690鎳基合金換熱管對接焊接工藝

楊小杰 張丹萍 戴德平

摘要：以鎳基合金換熱管（SB-163 N06690，尺寸φ19 mm×2.5 mm）的工藝研發為例，全面介紹該焊接工藝的開發過程，包括適用實際工況的焊接設備選型，焊接坡口的設計、試驗與優化，焊接工藝參數的開發，必要的工裝設計，焊接接頭的檢驗，以及破壞性試驗。通過工藝開發獲得了高質量的焊接接頭，各項指標驗證符合使用要求，節約了大量工程制造成本，可在類似焊接接頭上進行推廣應用。

關鍵詞：民用核設備;鎳基合金換熱管;焊接接頭;焊接工藝

中圖分類號：TG457.19? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）07-0066-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.07.12

0? ? 前言

為滿足自主知識產權的第三代核電要求，我國在30余年引進、消化、吸收國外壓水堆技術的基礎上，充分考慮我國裝備制造業的現實基礎，按照最新安全標準HAF102的要求以及URD、EUR的相關要求，同時借鑒日本福島核事故的經驗反饋以及AP1000、EPR等先進壓水堆設計理念，正在設計和研制安全性更高的民用核安全設備。傳統熱交換器的傳熱管基本是通過冷軋直接成型，冷軋設備制造能力在一定程度上限制了傳熱管的長度，大長度傳熱管的連接通常使用焊接方法。由于690鎳基合金換熱管本身的特點[1]，如材料的焊接特性、換熱管尺寸小、對焊接參數和焊接條件敏感等，焊接難度大。同時換熱管使用工況嚴苛，對焊接接頭的要求極高。為此，文中針對性地進行了工藝開發，研制出一整套適用的焊接工藝[2]。

1 工藝開發

1.1 設備選型

換熱管為鎳基合金材料，且尺寸小，對電弧變化敏感，因此對焊接電源要求高，在選型過程中，主要考慮以下條件：電源輸出應有分區編程控制;可根據需要設置脈沖頻率和脈沖時間;帶水冷系統;高頻引弧，最小熄弧電流約為3 A，以消除弧坑。

焊接機頭宜采用封閉式帶夾持功能的小型機頭，保證焊接氣氛，并適用于狹小空間焊接。通過對國內外設備廠家的調研，選擇了POLYSOUDE PC600電源配備L型機頭/MW40機頭，如圖1所示。

1.2 焊接坡口

在接頭設計方面，結合國內外相關經驗，換熱管焊接采用自動GTAW帶熔化環不填絲的焊接方式。同時考慮到便于加工制造，熔化環設計成單邊帶凸臺的形式，如圖2所示。熔化環材質與管子材質保持一致，通過試驗確定熔化環尺寸，保證焊縫背面和正面余高到達設計要求。

1.3 焊接工裝

為了得到高質量的焊接接頭，焊接工藝對裝配精度要求極高，焊前必須采用專用的夾持工裝固定工件，以保證裝配尺寸精度。為此需要根據實際工況結構設計專用的夾持工裝，使得裝配精度滿足要求，并且操作方便。

設計的固定工裝一分為二，中間通過定位銷連接，兩塊工裝上的管子固定凹槽為一體成型，有效保證了管子裝配的直線度。兩塊壓板對管子施加徑向的壓緊力，頂部螺桿通過旋鈕對管子施加軸向的頂緊力，壓緊換熱管與熔化環。該管子固定工裝可用于全位置和橫焊兩種焊接位置。由于熔化環厚度較薄，且不填絲鎢極氬弧焊對鎢極與工件距離要求較高，為有效保證鎢極的定位精度，制作了如圖3所示的管子裝配定位工裝和鎢極定位工裝。

1.4 焊接工藝

傳熱管材料為SB-163 N06690，規格φ19 mm×2.5 mm，傳熱管材的化學成分如表1所示，傳熱管材力學性能如表2所示。采用鎢極氬弧焊（GTAW）對傳熱管材進行對接焊，焊接設備使用POLYSOUDEPC600 電源+L型機頭，焊接時管與管之間放置熔化襯環，水平固定，焊接位置為全位置。焊縫正、背面均采用氣體保護，正面保護氣體采用純度為99.999%的氦氣，背面保護氣體為99.999%的氬氣。

為保證焊接質量，確保工藝穩定可靠，進行了大量的焊接試驗，嚴格控制每一個細節。該焊接工藝及焊接過程的特點有：①管徑小，壁厚大，鎳基合金焊接工藝性差，熔池控制難度大。②焊接時無法觀察熔池，不能根據焊接過程實時調整參數。③全位置焊接時，不同區域電弧力、熔池張力、重力影響不同，圓周方向焊縫成形差異大。④對管子精度、熔化環精度、裝配精度、焊接參數、壓緊程度、氣體流量、壓力、鎢極角度、鎢極與工件距離、鎢極對中精度等都很敏感。

基于上述特點，借助數字模擬軟件，計算整個焊接過程中圓周不同位置的溫度分布情況，可幫助設定焊接參數，控制焊縫焊透無外凹、內凸滿足通球要求，焊件外表無凹陷，如圖4所示。

1.5 無損檢驗

焊接接頭經目視檢查、尺寸檢查、液體滲透探傷、射線探傷等無損檢測，結果合格，焊縫內外壁無任何可疑目視缺陷。尺寸檢查主要包括接頭通球，通球直徑不小于φ13.4 mm，接頭管外焊縫無凹陷。

2 理化試驗

試件的焊縫及焊接接頭需要進行相關理化試驗，主要試驗項次包括接頭焊縫化學分析（試驗標準：ASTM E1473）、接頭室溫拉伸和350 ℃高溫拉伸（試驗標準：AWS B4.0/B4.0M，表3）、壓扁試驗（試驗標準：ASM E SA-450/450M）、宏觀和微觀檢驗（試驗標準：ASTM E340[3]和ASM E407[4]）。傳熱管接頭的力學性能典型值如表3所示。

傳熱管接頭整體橫截面的宏觀形貌和顯微組織如圖5所示，焊縫與母材完全熔合，焊縫無裂紋、夾雜、氣孔等缺陷。焊縫的熔合線清晰，附近為沿熔合線聯生生長的粗大柱狀晶，焊縫中心為樹枝胞狀晶。由于傳熱管的導熱性較差，晶粒長大速度較快，導致熔合區的晶粒有明顯增大，這是接頭斷裂始于熔合區并貫穿整個焊縫的原因[5]。焊縫無顯微裂紋和影響接頭性能的沉淀物，由于焊縫中合金Cr的含量較高，約為30%，Cr可以防止晶界碳化物的析出，從而避免晶界附近產生貧Cr現象，提高抗氧化、抗腐蝕的能力[6]。

3 結論

通過對焊接設備、工裝、坡口、以及焊接工藝參數的設計開發和驗證，制定了一套完整、可靠的鎳基合金換熱管對接焊工藝，得到如下結論：

（1）690鎳基合金換熱管對接焊，采用帶熔化襯墊不填絲的自動鎢極氬弧焊，并借助合適的焊接電源、工裝卡具和雙面保護氣體等細節控制，可以得到滿足設計要求、質量優良的對接接頭。

（2）通過產品應用統計，合格率約為90%，通過細化過程控制和提高操作人員的熟練度，焊縫合格率還有提升空間。

（3）開發該690鎳基合金換熱管對接焊焊接工藝效率高，勞動強度低，具有推廣應用價值。

參考文獻：

朱興華. Inconel690鎳基合金材料焊接技術要點[J].電子世界，2013（14）：189.

邱長軍，李必文. 核電設備焊接技術[M].北京：北京理工大學出版社，2014：88.

ASTM E340. Standard Test Method for Macroetching Metals and Alloys[S].

ASTM E407. Standard Practice for Microetching Metals and Alloys[S].

張杰，張彥昌. 鎳基合金的焊接技術與研究[J]. 價值工程，2010（17）：133-134.

唐正柱，陳佩寅，吳偉. Nb對鎳基合金高溫失塑裂紋敏感性的影響機理[J]. 焊接學報，2008（1）：109-112.