蒸汽發(fā)生器下封頭接管內(nèi)壁堆焊層脫落問題的研究

雷凡 譚晶華 許春軍

摘? 要：本研究通過對蒸汽發(fā)生器接管安全端接管內(nèi)壁堆焊層脫落的問題進(jìn)行分析和驗證，造成該問題的原因為熱輸入量不夠，根本原因為人為操作不當(dāng)，焊槍位置與接管相對運(yùn)動不符合要求。通過規(guī)程焊槍在圓環(huán)或圓柱面堆焊時的位置與相對運(yùn)動方式避免類似質(zhì)量問題的再次發(fā)生。

關(guān)鍵詞：蒸汽發(fā)生器;下封頭安全端;堆焊

中圖分類號：TL353.13? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0049-03

堆焊技術(shù)在百萬千瓦級核電機(jī)組蒸汽發(fā)生器的應(yīng)用有：下封頭內(nèi)壁大面積堆焊、接管安全端隔離層和內(nèi)壁堆焊、人孔堆焊、管板堆焊以及上封頭蒸汽出口內(nèi)壁堆焊。雖然目前堆焊技術(shù)在各主設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)用已十分成熟，但是仍會出現(xiàn)一些質(zhì)量問題。本研究從蒸汽發(fā)生器接管安全端堆焊層出現(xiàn)剝離的問題入手，對蒸汽發(fā)生器制造過程中出現(xiàn)的特殊案例進(jìn)行分析、總結(jié)，從這些特殊案例的經(jīng)驗教訓(xùn)中提取堆焊技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用的積累。

1 問題事件及現(xiàn)象描述

蒸汽發(fā)生器接管安全端接管見證件接管側(cè)內(nèi)壁堆焊層機(jī)加工完成后，檢查發(fā)現(xiàn)：見證件表面堆焊層與母材融合線位置存在不連續(xù)裂紋（參看圖1）。隨后進(jìn)行UT檢查，結(jié)論：內(nèi)壁堆焊層融合線位置整圈都存在超標(biāo)信號。

2 焊接參數(shù)描述

焊接方式：SAW? 接頭形式：堆焊? 坡口位置：PA? 預(yù)熱：150℃（所有層）

后熱：200℃（所有層） 后熱處理：250～400℃，4h （所有層）

電特性：DC、EP 焊接技術(shù)：多層焊 焊接設(shè)備：ESAB LAF 1250 DC

母材：18MND5? 母材厚度范圍：>50mm

填充材料：第一層 EQ309L（牌號：Soudotae 309L Q5 焊劑：Record INT 101 Q5）

第二層 EQ308L（牌號：Soudotae 308L Q5 焊劑：Record INT 101 Q5）

尺寸：30×0.5mm

焊接參數(shù)：電流范圍：380～410A;電壓范圍：27～32V;焊接速度：140～170mm/min

3 試樣分析

試樣宏觀分析：

觀察切取的試樣側(cè)面，如圖2、圖3所示，整個堆焊面可以大致分為三段區(qū)域：A段（完全脫落）、B段（存在裂紋，局部有融合）、C段（無裂紋）。

A段（完全脫落）豎線切割后，自然完全脫開成兩半。如圖4所示。

觀察上述脫開面，具有以下特點(diǎn)：

（1）施焊間隔明顯，以焊帶寬度（30mm）間隔。

（2）脫開面自然分開，無明顯撕裂特征，表面氧化痕跡明顯。

（3）在不銹鋼側(cè)表面密集分部凸起，在對應(yīng)低合金鋼側(cè)凹坑密布。凸起與凹坑應(yīng)為電弧作用下的融合的不銹鋼堆焊金屬覆蓋在母材表面產(chǎn)生的未完全融合的特征。

上述脫開面表明：母材在焊接過程中沒有足夠熔化與焊帶熔化后的熔滴形成的熔池，造成兩者之間沒有形成真正的熔合，形成有效連接。

脫開面微觀分析：

為進(jìn)一步證實(shí)對宏觀現(xiàn)象的分析，對A段、B段、C段分別進(jìn)行金相觀察。

（1）對A段（完全脫開）部位垂直于堆焊面做金相檢查，發(fā)現(xiàn)：低合金鋼表面大部分沒有任何不銹鋼附著（圖5）。（2）對于B 段（存在有裂紋，局部融合）試樣做金相觀察如下（制作試樣過程中開裂），低合金鋼側(cè)部分附著不銹鋼（圖6），部分無任何不銹鋼附著（圖7）。（3）對于C段（無裂紋）做金相觀察（圖8）。

由上述金相分析可知：（1）A段存在大部分低合金鋼側(cè)無不銹鋼附著，既不銹鋼與低合金鋼較少熔合。（2）B段部分低合金鋼與不銹鋼簡單熔合，部分無熔合。（3）C段低合金鋼與不銹鋼初步熔合。（4）低合金鋼上無不銹鋼附著證明兩者之間沒有形成熔合和有效連接，效果等同虛焊。（5）微觀金相與脫開宏觀都證明兩者之間沒有形成有效熔合，微觀與宏觀相互對應(yīng)印證。

沒有形成有效熔合的原因是焊接過程在母材表面沒有形成足夠熔池，既焊接過程中母材表面熱輸入量不夠。

4 金相組織對比分析

將合格的309鋼帶的堆焊處界面金相（圖9）和見證件接管端內(nèi)壁堆焊脫落界面金相（圖10），進(jìn)行對比，后者是脫開試樣上熔合部分，但熱影響與前者相比還是有很明顯區(qū)別。低合金鋼在熱輸入影響下部分區(qū)域脫碳形成鐵素體以及晶粒長大的區(qū)域，前者明顯寬與后者，因此也驗證了脫開接管堆焊母材表面熱輸入量偏下的結(jié)論。

5 原因分析

綜上所述：造成見證件接管內(nèi)壁堆焊層脫落的原因是焊接過程中熱輸入量過小，熔深偏小。造成這種現(xiàn)象的原因有：（1）電流偏小，熱輸入量偏小。（2）電壓偏大，電弧增長，電弧底部熱輸入量偏下。（3）電極性接錯，直接反接誤操作為直流正接，熔深偏小。（4）焊接速度過快，線能量偏小，熱輸入量偏小，熔深不夠。（5）焊槍角度與母材表面呈拖曳角度，焊槍放置的相對位置（焊帶），如果焊槍相對于待堆焊位置做下坡方向運(yùn)動，熔化的熔池在自身重力作用下沿待堆焊面流動（下坡），上述兩個同向運(yùn)動造成熔池與焊槍（焊帶）相對靜止或距離擴(kuò)大，焊槍（焊帶）始終加熱熔化的堆焊金屬而不是新的母材區(qū)域，造成待堆焊母材表面熱輸入量不夠，熔深不夠，堆焊層與母材之間難以形成有效連接。（6）焊帶伸長過長，熔敷量增加，母材的熱輸入量減少。

上述原因分析中，由于（1）到（4）可以通過焊接工藝WPS以及現(xiàn)場焊機(jī)適用進(jìn)行保證，原因（5）、（6）則與脫開面的宏觀特征相應(yīng)，既電弧適中作用下的熔化的堆焊層金屬沿母材表面鋪展，雖對母材有一定的沖擊熔化作用，但是熱輸入量不夠，熔深不夠，堆焊層金屬與母材兩者之間不能形成有效的連接。

6 原因驗證

試驗過程：

（1）將原試環(huán)的堆焊層以及堆焊層下母材5mm范圍

內(nèi)全部機(jī)加工掉，用作試驗中的母材試環(huán)。

（2）采用與產(chǎn)品相同批次的焊帶焊劑。

（3）在堆焊EQ309L時，進(jìn)行模擬。堆焊EQ308L按照焊接規(guī)程執(zhí)行。

（4）主要根據(jù)原因分析設(shè)計了試驗參數(shù)。

a.主要參數(shù)為設(shè)置焊帶相對運(yùn)動偏離位置;b.采用與規(guī)程相比更大的電流與電壓，更快的焊接速度。（稍微超出焊接工藝規(guī)程）;c.對上述參數(shù)進(jìn)行了組合，惡化焊接參數(shù)，試圖重現(xiàn)堆焊層分裂;d.焊接過程中根據(jù)焊接的實(shí)際情況，改變焊接參數(shù)，以期更好地完成模擬試驗;e.堆焊完成后進(jìn)行打磨探傷，發(fā)現(xiàn)整個堆焊面存在非常多的缺陷分布，局部缺陷為堆焊層與母材未熔合。根據(jù)探傷結(jié)果對試驗環(huán)進(jìn)行多段切割。切割后并沒有出現(xiàn)堆焊層整體剝離的現(xiàn)場，但存在局部未熔合的缺陷。

7 結(jié)論

由于原因分析主要基于技術(shù)層面，但是導(dǎo)致焊接見證件接管側(cè)內(nèi)壁堆焊層剝離的原因是多樣的。上述試驗中以機(jī)頭相對位置為主，電流電壓參數(shù)設(shè)置為輔的試驗造成堆焊層中未熔合缺陷的產(chǎn)生，雖未完成重現(xiàn)見證件缺陷，但是可以認(rèn)可試驗結(jié)果。焊槍在圓環(huán)或圓柱面堆焊時的位置與相對運(yùn)動會給堆焊技術(shù)的應(yīng)用帶來影響，在焊接實(shí)施和監(jiān)督過程中應(yīng)對焊槍位置進(jìn)行關(guān)注，在進(jìn)行工藝評定或是WPS的編制時也應(yīng)納入考慮范圍，避免類似問題再次發(fā)生，有效地保證堆焊的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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