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摘要：以镍基合金换热管（SB-163 N06690，尺寸φ19 mm×2.5 mm）的工艺研发为例，全面介绍该焊接工艺的开发过程，包括适用实际工况的焊接设备选型，焊接坡口的设计、试验与优化，焊接工艺参数的开发，必要的工装设计，焊接接头的检验，以及破坏性试验。通过工艺开发获得了高质量的焊接接头，各项指标验证符合使用要求，节约了大量工程制造成本，可在类似焊接接头上进行推广应用。
关键词：民用核设备;镍基合金换热管;焊接接头;焊接工艺
中图分类号：TG457.19 文献标志码：B 文章编号：1001-2003（2021）07-0066-04
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.07.12
0 前言
为满足自主知识产权的第三代核电要求，我国在30余年引进、消化、吸收国外压水堆技术的基础上，充分考虑我国装备制造业的现实基础，按照最新安全标准HAF102的要求以及URD、EUR的相关要求，同时借鉴日本福岛核事故的经验反馈以及AP1000、EPR等先进压水堆设计理念，正在设计和研制安全性更高的民用核安全设备。传统热交换器的传热管基本是通过冷轧直接成型，冷轧设备制造能力在一定程度上限制了传热管的长度，大长度传热管的连接通常使用焊接方法。由于690镍基合金换热管本身的特点[1]，如材料的焊接特性、换热管尺寸小、对焊接参数和焊接条件敏感等，焊接难度大。同时换热管使用工况严苛，对焊接接头的要求极高。为此，文中针对性地进行了工艺开发，研制出一整套适用的焊接工艺[2]。
1 工艺开发
1.1 设备选型
换热管为镍基合金材料，且尺寸小，对电弧变化敏感，因此对焊接电源要求高，在选型过程中，主要考虑以下条件：电源输出应有分区编程控制;可根据需要设置脉冲频率和脉冲时间;带水冷系统;高频引弧，最小熄弧电流约为3 A，以消除弧坑。
焊接机头宜采用封闭式带夹持功能的小型机头，保证焊接气氛，并适用于狭小空间焊接。通过对国内外设备厂家的调研，选择了POLYSOUDE PC600电源配备L型机头/MW40机头，如图1所示。
1.2 焊接坡口
在接头设计方面，结合国内外相关经验，换热管焊接采用自动GTAW带熔化环不填丝的焊接方式。同时考虑到便于加工制造，熔化环设计成单边带凸台的形式，如图2所示。熔化环材质与管子材质保持一致，通过试验确定熔化环尺寸，保证焊缝背面和正面余高到达设计要求。
1.3 焊接工装
为了得到高质量的焊接接头，焊接工艺对装配精度要求极高，焊前必须采用专用的夹持工装固定工件，以保证装配尺寸精度。为此需要根据实际工况结构设计专用的夹持工装，使得装配精度满足要求，并且操作方便。
设计的固定工装一分为二，中间通过定位销连接，两块工装上的管子固定凹槽为一体成型，有效保证了管子装配的直线度。两块压板对管子施加径向的压紧力，顶部螺杆通过旋钮对管子施加轴向的顶紧力，压紧换热管与熔化环。该管子固定工装可用于全位置和横焊两种焊接位置。由于熔化环厚度较薄，且不填丝钨极氩弧焊对钨极与工件距离要求较高，为有效保证钨极的定位精度，制作了如图3所示的管子装配定位工装和钨极定位工装。
1.4 焊接工艺
传热管材料为SB-163 N06690，规格φ19 mm×2.5 mm，传热管材的化学成分如表1所示，传热管材力学性能如表2所示。采用钨极氩弧焊（GTAW）对传热管材进行对接焊，焊接设备使用POLYSOUDEPC600 电源+L型机头，焊接时管与管之间放置熔化衬环，水平固定，焊接位置为全位置。焊缝正、背面均采用气体保护，正面保护气体采用纯度为99.999%的氦气，背面保护气体为99.999%的氩气。
为保证焊接质量，确保工艺稳定可靠，进行了大量的焊接试验，严格控制每一个细节。该焊接工艺及焊接过程的特点有：①管径小，壁厚大，镍基合金焊接工艺性差，熔池控制难度大。②焊接时无法观察熔池，不能根据焊接过程实时调整参数。③全位置焊接时，不同区域电弧力、熔池张力、重力影响不同，圆周方向焊缝成形差异大。④对管子精度、熔化环精度、装配精度、焊接参数、压紧程度、气体流量、压力、钨极角度、钨极与工件距离、钨极对中精度等都很敏感。
基于上述特点，借助数字模拟软件，计算整个焊接过程中圆周不同位置的温度分布情况，可帮助设定焊接参数，控制焊缝焊透无外凹、内凸满足通球要求，焊件外表无凹陷，如图4所示。
1.5 无损检验
焊接接头经目视检查、尺寸检查、液体渗透探伤、射线探伤等无损检测，结果合格，焊缝内外壁无任何可疑目视缺陷。尺寸检查主要包括接头通球，通球直径不小于φ13.4 mm，接头管外焊缝无凹陷。
2 理化试验
试件的焊缝及焊接接头需要进行相关理化试验，主要试验项次包括接头焊缝化学分析（试验标准：ASTM E1473）、接头室温拉伸和350 ℃高温拉伸（试验标准：AWS B4.0/B4.0M，表3）、压扁试验（试验标准：ASM E SA-450/450M）、宏观和微观检验（试验标准：ASTM E340[3]和ASM E407[4]）。传热管接头的力学性能典型值如表3所示。
传热管接头整体横截面的宏观形貌和显微组织如图5所示，焊缝与母材完全熔合，焊缝无裂纹、夹杂、气孔等缺陷。焊缝的熔合线清晰，附近为沿熔合线联生生长的粗大柱状晶，焊缝中心为树枝胞状晶。由于传热管的导热性较差，晶粒长大速度较快，导致熔合区的晶粒有明显增大，这是接头断裂始于熔合区并贯穿整个焊缝的原因[5]。焊缝无显微裂纹和影响接头性能的沉淀物，由于焊缝中合金Cr的含量较高，约为30%，Cr可以防止晶界碳化物的析出，从而避免晶界附近产生贫Cr现象，提高抗氧化、抗腐蚀的能力[6]。
3 结论
通过对焊接设备、工装、坡口、以及焊接工艺参数的设计开发和验证，制定了一套完整、可靠的镍基合金换热管对接焊工艺，得到如下结论：
（1）690镍基合金换热管对接焊，采用带熔化衬垫不填丝的自动钨极氩弧焊，并借助合适的焊接电源、工装卡具和双面保护气体等细节控制，可以得到满足设计要求、质量优良的对接接头。
（2）通过产品应用统计，合格率约为90%，通过细化过程控制和提高操作人员的熟练度，焊缝合格率还有提升空间。
（3）开发该690镍基合金换热管对接焊焊接工艺效率高，劳动强度低，具有推广应用价值。
参考文献：
朱兴华. Inconel690镍基合金材料焊接技術要点[J].电子世界，2013（14）：189.
邱长军，李必文. 核电设备焊接技术[M].北京：北京理工大学出版社，2014：88.
ASTM E340. Standard Test Method for Macroetching Metals and Alloys[S].
ASTM E407. Standard Practice for Microetching Metals and Alloys[S].
张杰，张彦昌. 镍基合金的焊接技术与研究[J]. 价值工程，2010（17）：133-134.
唐正柱，陈佩寅，吴伟. Nb对镍基合金高温失塑裂纹敏感性的影响机理[J]. 焊接学报，2008（1）：109-112.
关键词：民用核设备;镍基合金换热管;焊接接头;焊接工艺
中图分类号：TG457.19 文献标志码：B 文章编号：1001-2003（2021）07-0066-04
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.07.12
0 前言
为满足自主知识产权的第三代核电要求，我国在30余年引进、消化、吸收国外压水堆技术的基础上，充分考虑我国装备制造业的现实基础，按照最新安全标准HAF102的要求以及URD、EUR的相关要求，同时借鉴日本福岛核事故的经验反馈以及AP1000、EPR等先进压水堆设计理念，正在设计和研制安全性更高的民用核安全设备。传统热交换器的传热管基本是通过冷轧直接成型，冷轧设备制造能力在一定程度上限制了传热管的长度，大长度传热管的连接通常使用焊接方法。由于690镍基合金换热管本身的特点[1]，如材料的焊接特性、换热管尺寸小、对焊接参数和焊接条件敏感等，焊接难度大。同时换热管使用工况严苛，对焊接接头的要求极高。为此，文中针对性地进行了工艺开发，研制出一整套适用的焊接工艺[2]。
1 工艺开发
1.1 设备选型
换热管为镍基合金材料，且尺寸小，对电弧变化敏感，因此对焊接电源要求高，在选型过程中，主要考虑以下条件：电源输出应有分区编程控制;可根据需要设置脉冲频率和脉冲时间;带水冷系统;高频引弧，最小熄弧电流约为3 A，以消除弧坑。
焊接机头宜采用封闭式带夹持功能的小型机头，保证焊接气氛，并适用于狭小空间焊接。通过对国内外设备厂家的调研，选择了POLYSOUDE PC600电源配备L型机头/MW40机头，如图1所示。
1.2 焊接坡口
在接头设计方面，结合国内外相关经验，换热管焊接采用自动GTAW带熔化环不填丝的焊接方式。同时考虑到便于加工制造，熔化环设计成单边带凸台的形式，如图2所示。熔化环材质与管子材质保持一致，通过试验确定熔化环尺寸，保证焊缝背面和正面余高到达设计要求。
1.3 焊接工装
为了得到高质量的焊接接头，焊接工艺对装配精度要求极高，焊前必须采用专用的夹持工装固定工件，以保证装配尺寸精度。为此需要根据实际工况结构设计专用的夹持工装，使得装配精度满足要求，并且操作方便。
设计的固定工装一分为二，中间通过定位销连接，两块工装上的管子固定凹槽为一体成型，有效保证了管子装配的直线度。两块压板对管子施加径向的压紧力，顶部螺杆通过旋钮对管子施加轴向的顶紧力，压紧换热管与熔化环。该管子固定工装可用于全位置和横焊两种焊接位置。由于熔化环厚度较薄，且不填丝钨极氩弧焊对钨极与工件距离要求较高，为有效保证钨极的定位精度，制作了如图3所示的管子装配定位工装和钨极定位工装。
1.4 焊接工艺
传热管材料为SB-163 N06690，规格φ19 mm×2.5 mm，传热管材的化学成分如表1所示，传热管材力学性能如表2所示。采用钨极氩弧焊（GTAW）对传热管材进行对接焊，焊接设备使用POLYSOUDEPC600 电源+L型机头，焊接时管与管之间放置熔化衬环，水平固定，焊接位置为全位置。焊缝正、背面均采用气体保护，正面保护气体采用纯度为99.999%的氦气，背面保护气体为99.999%的氩气。
为保证焊接质量，确保工艺稳定可靠，进行了大量的焊接试验，严格控制每一个细节。该焊接工艺及焊接过程的特点有：①管径小，壁厚大，镍基合金焊接工艺性差，熔池控制难度大。②焊接时无法观察熔池，不能根据焊接过程实时调整参数。③全位置焊接时，不同区域电弧力、熔池张力、重力影响不同，圆周方向焊缝成形差异大。④对管子精度、熔化环精度、装配精度、焊接参数、压紧程度、气体流量、压力、钨极角度、钨极与工件距离、钨极对中精度等都很敏感。
基于上述特点，借助数字模拟软件，计算整个焊接过程中圆周不同位置的温度分布情况，可帮助设定焊接参数，控制焊缝焊透无外凹、内凸满足通球要求，焊件外表无凹陷，如图4所示。
1.5 无损检验
焊接接头经目视检查、尺寸检查、液体渗透探伤、射线探伤等无损检测，结果合格，焊缝内外壁无任何可疑目视缺陷。尺寸检查主要包括接头通球，通球直径不小于φ13.4 mm，接头管外焊缝无凹陷。
2 理化试验
试件的焊缝及焊接接头需要进行相关理化试验，主要试验项次包括接头焊缝化学分析（试验标准：ASTM E1473）、接头室温拉伸和350 ℃高温拉伸（试验标准：AWS B4.0/B4.0M，表3）、压扁试验（试验标准：ASM E SA-450/450M）、宏观和微观检验（试验标准：ASTM E340[3]和ASM E407[4]）。传热管接头的力学性能典型值如表3所示。
传热管接头整体横截面的宏观形貌和显微组织如图5所示，焊缝与母材完全熔合，焊缝无裂纹、夹杂、气孔等缺陷。焊缝的熔合线清晰，附近为沿熔合线联生生长的粗大柱状晶，焊缝中心为树枝胞状晶。由于传热管的导热性较差，晶粒长大速度较快，导致熔合区的晶粒有明显增大，这是接头断裂始于熔合区并贯穿整个焊缝的原因[5]。焊缝无显微裂纹和影响接头性能的沉淀物，由于焊缝中合金Cr的含量较高，约为30%，Cr可以防止晶界碳化物的析出，从而避免晶界附近产生贫Cr现象，提高抗氧化、抗腐蚀的能力[6]。
3 结论
通过对焊接设备、工装、坡口、以及焊接工艺参数的设计开发和验证，制定了一套完整、可靠的镍基合金换热管对接焊工艺，得到如下结论：
（1）690镍基合金换热管对接焊，采用带熔化衬垫不填丝的自动钨极氩弧焊，并借助合适的焊接电源、工装卡具和双面保护气体等细节控制，可以得到满足设计要求、质量优良的对接接头。
（2）通过产品应用统计，合格率约为90%，通过细化过程控制和提高操作人员的熟练度，焊缝合格率还有提升空间。
（3）开发该690镍基合金换热管对接焊焊接工艺效率高，劳动强度低，具有推广应用价值。
参考文献：
朱兴华. Inconel690镍基合金材料焊接技術要点[J].电子世界，2013（14）：189.
邱长军，李必文. 核电设备焊接技术[M].北京：北京理工大学出版社，2014：88.
ASTM E340. Standard Test Method for Macroetching Metals and Alloys[S].
ASTM E407. Standard Practice for Microetching Metals and Alloys[S].
张杰，张彦昌. 镍基合金的焊接技术与研究[J]. 价值工程，2010（17）：133-134.
唐正柱，陈佩寅，吴伟. Nb对镍基合金高温失塑裂纹敏感性的影响机理[J]. 焊接学报，2008（1）：109-112.