一種低合金鋼與鎳基合金異種鋼換熱管對接自動焊接工藝的制作方法

本發明涉及一種換熱器類壓力容器設備的異種鋼換熱管對接自動焊接工藝，特別是涉及一種核電換熱主設備尤其是以高溫氣冷堆、快中子堆等為代表的第四代核電技術的蒸汽發生器的低合金鋼與鎳基合金異種鋼換熱管對接自動焊接工藝。

背景技術：

我國自主設計的高溫氣冷堆蒸汽發生器，換熱管的結構形式與以往的壓水堆、沸水堆不同。高溫氣冷堆蒸汽發生器的換熱管主體采用螺旋盤管形式，根據工作溫度不同分為螺旋盤管低溫段低合金鋼換熱管、螺旋盤管高溫段鎳基合金換熱管。換熱管規格為外徑19mm，壁厚3mm，直徑小且壁厚大。

根據蒸汽發生器的設計要求，低合金鋼換熱管與鎳基合金換熱管的對接需滿足射線照相要求的同時，焊縫成形要求較為苛刻。焊接過程既需要保證換熱管對接焊縫熔合良好，又要控制焊縫雙側不凹陷，同時不能超出換熱管表面0.45mm，保證通球φ不小于12.1mm，這對上述規格的換熱管而言，焊接難度極大。焊接力度既不能過強，也不能較弱，以滿足核電領域的需求。

值得注意的是，蒸汽發生器的換熱管密集，換熱管之間管壁距離小，焊接操作空間小，進一步加大了焊接操作的難度。

由于現有技術中上述問題的存在，本發明人對現有的異種鋼換熱管焊接技術進行研究，以便研究焊接過程穩定，焊縫熔合良好，同時焊縫成形美觀，滿足產品要求的一種低合金鋼與鎳基合金異種鋼換熱管對接焊接工藝。

技術實現要素：

為了克服上述問題，本發明人進行了銳意研究，設計出適用于直徑小且壁厚大的低合金鋼與鎳基合金異種鋼換熱管對接的自動焊接工藝，采用該自動焊接工藝可以保證焊接過程穩定，熔合良好，焊縫成形美觀，且能夠獲得滿足核島蒸汽發生器要求的焊接質量。

本發明的目的在于提供一種異種鋼換熱管對接焊接工藝，該工藝包括：

步驟1)，對換熱管ⅰ1、換熱管ⅱ3和熔化環2進行清潔；

步驟2)，裝配換熱管ⅰ1、換熱管ⅱ3和熔化環2；

步驟3)，安裝、調試焊接設備；

步驟4)，設置焊接工藝參數，開始焊接處理。

本發明所具有的有益效果包括：

(1)本發明提供的工藝針對異種換熱管材質采用特定材料的熔化環進行換熱管對接，保證換熱管接頭性能滿足產品要求；

(2)本發明提供的工藝采用特定材質的熔化環作為換熱管對接填充材料，在適用的焊接工藝參數下有效的保證了焊縫質量和成形；

(3)本發明提供的工藝采用自動tig焊接工藝，該工藝可對焊接工藝參數及過程進行編程控制，焊接過程穩定，可以獲得良好的焊縫成形與焊接質量；

(4)本發明提供的工藝在蒸汽發生器的換熱管密集，換熱管之間管壁距離小，焊接操作空間小的情況下，可有效實現螺旋盤管低溫段低合金鋼換熱管和螺旋盤管高溫段鎳基合金換熱管之間的有效焊接；

(5)本發明提供的工藝根據特定的換熱管設定特定的焊接工藝參數和鎢極選擇，適用于換熱管規格為外徑約19mm，壁厚約3mm，直徑小且壁厚大的異種鋼換熱管之間的對接焊接，使得焊接質量高、過程穩定可靠、焊縫成形均勻美觀、熔合良好、焊接效率高，且經各項無損檢驗及理化性能試驗，其結果滿足核島蒸汽發生器異種鋼換熱管之間對接焊接質量要求。

附圖說明

圖1示出根據本發明一種優選實施方式的裝配結構示意圖；

圖2示出根據本發明一種優選實施方式的異種鋼換熱管對接焊接接頭組成結構示意圖；

圖3示出根據本發明一種優選實施方式的施焊示意圖；

圖4示出根據本發明一種優選實施方式的鎢極結構示意圖。

附圖標號說明：

1-換熱管ⅰ；

2-熔化環；

3-換熱管ⅱ；

4-鎢極桿；

5-鎢極端部圓錐；

6-尖端平臺。

7-工裝；

81-臂段；

82-施焊平臺。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例對本發明進一步詳細說明。通過這些說明，本發明的特點和優點將變得更為清楚明確。

在這里專用的詞“示例性”意為“用作例子、實施例或說明性”。這里作為“示例性”所說明的任何實施例不必解釋為優于或好于其它實施例。盡管在附圖中示出了實施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。

本發明提供了一種異種鋼換熱管對接焊接工藝，該工藝包括以下步驟：

步驟1)，對換熱管ⅰ1、換熱管ⅱ3和熔化環2進行清潔；

步驟2)，裝配換熱管ⅰ1、換熱管ⅱ3和熔化環2；

步驟3)，安裝、調試焊接設備；

步驟4)，設置焊接工藝參數，開始焊接處理。

步驟1)，對換熱管ⅰ1、換熱管ⅱ3和熔化環2進行清潔。

在一種優選實施方式中，清潔換熱管ⅰ1、換熱管ⅱ3和熔化環2，清潔度控制滿足產品要求。

在一種優選的實施方式中，所述清潔的方法包括：使用砂帶機或砂紙對換熱管管端20～25mm范圍內的內外壁進行打磨，以去除換熱管管端內外壁的銹跡和油劑，使其見金屬光澤，如果待焊部位表面有缺陷，使用銼刀清除該缺陷，最后用無紡布或白布蘸取丙酮對換熱管內外壁至少20mm的范圍、及熔化環全部表面進行清理，直至無紡布或白布不變色，此時認為待焊部位表面已經干凈，符合焊接要求，可以進行焊接。

在一種優選的實施方式中，所述換熱管ⅰ1為低合金鋼sa-213t22換熱管，所述換熱管ⅱ3為鎳基合金incoloy800h換熱管。

在進一步優選的實施方式中，所述換熱管ⅰ1的外徑為19±0.10mm，壁厚3±0.10mm；所述換熱管ⅱ3的外徑為19±0.05mm，壁厚3±0.10mm；優選換熱管ⅰ1和換熱管ⅱ3的規格相同。

在一種的優選實施方式中，所述熔化環2為環狀in82(aws類別號)材料，所述熔化環2作為異種換熱管ⅰ1和換熱管ⅱ3對接的填充材料，在焊接時可有效結合兩種換熱管，實現良好焊縫熔合。所述熔化環2與換熱管進行配合，省去了焊接時輸送焊絲的操作，降低了人為操作的影響，以及焊接操作難度，有利于對焊接質量的控制。

步驟2)，裝配換熱管ⅰ1、換熱管ⅱ3和熔化環2。

在本發明中，如圖1所示，采用工裝7進行換熱管ⅰ1、換熱管ⅱ3和熔化環2的裝配定位。所述工裝7為一種用于小直徑管對接焊用的軸向對中及固定裝置，包括用于夾持待焊接的小直徑管的兩個壓板，以及其他相關構件。

在本發明中，所述換熱管ⅰ1和換熱管ⅱ3的一側管端可預先加工坡口后再進行步驟1中清潔、以及后續固定、焊接；或者不加工坡口，清潔處理后直接進行固定、焊接。采用上述任意方式，配合本發明中焊接工藝，均可實現高質量焊接。

在一種優選的實施方式中，所述換熱管ⅰ1和換熱管ⅱ3的一側管端可預先加工坡口后再進行裝配、焊接。

此時，為配合熔化環2的結構，所述換熱管ⅰ1和換熱管ⅱ3的一端外壁加工成階梯形單邊坡口，兩單邊坡口規格相同。階梯形單邊坡口包括傾斜的坡口面，所述坡口面與管孔軸線所成角度為30°～90°，坡口深度不低于熔化環2的壁厚。

此時，所述裝配方法為：先用工裝7的一個壓板夾持任一換熱管，調整該壓板至坡口端設定位置處，再用另一壓板夾持另一換熱管，熔化環2置于此換熱管坡口處，換熱管ⅰ1和換熱管ⅱ3的坡口相對，熔化環2落入兩對接的坡口內。裝配后結構如圖2所示。

在本發明中，焊接設備可與工裝7配合裝夾，使焊接設備的焊接機頭朝向熔化環2，焊接時焊接設備固定在工裝7上使焊接機頭的回轉中心帶動鎢極繞熔化環2旋轉焊接即可，因此，工裝7的兩個壓板分別至兩換熱管坡口端的距離與焊接機頭相對于熔化環2的位置密切相關。根據熔化環2和焊接機頭的規格，所述壓板至換熱管坡口端的距離相應可調。

在另一種優選的實施方式中，換熱管ⅰ1和換熱管ⅱ3不設置坡口，直接進行裝配、焊接。

此時，所述裝配方法包括：將工裝7的一個壓板安裝在換熱管ⅰ1一側管端處，調整壓板至管端設定位置處，再用另一壓板裝配換熱管ⅱ3，熔化環2位于兩換熱管之間，兩側換熱管與熔化環2緊密配合。裝配后結構如圖2所示。

通過工裝7調整兩側換熱管及熔化環2位置，使換熱管與熔化環2同軸。

步驟3)，安裝、調試焊接設備。

在一種優選的實施方式中，所述焊接設備為自動氬弧焊(tig)焊接設備，所述焊接設備可對焊接工藝參數進行編程和存儲，在焊接過程中對電流、電壓等實現自動控制，還可以實現焊接過程中的數據實時監控等功能，有效提高了焊接效率，減小焊接過程中人為因素對焊縫質量的影響。優選地，所述焊接設備為自動脈沖氬弧焊焊接設備，焊接過程中脈沖式加熱，施焊過程熱輸入量集中，電弧挺度好，有利于調整焊接能量，使環形焊縫成型均勻，焊接過程穩定，尤其適用于焊接難度大、對焊接工藝參數敏感的直徑小且壁厚大換熱管之間的對接。

在一種優選的實施方式中，由于換熱管之間的對接需要進行環形焊，可將焊接設備的焊接機頭與工裝7配合裝夾，便于旋轉焊接時操控焊接機頭。

如圖3所示，所述焊接機頭為l型焊接機頭，焊接機頭包括臂段81與施焊平臺82。裝配完成后，臂段81與換熱管平行，施焊平臺82套設在換熱管外部。此結構的焊接機頭占用空間小，可在蒸汽發生器換熱管的密集空間內施焊。

焊接機頭包括鎢極，鎢極固定在施焊平臺82內。鎢極作為電極起傳導電流、引燃電流和維持電弧正常燃燒的作用。鎢極的規格與焊件厚度和焊接電流大小密切相關，而其端部形狀對電弧穩定性和焊縫成形有很大影響。根據換熱管和熔化件的材質、規格，基于小直徑、大壁厚換熱管的焊接要求，并結合設定工藝參數，選用特定型號的鎢極。

如圖4所示，所述鎢極包括鎢極桿4、鎢極端部圓錐5和設置在鎢極端部圓錐5上的尖端平臺6。鎢極端部形狀直接影響鎢極電子的發射能力從而影響焊縫熔透效果。鎢極端部圓錐的圓錐角增大，弧柱擴散，導致熔深減少，熔寬增大；隨著圓錐角減少，弧柱擴散傾向減少，熔深增大，熔寬減少。鎢極尖端平臺尺寸增大，弧柱擴散，導致熔深減少；鎢極尖端平臺尺寸過小，鎢極燒損嚴重。

本發明中，選用鎢極桿4的直徑為1.6mm或2.4mm，鎢極端部圓錐5的圓錐角為25°～30°，尖端平臺6的直徑為0.35～0.40mm，尖端平臺6的圓心與鎢極端部圓錐5的軸線共線，鎢極端部圓錐5的軸線與鎢極桿4軸線共線。

不同類型的鎢極，其電子發射能力不同，形成的電弧電壓和焊縫熔深均不相同，其抗污染能力和使用壽命也不同。優選地，所述鎢極為釷鎢極。釷鎢極的電子發射率高，增大了許用電流范圍，降低了空載電壓，改善了引弧和穩弧性能，相較于其他鎢極更適用于本發明中焊接操作。

在一種優選的實施方式中，安裝焊接機頭，確保焊接機頭與工裝7配合安裝后，在換熱管的長度方向上，焊接機頭上鎢極指向熔化環2中間位置，即焊接時，鎢極對準熔化環2中間位置進行施焊。

調整焊接機頭上鎢極與熔化環2的距離，當鎢極與熔化環2距離過小時易造成焊縫外側成形凹陷，并且鎢極容易燒損造成焊縫夾鎢；距離過大時不能保證焊接電弧穩定，影響焊接質量；因此，在熔化環2徑向方向上，控制鎢極尖端平臺6與熔化環2外壁的距離為1.5～2mm。

實施異種鋼對接焊接前，對上述焊接設備進行安裝、調試，對設備進行檢查，保證各線路連接正確、各功能正常，焊接用氣體等滿足要求，將焊接工藝參數進行編程存入焊接裝置的操控盒內。

步驟4)，設置焊接工藝參數，開始焊接處理。

按本發明的焊接工藝參數及操作要求進行焊接。根據兩異種鋼的材質、規格、焊接形狀，經反復設定和實驗，得到最優化的焊接工藝參數，所述焊接工藝參數如下：基值電流20～45a，峰值電流40～90a，脈沖頻率2～2.5hz，脈寬比40％～50％，焊接電壓15～33v，焊接速度80～105mm/min，正面保護氣體為氦氣(純度≥99.995％)，氣體流量8～20l/min，背面保護氣體為氬氣(純度≥99.997％)，氣體流量10～40l/min。

焊接電流是決定焊縫熔深的最主要參數，焊接電流大，熔深增加；焊接電流過大時容易形成凸瘤和燒穿等缺陷，也會導致咬邊、焊縫成形不好等現象；而電流小，難以控制焊縫成型，容易形成未熔合和未焊透等缺陷，同時小電流造成生產率降低而且浪費保護氣。本發明選定基值電流20～45a，峰值電流40～90a，以達到良好的焊縫成形及焊縫熔合。

正面保護氣體為焊接機頭噴出用于保護焊接部位的氣體，其影響焊接電弧空間形態、電弧能量密度、熔化環2熔化特征及焊接過程飛濺等情況。經過研究和驗證，選用氦氣作為正面保護氣，其可以穩定電弧空間形態和電弧能量密度，改善焊縫成型，降低飛濺，消除和防止缺陷的產生，提高焊縫質量。

背面保護氣體為通入對接的換熱管內部的保護氣，其選用氬氣。氬氣密度大，使用時不易漂浮散失，氬氣流出后，可以形成穩定的氣流層。

保護氣的流量適用時，熔池平穩，表面光亮無渣，無氧化痕跡，焊縫成形美觀；流量不適用時，熔池表面有渣，焊接強度不合格。在此，正面保護氣體流量8～20l/min，背面保護氣體流量10～40l/min。

在一種優選的實施方式中，為保證焊縫熔合的質量，需對鎢極指向熔化環2的施焊角度進行設定。本發明優選鎢極伸出長度為4～5mm，鎢極的尖端平臺6在熔化環2徑向方向上與熔化環2外壁的距離為1.5～2mm，鎢極與熔化環2的中軸線垂直或幾近垂直即鎢極指向熔化環2的施焊角度為90±5°。

在一種優選的實施方式中，如圖3所示，將裝配好的換熱管ⅰ1、換熱管ⅱ3和熔化環2軸線垂直固定，鎢極與換熱管中軸線垂直，焊接機頭施焊平臺82內的回轉中心帶動鎢極旋轉在橫焊位進行換熱管自動焊接。通過加熱熔化環2完成熔化環2兩側換熱管的焊接。

采用本發明的焊接工藝參數及操作要求進行異種鋼換熱管對接焊接，能達到良好的焊縫成形及焊縫熔合，經各項無損檢驗及理化性能試驗，其結果滿足高溫氣冷堆蒸汽發生器換熱管焊接質量要求。

采用本發明提供的如上所述異種鋼換熱管對接自動焊接工藝進行焊接后檢測結果如下：

目視檢測：焊后焊縫均勻飽滿，無肉眼可見缺陷，外壁不凹陷；

焊縫處管孔內徑檢測：外壁凸起不超過0.45mm，通球φ不小于12.1mm；

液體滲透：檢驗結果無顯示，表示無液體滲漏；

棒陽極射線檢測(rt)：內壁不凹陷；無裂紋、咬邊、未熔合或未焊透；圓形顯示尺寸小于0.6mm，個數不超過4個；

室溫拉伸：抗拉強度≥415mpa；

高溫(550℃)拉伸：抗拉強度≥322mpa；

面彎、背彎試驗：彎曲角度180°，在拉伸面上任何方向無單條長度大于3mm的裂紋或缺陷；

金相試驗：母材、焊縫及熱影響區無氣孔、裂紋等缺陷。

實施例

根據本發明提供的上述焊接工藝對高溫氣冷堆蒸汽發生器中低合金鋼sa-213t22換熱管與鎳基合金incoloy800h換熱管進行焊接，兩換熱管規格均為φ19×3mm，換熱管最小管壁間距為41mm，填充材料為in82熔化環，具體如下：

步驟1)，焊接前，對低合金鋼sa-213t22換熱管與鎳基合金incoloy800h換熱管管端及in82熔化環的待焊部位進行打磨至見金屬光澤，并用白色無紡布蘸取丙酮擦拭至無紡布不變色；

步驟2)，將換熱管焊接工裝7的一個壓板安裝在任一換熱管管端處，調整工裝7與管端相對位置；裝配另一換熱管及熔化環，通過工裝7調整兩側換熱管及熔化環位置，確保兩側換熱管與熔化環的同軸，并保證兩側換熱管與熔化環緊密配合；

步驟3)，將焊接設備的焊接機頭與工裝7配合裝夾；在換熱管的長度方向上，焊接機頭上鎢極指向熔化環中間位置；在熔化環徑向方向上，控制鎢極與熔化環外壁的距離為1.5mm。選用釷鎢極，鎢極桿的直徑為1.6mm，鎢極端部圓錐的圓錐角角度為30°，尖端平臺的直徑為0.35mm；

步驟4)，按本工藝的焊接參數及操作要求進行焊接，本工藝采用的焊接工藝參數選擇如下：基值電流20～45a，峰值電流40～90a，脈沖頻率2hz，脈寬比40％，焊接電壓23v，焊接速度80mm/min，正面保護氣體為氦氣(純度99.997％)，氣體流量10l/min，背面保護氣體為氬氣(純度99.999％)，氣體流量20l/min。焊接時，鎢極與換熱管長度方向垂直。提前編輯焊接程序存入焊接設備操控盒內，焊接過程通過焊接程序控制。

焊接產品進行以下檢驗：

目視檢測：焊后焊縫均勻飽滿，無肉眼可見缺陷，外壁不凹陷；

焊縫處管孔內徑檢測：外壁凸起為0.15mm，通球φ12.7mm；

液體滲透：檢驗結果無顯示，表示無液體滲漏；

棒陽極射線檢測(rt)：內壁不凹陷；無裂紋、咬邊、未熔合或未焊透；

室溫拉伸：抗拉強度530mpa；

高溫(550℃)拉伸：抗拉強度358mpa；

面彎、背彎試驗：彎曲角度180°，在拉伸面上任何方向無單條長度大于3mm的裂紋或缺陷；

金相試驗：未發現氣孔、裂紋等缺陷。

結果顯示，本實施例制得的焊接產品達到上述檢驗標準，滿足高溫氣冷堆蒸汽發生器中低合金鋼sa-213t22換熱管與鎳基合金incoloy800h換熱管焊接質量要求。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“上”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于本發明工作狀態下的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

以上結合優選實施方式和范例性實例對本發明進行了詳細說明。不過需要聲明的是，這些具體實施方式僅是對本發明的闡述性解釋，并不對本發明的保護范圍構成任何限制。在不超出本發明精神和保護范圍的情況下，可以對本發明技術內容及其實施方式進行各種改進、等價替換或修飾，這些均落入本發明的保護范圍內。本發明的保護范圍以所附權利要求為準。