CN108581141A - 一种高温气冷堆用传热管异质材料的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于第四代核电高温气冷堆焊接制造领域，特指一种高温气冷堆用800H/T22传热管异质材料焊接方法。通过脉冲TIG焊接工艺实现Incoloy‑800H和SA‑213T22的焊接，采用的保护气，成分按照体积百分比计算为：65‑75％He+25‑35％Ar，增强TIG电弧的穿透能力；使用的Cr和Ni含量介于800H和T22之间的填充材料，使焊缝金属成分过渡均匀，提高焊接接头质量。得到正面、背面成形良好的焊接接头，焊接接头常温拉伸强度为500‑515MPa。
Description
技术领域
本发明属于第四代核电高温气冷堆焊接制造领域，特指一种高温气冷堆用800H/T22传热管异质材料焊接方法。
背景技术
能源是人类社会发展的生命线。然而，在未来几十年内，煤炭、石油、天然气等传统化石能源将消耗殆尽，开发新能源迫在眉睫。核能储量丰富且单位质量产能高，发展核电是改善能源供应的有效途径。核电发展经历了第一、二、三代核电技术，目前，国内外正在开发具有高度内在安全性和可靠性的第四代核电技术。高温气冷堆蒸汽发生器是核电厂一回路与二回路的枢纽，蒸汽发生器传热管将一回路中冷却剂高温氦气的能量转化为二回路中高温高压饱和蒸汽的能量，在实现能量传递的同时分隔一回路与二回路工作介质，起到屏蔽辐射的作用。传热管是高温气冷堆蒸汽发生器的核心构件。然而，第三代核电电厂的运行经验表明，蒸汽发生器传热管断裂事故在核电厂事故中据首要地位，而且非计划停堆次数中约有25％与蒸汽发生器故障有关。因此，高温气冷堆蒸汽发生器传热管的精密制造和优质焊接是实现第四代核电的关键技术。第四代核电高温气冷堆蒸汽发生器传热管Incoloy-800H和SA-213T22的异质材料焊接存在焊接接头断裂强度低于母材断裂强度，易断裂在焊缝处。
焊接接头强度不足制约着高温气冷堆的制造应用。一方面，设计上就要通过增大设计尺寸来弥补焊接接头强度损失，从而会增加高温气冷堆的制造成本；另一方面，断裂在焊缝处，即薄弱处在焊缝，服役过程中焊接接头更容易发生问题。
申请人团队前期通过使用316L不锈钢作为填充材料实现了传热管800H和T22的焊接，但是还存在以下两个亟需解决的重要问题：316L作为填充材料时，无法通过C含量调控焊接接头强度；He气对电弧穿透能力有重要影响，没有给出同时保证熔透和焊缝成形的He气体积分数变化范围。本发明提出一种给定C含量变化范围和He气体积分数变化范围的800H/T22传热管异质材料焊接方法。
发明内容
本发明开发出一种高温气冷堆用800H/T22传热管异质材料焊接方法，用来解决第四代核电高温气冷堆蒸汽发生器传热管800H/T22异质材料焊接接头强度不足等问题。本发明区别于其他800H/T22焊接方法的本质特征一是采用的保护气，成分按照体积百分比计算为：65-75％He和25-35％Ar，增强TIG电弧的穿透能力；本发明区别于其他800H/T22焊接方法的本质特征二是不同于其他800H/T22焊接方法使用的Ni基合金，本发明使用的Cr和Ni含量介于800H和T22之间的填充材料，填充材料成分按照质量百分比计算为：Cr：16-17，Ni：12-13，Mo：2.4-2.6，Mn：1.4-1.6，Si：0.8-0.9，C：0.03-0.05，其余为Fe，使焊缝金属成分过渡均匀，提高焊接接头质量。
本发明的主要内容如下：
(1)通过脉冲TIG焊接工艺实现Incoloy-800H和SA-213T22的焊接，得到正面、背面成形良好的焊接接头，焊接接头常温拉伸强度为500-515MPa。
(2)脉冲TIG焊接工艺参数为：峰值焊接电流为75-85A，基值电流为35-45A，电弧电压为12.2-12.6V，脉冲占空比为60％，脉冲频率为1Hz，焊接速度为11-13cm/min。
(3)焊接保护气体为65-75％He和25-35％Ar，焊接保护气体流量为20-24L/min，焊接位置为平焊，采用焊枪固定、管旋转的方式焊接。
(4)管内充Ar保护背面焊缝，一侧管端部进行堵塞，为熔池提供支撑力，防止背面熔池下凸过大，Ar气流量为4.5-5.5L/min。
(5)填充材料采用熔化环的方式，熔化环宽度为0.6-1.3mm，厚度为3mm，填充材料成分为(质量百分比)，Cr：16-17，Ni：12-13，Mo：2.4-2.6，Mn：1.4-1.6，Si：0.8-0.9，C：0.03-0.05，其余为Fe。
本发明所能达到的有益效果为：
(1)本质特征一采用体积百分比成分为65-75％He和25-35％Ar的保护气，技术效果是He气可以有效地提高电弧的穿透能力，加入25％-35％Ar气可以在保证电弧穿透能力的同时有效改善焊缝成形；解决了熔深和焊缝成形之间的矛盾，采用此种体积百分比的保护气既可以保证熔深又可以改善焊缝成形，可以得到成形良好的焊接接头。
(2)本质特征二质量百分比成分为Cr：16-17，Ni：12-13，Mo：2.4-2.6，Mn：1.4-1.6，Si：0.8-0.9，C：0.03-0.05，其余为Fe的填充材料，技术效果是其Cr和Ni的含量介于800H和T22之间，可以缓解800H和T22之间的Cr和Ni成分梯度；解决了800H和T22焊接接头焊缝成分差异较大的问题，采用此种填充材料可以有效地控制焊缝成分，使焊缝金属成分过渡均匀，焊接接头质量高。
附图说明
图1为焊接接头的拉伸强度、屈服强度、断面收缩率。
图2为焊接接头的断裂位置。
图3是0.6mm、1.0mm的焊接接头断裂位置图。
具体实施方式
采用本发明开发的一种高温气冷堆用800H/T22传热管异质材料焊接方法，焊接800H和T22。800H的成分如下(质量百分数)：C为0.063，Si为0.05，Al为0.42，Ti为0.47，S为0.005，P为0.007，Cr为20.60，Ni为30.67，Fe为余量。T22的成分如下(质量百分数)：C为0.15，Si为0.19，Mo为1.08，Mn为0.51，S为0.021，P为0.009，Cr为2.30，Ni为0.29，Fe为余量。按照如下步骤进行试验：(1)将本发明开发的填充材料(成分Cr：16-17，Ni：12-13，Mo：2.4-2.6，Mn：1.4-1.6，Si：0.8-0.9，C：0.03-0.05，其余为Fe。)切割成要求尺寸的熔化环，然后采用乙醇溶液清洗填充材料熔化环表面的油污，而后采用无水乙醇超声清洗并风干，封存在除湿箱中待用；(2)清理工件表面的氧化膜待焊；(3)开启焊接系统，检查焊接设备是否正常工作，检查气瓶是否有气，检查机械行走机构是否运行正常；(4)采用如下焊接工艺参数实施焊接，峰值焊接电流为80A，基值电流为40A，电弧电压为12.4V，脉冲占空比为60％，脉冲频率为1Hz，焊接速度为12cm/min，焊接保护气体成分70％He和30％Ar，焊接保护气体流量22L/min，背面保护气体成分Ar，背面保护气体流量5L/min；(5)焊接完成后，按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》加工成室温拉伸纵向弧形试样，在DDL 100型电子万能试验机上进行，拉伸速度设置为3.0mm/min，采样频率为10.0Hz。
图1是填充材料熔化环宽度为0mm(没有填充材料)、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.3mm时，焊接接头的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，采用填充材料熔化环的焊接接头抗强度都在500MPa以上，采用填充材料熔化环的焊接接头断后伸长率都在17％以上明显大于没有填充材料焊接接头的伸长率5.5％。从图1结果可以分析，T22母材的强度为490MPA，焊接接头的抗拉强度都在500MPa以上，焊接接头都没有断裂在焊缝处，都断裂在T22母材侧，说明本发明焊接得到的800H/T22焊接接头的强度高于T22的强度。结果表明，本发明开发的一种高温气冷堆用800H/T22传热管异质材料焊接方法可以得到强度高、塑性也高的焊接接头。
结果如图1和图2所示，图1是填充材料熔化环宽度为0mm(没有填充材料)、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.3mm时，焊接接头的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，图2是填充材料熔化环宽度为0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.3mm的焊接接头断裂位置图。采用填充材料熔化环的焊接接头抗强度都在500MPa以上，采用填充材料熔化环的焊接接头断后伸长率都在17％以上明显大于没有填充材料焊接接头的伸长率5.5％。从图1和图2的结果可以分析看出，焊接接头的抗拉强度都在500MPa以上，焊接接头没有断裂在焊缝处，都断裂在T22母材侧，说明本发明焊接得到的800H/T22焊接接头的强度高于T22的强度。结果表明，本发明开发的一种高温气冷堆用800H/T22传热管异质材料焊接方法可以得到强度高、塑性也高的焊接接头。图3进一步标出了0.6mm、1.0mm的焊接接头断裂位置。
Claims (6)
1.一种高温气冷堆用传热管异质材料的焊接方法，通过脉冲TIG焊接工艺实现Incoloy-800H和SA-213T22的焊接，得到正面、背面成形良好的焊接接头，焊接接头常温拉伸强度为500-515MPa，其特征在于：使用了焊接保护气体，所述焊接保护气体成分按照体积百分比计算为：65-75％He和25-35％Ar；使用了Cr和Ni含量介于800H和T22之间的填充材料，填充材料成分按照质量百分比计算为：Cr：16-17，Ni：12-13，Mo：2.4-2.6，Mn：1.4-1.6，Si：0.8-0.9，C：0.03-0.05，其余为Fe。
2.如权利要求1所述的一种高温气冷堆用传热管异质材料的焊接方法，其特征在于：脉冲TIG焊接工艺参数为：峰值焊接电流为75-85A，基值电流为35-45A，电弧电压为12.2-12.6V，脉冲占空比为60％，脉冲频率为1Hz，焊接速度为11-13cm/min。
3.如权利要求1所述的一种高温气冷堆用传热管异质材料的焊接方法，其特征在于：焊接保护气体流量为20-24L/min。
4.如权利要求1所述的一种高温气冷堆用传热管异质材料的焊接方法，其特征在于：焊接位置为平焊，采用焊枪固定、管旋转的方式焊接。
5.如权利要求1所述的一种高温气冷堆用传热管异质材料的焊接方法，其特征在于：管内充Ar气，一侧管端部进行堵塞，Ar气流量为4.5-5.5L/min。
6.如权利要求1所述的一种高温气冷堆用传热管异质材料的焊接方法，其特征在于：填充材料采用熔化环的方式，熔化环宽度为0.6-1.3mm，厚度为3mm。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180928 |