镍基合金带极堆焊技术在稳压器制造中的应用

李鹏飞 张海林 常旭

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川 德阳 618000)

稳压器是核电站的关键设备之一，用于主回路系统的压力调节和压力保护，主要起维持系统压力的作用[1]。稳压器下封头布置有78根电加热器套管，套管通过冷装的方式固定在下封头内壁堆焊的镍基合金凸台加工孔内，并进行密封焊。

Inconel 690镍基合金在高温下能保持较高的塑性和韧性，抗应力腐蚀性能优异，广泛应用于核电设备中。但其焊接性较差，热裂纹敏感性高，堆焊过程中熔池流动性较差，对氧化、高温失塑裂纹(DDC)敏感[2-3]。常见的堆焊焊接方法有：手工电弧焊、热丝TIG自动焊接、带极堆焊等。稳压器封头镍基台阶具有堆焊厚度厚、焊接工作量大等特点，要保证堆焊层的成形良好和控制堆焊层不产生焊接缺陷，是制造难点。本文针对这一难点，提出了具体的焊接方法及焊接工艺参数控制等措施。

1 焊接工艺试验方案的确定

1.1 稳压器下封头镍基凸台的结构特点

稳压器上半部为蒸汽空间，下半部被水注满。稳压器内顶部设有喷淋嘴，底部装有电加热器。通过控制稳压器内加热器和喷淋水的运作，便可调节稳压器内的水位及控制一次回路的压力。下封头的镍基凸台结构示意图如图1所示。

图1 稳压器下封头镍基凸台示意图Figure 1 Schematic diagram of the nickel-based convex platform on the lower head of the pressurizer

由稳压器下封头结构示意图可以看出，镍基合金台阶在厚度方向有较厚的堆焊厚度(80 mm左右)，堆焊量较大。同时由于该部位需要装配固定电加热器套管，其堆焊的部位均属于设计划分的结构堆焊范畴。因此，在常规堆焊的耐腐蚀性和化学成分评定基础上，对镍基焊带及焊剂的熔敷金属拉伸性能、热影响区的冲击性能提出了评定要求。

楠楠，你跟我说说，农民应该是什么样子？非得吃不饱穿不暖、满脸深仇大恨的才像农民？姥姥像是早准备好了这些话。

1.2 焊接材料的确定

由于EQNiCrFe-7A材料的杂质元素少，熔敷金属焊缝纯净，不容易产生裂纹等焊接缺陷，目前在国内AP1000等三代核电站核岛主设备制造中普遍采用EQNiCrFe-7A型焊带及配套焊剂作为690镍基合金的堆焊材料。焊带及配套焊剂的制造、试验、验收满足ASME第Ⅱ卷C篇SFA-5.01、SFA-5.14及ASME规范第Ⅲ卷NB-2400相关要求。焊带的化学成分要求如表1所示。

表1 焊带化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of welding strip (mass fraction,%)

(4)对母材热影响区进行冲击试验，试验结果如表6所示。

在进行了橡胶试样与润滑油相容性浸泡试验之后，为得到与不同润滑剂浸泡之后的密封圈在实际工作中的摩擦及密封性能，需要进行气缸O型圈摩擦及密封性能试验。试验内容包括构建气缸自动试验系统，将浸泡后的橡胶密封圈装配入相对应的气缸中进行往复运行，测量气缸的摩擦力和泄漏量，将测量数据与未经过相容性试验的O型圈相对比，分析不同润滑油对于气缸O型圈的摩擦及密封性能的影响，为日后气缸的橡胶密封材料以及润滑剂的选择与改善提供参考数据。

1.3 试验方案

为验证镍基合金带极堆焊能够满足稳压器下封头镍基凸台的力学性能、化学成分、耐腐蚀性能的要求，制作了专用试板并在试板上进行了堆焊试验。试板母材为SA-508 Gr.3 Cl.2，规格为77.5 mm×300 mm×600 mm。采用EQNiCrFe-7A焊带及配套焊剂进行堆焊试验。堆焊使用ESAB带极堆焊设备，采用带极埋弧焊进行堆焊。堆焊通过不同焊接参数、搭接量堆焊试验，最终确定堆焊层成形良好的工艺参数堆焊的试板进行焊后热处理，进行UT、PT检测。

试板经无损检测合格后，对试板进行解剖。对其熔敷金属和焊接接头进行常温拉伸、高温拉伸试验；对母材热影响区进行冲击试验；对试板进行横向侧弯试验和横向面弯试验；对熔敷金属进行化学成分分析；对熔敷金属按ASTM A262-2002a标准的E法试验进行晶间腐蚀试验；对焊缝进行金相分析。

2 焊接工艺评定试验

2.1 试板的堆焊及热处理

(7)对试样酸洗后，放大5倍观察宏观金相组织，堆焊层未发现未焊透、未熔合、裂纹、夹渣等缺陷存在。

图2 试板堆焊尺寸示意图Figure 2 Schematic diagram of the surfacing size of the test plate

堆焊时选取成形状况良好、焊接质量优良的规范参数来进行堆焊，镍基焊带堆焊规范参数如表2所示，按照此规范参数来进行评定试验件的焊接工作。

表2 镍基焊带堆焊规范表Table 2 Specifications for nickel-based welding strip surfacing

为解决以上尺寸控制要求，具体措施为：在下封头大端部位采用固定板、筋板刚性固定封头，大幅增加其端口的刚性，可以有效地防止下封头在堆焊和热处理过程中的变形，如图5所示。

2.2 试板评定结果

评定试板焊接完成后，对其进行了PT、UT、UT测厚等无损检测。检测合格后，对试板进行了解剖，进行理化性能检测，结果如下：

(1)对熔敷金属至距熔合线5～5.5 mm范围内采用钻屑的方式进行化学成分分析，其结果如表3所示。

表3 熔敷金属化学成分(质量分数，%)Table 3 Chemical composition of deposited metal(mass fraction,%)

(2)对熔敷金属进行了常温拉伸试验和高温360℃拉伸试验，试验结果如表4所示。

表4 熔敷金属常温及高温拉伸结果Table 4 Tensile results of deposited metal at room temperature and high temperature

(3)对焊接接头进行常温拉升试验和高温360℃拉伸试验，试验结果如表5所示。

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表5 焊接接头常温及高温拉伸结果Table 5 Tensile results of welded joints at room temperature and high temperature

综合考虑封头尺寸、镍基凸台的三个台阶状堆焊形状，焊接位置、焊接效率和排道焊接情况，选取规格为30 mm×0.5 mm的焊带进行凸台堆焊试验，单盘焊带重量50 kg左右为宜。

表6 母材热影响区冲击试验结果Table 6 Impact test results of base metal heat affected zone

(5)对试样进行了横向侧弯和横向面弯，均未产生裂纹，塑性良好。

(6)试样弯曲时的拉伸面距熔合线5.0～5.5 mm，经675℃±5℃×1 h敏化处理后，按ASTM A262-2002a标准中E法规定，2件经15 h晶间腐蚀试验后弯曲180°后检查，均未发现因晶间腐蚀产生的裂纹或开裂。

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采用带极埋弧焊设备对试板进行堆焊。在试板整体堆焊镍基焊带6 mm后，在一端头分别堆焊厚度为30 mm和60 mm的台阶，便于力学性能检测，堆焊形式如图2所示。

试样放大200倍，焊缝和热影响区未发现微观裂纹。显微组织：母材为回火贝氏体；热影响区为铁素体+回火贝氏体组织；焊缝为奥氏体+δ铁素体。试件母材组织为回火贝氏体(见图3a)，在母材表面堆焊镍基合金堆焊层的焊接过程对热影响区的组织进行了2次热处理，这不仅抑制了晶界处贝氏体铁素体的成核以及长大，促进了热影响区的组织向奥氏体转变，还使得奥氏体晶粒变得粗大。堆焊层晶粒粗大，呈现出明显的树枝晶生长形貌，为树枝状的奥氏体组织+δ铁素体(见图3c)，符合典型的全奥氏体先析出相组织特征，这是由于堆焊层在凝固开始和结束时都为全奥氏体组织，随着奥氏体相的析出和凝固，杂质以及合金元素在焊缝中逐渐形成偏析，凝固过程中杂质以及合金元素在奥氏体组织内的扩散能力降低，使凝固结束后偏析的轮廓得以保留并形成δ铁素体。

由以上分析可知，堆焊评定试件的组织分布良好，符合评定标准及技术协议要求。

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由此可见，采用镍基焊带进行镍基凸台堆焊，其化学成分、力学性能和耐腐蚀性均能满足稳压器下封头镍基凸台的相关要求，具备应用条件。

式中，r和θ分别表示极坐标中的径向参数和角向参数；k=2π/λ表示激光波数，λ为激光波长，表示输入激光高斯束腰半径，F为高斯聚焦参数；Jl(Ωr)表示第一类贝塞尔函数；l为轨道角动量(拓扑荷)数，Ω=p/w0为宽度参数，p为贝塞尔高斯涡旋光束的波形参数.

(a)母材,回火贝氏体 (b)热影响区,回火贝氏体 (c)焊缝,奥氏体+δ铁素体

3 焊接方案效果验证

为验证镍基合金带极堆焊在稳压器下封头镍基凸台堆焊的可行性，制作了1∶1的模拟件，模拟下封头镍基凸台的堆焊、尺寸控制和加工，以确认工艺的可行性。

3.1 堆焊前准备工作

封头内壁在加工后进行划线，标记出镍基凸台待堆焊位置线和检查线。为便于施焊，封头需整体装焊到变位器上，下部采用座圈整体垫高，便于对封头进行加热。封头与变位器装配示意图见图4。

图4 稳压器下封头与变位器装配示意图Figure 4 Schematic diagram of the assembly of the lower head of the pressurizer and the positioner

封头装配完成后，利用框式水平仪找出堆焊的中心位置，以此为基准确定焊带的偏心量25～30 mm。之后翻转变位器，在堆焊位置找出水平位置，在水平位置进行堆焊焊接。调整变位器转速满足焊接需求后，利用调试试板进行参数调试，确认设备、参数等正常。

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3.2 镍基凸台堆焊要求及注意事项

由于稳压器下封头的厚度仅有77.5 mm，在堆焊和热处理过程中由于焊接应力，会使封头产生变形，影响封头尺寸精度。因此，必须使下封头端面具有足够的刚性，控制下封头端面的圆度，才能有效避免制造过程中变形。同时，镍基凸台为三个台阶状的凸台堆焊层，但堆焊位置为水平堆焊，堆焊过程中无法直接进行台阶的堆焊形位控制，需要采取措施进行堆焊形位的控制，减少堆焊量。

由于镍基堆焊层堆焊厚度80 mm左右。在较大的应变下，当镍基材料塑性应变要大于临界应变时，易在应力的作用下形成裂纹。为了降低应力对镍基合金堆焊质量的影响，在镍基堆焊层堆焊2层后，入炉进行第1次消应力热处理，热处理温度595～620℃，保温时间至少1 h。出炉后再进行后续堆焊。在镍基堆焊6层(堆焊厚度约24 mm)后，入炉进行第2次消应力热处理，热处理温度595～620℃，保温时间至少1 h。

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3.3 镍基台阶堆焊的尺寸控制方案

当焊接参数调试完成后，进行凸台堆焊。堆焊采用EQNiCrFe-7A焊带及配套焊剂。堆焊过程中根据堆焊位置合理进行排道，搭接量控制在5～8 mm，可有效避免因稀释率过大造成的堆焊层裂纹。焊接过程中控制焊带干伸长度30～35 mm。焊接过程中严格控制焊剂的覆盖高度，避免出现电弧不稳或者夹渣等缺陷。焊接过程中随时关注起弧点的偏心量，确保起弧点位于上坡焊位置。

开始焊接时，需要预热≥127℃，同时控制层间温度≤201℃。待堆焊厚度≥5 mm后，进行232～400℃×4 h后热处理，之后在10℃以上进行其余层的堆焊。试板焊接完成后，进行595～611℃×40 h的最终热处理。

图5 下封头防变形控制工装示意图Figure 5 Schematic diagram of anti-deformation control tooling of lower head

内壁凸台堆焊位置依托检查线制作检测间隙样板，在堆焊过程中随时利用间隙样板进行排道分析和尺寸检测，合理控制堆焊尺寸和加工量，避免堆焊焊肉不满足后续加工的情况出现。

3.4 镍基台阶堆焊效果

通过以上堆焊方案的实施，成功完成了稳压器下封头镍基凸台的堆焊工作。堆焊及热处理结束后，对下封头的大端直径进行尺寸测量，测量尺寸见表7，变形满足技术文件要求。

表7 下封头大端的直径尺寸Table 7 Diameter sizes of the big end of the lower head

堆焊层加工后PT、UT检测全部合格，外形尺寸满足图纸要求。堆焊并加工完成的镍基凸台如图6所示。

(a)堆焊过程中 (b)加工完成后

4 焊接见证件

按照技术文件要求，模拟下封头内壁镍基堆焊焊缝，设置了镍基合金带极埋弧自动堆焊焊接见证件，用于检测镍基堆焊层的焊缝质量。见证件按照产品的堆焊工艺参数和相同的焊接操作者进行了堆焊，热处理时间按照产品的热处理累计热处理时间执行，温度保持一致。镍基合金带极埋弧自动堆焊焊接见证件PWHT为595～611℃×7 h。

式中f(ck,i)表示第i个颜色ck,i在第k个区域rk的所有颜色nk中出现的频率，d(c1,i,c2,j)表示区域1中第i个颜色与区域2中第j个颜色在Lab空间内的颜色距离.

堆焊过程中及堆焊完成后对堆焊层进行PT、UT及测厚检测，检测合格后解剖进行了理化性能检测。经检测，镍基合金带极埋弧自动堆焊焊接见证件理化性能检测结果满足技术文件要求，证明用于产品堆焊的技术能够满足目标产品中大厚度、大面积镍基带极堆焊所要求的各项性能。

5 结论

(1)采用镍基合金带极堆焊技术进行稳压器镍基台阶的堆焊，可以满足技术条件的力学性能、抗腐蚀性能、化学成分要求。

(2)堆焊过程中在合适时机进行2次中间消应热处理，解决了大厚度镍基合金带极堆焊层由于焊接应力产生裂纹的问题。

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(3)通过变位器配合带极堆焊设备实现稳压器封头镍基凸台的水平位置焊接。通过固定工装加强封头刚性，最终封头大端直径变形量≤1 mm。

通过验证和实施，成功实现了镍基合金带极堆焊技术在稳压器下封头镍基台阶堆焊中的应用。