，涉及到的焊接工序有內(nèi)壁堆焊、端面堆焊、內(nèi)/外坡口組焊等。以往每個(gè)工序都在專門的焊接工裝上進(jìn)行，需要對工件進(jìn)行反復(fù)地吊運(yùn)、裝夾、加熱，這大幅增加了焊接準(zhǔn)備時(shí)間和生產(chǎn)成本，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下?；谝陨蠁栴}，提出一整套的全位置內(nèi)壁+端面一體化堆焊技術(shù)，主要包括全位置-TIG自動(dòng)焊接設(shè)備與內(nèi)壁+端面一體化全位置堆焊工藝技術(shù)[2-4]。

1 內(nèi)壁+端面一體化堆焊技術(shù)開發(fā)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

管內(nèi)壁TIG堆焊和管端面TIG堆焊大多采用平焊位或者橫焊位焊接，在焊接條件允許的情況下，極少采用全位置工藝焊接，且缺少成熟的、固化的、通用的不銹鋼和鎳基材料全位置TIG整套堆焊技術(shù)?？紤]到在制產(chǎn)品焊接涉及多個(gè)全位置焊接工藝技術(shù)(包括全位置內(nèi)壁堆焊技術(shù)、全位置端面堆焊技術(shù)等)，而且每種焊接工藝參數(shù)均存在一定差別，因此開發(fā)了一整套的全位置內(nèi)壁+端面一體化堆焊技術(shù)(主要包括全位置-TIG自動(dòng)焊接設(shè)備與一體化全位置堆焊工藝技術(shù))，用于解決面臨的各種問題。其中，自主研發(fā)的全位置-TIG自動(dòng)焊接設(shè)備如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，焊接主電源采用EWM Tetrix DC 552 Synergic CW，熱絲電源采用EWM Tetrix 270 Hotwire。

圖1 全位置-TIG自動(dòng)焊接設(shè)備

表1 全位置-TIG自動(dòng)焊接設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為SA-508-Ⅲ，外徑?360 mm，內(nèi)徑?260 mm，長度L=220 mm，如圖2所示,圖中A為全位置內(nèi)壁鎳基堆焊區(qū)域，B為全位置端面鎳基堆焊區(qū)域。

采用焊絲牌號為ASME SFA-5.14 ERNiCrFe-7，焊絲直徑?0.9 mm。內(nèi)壁與端面各堆焊4層，堆焊完成后，經(jīng)過打磨處理，保證堆焊層最終厚度為6 mm，進(jìn)行PT,UT無損檢測以及理化試驗(yàn)。焊接試驗(yàn)件與焊絲化學(xué)成分要求如表2所示。

圖2 試驗(yàn)件堆焊示意

表2 焊接試驗(yàn)件與焊絲化學(xué)成分

1.3 焊接工藝過程

在全位置焊接過程中，焊接的空間位置有平焊、上坡焊、仰焊和下坡焊，由于熔池液態(tài)金屬在不同的空間位置所受力不同而引起流動(dòng)性不同，使焊縫成形變化顯著。尤其在內(nèi)壁或端面開放環(huán)境中進(jìn)行全位置堆焊，熔融的液態(tài)金屬由于沒有坡口的約束而自由流動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的焊縫成型，通過焊接電弧控制熔池的形態(tài)來保證焊接質(zhì)量。本項(xiàng)目的全位置焊接工藝開發(fā)主要包括：(1)分層或分道設(shè)置不同工藝參數(shù)組合；(2)圓周方向不同分區(qū)設(shè)置不同工藝參數(shù)組合；(3)采用脈沖焊接；(4)焊接過程中觀察熔池長度、形狀、弧光強(qiáng)度等，一般以熔池前段呈橢圓形、綠光較為合適；(5)熔池過大、過長時(shí)應(yīng)減小焊接電流，反之，則增大焊接電流；(6)連續(xù)焊接時(shí)，熱量積累效應(yīng)十分明顯，越向后焊，溫度越高，應(yīng)適當(dāng)降低焊接參數(shù),控制層間溫度；(7)保證送絲位置處于“兩正”位置(即送絲處于正前方與電弧正中心下方)，避免焊道兩側(cè)或單側(cè)的微咬邊；(8)在端面堆焊時(shí)，焊槍與端面夾角保持在30°左右，滿足R角位置(包括內(nèi)外R角設(shè)計(jì))的圓弧過渡焊接[5-10]。

如果堆焊的不同空間位置選用相同的焊接參數(shù)，對于自動(dòng)焊而言，會(huì)顯著影響焊縫成形和質(zhì)量，為保證全位置焊接時(shí)不同位置的焊縫成形(焊縫寬度、焊縫余高)盡量趨于一致，成形質(zhì)量優(yōu)良[11-12]，建立12分區(qū)模式，如圖3所示。從最低端(6點(diǎn)鐘方向)定義為0°，順時(shí)針每30°劃分為一個(gè)區(qū)，共計(jì)12區(qū)，起弧位置為0°，收弧為360°，保證收弧位置焊縫飽滿，在最后分區(qū)(第12分區(qū))設(shè)置收弧搭接量3°。全位置一體化堆焊的焊接工藝參數(shù)如表3所示。

圖3 12分區(qū)設(shè)定

表3 全位置一體化堆焊工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 堆焊層宏觀形貌

為方便后續(xù)研究，分別對試驗(yàn)件內(nèi)壁與端面進(jìn)行全位置鎳基堆焊試驗(yàn)，圖4,5所示為全位置鎳基內(nèi)壁與端面增材堆焊完的焊縫宏觀形貌，焊接表面魚鱗紋平整、均勻，成形良好。焊后內(nèi)壁再次加工，按照NB/T 20003—2010《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)，對內(nèi)壁堆焊層進(jìn)行100%PT，UT檢測，檢測結(jié)果全部合格。

圖4 內(nèi)壁堆焊宏觀形貌

圖5 端面堆焊宏觀形貌

2.2 堆焊層金相組織

按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，采用倒置式金相顯微鏡對其垂直于堆焊層區(qū)域的金相組織進(jìn)行檢測，檢測區(qū)域包括母材、堆焊層、熱影響區(qū)以及熔合線區(qū)。結(jié)果顯示，不管是內(nèi)壁堆焊還是端面堆焊，母材組織為鐵素體+珠光體組織；堆焊層為奧氏體組織；熱影響區(qū)為貝氏體組織。內(nèi)壁、端面堆焊的各區(qū)組織如圖6,7所示，金相圖中無可見的裂紋和未焊透，不存在母材和熔敷焊道之間的結(jié)合不良、未熔合及氣孔或夾渣，均滿足產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。

圖6 內(nèi)壁堆焊母材、堆焊層、熱影響區(qū)微觀組織形貌

圖7 端面堆焊母材、堆焊層、熱影響區(qū)微觀組織形貌

2.3 力學(xué)性能

2.3.1 沖擊性能

該試驗(yàn)是測定金屬材料抗缺口敏感性(韌性)的試驗(yàn)。按照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》加工10 mm×10 mm×55 mm的試驗(yàn)件。根據(jù)JFS-420300-JT39《反應(yīng)堆壓力容器不銹鋼內(nèi)壁堆焊工藝技術(shù)要求》，采用落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)與夏比沖擊試驗(yàn)降溫儀在0 ℃與20 ℃徑向熱區(qū)距熔合線1 mm,4 mm處進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)。

不同位置沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表4，5所示?？梢钥闯觯瑑?nèi)壁堆焊與端面堆焊試驗(yàn)中，距離熔合線4 mm處的沖擊吸收能量低于距離熔合線1 mm處的沖擊吸收能量，主要原因是熱影響區(qū)過熱造成晶粒長大，性能降低，導(dǎo)致沖擊吸收能量下降。對比表4，5可知，內(nèi)壁堆焊的沖擊性能略低于端面堆焊的沖擊性能，主要原因是堆焊過程中母材、堆焊層的熱交換不一致，由于內(nèi)壁堆焊屬于廣義上的受限空間，熱積累不易擴(kuò)散；在端面堆焊時(shí)，由于空間不受限，且堆焊面積較內(nèi)壁堆焊少，不易形成熱量的積累，層間溫度控制得更好，使得晶粒更趨于細(xì)小、均勻[13]。

表4 端面堆焊沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

表5 內(nèi)壁堆焊沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 彎曲性能

彎曲試驗(yàn)主要用來檢測焊縫材料在經(jīng)受彎曲負(fù)載作用時(shí)的性能，評價(jià)焊縫金屬材料的彎曲強(qiáng)度和塑性變形的大小。按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》執(zhí)行，分別取內(nèi)壁堆焊與端面堆焊試樣，規(guī)格10 mm×30 mm×120 mm，數(shù)量為2個(gè)，彎曲夾具D=4a，a=10 mm，α=180°，試樣彎曲180°后，拉伸面上不允許出現(xiàn)任何明顯開裂，單個(gè)裂紋、氣孔、夾渣的長度均不大于1.5 mm。試驗(yàn)結(jié)果無缺陷，如圖8所示。該項(xiàng)材料理化性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求。

圖8 彎曲試樣

2.4 晶間腐蝕

按照GB/T 4334—2020《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體(雙相)不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》，試樣規(guī)格3 mm×10 mm×50 mm。采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)，彎曲試樣180°，彎曲直徑等于試樣厚度，彎曲后在10倍放大鏡下觀察，不允許有晶間腐蝕引起的裂紋或者開裂傾向。結(jié)果表明，對內(nèi)壁堆焊與端面堆焊縱向堆焊層試樣的三種狀態(tài)(PWHT、PWHT+敏化態(tài)(700±10) ℃×0.5 h、焊態(tài))進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，均沒有發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋及傾向，滿足技術(shù)條件要求,如圖9所示。

圖9 晶間腐蝕試樣

2.5 宏觀硬度

按照GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》，取全位置內(nèi)壁與端面堆焊10 mm×30 mm×100 mm試樣(PWHT)，在堆焊層厚度方向上進(jìn)行硬度分布曲線測定，此厚度方向上包括堆焊層、熔合線、焊接熱影響區(qū)、母材四個(gè)區(qū)，每區(qū)測5點(diǎn)，焊接熱影響區(qū)測量點(diǎn)之間距離0.5 mm，堆焊層、熔合線區(qū)、母材區(qū)測量點(diǎn)之間距離1 mm，載荷98 N，按照要求焊接熱影響區(qū)HV≤320。

全位置內(nèi)壁與端面堆焊層、熔合線、熱影響區(qū)、母材硬度分布測試結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，母材硬度最高，熔合線硬度最低，熱影響區(qū)與堆焊層保持中間狀態(tài)，均為HV≤320。綜上所述，4個(gè)區(qū)的宏觀硬度都滿足產(chǎn)品技術(shù)條件。

(a)端面

(b)內(nèi)壁

2.6 化學(xué)分析

采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)、氧氮?dú)浞治鰞x(HS-132)以及碳硫分析儀(HS-130)，根據(jù)GB/T 20123—2006《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法》、GB/T 20124—2006《鋼鐵 氮含量的測定 惰性氣體熔融熱導(dǎo)法》、GB/T 20125—2006《低合金鋼 多元素的測定電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》、GB/T 223.81—2007《鋼鐵及合金 總鋁和總硼含量的測定 微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》，在堆焊完工的焊態(tài)表面打磨0.5 mm后的2 mm深度范圍內(nèi)，取屑狀進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果如表6所示。

表6 堆焊層金屬化學(xué)成分

從檢測的化學(xué)成分可以看出，堆焊層中Cr，Ni等主要元素的含量基本與填充金屬一致，母材稀釋率低，而且焊縫金屬中C元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于母材與填充金屬含量，在保證堆焊層強(qiáng)度的同時(shí)，韌性增強(qiáng)，有效控制了焊縫金屬中C元素的含量。

3 結(jié)語

(1)自主開發(fā)的適用于全位置焊接的TIG-自動(dòng)焊接專機(jī)，可實(shí)現(xiàn)平焊、橫焊以及全位置等多種位置的焊接，減小大型焊接工裝，優(yōu)化生產(chǎn)制造流程，提高制造效率。

(2)開發(fā)的全位置鎳基內(nèi)壁+端面一體化焊接技術(shù)主要包括全位置內(nèi)壁堆焊工藝、全位置端面堆焊工藝等，對試驗(yàn)件進(jìn)行PT,UT檢測以及理化性能檢測，結(jié)果均滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。該項(xiàng)技術(shù)已成功應(yīng)用于某核反應(yīng)堆的接管內(nèi)壁與端面一體化的制造中，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)工位、多流程的生產(chǎn)制造。