ITER 無氧銅TIG 焊電弧預(yù)熱方案焊接可行性分析

王華，金京，郝強(qiáng)旺

(1.合肥科聚高技術(shù)有限責(zé)任公司,合肥,230031；2.中國科學(xué)院等離子體物理研究所,合肥,230031)

0 序言

ITER 國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目是一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形裝置，目前已經(jīng)進(jìn)入總裝階段，而內(nèi)部線圈導(dǎo)體以及接頭的制作是整個導(dǎo)體線圈安裝的最終階段，同時也是難度最大的部分.ITER 主機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由超導(dǎo)系統(tǒng)、外真空杜瓦、內(nèi)外冷屏、真空室及內(nèi)部部件和磁體等部件組成.但2008 年一些物理學(xué)家分析指出，超導(dǎo)磁體對等離子體位的控制還存在一些不足，于是在2013年ITER 設(shè)計(jì)中納入了內(nèi)部線圈系統(tǒng)，以提高ITER裝置運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性.內(nèi)部線圈的設(shè)置是為了能夠主動快速的控制等離子體的穩(wěn)定性，能夠通過在等離子體內(nèi)產(chǎn)生共振磁擾動而減輕邊緣局域模效應(yīng)的影響，從而降低面對等離子體部件上受到的熱沖擊載荷，它們被安裝在屏蔽模塊和真空容器之間，其需要承受輻射(～3 000 MGy)和溫度(穩(wěn)定運(yùn)行期間100 ℃，烘烤期間200 ℃)的惡劣環(huán)境中工作.IVCS(internal vacuum coil system)即內(nèi)部線圈系統(tǒng)是等離子體控制和穩(wěn)定線圈系統(tǒng)的一部分，在裝置內(nèi)不同位置需要不同的接頭形式，這些接頭形式將線圈與饋線和其它各部分連接一起，這些接頭最終必須在真空室內(nèi)完成組裝焊接.真空室內(nèi)一共有176 個接頭，這些接頭分別分布在真空室不同的位置，而這些接頭中空間位置最小的徑向空間只有60 mm，接頭端部銅管裸露出來的長度大約為160 mm，分布在接頭兩端的2 個夾具之間的長度最小為220 mm，而且由于線圈已經(jīng)安裝成形并固定在真空壁上，從而不便于返修，故線圈中無氧銅銅管的焊接接頭一次性合格率要求極高[1].

為了適應(yīng)復(fù)雜嚴(yán)峻的運(yùn)行工況，ITER 內(nèi)部線圈導(dǎo)體采用了一種特殊的絕緣導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，即是由內(nèi)層的無氧銅銅管、中間層絕緣層MgO 以及外部316LN 不銹鋼鎧甲組成的一種類似于三明治的結(jié)構(gòu).而接頭的制造首先要實(shí)現(xiàn)銅管的焊接，銅管接頭焊接完后再填充MgO，最后套上不銹鋼套管利用擠壓機(jī)對不銹鋼套管進(jìn)行擠壓，擠壓完成后再焊接不銹鋼套管.整個焊接過程均在狹小空間內(nèi)完成，所有接頭焊縫均需要滿足無損檢測標(biāo)準(zhǔn)，每個接頭制作完成后不能影響線圈的絕緣性能，焊接過程中必須避免對于絕緣層MgO 的污染.鑒于銅的導(dǎo)熱性很強(qiáng)，焊接時熱量很快從加熱區(qū)傳導(dǎo)出去，導(dǎo)致焊件溫度難以升高，金屬難以熔化，并且填充金屬與母材不能良好熔合，另外，銅在高溫液態(tài)下極容易氧化，且極容易形成氣孔，而用于內(nèi)部線圈接頭的銅管厚度達(dá)到了6 mm，采用TIG 焊能獲得較高質(zhì)量的焊縫，且較容易實(shí)現(xiàn)較小焊接空間內(nèi)的自動化焊接，因此為了滿足ITER 內(nèi)部線圈接頭設(shè)計(jì)與制造，最終選擇開放式TIG 焊接機(jī)頭，機(jī)頭上加氣體保護(hù)裝置進(jìn)行焊接，并且在機(jī)頭上安裝了可跟蹤攝像頭，以便于觀察焊縫熔池.

由于空間的局限性最終選擇了電弧預(yù)熱的方法對銅管進(jìn)行預(yù)熱，為了驗(yàn)證電弧預(yù)熱這種工藝的可行性，文中通過模擬45°和90°空間位置分別進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，對樣品進(jìn)行非破壞性試驗(yàn)(射線檢測)，檢查每個樣品的橫截面以及分析焊縫和母材的硬度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)電弧預(yù)熱對焊縫熱影響區(qū)并無明顯影響，從而驗(yàn)證了采用電弧預(yù)熱方案是可行的.

1 試驗(yàn)方法

選擇母材為?46 mm × 6 mm 的無氧銅銅管(Cu 元素含量大于99.99%)和直徑為?1 mm 的ERCu 焊絲，試驗(yàn)采用法國Ploysoude MUIV64S 型開放式全位置窄間隙氬弧焊機(jī)，該焊接系統(tǒng)主要由焊接電源 (PC600)、智能水箱、窄間隙機(jī)頭(包括送絲機(jī)構(gòu)和焊槍)、控制系統(tǒng)、攝像頭等組成.由于在真空室內(nèi)部對于焊接操作有不同的方向和空間上的要求，因此選取的焊接工藝必須適用于最終的工程應(yīng)用，為此分別選取空間位置45°和90°進(jìn)行TIG 焊試驗(yàn)，如圖1 所示，銅管坡口示意圖如圖2 所示.為了便于焊接，得到成形質(zhì)量較好的焊接接頭，焊接前，坡口裝配間隙≤2 mm，并對焊口兩側(cè)清洗，嚴(yán)防漆、銹、油污、表面氧化物等雜物的影響；焊接時，利用機(jī)頭在銅管坡口兩側(cè)預(yù)熱后，先進(jìn)行脈沖打底焊再送絲填充.焊接時管內(nèi)通氬氣(純度99.997%)作為焊縫背面保護(hù)氣體，采用氬氣和氦氣(70%Ar+30%He)作為焊縫正面保護(hù)氣體，同時機(jī)頭上加保護(hù)氣罩裝置，氣罩內(nèi)通氬氣對焊縫進(jìn)行保護(hù)防止焊縫氧化，預(yù)熱時使用不帶送絲的焊接程序.利用電弧在焊縫坡口兩側(cè)25 mm 內(nèi)各焊接一圈給銅管加熱使銅管整體溫度上升，銅管的預(yù)熱溫度為300～ 400 ℃.打底焊采用脈沖電流(峰值電流IHp，基值電流ILp)，焊接試樣時采取的工藝參數(shù)見表1[2].焊接完成后焊縫表面成形狀態(tài)以及焊縫內(nèi)部的成形狀態(tài)如圖3 所示，由于焊接銅管過程中溫度均較高，焊縫非常容易被氧化，焊縫表面如和銅管本身的顏色相近則最佳，如為黑色則是焊縫被氧化.銅管焊縫經(jīng)無損檢測合格后，將焊縫余高打磨拋光后，從導(dǎo)體中切割取出所需要進(jìn)行試驗(yàn)的銅管，再用電火花切割銅管試樣，使其焊縫中心在獲得的試樣中心位置并將試樣截面打磨平整.

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding parameters

圖1 不同位置的真空室內(nèi)焊接Fig.1 Welded joints in the vacuum vessel at different positions

圖2 銅管坡口示意圖(mm)Fig.2 Schematic diagram of copper pipe

圖3 45°和90°焊后焊縫表面成形以及內(nèi)部成形Fig.3 45° &90° degree weld surface forming and internal forming state.(a) 45° joint;(b) 90° joint

焊接接頭是按照ISO 17636—2:2013《Non-destructive testing of welds-Radiographic testing-Part 2:X-and gamma-ray techniques with digital detectors》進(jìn)行射線檢測[3]；熱影響區(qū)(heat-affected zone，HAZ)根據(jù)宏觀組織觀察和晶粒尺寸變化來評估的，使用Keyence VHX 6000 型光學(xué)顯微鏡獲得了截面上熱影響區(qū)的寬度，根據(jù)熱影響區(qū)的寬度，從而得出熱影響區(qū)的范圍.每個試樣的橫截面先進(jìn)行機(jī)械打磨，然后進(jìn)行拋光處理，按照 ASTM E407—2007 《Standard practice for microetching metals and alloys》采用體積為10%的過硫酸銨腐蝕劑腐蝕，以顯示其微觀結(jié)構(gòu)[4].

按 照 ISO 6507-1:2018《Metallic materials-Vickers hardness test—Partl:Test method》進(jìn)行試樣的顯微硬度試驗(yàn)[5]，加載載荷為4.9 N.根據(jù) ISO 9015-2:2001《Destructive tests on welds in metallic materials—Hardness testing—Part 2: Microhardness teston arc welded joints》所采用的方法有：一種是使用R 方法(壓痕法)在每個樣品的剖面中間進(jìn)行測試；另一種是個別的壓痕(方法 E) 在焊接的不同 位置進(jìn)行測試.方法R(壓痕法)根據(jù) ISO 9015-2 中選擇壓痕之間的距離為1.13 mm，母材、焊縫金屬和熱影響區(qū)為了更接近邊緣，利用低負(fù)荷沿著整個長度的輪廓線進(jìn)行測量.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無損檢測

射線檢測焊縫缺陷根據(jù) ISO 10675-1:2013《Nondestructive testing of welds —Acceptance levels for radiographic testing Part1：Steel，nickel，titanium and their alloys》1 級驗(yàn)收等級.根據(jù) ISO 17636-1:2013 《Non-destructive testing of welds— Radiographic testing — Part 1: X-and gamma-ray techniques with film》對45°和90°試樣觀察線性氣孔以及單個氣孔，并進(jìn)行驗(yàn)收.45°試樣未發(fā)現(xiàn)缺陷，90°試樣的線性氣孔如圖4 所示，其長度為1.72 mm，單個氣孔長度0.51 mm 均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，根據(jù)以上分析可以得出2 個位置的試樣均合格.

圖4 90°樣品RT 圖像線性氣孔Fig.4 RT film of sample 90° linear porosity

2.2 HAZ 寬度測量

熱影響區(qū)的評估是基于截面上的晶粒尺寸變化獲得了截面上熱影響區(qū)宏觀寬度，其測量結(jié)果見表2.事實(shí)上電弧預(yù)熱過程會導(dǎo)致焊縫附近的晶粒尺寸長大，這是由于操作時溫度升高導(dǎo)致的，接頭和母材的微觀組織如圖5 所示，得出2 種接頭的微觀組織與母材組織之間的差異，并且根據(jù)熱影響區(qū)的組織去判斷接頭的熱影響區(qū)的寬度，根據(jù)熱影響區(qū)的晶粒尺寸與焊縫及母材的不同，分析得出熱影響區(qū)的寬度大小[6].

表2 熱影響區(qū)宏觀寬度Table 2 Macro width of HAZ

圖5 接頭和母材的微觀組織Fig.5 Macrostructure of the joint cross-section.(a) 45°joint;(b) 90° joint;(c) copper base metal

2.3 熱影響區(qū)的顯微硬度

采用ISO 9015-2 中的 E 方法測量顯微硬度如圖6 所示[7]，接頭不同區(qū)域顯微硬度測量結(jié)果見表3，接頭硬度分布如圖7 所示.從表3 和圖7 可知，焊縫的硬度稍高于熱影響區(qū)和母材，熱影響區(qū)硬度與母材硬度無顯著差異，該測量結(jié)果與退火的銅管材料具有一定相關(guān)性，這是由TIG 焊過程中焊道內(nèi)的凝固速率較高，而填充材料的純度較低導(dǎo)致的.通過對2 種接頭的焊縫、熱影響區(qū)硬度以及母材的測量，得出3 者之間并無明顯差異[8].

表3 接頭的顯微硬度H(HV0.5)Table 3 Microhardness of joints

圖6 沿試樣剖面的顯微硬度測試點(diǎn)Fig.6 Microhardness points along sample profile

圖7 接頭的硬度分布Fig.7 Hardness distribution of joints.(a) 45° sample;(b) 90° sample

2.4 焊縫截面特征分析

對焊縫的橫截面進(jìn)行金相組織分析，如圖8 所示，通過金相組織分析發(fā)現(xiàn)2 個接頭焊縫中的橫截面上均存在氣孔，可以看到在45°接頭的截面中，有直徑?0.211 mm 的氣孔，而在90°接頭的截面中，可以發(fā)現(xiàn)有2 個小氣孔直徑大小分別為0.11 和0.05 mm，這些氣孔由于射線靈敏度不夠不能檢測出來，但按照ISO5817 的B 級均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi).從焊縫的橫截面分析可以得出焊縫組織并無異常，焊縫所存在的氣孔缺陷在驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi).

圖8 接頭的焊縫橫截面特征Fig.8 Weld characterization of joints.(a) 45° sample;(b) 90° sample

3 結(jié)論

(1)焊縫中存在線性氣孔和單個氣孔，其尺寸和長度均符合ISO 17636-1:2013 中的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)這些結(jié)果認(rèn)為空間位置45°和90°的試樣均合格.

(2)分別對銅管母材、熱影響區(qū)和焊縫金屬的硬度進(jìn)行測量，得出熱影響區(qū)硬度與母材硬度無顯著差異，但顯微組織有明顯差異，即焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)的晶粒尺寸比母材大，而這是由于焊縫及熱影響區(qū)的溫度較高，金屬冷卻速率較快引起的，焊縫金屬硬度相對于母材以及熱影響區(qū)稍高，由此可知，電弧預(yù)熱對熱影響區(qū)沒有顯著影響.

(3)根據(jù)無損檢測、微觀檢測以及顯微硬度結(jié)果可以得出，采用電弧預(yù)熱對焊縫和HAZ 并無影響，并未對焊縫及熱影響區(qū)的金屬組織成分造成影響，同時也沒有影響到焊縫的質(zhì)量，由此得出這種焊接方法是可行的，是可以運(yùn)用于工程應(yīng)用中.