和广庆，李翠翠，田洪志

(1.国核工程有限公司，上海 200233；2.中核集团中国中原对外工程有限公司，北京 100191)



保护气体对管子-管板全位置TIG焊接接头质量的影响

和广庆1，李翠翠2，田洪志1

(1.国核工程有限公司，上海 200233；2.中核集团中国中原对外工程有限公司，北京 100191)

摘要：结合核电AP1000蒸汽发生器产品结构，研究了管子-管板全位置TIG焊不同焊接保护气体对焊道成形、焊喉尺寸的影响，研究了100%Ar保护下在较高热输入下焊接时焊缝根部裂纹的形貌和形成机理。结果表明：相同焊接工艺参数下，100%Ar保护下的焊道最窄，100%He保护下的焊道最宽，95%Ar+5%H2保护下的焊缝最光亮；100%He，95%Ar+5%H2，75%He+25%Ar保护下焊接形成焊缝的焊喉尺寸均满足技术要求，AP1000蒸汽发生器管子-管板TIG焊采用95%Ar+5%H2保护气体时其焊接质量较好;通过提高热输入并降低焊接速度，100%Ar保护下的有效焊喉尺寸可满足技术要求，但焊缝根部出现裂纹的几率增加，裂纹为高温裂纹。

关键词：管子-管板焊接接头；全位置TIG焊；保护气体；裂纹

0引言

蒸汽发生器管子-管板焊缝是核电厂一回路和二回路的密封边界，设备制造厂和核电厂实践经验都证明，管子-管板焊缝是蒸汽发生器的薄弱环节和关键环节，其质量直接影响到设备的寿命和核电厂的安全稳定运行[1]。

随着国内核电产业的发展，国内供应商逐步掌握了百万千瓦级蒸汽发生器的制造工艺，但对管子-管板焊接工艺的研究不够深入，在设备制造过程中管子-管板焊缝质量存在较多的不稳定因素，导致了较多的质量问题，对设备质量和工程建设造成了影响。

目前管子-管极焊接主要采用全位置钨惰性气体(TIG)焊接,其焊接质量的影响因素很多，如钨极、焊枪的旋转方式、焊接电流、电弧电压、焊接速度、保护气体组成及气体流量等，但针对某一变量对核电蒸汽发生器管子-管板焊接接头质量的影响规律研究还不够深入[2]，对此方面的研究报道不多见。为了探讨保护气体对TIG焊接质量的影响，作者研究了100%He，100%Ar，95%Ar+5%H2，75%He+25%Ar四种保护气体对焊道成形和焊喉尺寸的影响，同时针对100%Ar保护下在较高的热输入下焊接时出现的微裂纹问题，对裂纹形貌进行了分析研究，优选出较佳的保护气体，为实际生产提供参考。

1试样制备与试验方法

管板材料为AP1000蒸汽发生器所用的SA-508Gr.3Cl.2钢，厚度为100 mm，先采用带极埋弧焊堆焊方法在管板一侧堆焊Inconel 690镍基合金，堆焊层厚度7 mm，其化学成分见表1。换热管材料为SB-163 UNS N06690镍基合金，规格φ17.48 mm×1.01 mm，长度150 mm，其化学成分见表2。

表1　堆焊层化学成分(质量分数)

表2　换热管化学成分(质量分数)

考虑钨极为焊接机头一个重要组成部分，在焊接过程起到引弧及维持电弧挺直度的关键作用[3]，而稀土铈具有一定的抗烧损能力，并能防止钨挥发而污染焊缝，因此，作者在试验中采用了φ2.4 mm的掺铈钨极，形状和尺寸见图1，其中铈质量分数为2%，锥体角度为20°～30°，顶部有0.3～0.5 mm平台。

图1　管子-管板TIG焊示意及钨极形状Fig.1　Schematic diagram of tube-tubesheet TIG weldingand shape of tungsten electrode

SA-508Gr.3Cl.2钢管板在一次侧堆焊后钻孔，孔中心距约24.89 mm，每块板上钻约50个孔，焊前采用橡胶胀接定位管子，胀接长度18～32 mm，内径不小于15.50 mm。

图2　TS25焊枪Fig.2　TS25 welding torch

采用法国POLYSOUDE公司生产的管子-管板专用TIG焊接设备进行焊接，使用PS-254-2电源和TS25焊枪(见图2)。该焊枪采用全封闭保护罩，焊接时，焊接接头完全在气体保护状态下，因为没有焊丝送进装置和弧压跟踪反馈装置，所以焊枪轻便灵活，但是起弧前需要较长的时间将气体保护罩中的空气排出，同时充满保护气体。

TIG焊的工艺性能受保护气体的成分、物理和化学性能的影响[4]，导致在电弧稳定性、熔滴过渡、焊缝成形等方面的行为不同。考虑镍基合金的焊接特点，根据ASME SFA-5.32，分别选用100%Ar，95%Ar+5%H2，100%He，75%He+25%Ar(体积分数)四种气体作为焊接保护气体进行试验，焊接参数见表3。

采用焊接工艺1，分别在四种保护气体下各焊接至少7个接头。由于100%Ar保护下焊接的焊缝熔深较浅，有效焊喉尺寸不能满足要求，因此作者在试验中增大热输入，采用焊接工艺2在100%Ar保护下重新焊接管子-管板。

焊接接头首先进行无损渗透检验，检测合格后，按图3方向切割焊接接头，每个接头有四个检测面。采用10%草酸溶液(质量分数)对检测面进行腐蚀后，采用SZX16型体式显微镜进行宏观检测，并测

图3　宏观取样和焊喉测量示意Fig.3　Schematic map of sampling (a) and welding throat measurement (b)

工艺峰值电流/A峰值时间/ms基值电流/A基值时间/ms焊接速度/(mm·min-1)气体流量/(L·min-1)15610026100205142861003310019514

量接头有效焊喉尺寸(要求不小于管壁厚的2/3)。

采用Axiovert 200 MAT型光学显微镜(OM)和Hitachi S4800型场发射扫描电子显微镜(FESEM)对100%Ar保护下采用工艺2焊接后的焊接接头检测面上的宏观裂纹进行观察，同时采用附带的能谱仪(EDS)对裂纹进行化学成分测定。

2试验结果与讨论

2.1　焊缝外观质量

由图4可见，在相同焊接参数下，在100%Ar保护下焊接时焊缝的焊道最窄，100%He保护下的焊道最宽，在75%He+25%Ar和95%Ar+5%H2混合气体保护下的介于两者之间；95%Ar+5%H2保护下的焊缝最光亮，其余气体保护下的焊缝表面比较暗，这是因为还原性气体H2的加入克服了镍基金属容易氧化的缺点,避免了氧化物的出现，因此焊缝表面较为光亮。在95%Ar+5%H2保护下的焊道比100%Ar保护下的宽，是因为H2的加入提高了焊道的润湿程度，改善了熔池的流动性，使焊道截面加宽。

氦气作为保护气体时，要求较高的电弧电压，在同样的焊接电流下，其电弧热输入约为氩气保护下的1.3倍[5]。从图4可见，在100%He保护下进行焊接时，焊道最宽，但是焊缝成形相对不规则。

2.2　焊喉尺寸

由表4可见，在相同的焊接参数下焊接时，在100%He，95%Ar+5%H2，75%He+25%Ar三种气体保护下焊缝的焊喉尺寸均大于0.7 mm，满足焊喉的尺寸要求(不小于0.7 mm)；在100%He保护下的焊喉尺寸最大，为0.96 mm，95%Ar+5%H2和

图4　不同气体保护下管子-管板焊接接头外观形貌Fig.4　 Morphology of tube-tubesheet weld joint under various shield gases

焊喉尺寸工艺1工艺2100%He95%Ar+5%H2100%Ar75%He+25%Ar100%Ar测量值/mm0.99,0.97,0.94,0.940.92,0.88,0.85,0.890.66,0.65,0.70,0.680.89,0.91,0.87,0.900.88,0.93,0.90,0.93平均值/mm0.960.880.670.890.92

图7　焊缝裂纹处SEM形貌及元素面扫描结果Fig.7　SEM morphology (a) and Ni(b), Si(c), O(d) element surface scan results of weld crack

大明显，可能在晶界析出低熔点共晶物，晶界在液态存在的时间越长，液化裂纹倾向就越大[7]。

3结论

(1) 在相同的焊接参数下，100%He，95%Ar+5%H2，75%He+25%Ar保护下焊接形成焊缝的焊喉尺寸均大于0.7 mm，满足焊喉尺寸要求；在100%He保护下的焊喉尺寸最大，为0.96 mm，95%Ar+5%H2和75%He+25%Ar保护下的次之。

(2) 在95%Ar+5%H2混合气体保护下焊接时，焊缝成形良好，满足焊喉尺寸要求，且焊缝较为光亮，适宜作为AP1000蒸汽发生器全位置TIG焊保护气体。

(3) 在相对较低的焊接电流和高的焊接速度下，采用100%Ar保护焊接后的焊道最窄，焊喉尺寸不能满足技术要求；提高热输入、降低焊接速度后，100%Ar保护下的焊喉尺寸满足技术要求，但换热管与管口根部出现裂纹几率增加，裂纹为高温裂纹;若采用此保护气体，制定焊接工艺应控制热输入，降低焊接电流，减少高温停留时间，增加焊接速度和送丝速度。

参考文献：

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[7]史耀武. 中国材料工程大典:第22卷[M]. 北京：化学工业出版社, 2006.

75%He+25%Ar保护下的次之；在100%Ar保护下，采用焊接工艺1的焊喉尺寸为0.67 mm，不满足技术要求，而采用焊接工艺2的焊喉尺寸达到0.92 mm，因此，在100%Ar保护下，需要提高焊接电流，降低焊接速度，才可以获得满足焊喉尺寸要求的焊接接头。

虽然氦气保护下的焊喉尺寸最大，但是由于氦气起弧非常困难，用量较大，价格昂贵，同时氦气的相对原子质量和密度小，受周围空气流动影响较大，容易出现气孔，因此工业生产一般不会选择100%He作为保护气体。综上，在管子-管板全位置TIG焊接中选择95%Ar+5%H2保护较适宜。

2.3　工艺2的接头质量

在100%Ar保护下采用工艺1进行焊接时，焊喉尺寸不能满足要求；采用工艺2的焊喉尺寸虽达到了0.92 mm，但热裂纹敏感性增大。

工艺1和工艺2相比，由于焊接热输入增加，焊缝根部出现裂纹的几率明显增大。采用工艺1焊接的试样，90个试样中仅有1个检测面在焊缝根部出现微小裂纹;而采用工艺2焊接时，70个试样中有6个检测面发现裂纹。图5为100%Ar保护下，采用工艺2焊接时焊缝中裂纹的宏观形貌。

图5　焊缝中裂纹的宏观形貌Fig.5　 Macro-morphology of weld cracks

图6　焊缝裂纹处的显微形貌Fig.6　Micro-morphology of weld crack

图6为图5中裂纹尖端及其放大的裂纹形貌，A为管板一次侧堆焊区域，B为换热管区域，C为焊缝区域。由图6可知，裂纹在换热管与管口根部产生，向堆焊层内部扩展。

由图7可以看出，在100%Ar保护下，采用工艺2焊接的接头，其焊缝裂纹处不含硅元素，而氧元素明显较多，说明裂纹中不存在含硅的夹杂物。同时，氧元素沿着整个裂纹分布，即整个裂纹均被氧化了，而不是局部存在氧化物夹杂，证明是高温裂纹，即在高温时，换热管与管口根部在拉应力的作用下成为裂纹源，然后裂纹向堆焊层内部扩展。

由表5可以看出，裂纹处没有夹杂物存在，但其中氧元素含量较高，说明裂纹是在换热管与管口根部拉应力的作用下，在高温时就已经形成了，其扩展与夹杂物无关。

表5　 焊缝中A点裂纹EDS分析结果

Inconel 690镍基合金堆焊层具有较高的裂纹敏感性，裂纹的形成与多种因素有关。首先与冶金因素关系紧密，镍可以与许多元素形成低熔点共晶相，焊缝金属结晶速率越快，富镍-铌低熔点的共晶相在结晶过程越容易偏析于晶界或亚晶界，在金属结晶产生拉应力作用下产生裂纹[6]。但在冶金因素一定的情况下，焊接工艺参数不当也容易产生结晶裂纹。焊接接头的冷却速率越大，所产生的应变速率也越大，因而结晶裂纹倾向增大，同时焊接热输入越大，晶粒长

图７　焊缝裂纹处SEM 形貌及元素面扫描结果Fig敭７　SEM morphology a andNi b Si c O d elementsurfacescanresultsofweldcrack

Effect of Shield Gas on the Quality of Tube to Tubesheet Joint Welded

by All-Position TIG Welding

HE Guang-qing1, LI Cui-cui2, TIAN Hong-zhi1

(1.State Nuclear Power Engineer Co., Ltd., Shanghai 200233, China;

2.CNNC China Zhongyuan Engineer Corp., Beijing 100191, China)

Abstract:Based on the structure of AP1000 steam generator, the effects of various shield gases on the welding shape and throat dimension of tube to tubesheet joint welded by all-position TIG welding were studied. The morphology and forming mechanism of the cracks appeared during welding under 100%Ar gas and higher heat input were also studied. The results show that under the same welding parameters, the weld pass was the narrowest at the atmosphere of 100%Ar and the widest under 100%He gas. The weld surface was the brightest under 95%Ar+5%H2gas. The dimension of welding throat can meet with the technical requirements when welded under the atmosphere of 100%He，95%Ar+5%H2and 75%He+25%Ar. The optimum quality of tube to tubesheet joint was obtained when using TIG welding at the atmosphere of 95%Ar+5%H2. When improving heat input and lowering weld speed, the dimension of welding throat with 100%Ar could meet the technical requirements, but the probability of thermal cracks also increased. Those cracks were high temperature cracks.

Key words:tube to tubesheet welded joint; all-position TIG welding; shield gas; cracking

中图分类号：TG44

文献标志码：A

文章编号：1000-3738(2015)10-0070-04

作者简介：和广庆(1981-)，男，山东曹县人，工程师，硕士。

收稿日期:2015-02-22；

修订日期:2015-08-14

DOI:10.11973/jxgccl201510016