保護(hù)氣體對(duì)管子-管板全位置TIG焊接接頭質(zhì)量的影響

和廣慶，李翠翠，田洪志

(1.國(guó)核工程有限公司，上海 200233；2.中核集團(tuán)中國(guó)中原對(duì)外工程有限公司，北京 100191)

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保護(hù)氣體對(duì)管子-管板全位置TIG焊接接頭質(zhì)量的影響

和廣慶1，李翠翠2，田洪志1

(1.國(guó)核工程有限公司，上海 200233；2.中核集團(tuán)中國(guó)中原對(duì)外工程有限公司，北京 100191)

摘要：結(jié)合核電AP1000蒸汽發(fā)生器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，研究了管子-管板全位置TIG焊不同焊接保護(hù)氣體對(duì)焊道成形、焊喉尺寸的影響，研究了100%Ar保護(hù)下在較高熱輸入下焊接時(shí)焊縫根部裂紋的形貌和形成機(jī)理。結(jié)果表明：相同焊接工藝參數(shù)下，100%Ar保護(hù)下的焊道最窄，100%He保護(hù)下的焊道最寬，95%Ar+5%H2保護(hù)下的焊縫最光亮；100%He，95%Ar+5%H2，75%He+25%Ar保護(hù)下焊接形成焊縫的焊喉尺寸均滿足技術(shù)要求，AP1000蒸汽發(fā)生器管子-管板TIG焊采用95%Ar+5%H2保護(hù)氣體時(shí)其焊接質(zhì)量較好;通過(guò)提高熱輸入并降低焊接速度，100%Ar保護(hù)下的有效焊喉尺寸可滿足技術(shù)要求，但焊縫根部出現(xiàn)裂紋的幾率增加，裂紋為高溫裂紋。

關(guān)鍵詞：管子-管板焊接接頭；全位置TIG焊；保護(hù)氣體；裂紋

0引言

蒸汽發(fā)生器管子-管板焊縫是核電廠一回路和二回路的密封邊界，設(shè)備制造廠和核電廠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都證明，管子-管板焊縫是蒸汽發(fā)生器的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響到設(shè)備的壽命和核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

隨著國(guó)內(nèi)核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商逐步掌握了百萬(wàn)千瓦級(jí)蒸汽發(fā)生器的制造工藝，但對(duì)管子-管板焊接工藝的研究不夠深入，在設(shè)備制造過(guò)程中管子-管板焊縫質(zhì)量存在較多的不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致了較多的質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)設(shè)備質(zhì)量和工程建設(shè)造成了影響。

目前管子-管極焊接主要采用全位置鎢惰性氣體(TIG)焊接,其焊接質(zhì)量的影響因素很多，如鎢極、焊槍的旋轉(zhuǎn)方式、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、保護(hù)氣體組成及氣體流量等，但針對(duì)某一變量對(duì)核電蒸汽發(fā)生器管子-管板焊接接頭質(zhì)量的影響規(guī)律研究還不夠深入[2]，對(duì)此方面的研究報(bào)道不多見。為了探討保護(hù)氣體對(duì)TIG焊接質(zhì)量的影響，作者研究了100%He，100%Ar，95%Ar+5%H2，75%He+25%Ar四種保護(hù)氣體對(duì)焊道成形和焊喉尺寸的影響，同時(shí)針對(duì)100%Ar保護(hù)下在較高的熱輸入下焊接時(shí)出現(xiàn)的微裂紋問(wèn)題，對(duì)裂紋形貌進(jìn)行了分析研究，優(yōu)選出較佳的保護(hù)氣體，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1試樣制備與試驗(yàn)方法

管板材料為AP1000蒸汽發(fā)生器所用的SA-508Gr.3Cl.2鋼，厚度為100 mm，先采用帶極埋弧焊堆焊方法在管板一側(cè)堆焊Inconel 690鎳基合金，堆焊層厚度7 mm，其化學(xué)成分見表1。換熱管材料為SB-163 UNS N06690鎳基合金，規(guī)格φ17.48 mm×1.01 mm，長(zhǎng)度150 mm，其化學(xué)成分見表2。

表1　堆焊層化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2　換熱管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

考慮鎢極為焊接機(jī)頭一個(gè)重要組成部分，在焊接過(guò)程起到引弧及維持電弧挺直度的關(guān)鍵作用[3]，而稀土鈰具有一定的抗燒損能力，并能防止鎢揮發(fā)而污染焊縫，因此，作者在試驗(yàn)中采用了φ2.4 mm的摻鈰鎢極，形狀和尺寸見圖1，其中鈰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，錐體角度為20°～30°，頂部有0.3～0.5 mm平臺(tái)。

圖1　管子-管板TIG焊示意及鎢極形狀Fig.1　Schematic diagram of tube-tubesheet TIG weldingand shape of tungsten electrode

SA-508Gr.3Cl.2鋼管板在一次側(cè)堆焊后鉆孔，孔中心距約24.89 mm，每塊板上鉆約50個(gè)孔，焊前采用橡膠脹接定位管子，脹接長(zhǎng)度18～32 mm，內(nèi)徑不小于15.50 mm。

圖2　TS25焊槍Fig.2　TS25 welding torch

采用法國(guó)POLYSOUDE公司生產(chǎn)的管子-管板專用TIG焊接設(shè)備進(jìn)行焊接，使用PS-254-2電源和TS25焊槍(見圖2)。該焊槍采用全封閉保護(hù)罩，焊接時(shí)，焊接接頭完全在氣體保護(hù)狀態(tài)下，因?yàn)闆]有焊絲送進(jìn)裝置和弧壓跟蹤反饋裝置，所以焊槍輕便靈活，但是起弧前需要較長(zhǎng)的時(shí)間將氣體保護(hù)罩中的空氣排出，同時(shí)充滿保護(hù)氣體。

TIG焊的工藝性能受保護(hù)氣體的成分、物理和化學(xué)性能的影響[4]，導(dǎo)致在電弧穩(wěn)定性、熔滴過(guò)渡、焊縫成形等方面的行為不同?？紤]鎳基合金的焊接特點(diǎn)，根據(jù)ASME SFA-5.32，分別選用100%Ar，95%Ar+5%H2，100%He，75%He+25%Ar(體積分?jǐn)?shù))四種氣體作為焊接保護(hù)氣體進(jìn)行試驗(yàn)，焊接參數(shù)見表3。

采用焊接工藝1，分別在四種保護(hù)氣體下各焊接至少7個(gè)接頭。由于100%Ar保護(hù)下焊接的焊縫熔深較淺，有效焊喉尺寸不能滿足要求，因此作者在試驗(yàn)中增大熱輸入，采用焊接工藝2在100%Ar保護(hù)下重新焊接管子-管板。

焊接接頭首先進(jìn)行無(wú)損滲透檢驗(yàn)，檢測(cè)合格后，按圖3方向切割焊接接頭，每個(gè)接頭有四個(gè)檢測(cè)面。采用10%草酸溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù))對(duì)檢測(cè)面進(jìn)行腐蝕后，采用SZX16型體式顯微鏡進(jìn)行宏觀檢測(cè)，并測(cè)

圖3　宏觀取樣和焊喉測(cè)量示意Fig.3　Schematic map of sampling (a) and welding throat measurement (b)

工藝峰值電流/A峰值時(shí)間/ms基值電流/A基值時(shí)間/ms焊接速度/(mm·min-1)氣體流量/(L·min-1)15610026100205142861003310019514

量接頭有效焊喉尺寸(要求不小于管壁厚的2/3)。

采用Axiovert 200 MAT型光學(xué)顯微鏡(OM)和Hitachi S4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)對(duì)100%Ar保護(hù)下采用工藝2焊接后的焊接接頭檢測(cè)面上的宏觀裂紋進(jìn)行觀察，同時(shí)采用附帶的能譜儀(EDS)對(duì)裂紋進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)定。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　焊縫外觀質(zhì)量

由圖4可見，在相同焊接參數(shù)下，在100%Ar保護(hù)下焊接時(shí)焊縫的焊道最窄，100%He保護(hù)下的焊道最寬，在75%He+25%Ar和95%Ar+5%H2混合氣體保護(hù)下的介于兩者之間；95%Ar+5%H2保護(hù)下的焊縫最光亮，其余氣體保護(hù)下的焊縫表面比較暗，這是因?yàn)檫€原性氣體H2的加入克服了鎳基金屬容易氧化的缺點(diǎn),避免了氧化物的出現(xiàn)，因此焊縫表面較為光亮。在95%Ar+5%H2保護(hù)下的焊道比100%Ar保護(hù)下的寬，是因?yàn)镠2的加入提高了焊道的潤(rùn)濕程度，改善了熔池的流動(dòng)性，使焊道截面加寬。

氦氣作為保護(hù)氣體時(shí)，要求較高的電弧電壓，在同樣的焊接電流下，其電弧熱輸入約為氬氣保護(hù)下的1.3倍[5]。從圖4可見，在100%He保護(hù)下進(jìn)行焊接時(shí)，焊道最寬，但是焊縫成形相對(duì)不規(guī)則。

2.2　焊喉尺寸

由表4可見，在相同的焊接參數(shù)下焊接時(shí)，在100%He，95%Ar+5%H2，75%He+25%Ar三種氣體保護(hù)下焊縫的焊喉尺寸均大于0.7 mm，滿足焊喉的尺寸要求(不小于0.7 mm)；在100%He保護(hù)下的焊喉尺寸最大，為0.96 mm，95%Ar+5%H2和

圖4　不同氣體保護(hù)下管子-管板焊接接頭外觀形貌Fig.4　 Morphology of tube-tubesheet weld joint under various shield gases

焊喉尺寸工藝1工藝2100%He95%Ar+5%H2100%Ar75%He+25%Ar100%Ar測(cè)量值/mm0.99,0.97,0.94,0.940.92,0.88,0.85,0.890.66,0.65,0.70,0.680.89,0.91,0.87,0.900.88,0.93,0.90,0.93平均值/mm0.960.880.670.890.92

圖7　焊縫裂紋處SEM形貌及元素面掃描結(jié)果Fig.7　SEM morphology (a) and Ni(b), Si(c), O(d) element surface scan results of weld crack

大明顯，可能在晶界析出低熔點(diǎn)共晶物，晶界在液態(tài)存在的時(shí)間越長(zhǎng)，液化裂紋傾向就越大[7]。

3結(jié)論

(1) 在相同的焊接參數(shù)下，100%He，95%Ar+5%H2，75%He+25%Ar保護(hù)下焊接形成焊縫的焊喉尺寸均大于0.7 mm，滿足焊喉尺寸要求；在100%He保護(hù)下的焊喉尺寸最大，為0.96 mm，95%Ar+5%H2和75%He+25%Ar保護(hù)下的次之。

(2) 在95%Ar+5%H2混合氣體保護(hù)下焊接時(shí)，焊縫成形良好，滿足焊喉尺寸要求，且焊縫較為光亮，適宜作為AP1000蒸汽發(fā)生器全位置TIG焊保護(hù)氣體。

(3) 在相對(duì)較低的焊接電流和高的焊接速度下，采用100%Ar保護(hù)焊接后的焊道最窄，焊喉尺寸不能滿足技術(shù)要求；提高熱輸入、降低焊接速度后，100%Ar保護(hù)下的焊喉尺寸滿足技術(shù)要求，但換熱管與管口根部出現(xiàn)裂紋幾率增加，裂紋為高溫裂紋;若采用此保護(hù)氣體，制定焊接工藝應(yīng)控制熱輸入，降低焊接電流，減少高溫停留時(shí)間，增加焊接速度和送絲速度。

參考文獻(xiàn)：

[1]廣東核電培訓(xùn)中心. 900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備(上下冊(cè))[M]. 北京:原子能出版社, 2005.

[2]顧永康, 張良成, 張仁剛, 等. 60萬(wàn)kW核電蒸汽發(fā)生器的管子與管板焊接[J]. 焊接, 2001(2):33-35.

[3]張其先, 吳紹炳, 劉鳴宇, 等. 核電蒸汽發(fā)生器用國(guó)產(chǎn)化傳熱管焊接性能試驗(yàn)研究[J]. 熱加工工藝, 2012, 41(23):159-162.

[4]CARY.現(xiàn)代焊接技術(shù)[M]. 陳茂愛, 王新洪, 陳俊華, 譯. 第六版. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2010:1-1.

[5]郭彥輝, 張偉棟, 曹冬巍, 等. 窄間隙TIG全位置自動(dòng)焊保護(hù)氣體選擇[J]. 電焊機(jī), 2012, 42(4):79-81.

[6]薄春雨, 楊玉亭, 丑樹國(guó), 等. 690鎳基合金焊接結(jié)晶裂紋形成機(jī)理分析[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2007, 28(10):69-72.

[7]史耀武. 中國(guó)材料工程大典:第22卷[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

75%He+25%Ar保護(hù)下的次之；在100%Ar保護(hù)下，采用焊接工藝1的焊喉尺寸為0.67 mm，不滿足技術(shù)要求，而采用焊接工藝2的焊喉尺寸達(dá)到0.92 mm，因此，在100%Ar保護(hù)下，需要提高焊接電流，降低焊接速度，才可以獲得滿足焊喉尺寸要求的焊接接頭。

雖然氦氣保護(hù)下的焊喉尺寸最大，但是由于氦氣起弧非常困難，用量較大，價(jià)格昂貴，同時(shí)氦氣的相對(duì)原子質(zhì)量和密度小，受周圍空氣流動(dòng)影響較大，容易出現(xiàn)氣孔，因此工業(yè)生產(chǎn)一般不會(huì)選擇100%He作為保護(hù)氣體。綜上，在管子-管板全位置TIG焊接中選擇95%Ar+5%H2保護(hù)較適宜。

2.3　工藝2的接頭質(zhì)量

在100%Ar保護(hù)下采用工藝1進(jìn)行焊接時(shí)，焊喉尺寸不能滿足要求；采用工藝2的焊喉尺寸雖達(dá)到了0.92 mm，但熱裂紋敏感性增大。

工藝1和工藝2相比，由于焊接熱輸入增加，焊縫根部出現(xiàn)裂紋的幾率明顯增大。采用工藝1焊接的試樣，90個(gè)試樣中僅有1個(gè)檢測(cè)面在焊縫根部出現(xiàn)微小裂紋;而采用工藝2焊接時(shí)，70個(gè)試樣中有6個(gè)檢測(cè)面發(fā)現(xiàn)裂紋。圖5為100%Ar保護(hù)下，采用工藝2焊接時(shí)焊縫中裂紋的宏觀形貌。

圖5　焊縫中裂紋的宏觀形貌Fig.5　 Macro-morphology of weld cracks

圖6　焊縫裂紋處的顯微形貌Fig.6　Micro-morphology of weld crack

圖6為圖5中裂紋尖端及其放大的裂紋形貌，A為管板一次側(cè)堆焊區(qū)域，B為換熱管區(qū)域，C為焊縫區(qū)域。由圖6可知，裂紋在換熱管與管口根部產(chǎn)生，向堆焊層內(nèi)部擴(kuò)展。

由圖7可以看出，在100%Ar保護(hù)下，采用工藝2焊接的接頭，其焊縫裂紋處不含硅元素，而氧元素明顯較多，說(shuō)明裂紋中不存在含硅的夾雜物。同時(shí)，氧元素沿著整個(gè)裂紋分布，即整個(gè)裂紋均被氧化了，而不是局部存在氧化物夾雜，證明是高溫裂紋，即在高溫時(shí)，換熱管與管口根部在拉應(yīng)力的作用下成為裂紋源，然后裂紋向堆焊層內(nèi)部擴(kuò)展。

由表5可以看出，裂紋處沒有夾雜物存在，但其中氧元素含量較高，說(shuō)明裂紋是在換熱管與管口根部拉應(yīng)力的作用下，在高溫時(shí)就已經(jīng)形成了，其擴(kuò)展與夾雜物無(wú)關(guān)。

表5　 焊縫中A點(diǎn)裂紋EDS分析結(jié)果

Inconel 690鎳基合金堆焊層具有較高的裂紋敏感性，裂紋的形成與多種因素有關(guān)。首先與冶金因素關(guān)系緊密，鎳可以與許多元素形成低熔點(diǎn)共晶相，焊縫金屬結(jié)晶速率越快，富鎳-鈮低熔點(diǎn)的共晶相在結(jié)晶過(guò)程越容易偏析于晶界或亞晶界，在金屬結(jié)晶產(chǎn)生拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋[6]。但在冶金因素一定的情況下，焊接工藝參數(shù)不當(dāng)也容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。焊接接頭的冷卻速率越大，所產(chǎn)生的應(yīng)變速率也越大，因而結(jié)晶裂紋傾向增大，同時(shí)焊接熱輸入越大，晶粒長(zhǎng)

圖７　焊縫裂紋處SEM 形貌及元素面掃描結(jié)果Fig敭７　SEM morphology a andNi b Si c O d elementsurfacescanresultsofweldcrack

Effect of Shield Gas on the Quality of Tube to Tubesheet Joint Welded

by All-Position TIG Welding

HE Guang-qing1, LI Cui-cui2, TIAN Hong-zhi1

(1.State Nuclear Power Engineer Co., Ltd., Shanghai 200233, China;

2.CNNC China Zhongyuan Engineer Corp., Beijing 100191, China)

Abstract:Based on the structure of AP1000 steam generator, the effects of various shield gases on the welding shape and throat dimension of tube to tubesheet joint welded by all-position TIG welding were studied. The morphology and forming mechanism of the cracks appeared during welding under 100%Ar gas and higher heat input were also studied. The results show that under the same welding parameters, the weld pass was the narrowest at the atmosphere of 100%Ar and the widest under 100%He gas. The weld surface was the brightest under 95%Ar+5%H2gas. The dimension of welding throat can meet with the technical requirements when welded under the atmosphere of 100%He，95%Ar+5%H2and 75%He+25%Ar. The optimum quality of tube to tubesheet joint was obtained when using TIG welding at the atmosphere of 95%Ar+5%H2. When improving heat input and lowering weld speed, the dimension of welding throat with 100%Ar could meet the technical requirements, but the probability of thermal cracks also increased. Those cracks were high temperature cracks.

Key words:tube to tubesheet welded joint; all-position TIG welding; shield gas; cracking

中圖分類號(hào)：TG44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-3738(2015)10-0070-04

作者簡(jiǎn)介：和廣慶(1981-)，男，山東曹縣人，工程師，碩士。

收稿日期:2015-02-22；

修訂日期:2015-08-14

DOI:10.11973/jxgccl201510016