全位置镍基内壁与端面一体化增材堆焊技术

2022-08-08刘万存袁亮文

压力容器 2022年6期

刘万存，袁亮文，肖鹏，赵佳

(一重集团大连核电石化有限公司，辽宁大连 116113)

0 引言

某反应堆压力容器采用了具有自主知识产权的、满足三代核能系统指标的压水堆核电机组(ACP100)。该反应堆作为一种安全、经济的核电新堆型，是国际原子能机构(IAEA)鼓励发展和利用的一个核能应用新方向，许多国家都在积极研发[1]。

在整个反应堆压力容器制造过程中，有大量的内壁堆焊。整个产品制造过程中，涉及到的焊接工序有内壁堆焊、端面堆焊、内/外坡口组焊等。以往每个工序都在专门的焊接工装上进行，需要对工件进行反复地吊运、装夹、加热，这大幅增加了焊接准备时间和生产成本，导致生产效率低下。基于以上问题，提出一整套的全位置内壁+端面一体化堆焊技术，主要包括全位置-TIG自动焊接设备与内壁+端面一体化全位置堆焊工艺技术[2-4]。

1 内壁+端面一体化堆焊技术开发

1.1 试验设备

管内壁TIG堆焊和管端面TIG堆焊大多采用平焊位或者横焊位焊接，在焊接条件允许的情况下，极少采用全位置工艺焊接，且缺少成熟的、固化的、通用的不锈钢和镍基材料全位置TIG整套堆焊技术。考虑到在制产品焊接涉及多个全位置焊接工艺技术(包括全位置内壁堆焊技术、全位置端面堆焊技术等)，而且每种焊接工艺参数均存在一定差别，因此开发了一整套的全位置内壁+端面一体化堆焊技术(主要包括全位置-TIG自动焊接设备与一体化全位置堆焊工艺技术)，用于解决面临的各种问题。其中，自主研发的全位置-TIG自动焊接设备如图1所示，主要技术参数如表1所示，焊接主电源采用EWM Tetrix DC 552 Synergic CW，热丝电源采用EWM Tetrix 270 Hotwire。

图1 全位置-TIG自动焊接设备

表1 全位置-TIG自动焊接设备主要技术参数

1.2 试验材料

试验材料为SA-508-Ⅲ，外径∅360 mm，内径∅260 mm，长度L=220 mm，如图2所示,图中A为全位置内壁镍基堆焊区域，B为全位置端面镍基堆焊区域。

采用焊丝牌号为ASME SFA-5.14 ERNiCrFe-7，焊丝直径∅0.9 mm。内壁与端面各堆焊4层，堆焊完成后，经过打磨处理，保证堆焊层最终厚度为6 mm，进行PT,UT无损检测以及理化试验。焊接试验件与焊丝化学成分要求如表2所示。

图2 试验件堆焊示意

表2 焊接试验件与焊丝化学成分

1.3 焊接工艺过程

在全位置焊接过程中，焊接的空间位置有平焊、上坡焊、仰焊和下坡焊，由于熔池液态金属在不同的空间位置所受力不同而引起流动性不同，使焊缝成形变化显著。尤其在内壁或端面开放环境中进行全位置堆焊，熔融的液态金属由于没有坡口的约束而自由流动，为了实现优质高效的焊缝成型，通过焊接电弧控制熔池的形态来保证焊接质量。本项目的全位置焊接工艺开发主要包括：(1)分层或分道设置不同工艺参数组合；(2)圆周方向不同分区设置不同工艺参数组合；(3)采用脉冲焊接；(4)焊接过程中观察熔池长度、形状、弧光强度等，一般以熔池前段呈椭圆形、绿光较为合适；(5)熔池过大、过长时应减小焊接电流，反之，则增大焊接电流；(6)连续焊接时，热量积累效应十分明显，越向后焊，温度越高，应适当降低焊接参数,控制层间温度；(7)保证送丝位置处于“两正”位置(即送丝处于正前方与电弧正中心下方)，避免焊道两侧或单侧的微咬边；(8)在端面堆焊时，焊枪与端面夹角保持在30°左右，满足R角位置(包括内外R角设计)的圆弧过渡焊接[5-10]。

如果堆焊的不同空间位置选用相同的焊接参数，对于自动焊而言，会显著影响焊缝成形和质量，为保证全位置焊接时不同位置的焊缝成形(焊缝宽度、焊缝余高)尽量趋于一致，成形质量优良[11-12]，建立12分区模式，如图3所示。从最低端(6点钟方向)定义为0°，顺时针每30°划分为一个区，共计12区，起弧位置为0°，收弧为360°，保证收弧位置焊缝饱满，在最后分区(第12分区)设置收弧搭接量3°。全位置一体化堆焊的焊接工艺参数如表3所示。

图3 12分区设定

表3 全位置一体化堆焊工艺参数

2 试验结果与分析

2.1 堆焊层宏观形貌

为方便后续研究，分别对试验件内壁与端面进行全位置镍基堆焊试验，图4,5所示为全位置镍基内壁与端面增材堆焊完的焊缝宏观形貌，焊接表面鱼鳞纹平整、均匀，成形良好。焊后内壁再次加工，按照NB/T 20003—2010《核电厂核岛机械设备无损检测》标准，对内壁堆焊层进行100%PT，UT检测，检测结果全部合格。

图4 内壁堆焊宏观形貌

图5 端面堆焊宏观形貌

2.2 堆焊层金相组织

按照GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》，采用倒置式金相显微镜对其垂直于堆焊层区域的金相组织进行检测，检测区域包括母材、堆焊层、热影响区以及熔合线区。结果显示，不管是内壁堆焊还是端面堆焊，母材组织为铁素体+珠光体组织；堆焊层为奥氏体组织；热影响区为贝氏体组织。内壁、端面堆焊的各区组织如图6,7所示，金相图中无可见的裂纹和未焊透，不存在母材和熔敷焊道之间的结合不良、未熔合及气孔或夹渣，均满足产品技术条件的要求。

图6 内壁堆焊母材、堆焊层、热影响区微观组织形貌

图7 端面堆焊母材、堆焊层、热影响区微观组织形貌

2.3 力学性能

2.3.1 冲击性能

该试验是测定金属材料抗缺口敏感性(韧性)的试验。按照GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》加工10 mm×10 mm×55 mm的试验件。根据JFS-420300-JT39《反应堆压力容器不锈钢内壁堆焊工艺技术要求》，采用落锤式冲击试验机与夏比冲击试验降温仪在0 ℃与20 ℃径向热区距熔合线1 mm,4 mm处进行夏比冲击试验。

不同位置冲击试验结果如表4，5所示。可以看出，内壁堆焊与端面堆焊试验中，距离熔合线4 mm处的冲击吸收能量低于距离熔合线1 mm处的冲击吸收能量，主要原因是热影响区过热造成晶粒长大，性能降低，导致冲击吸收能量下降。对比表4，5可知，内壁堆焊的冲击性能略低于端面堆焊的冲击性能，主要原因是堆焊过程中母材、堆焊层的热交换不一致，由于内壁堆焊属于广义上的受限空间，热积累不易扩散；在端面堆焊时，由于空间不受限，且堆焊面积较内壁堆焊少，不易形成热量的积累，层间温度控制得更好，使得晶粒更趋于细小、均匀[13]。

表4 端面堆焊冲击性能试验结果

表5 内壁堆焊冲击性能试验结果

2.3.2 弯曲性能

弯曲试验主要用来检测焊缝材料在经受弯曲负载作用时的性能，评价焊缝金属材料的弯曲强度和塑性变形的大小。按照GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》执行，分别取内壁堆焊与端面堆焊试样，规格10 mm×30 mm×120 mm，数量为2个，弯曲夹具D=4a，a=10 mm，α=180°，试样弯曲180°后，拉伸面上不允许出现任何明显开裂，单个裂纹、气孔、夹渣的长度均不大于1.5 mm。试验结果无缺陷，如图8所示。该项材料理化性能指标满足技术要求。

图8 弯曲试样

2.4 晶间腐蚀

按照GB/T 4334—2020《金属和合金的腐蚀奥氏体及铁素体-奥氏体(双相)不锈钢晶间腐蚀试验方法》，试样规格3 mm×10 mm×50 mm。采用电子万能试验机，弯曲试样180°，弯曲直径等于试样厚度，弯曲后在10倍放大镜下观察，不允许有晶间腐蚀引起的裂纹或者开裂倾向。结果表明，对内壁堆焊与端面堆焊纵向堆焊层试样的三种状态(PWHT、PWHT+敏化态(700±10) ℃×0.5 h、焊态)进行晶间腐蚀试验，均没有发现晶间腐蚀裂纹及倾向，满足技术条件要求,如图9所示。

图9 晶间腐蚀试样

2.5 宏观硬度

按照GB/T 2654—2008《焊接接头硬度试验方法》，取全位置内壁与端面堆焊10 mm×30 mm×100 mm试样(PWHT)，在堆焊层厚度方向上进行硬度分布曲线测定，此厚度方向上包括堆焊层、熔合线、焊接热影响区、母材四个区，每区测5点，焊接热影响区测量点之间距离0.5 mm，堆焊层、熔合线区、母材区测量点之间距离1 mm，载荷98 N，按照要求焊接热影响区HV≤320。

全位置内壁与端面堆焊层、熔合线、热影响区、母材硬度分布测试结果如图10所示。可以看出，母材硬度最高，熔合线硬度最低，热影响区与堆焊层保持中间状态，均为HV≤320。综上所述，4个区的宏观硬度都满足产品技术条件。

(a)端面

(b)内壁

2.6 化学分析

采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)、氧氮氢分析仪(HS-132)以及碳硫分析仪(HS-130)，根据GB/T 20123—2006《钢铁总碳硫含量的测定高频感应炉燃烧后红外吸收法》、GB/T 20124—2006《钢铁氮含量的测定惰性气体熔融热导法》、GB/T 20125—2006《低合金钢多元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》、GB/T 223.81—2007《钢铁及合金总铝和总硼含量的测定微波消解-电感耦合等离子体质谱法》，在堆焊完工的焊态表面打磨0.5 mm后的2 mm深度范围内，取屑状进行化学成分检测，结果如表6所示。