鎳基合金帶極堆焊技術(shù)在穩(wěn)壓器制造中的應(yīng)用

李鵬飛 張海林 常旭

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

穩(wěn)壓器是核電站的關(guān)鍵設(shè)備之一，用于主回路系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)和壓力保護(hù)，主要起維持系統(tǒng)壓力的作用[1]。穩(wěn)壓器下封頭布置有78根電加熱器套管，套管通過冷裝的方式固定在下封頭內(nèi)壁堆焊的鎳基合金凸臺加工孔內(nèi)，并進(jìn)行密封焊。

Inconel 690鎳基合金在高溫下能保持較高的塑性和韌性，抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于核電設(shè)備中。但其焊接性較差，熱裂紋敏感性高，堆焊過程中熔池流動性較差，對氧化、高溫失塑裂紋(DDC)敏感[2-3]。常見的堆焊焊接方法有：手工電弧焊、熱絲TIG自動焊接、帶極堆焊等。穩(wěn)壓器封頭鎳基臺階具有堆焊厚度厚、焊接工作量大等特點，要保證堆焊層的成形良好和控制堆焊層不產(chǎn)生焊接缺陷，是制造難點。本文針對這一難點，提出了具體的焊接方法及焊接工藝參數(shù)控制等措施。

1 焊接工藝試驗方案的確定

1.1 穩(wěn)壓器下封頭鎳基凸臺的結(jié)構(gòu)特點

穩(wěn)壓器上半部為蒸汽空間，下半部被水注滿。穩(wěn)壓器內(nèi)頂部設(shè)有噴淋嘴，底部裝有電加熱器。通過控制穩(wěn)壓器內(nèi)加熱器和噴淋水的運(yùn)作，便可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器內(nèi)的水位及控制一次回路的壓力。下封頭的鎳基凸臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 穩(wěn)壓器下封頭鎳基凸臺示意圖Figure 1 Schematic diagram of the nickel-based convex platform on the lower head of the pressurizer

由穩(wěn)壓器下封頭結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，鎳基合金臺階在厚度方向有較厚的堆焊厚度(80 mm左右)，堆焊量較大。同時由于該部位需要裝配固定電加熱器套管，其堆焊的部位均屬于設(shè)計劃分的結(jié)構(gòu)堆焊范疇。因此，在常規(guī)堆焊的耐腐蝕性和化學(xué)成分評定基礎(chǔ)上，對鎳基焊帶及焊劑的熔敷金屬拉伸性能、熱影響區(qū)的沖擊性能提出了評定要求。

楠楠，你跟我說說，農(nóng)民應(yīng)該是什么樣子？非得吃不飽穿不暖、滿臉深仇大恨的才像農(nóng)民？姥姥像是早準(zhǔn)備好了這些話。

1.2 焊接材料的確定

由于EQNiCrFe-7A材料的雜質(zhì)元素少，熔敷金屬焊縫純凈，不容易產(chǎn)生裂紋等焊接缺陷，目前在國內(nèi)AP1000等三代核電站核島主設(shè)備制造中普遍采用EQNiCrFe-7A型焊帶及配套焊劑作為690鎳基合金的堆焊材料。焊帶及配套焊劑的制造、試驗、驗收滿足ASME第Ⅱ卷C篇SFA-5.01、SFA-5.14及ASME規(guī)范第Ⅲ卷NB-2400相關(guān)要求。焊帶的化學(xué)成分要求如表1所示。

表1 焊帶化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of welding strip (mass fraction,%)

(4)對母材熱影響區(qū)進(jìn)行沖擊試驗，試驗結(jié)果如表6所示。

在進(jìn)行了橡膠試樣與潤滑油相容性浸泡試驗之后，為得到與不同潤滑劑浸泡之后的密封圈在實際工作中的摩擦及密封性能，需要進(jìn)行氣缸O型圈摩擦及密封性能試驗。試驗內(nèi)容包括構(gòu)建氣缸自動試驗系統(tǒng)，將浸泡后的橡膠密封圈裝配入相對應(yīng)的氣缸中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)行，測量氣缸的摩擦力和泄漏量，將測量數(shù)據(jù)與未經(jīng)過相容性試驗的O型圈相對比，分析不同潤滑油對于氣缸O型圈的摩擦及密封性能的影響，為日后氣缸的橡膠密封材料以及潤滑劑的選擇與改善提供參考數(shù)據(jù)。

1.3 試驗方案

為驗證鎳基合金帶極堆焊能夠滿足穩(wěn)壓器下封頭鎳基凸臺的力學(xué)性能、化學(xué)成分、耐腐蝕性能的要求，制作了專用試板并在試板上進(jìn)行了堆焊試驗。試板母材為SA-508 Gr.3 Cl.2，規(guī)格為77.5 mm×300 mm×600 mm。采用EQNiCrFe-7A焊帶及配套焊劑進(jìn)行堆焊試驗。堆焊使用ESAB帶極堆焊設(shè)備，采用帶極埋弧焊進(jìn)行堆焊。堆焊通過不同焊接參數(shù)、搭接量堆焊試驗，最終確定堆焊層成形良好的工藝參數(shù)堆焊的試板進(jìn)行焊后熱處理，進(jìn)行UT、PT檢測。

試板經(jīng)無損檢測合格后，對試板進(jìn)行解剖。對其熔敷金屬和焊接接頭進(jìn)行常溫拉伸、高溫拉伸試驗；對母材熱影響區(qū)進(jìn)行沖擊試驗；對試板進(jìn)行橫向側(cè)彎試驗和橫向面彎試驗；對熔敷金屬進(jìn)行化學(xué)成分分析；對熔敷金屬按ASTM A262-2002a標(biāo)準(zhǔn)的E法試驗進(jìn)行晶間腐蝕試驗；對焊縫進(jìn)行金相分析。

2 焊接工藝評定試驗

2.1 試板的堆焊及熱處理

(7)對試樣酸洗后，放大5倍觀察宏觀金相組織，堆焊層未發(fā)現(xiàn)未焊透、未熔合、裂紋、夾渣等缺陷存在。

圖2 試板堆焊尺寸示意圖Figure 2 Schematic diagram of the surfacing size of the test plate

堆焊時選取成形狀況良好、焊接質(zhì)量優(yōu)良的規(guī)范參數(shù)來進(jìn)行堆焊，鎳基焊帶堆焊規(guī)范參數(shù)如表2所示，按照此規(guī)范參數(shù)來進(jìn)行評定試驗件的焊接工作。

表2 鎳基焊帶堆焊規(guī)范表Table 2 Specifications for nickel-based welding strip surfacing

為解決以上尺寸控制要求，具體措施為：在下封頭大端部位采用固定板、筋板剛性固定封頭，大幅增加其端口的剛性，可以有效地防止下封頭在堆焊和熱處理過程中的變形，如圖5所示。

2.2 試板評定結(jié)果

評定試板焊接完成后，對其進(jìn)行了PT、UT、UT測厚等無損檢測。檢測合格后，對試板進(jìn)行了解剖，進(jìn)行理化性能檢測，結(jié)果如下：

(1)對熔敷金屬至距熔合線5～5.5 mm范圍內(nèi)采用鉆屑的方式進(jìn)行化學(xué)成分分析，其結(jié)果如表3所示。

表3 熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Chemical composition of deposited metal(mass fraction,%)

(2)對熔敷金屬進(jìn)行了常溫拉伸試驗和高溫360℃拉伸試驗，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 熔敷金屬常溫及高溫拉伸結(jié)果Table 4 Tensile results of deposited metal at room temperature and high temperature

(3)對焊接接頭進(jìn)行常溫拉升試驗和高溫360℃拉伸試驗，試驗結(jié)果如表5所示。

新中國成立以來，我國頒布了不少涉水法律法規(guī)。但現(xiàn)行的中國水管理體系缺乏完善的管理制度和法規(guī)體系，與國外相比，我國的水資源法規(guī)體系仍存在較大差距。如何建立完善的水資源管理制度和政策法規(guī)體系是貫穿本次會議始終的討論熱點之一。

表5 焊接接頭常溫及高溫拉伸結(jié)果Table 5 Tensile results of welded joints at room temperature and high temperature

綜合考慮封頭尺寸、鎳基凸臺的三個臺階狀堆焊形狀，焊接位置、焊接效率和排道焊接情況，選取規(guī)格為30 mm×0.5 mm的焊帶進(jìn)行凸臺堆焊試驗，單盤焊帶重量50 kg左右為宜。

表6 母材熱影響區(qū)沖擊試驗結(jié)果Table 6 Impact test results of base metal heat affected zone

(5)對試樣進(jìn)行了橫向側(cè)彎和橫向面彎，均未產(chǎn)生裂紋，塑性良好。

(6)試樣彎曲時的拉伸面距熔合線5.0～5.5 mm，經(jīng)675℃±5℃×1 h敏化處理后，按ASTM A262-2002a標(biāo)準(zhǔn)中E法規(guī)定，2件經(jīng)15 h晶間腐蝕試驗后彎曲180°后檢查，均未發(fā)現(xiàn)因晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋或開裂。

“耕地不用牛、收割不用刀、噴藥不下地、栽秧不彎腰”已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的真實寫照?，F(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備已不僅是替代人工勞力、減輕勞動強(qiáng)度的生產(chǎn)工具，更是影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營方式變革的重要推手，助推農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)鏈條延伸和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

采用帶極埋弧焊設(shè)備對試板進(jìn)行堆焊。在試板整體堆焊鎳基焊帶6 mm后，在一端頭分別堆焊厚度為30 mm和60 mm的臺階，便于力學(xué)性能檢測，堆焊形式如圖2所示。

試樣放大200倍，焊縫和熱影響區(qū)未發(fā)現(xiàn)微觀裂紋。顯微組織：母材為回火貝氏體；熱影響區(qū)為鐵素體+回火貝氏體組織；焊縫為奧氏體+δ鐵素體。試件母材組織為回火貝氏體(見圖3a)，在母材表面堆焊鎳基合金堆焊層的焊接過程對熱影響區(qū)的組織進(jìn)行了2次熱處理，這不僅抑制了晶界處貝氏體鐵素體的成核以及長大，促進(jìn)了熱影響區(qū)的組織向奧氏體轉(zhuǎn)變，還使得奧氏體晶粒變得粗大。堆焊層晶粒粗大，呈現(xiàn)出明顯的樹枝晶生長形貌，為樹枝狀的奧氏體組織+δ鐵素體(見圖3c)，符合典型的全奧氏體先析出相組織特征，這是由于堆焊層在凝固開始和結(jié)束時都為全奧氏體組織，隨著奧氏體相的析出和凝固，雜質(zhì)以及合金元素在焊縫中逐漸形成偏析，凝固過程中雜質(zhì)以及合金元素在奧氏體組織內(nèi)的擴(kuò)散能力降低，使凝固結(jié)束后偏析的輪廓得以保留并形成δ鐵素體。

由以上分析可知，堆焊評定試件的組織分布良好，符合評定標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議要求。

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由此可見，采用鎳基焊帶進(jìn)行鎳基凸臺堆焊，其化學(xué)成分、力學(xué)性能和耐腐蝕性均能滿足穩(wěn)壓器下封頭鎳基凸臺的相關(guān)要求，具備應(yīng)用條件。

式中，r和θ分別表示極坐標(biāo)中的徑向參數(shù)和角向參數(shù)；k=2π/λ表示激光波數(shù)，λ為激光波長，表示輸入激光高斯束腰半徑，F(xiàn)為高斯聚焦參數(shù)；Jl(Ωr)表示第一類貝塞爾函數(shù)；l為軌道角動量(拓?fù)浜?數(shù)，Ω=p/w0為寬度參數(shù)，p為貝塞爾高斯渦旋光束的波形參數(shù).

(a)母材,回火貝氏體 (b)熱影響區(qū),回火貝氏體 (c)焊縫,奧氏體+δ鐵素體

3 焊接方案效果驗證

為驗證鎳基合金帶極堆焊在穩(wěn)壓器下封頭鎳基凸臺堆焊的可行性，制作了1∶1的模擬件，模擬下封頭鎳基凸臺的堆焊、尺寸控制和加工，以確認(rèn)工藝的可行性。

3.1 堆焊前準(zhǔn)備工作

封頭內(nèi)壁在加工后進(jìn)行劃線，標(biāo)記出鎳基凸臺待堆焊位置線和檢查線。為便于施焊，封頭需整體裝焊到變位器上，下部采用座圈整體墊高，便于對封頭進(jìn)行加熱。封頭與變位器裝配示意圖見圖4。

圖4 穩(wěn)壓器下封頭與變位器裝配示意圖Figure 4 Schematic diagram of the assembly of the lower head of the pressurizer and the positioner

封頭裝配完成后，利用框式水平儀找出堆焊的中心位置，以此為基準(zhǔn)確定焊帶的偏心量25～30 mm。之后翻轉(zhuǎn)變位器，在堆焊位置找出水平位置，在水平位置進(jìn)行堆焊焊接。調(diào)整變位器轉(zhuǎn)速滿足焊接需求后，利用調(diào)試試板進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，確認(rèn)設(shè)備、參數(shù)等正常。

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3.2 鎳基凸臺堆焊要求及注意事項

由于穩(wěn)壓器下封頭的厚度僅有77.5 mm，在堆焊和熱處理過程中由于焊接應(yīng)力，會使封頭產(chǎn)生變形，影響封頭尺寸精度。因此，必須使下封頭端面具有足夠的剛性，控制下封頭端面的圓度，才能有效避免制造過程中變形。同時，鎳基凸臺為三個臺階狀的凸臺堆焊層，但堆焊位置為水平堆焊，堆焊過程中無法直接進(jìn)行臺階的堆焊形位控制，需要采取措施進(jìn)行堆焊形位的控制，減少堆焊量。

由于鎳基堆焊層堆焊厚度80 mm左右。在較大的應(yīng)變下，當(dāng)鎳基材料塑性應(yīng)變要大于臨界應(yīng)變時，易在應(yīng)力的作用下形成裂紋。為了降低應(yīng)力對鎳基合金堆焊質(zhì)量的影響，在鎳基堆焊層堆焊2層后，入爐進(jìn)行第1次消應(yīng)力熱處理，熱處理溫度595～620℃，保溫時間至少1 h。出爐后再進(jìn)行后續(xù)堆焊。在鎳基堆焊6層(堆焊厚度約24 mm)后，入爐進(jìn)行第2次消應(yīng)力熱處理，熱處理溫度595～620℃，保溫時間至少1 h。

“十二五”以來，浦口區(qū)耕地質(zhì)量監(jiān)測工作堅持以耕地質(zhì)量建設(shè)為中心，深入開展耕地質(zhì)量監(jiān)測工作。2007年，浦口區(qū)設(shè)立了24個耕地質(zhì)量監(jiān)測點，其中2個省級監(jiān)測點，市級監(jiān)測點22個，分布在浦口區(qū)各街道，常年監(jiān)測浦口區(qū)的耕地質(zhì)量。通過耕地質(zhì)量監(jiān)測，全面掌握浦口區(qū)耕地質(zhì)量基本狀況，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有效的服務(wù)，從而了解和掌握耕地土壤的基礎(chǔ)地力動態(tài)變化規(guī)律和施肥效果。

3.3 鎳基臺階堆焊的尺寸控制方案

當(dāng)焊接參數(shù)調(diào)試完成后，進(jìn)行凸臺堆焊。堆焊采用EQNiCrFe-7A焊帶及配套焊劑。堆焊過程中根據(jù)堆焊位置合理進(jìn)行排道，搭接量控制在5～8 mm，可有效避免因稀釋率過大造成的堆焊層裂紋。焊接過程中控制焊帶干伸長度30～35 mm。焊接過程中嚴(yán)格控制焊劑的覆蓋高度，避免出現(xiàn)電弧不穩(wěn)或者夾渣等缺陷。焊接過程中隨時關(guān)注起弧點的偏心量，確保起弧點位于上坡焊位置。

開始焊接時，需要預(yù)熱≥127℃，同時控制層間溫度≤201℃。待堆焊厚度≥5 mm后，進(jìn)行232～400℃×4 h后熱處理，之后在10℃以上進(jìn)行其余層的堆焊。試板焊接完成后，進(jìn)行595～611℃×40 h的最終熱處理。

圖5 下封頭防變形控制工裝示意圖Figure 5 Schematic diagram of anti-deformation control tooling of lower head

內(nèi)壁凸臺堆焊位置依托檢查線制作檢測間隙樣板，在堆焊過程中隨時利用間隙樣板進(jìn)行排道分析和尺寸檢測，合理控制堆焊尺寸和加工量，避免堆焊焊肉不滿足后續(xù)加工的情況出現(xiàn)。

3.4 鎳基臺階堆焊效果

通過以上堆焊方案的實施，成功完成了穩(wěn)壓器下封頭鎳基凸臺的堆焊工作。堆焊及熱處理結(jié)束后，對下封頭的大端直徑進(jìn)行尺寸測量，測量尺寸見表7，變形滿足技術(shù)文件要求。

表7 下封頭大端的直徑尺寸Table 7 Diameter sizes of the big end of the lower head

堆焊層加工后PT、UT檢測全部合格，外形尺寸滿足圖紙要求。堆焊并加工完成的鎳基凸臺如圖6所示。

(a)堆焊過程中 (b)加工完成后

4 焊接見證件

按照技術(shù)文件要求，模擬下封頭內(nèi)壁鎳基堆焊焊縫，設(shè)置了鎳基合金帶極埋弧自動堆焊焊接見證件，用于檢測鎳基堆焊層的焊縫質(zhì)量。見證件按照產(chǎn)品的堆焊工藝參數(shù)和相同的焊接操作者進(jìn)行了堆焊，熱處理時間按照產(chǎn)品的熱處理累計熱處理時間執(zhí)行，溫度保持一致。鎳基合金帶極埋弧自動堆焊焊接見證件PWHT為595～611℃×7 h。

式中f(ck,i)表示第i個顏色ck,i在第k個區(qū)域rk的所有顏色nk中出現(xiàn)的頻率，d(c1,i,c2,j)表示區(qū)域1中第i個顏色與區(qū)域2中第j個顏色在Lab空間內(nèi)的顏色距離.

堆焊過程中及堆焊完成后對堆焊層進(jìn)行PT、UT及測厚檢測，檢測合格后解剖進(jìn)行了理化性能檢測。經(jīng)檢測，鎳基合金帶極埋弧自動堆焊焊接見證件理化性能檢測結(jié)果滿足技術(shù)文件要求，證明用于產(chǎn)品堆焊的技術(shù)能夠滿足目標(biāo)產(chǎn)品中大厚度、大面積鎳基帶極堆焊所要求的各項性能。

5 結(jié)論

(1)采用鎳基合金帶極堆焊技術(shù)進(jìn)行穩(wěn)壓器鎳基臺階的堆焊，可以滿足技術(shù)條件的力學(xué)性能、抗腐蝕性能、化學(xué)成分要求。

(2)堆焊過程中在合適時機(jī)進(jìn)行2次中間消應(yīng)熱處理，解決了大厚度鎳基合金帶極堆焊層由于焊接應(yīng)力產(chǎn)生裂紋的問題。

小流域是山區(qū)水源涵養(yǎng)和集水的基本單元。只有把小流域保護(hù)好、治理好，大流域的河道、水庫水質(zhì)、水量和生態(tài)才有基本保障。建設(shè)生態(tài)清潔小流域的最終目標(biāo)，是促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，人與自然和諧相處，實現(xiàn)流域人口、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

(3)通過變位器配合帶極堆焊設(shè)備實現(xiàn)穩(wěn)壓器封頭鎳基凸臺的水平位置焊接。通過固定工裝加強(qiáng)封頭剛性，最終封頭大端直徑變形量≤1 mm。

通過驗證和實施，成功實現(xiàn)了鎳基合金帶極堆焊技術(shù)在穩(wěn)壓器下封頭鎳基臺階堆焊中的應(yīng)用。