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镍基合金与不锈钢焊接工艺评定研究分析
发表于:2020-09-18 17:21:11

 镍基合金材料具有热裂纹敏感性高,液态金属流动性差,焊缝熔深浅,易氧化等焊接特点,通过选取合适焊材、采用工装堆焊出符合要求的试板、制定工艺避免热裂纹产生等措施,保证了镍基合金与不锈钢的焊接质量,顺利完成镍基合金与不锈钢工艺评定,焊缝未出现裂纹、未熔合、未焊透及夹渣等缺陷,焊接质量满足工艺评定要求,为类似镍基合金的焊接工艺评定实施提供借鉴与参考。


 三门AP1000核电单个机组共有8道镍基合金管嘴焊口,分布在蒸汽发生器、稳压器、正常余热排出泵上。这些设备属于核级设备,也是AP1000核电站的关键设备,因此保证镍基合金设备管嘴的焊接质量至关重要,直接关系到整座核电站的安全运行。正常余热排出泵上分布有4个镍基合金管嘴,由马氏体不锈钢管嘴本体堆焊镍基材料ERNiCr-3制作而成,属于核三级焊口,蒸汽发生器和稳压器上的镍基合金管嘴材料为镍基合金UNS N06690,属于核一级焊口;与镍基合金管嘴相连的是奥氏体不锈钢管道。


一、焊接工艺评定难点


 焊接工艺评定是针对特定的钢材、结构,选用的焊接材料、焊接工艺方法、焊后热处理等措施;在与实际工程焊接施工一致的条件下,按照规定的步骤,进行试验性的焊接。焊接后按照规定的程序、检验检测手段进行检测试验验证,根据规定的标准进行评判;试验测试结束后,编制完整的焊接试验报告,对整套焊接工艺方案作出最终的评定、认可。进而,根据焊接工艺评定试验的结果,编制焊接工艺规程,指导焊接生产。


 1. 焊材选用困难


 奥氏体不锈钢与镍基合金焊接选材时,需通盘考虑焊缝强度、线膨胀系数、焊材对热裂纹、气孔的敏感性等因素,选取合适焊材困难。


 2. 试板制作困难


 进行工艺评定材质为ERNiCr-3与奥氏体不锈钢。而市场无ERNiCr-3材质板材,只能通过焊材堆焊。堆焊过程中,焊缝多次受热,焊接质量不易控制,难以堆焊出符合要求的试板。


 3. 焊接难度大


  镍和铁的二元共晶物中有较多低熔点的金属共晶物和非金属共晶物。特别是硫、磷共晶物熔点比镍铁低很多(Ni-S为645℃、Ni-P为880℃),在焊缝结晶时低熔点共晶物的液态膜残留在晶界区,同时镍及镍合金线胀系数大,焊接时易产生较大的应力,焊缝结晶时低熔点共晶物的液态膜在收缩应力作用下易产生开裂。另外,焊接坡口及其两侧的污物清理不干净、焊缝表面凸凹不平等也会产生裂纹。其次,收弧时如果没有填满弧坑和电流衰减时间较短,收弧处熔敷金属量少出现弧坑其强度比较薄弱,在相变应力和拘束应力的作用下产生收弧处微裂纹。


二、焊接工艺评定实施


 1. 焊材选用


 通过对ERNiCrFe-7和ERNiCr-3的化学成分和力学性能对比分析,得出ERNiCrFe-7和ERNiCr-3力学性能相似、线膨胀系数相近,选用ERNiCrFe-7作为工艺评定用焊材。


 2. 试板制作


 采用在SA240 304L板材上堆焊ERNiCr-3形成镍基合金堆焊层最终制备成工艺评定用试板。故选用基体板材SA240 304L不锈钢,板材规格为δ14mm,并采用镍基焊材ERNiCr-3堆焊,堆焊厚度为10mm。焊接方法手工钨极氩弧焊GTAW;焊接保护气体采用Ar99.99%。


 由于镍及其合金易氧化,且容易和P、S、Pb等元素形成低熔点共晶,加剧焊接热裂纹倾向,故焊前清理很有必要。焊前应用专用砂轮或不锈钢钢丝刷清理或丙酮清洗坡口及周围至少30mm范围内的氧化层,油污,水以及其他杂质,并应清理焊丝表面,以降低气孔和热裂纹倾向。


 采用在板材SA240 304L上堆焊ERNiCr-3形成工艺评定用试板,但是在堆焊过程中由于层间清理不到位,堆焊层中有夹渣,每层堆焊完成之后都用砂轮或不锈钢钢丝刷清理并用丙酮清洗层间以消除夹渣。


 对于微裂纹的消除采用图1的工装,将SA240 304L试板置于水箱中,只暴露出堆焊层,堆焊完成一层则将试板下面的薄垫板抽取一层,这样试板会一直处于室温30℃左右。


 ERNiCr-3堆焊完成后,根据ASMEⅢNB-分卷1998&2000进行射线检测,无超标缺陷,符合标准要求。


 3. 焊接过程


 由于镍及镍基合金的流动性差,在焊接变形、效率等条件允许的情况下,尽量选用适当的可以实现摆动焊的坡口角度,以便焊接时可以摆动,提高焊缝金属的流动性,使熔池充分熔合,同时促进气体逸出,避免气孔、咬边,保证良好的焊缝成形。


 根据母材性能、厚度、摆动等因素采用单面焊双面成型焊接工艺,加工V型60°无钝边坡口。


 焊前应用专用砂轮或不锈钢钢丝刷清理或丙酮清洗坡口及周围至少30mm范围内的氧化层,油污,水以及其他杂质,并应清理焊丝表面,以降低气孔和热裂纹倾向。


 焊接试板组对预留一定的防变形角度,组对详图见图。确定组对间隙约为4-5mm,定位焊的起头和结尾处为圆滑过渡。


 焊接坡口及焊道分布图见图,焊接过程中控制层间温度在30℃-92℃之间,并且控制最大热输入。


 4. NDE检测


  a. 根据ASME NB-5350 1998&2000add.进行渗透检测,没有缺陷显示,符合标准要求。


  b. 根据ASMEⅢNB-分卷1998&2000add.进行射线检测,无超标缺陷,符合标准要求。


 5. 理化检测


 理化检测类型及试样数量见表。


 a. 取样


 根据ASMEⅨQW-463的要求(如图4所示),截取试样。


 b. 检测结果及分析


  侧弯: 弯曲180°后,受拉面和热影响区无裂纹,无因气孔、夹渣等引起的缺口。


 c. 缩断面拉伸: 缩断面拉伸试验结果见表。


 从表中可以看出,接头拉伸性能满足技术条件要求,且有足够的裕度。


三、结论


 该工艺评定所有理化试验全部合格,因此该焊接工艺全部满足ASME IX标准要求的各项指标,但在评定过程中出现背面焊缝成形较差和焊接残余变形大的问题,针对此问题,解决措施如下:背面焊缝成形较差,易出现焊接凹坑。焊前熟悉焊接工艺,焊接时,应选用合适的焊接速度,并配合适当的送丝速度和送丝量,在母材和焊丝熔滴成形的瞬间电弧前行,依次循序渐进,同时尽量匀速焊接,保证焊缝焊透和焊缝致密性,并采取适当措施保证焊缝背面金属的保护,如背保充气装置的设置、保护气体纯度流量等。


 1. 对于Ni-Cr-Fe合金焊接,焊前清理是获得优质焊接接头的前提,一般不需要预热,但可适当进行加热,以干燥接头周围,降低气孔倾向。


 2. 镍基合金液态金属流动性差,故焊接时应尽量采用摆动焊,同时采用大角度坡口,在摆动极限位置处稍作停顿,以保证熔池边缘的完全熔合,避免咬边。焊接时,保证熔合良好的前提下,应尽量采用小的焊接线能量、短弧焊,避免造成焊缝及热影响区晶粒粗大,影响其性能。


 3. 组对时根据板材厚度等预留适当的反变形,以使焊接过程中材料能自由变形,降低焊缝的应力,避免应力集中。


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