一种低合金钢与镍基合金异种钢换热管对接自动焊接工艺的制作方法

本发明涉及一种换热器类压力容器设备的异种钢换热管对接自动焊接工艺，特别是涉及一种核电换热主设备尤其是以高温气冷堆、快中子堆等为代表的第四代核电技术的蒸汽发生器的低合金钢与镍基合金异种钢换热管对接自动焊接工艺。

背景技术：

我国自主设计的高温气冷堆蒸汽发生器，换热管的结构形式与以往的压水堆、沸水堆不同。高温气冷堆蒸汽发生器的换热管主体采用螺旋盘管形式，根据工作温度不同分为螺旋盘管低温段低合金钢换热管、螺旋盘管高温段镍基合金换热管。换热管规格为外径19mm，壁厚3mm，直径小且壁厚大。

根据蒸汽发生器的设计要求，低合金钢换热管与镍基合金换热管的对接需满足射线照相要求的同时，焊缝成形要求较为苛刻。焊接过程既需要保证换热管对接焊缝熔合良好，又要控制焊缝双侧不凹陷，同时不能超出换热管表面0.45mm，保证通球φ不小于12.1mm，这对上述规格的换热管而言，焊接难度极大。焊接力度既不能过强，也不能较弱，以满足核电领域的需求。

值得注意的是，蒸汽发生器的换热管密集，换热管之间管壁距离小，焊接操作空间小，进一步加大了焊接操作的难度。

由于现有技术中上述问题的存在，本发明人对现有的异种钢换热管焊接技术进行研究，以便研究焊接过程稳定，焊缝熔合良好，同时焊缝成形美观，满足产品要求的一种低合金钢与镍基合金异种钢换热管对接焊接工艺。

技术实现要素：

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出适用于直径小且壁厚大的低合金钢与镍基合金异种钢换热管对接的自动焊接工艺，采用该自动焊接工艺可以保证焊接过程稳定，熔合良好，焊缝成形美观，且能够获得满足核岛蒸汽发生器要求的焊接质量。

本发明的目的在于提供一种异种钢换热管对接焊接工艺，该工艺包括：

步骤1)，对换热管ⅰ1、换热管ⅱ3和熔化环2进行清洁；

步骤2)，装配换热管ⅰ1、换热管ⅱ3和熔化环2；

步骤3)，安装、调试焊接设备；

步骤4)，设置焊接工艺参数，开始焊接处理。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)本发明提供的工艺针对异种换热管材质采用特定材料的熔化环进行换热管对接，保证换热管接头性能满足产品要求；

(2)本发明提供的工艺采用特定材质的熔化环作为换热管对接填充材料，在适用的焊接工艺参数下有效的保证了焊缝质量和成形；

(3)本发明提供的工艺采用自动tig焊接工艺，该工艺可对焊接工艺参数及过程进行编程控制，焊接过程稳定，可以获得良好的焊缝成形与焊接质量；

(4)本发明提供的工艺在蒸汽发生器的换热管密集，换热管之间管壁距离小，焊接操作空间小的情况下，可有效实现螺旋盘管低温段低合金钢换热管和螺旋盘管高温段镍基合金换热管之间的有效焊接；

(5)本发明提供的工艺根据特定的换热管设定特定的焊接工艺参数和钨极选择，适用于换热管规格为外径约19mm，壁厚约3mm，直径小且壁厚大的异种钢换热管之间的对接焊接，使得焊接质量高、过程稳定可靠、焊缝成形均匀美观、熔合良好、焊接效率高，且经各项无损检验及理化性能试验，其结果满足核岛蒸汽发生器异种钢换热管之间对接焊接质量要求。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的装配结构示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的异种钢换热管对接焊接接头组成结构示意图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的施焊示意图；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的钨极结构示意图。

附图标号说明：

1-换热管ⅰ；

2-熔化环；

3-换热管ⅱ；

4-钨极杆；

5-钨极端部圆锥；

6-尖端平台。

7-工装；

81-臂段；

82-施焊平台。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供了一种异种钢换热管对接焊接工艺，该工艺包括以下步骤：

步骤1)，对换热管ⅰ1、换热管ⅱ3和熔化环2进行清洁；

步骤2)，装配换热管ⅰ1、换热管ⅱ3和熔化环2；

步骤3)，安装、调试焊接设备；

步骤4)，设置焊接工艺参数，开始焊接处理。

步骤1)，对换热管ⅰ1、换热管ⅱ3和熔化环2进行清洁。

在一种优选实施方式中，清洁换热管ⅰ1、换热管ⅱ3和熔化环2，清洁度控制满足产品要求。

在一种优选的实施方式中，所述清洁的方法包括：使用砂带机或砂纸对换热管管端20～25mm范围内的内外壁进行打磨，以去除换热管管端内外壁的锈迹和油剂，使其见金属光泽，如果待焊部位表面有缺陷，使用锉刀清除该缺陷，最后用无纺布或白布蘸取丙酮对换热管内外壁至少20mm的范围、及熔化环全部表面进行清理，直至无纺布或白布不变色，此时认为待焊部位表面已经干净，符合焊接要求，可以进行焊接。

在一种优选的实施方式中，所述换热管ⅰ1为低合金钢sa-213t22换热管，所述换热管ⅱ3为镍基合金incoloy800h换热管。

在进一步优选的实施方式中，所述换热管ⅰ1的外径为19±0.10mm，壁厚3±0.10mm；所述换热管ⅱ3的外径为19±0.05mm，壁厚3±0.10mm；优选换热管ⅰ1和换热管ⅱ3的规格相同。

在一种的优选实施方式中，所述熔化环2为环状in82(aws类别号)材料，所述熔化环2作为异种换热管ⅰ1和换热管ⅱ3对接的填充材料，在焊接时可有效结合两种换热管，实现良好焊缝熔合。所述熔化环2与换热管进行配合，省去了焊接时输送焊丝的操作，降低了人为操作的影响，以及焊接操作难度，有利于对焊接质量的控制。

步骤2)，装配换热管ⅰ1、换热管ⅱ3和熔化环2。

在本发明中，如图1所示，采用工装7进行换热管ⅰ1、换热管ⅱ3和熔化环2的装配定位。所述工装7为一种用于小直径管对接焊用的轴向对中及固定装置，包括用于夹持待焊接的小直径管的两个压板，以及其他相关构件。

在本发明中，所述换热管ⅰ1和换热管ⅱ3的一侧管端可预先加工坡口后再进行步骤1中清洁、以及后续固定、焊接；或者不加工坡口，清洁处理后直接进行固定、焊接。采用上述任意方式，配合本发明中焊接工艺，均可实现高质量焊接。

在一种优选的实施方式中，所述换热管ⅰ1和换热管ⅱ3的一侧管端可预先加工坡口后再进行装配、焊接。

此时，为配合熔化环2的结构，所述换热管ⅰ1和换热管ⅱ3的一端外壁加工成阶梯形单边坡口，两单边坡口规格相同。阶梯形单边坡口包括倾斜的坡口面，所述坡口面与管孔轴线所成角度为30°～90°，坡口深度不低于熔化环2的壁厚。

此时，所述装配方法为：先用工装7的一个压板夹持任一换热管，调整该压板至坡口端设定位置处，再用另一压板夹持另一换热管，熔化环2置于此换热管坡口处，换热管ⅰ1和换热管ⅱ3的坡口相对，熔化环2落入两对接的坡口内。装配后结构如图2所示。

在本发明中，焊接设备可与工装7配合装夹，使焊接设备的焊接机头朝向熔化环2，焊接时焊接设备固定在工装7上使焊接机头的回转中心带动钨极绕熔化环2旋转焊接即可，因此，工装7的两个压板分别至两换热管坡口端的距离与焊接机头相对于熔化环2的位置密切相关。根据熔化环2和焊接机头的规格，所述压板至换热管坡口端的距离相应可调。

在另一种优选的实施方式中，换热管ⅰ1和换热管ⅱ3不设置坡口，直接进行装配、焊接。

此时，所述装配方法包括：将工装7的一个压板安装在换热管ⅰ1一侧管端处，调整压板至管端设定位置处，再用另一压板装配换热管ⅱ3，熔化环2位于两换热管之间，两侧换热管与熔化环2紧密配合。装配后结构如图2所示。

通过工装7调整两侧换热管及熔化环2位置，使换热管与熔化环2同轴。

步骤3)，安装、调试焊接设备。

在一种优选的实施方式中，所述焊接设备为自动氩弧焊(tig)焊接设备，所述焊接设备可对焊接工艺参数进行编程和存储，在焊接过程中对电流、电压等实现自动控制，还可以实现焊接过程中的数据实时监控等功能，有效提高了焊接效率，减小焊接过程中人为因素对焊缝质量的影响。优选地，所述焊接设备为自动脉冲氩弧焊焊接设备，焊接过程中脉冲式加热，施焊过程热输入量集中，电弧挺度好，有利于调整焊接能量，使环形焊缝成型均匀，焊接过程稳定，尤其适用于焊接难度大、对焊接工艺参数敏感的直径小且壁厚大换热管之间的对接。

在一种优选的实施方式中，由于换热管之间的对接需要进行环形焊，可将焊接设备的焊接机头与工装7配合装夹，便于旋转焊接时操控焊接机头。

如图3所示，所述焊接机头为l型焊接机头，焊接机头包括臂段81与施焊平台82。装配完成后，臂段81与换热管平行，施焊平台82套设在换热管外部。此结构的焊接机头占用空间小，可在蒸汽发生器换热管的密集空间内施焊。

焊接机头包括钨极，钨极固定在施焊平台82内。钨极作为电极起传导电流、引燃电流和维持电弧正常燃烧的作用。钨极的规格与焊件厚度和焊接电流大小密切相关，而其端部形状对电弧稳定性和焊缝成形有很大影响。根据换热管和熔化件的材质、规格，基于小直径、大壁厚换热管的焊接要求，并结合设定工艺参数，选用特定型号的钨极。

如图4所示，所述钨极包括钨极杆4、钨极端部圆锥5和设置在钨极端部圆锥5上的尖端平台6。钨极端部形状直接影响钨极电子的发射能力从而影响焊缝熔透效果。钨极端部圆锥的圆锥角增大，弧柱扩散，导致熔深减少，熔宽增大；随着圆锥角减少，弧柱扩散倾向减少，熔深增大，熔宽减少。钨极尖端平台尺寸增大，弧柱扩散，导致熔深减少；钨极尖端平台尺寸过小，钨极烧损严重。

本发明中，选用钨极杆4的直径为1.6mm或2.4mm，钨极端部圆锥5的圆锥角为25°～30°，尖端平台6的直径为0.35～0.40mm，尖端平台6的圆心与钨极端部圆锥5的轴线共线，钨极端部圆锥5的轴线与钨极杆4轴线共线。

不同类型的钨极，其电子发射能力不同，形成的电弧电压和焊缝熔深均不相同，其抗污染能力和使用寿命也不同。优选地，所述钨极为钍钨极。钍钨极的电子发射率高，增大了许用电流范围，降低了空载电压，改善了引弧和稳弧性能，相较于其他钨极更适用于本发明中焊接操作。

在一种优选的实施方式中，安装焊接机头，确保焊接机头与工装7配合安装后，在换热管的长度方向上，焊接机头上钨极指向熔化环2中间位置，即焊接时，钨极对准熔化环2中间位置进行施焊。

调整焊接机头上钨极与熔化环2的距离，当钨极与熔化环2距离过小时易造成焊缝外侧成形凹陷，并且钨极容易烧损造成焊缝夹钨；距离过大时不能保证焊接电弧稳定，影响焊接质量；因此，在熔化环2径向方向上，控制钨极尖端平台6与熔化环2外壁的距离为1.5～2mm。

实施异种钢对接焊接前，对上述焊接设备进行安装、调试，对设备进行检查，保证各线路连接正确、各功能正常，焊接用气体等满足要求，将焊接工艺参数进行编程存入焊接装置的操控盒内。

步骤4)，设置焊接工艺参数，开始焊接处理。

按本发明的焊接工艺参数及操作要求进行焊接。根据两异种钢的材质、规格、焊接形状，经反复设定和实验，得到最优化的焊接工艺参数，所述焊接工艺参数如下：基值电流20～45a，峰值电流40～90a，脉冲频率2～2.5hz，脉宽比40％～50％，焊接电压15～33v，焊接速度80～105mm/min，正面保护气体为氦气(纯度≥99.995％)，气体流量8～20l/min，背面保护气体为氩气(纯度≥99.997％)，气体流量10～40l/min。

焊接电流是决定焊缝熔深的最主要参数，焊接电流大，熔深增加；焊接电流过大时容易形成凸瘤和烧穿等缺陷，也会导致咬边、焊缝成形不好等现象；而电流小，难以控制焊缝成型，容易形成未熔合和未焊透等缺陷，同时小电流造成生产率降低而且浪费保护气。本发明选定基值电流20～45a，峰值电流40～90a，以达到良好的焊缝成形及焊缝熔合。

正面保护气体为焊接机头喷出用于保护焊接部位的气体，其影响焊接电弧空间形态、电弧能量密度、熔化环2熔化特征及焊接过程飞溅等情况。经过研究和验证，选用氦气作为正面保护气，其可以稳定电弧空间形态和电弧能量密度，改善焊缝成型，降低飞溅，消除和防止缺陷的产生，提高焊缝质量。

背面保护气体为通入对接的换热管内部的保护气，其选用氩气。氩气密度大，使用时不易漂浮散失，氩气流出后，可以形成稳定的气流层。

保护气的流量适用时，熔池平稳，表面光亮无渣，无氧化痕迹，焊缝成形美观；流量不适用时，熔池表面有渣，焊接强度不合格。在此，正面保护气体流量8～20l/min，背面保护气体流量10～40l/min。

在一种优选的实施方式中，为保证焊缝熔合的质量，需对钨极指向熔化环2的施焊角度进行设定。本发明优选钨极伸出长度为4～5mm，钨极的尖端平台6在熔化环2径向方向上与熔化环2外壁的距离为1.5～2mm，钨极与熔化环2的中轴线垂直或几近垂直即钨极指向熔化环2的施焊角度为90±5°。

在一种优选的实施方式中，如图3所示，将装配好的换热管ⅰ1、换热管ⅱ3和熔化环2轴线垂直固定，钨极与换热管中轴线垂直，焊接机头施焊平台82内的回转中心带动钨极旋转在横焊位进行换热管自动焊接。通过加热熔化环2完成熔化环2两侧换热管的焊接。

采用本发明的焊接工艺参数及操作要求进行异种钢换热管对接焊接，能达到良好的焊缝成形及焊缝熔合，经各项无损检验及理化性能试验，其结果满足高温气冷堆蒸汽发生器换热管焊接质量要求。

采用本发明提供的如上所述异种钢换热管对接自动焊接工艺进行焊接后检测结果如下：

目视检测：焊后焊缝均匀饱满，无肉眼可见缺陷，外壁不凹陷；

焊缝处管孔内径检测：外壁凸起不超过0.45mm，通球φ不小于12.1mm；

液体渗透：检验结果无显示，表示无液体渗漏；

棒阳极射线检测(rt)：内壁不凹陷；无裂纹、咬边、未熔合或未焊透；圆形显示尺寸小于0.6mm，个数不超过4个；

室温拉伸：抗拉强度≥415mpa；

高温(550℃)拉伸：抗拉强度≥322mpa；

面弯、背弯试验：弯曲角度180°，在拉伸面上任何方向无单条长度大于3mm的裂纹或缺陷；

金相试验：母材、焊缝及热影响区无气孔、裂纹等缺陷。

实施例

根据本发明提供的上述焊接工艺对高温气冷堆蒸汽发生器中低合金钢sa-213t22换热管与镍基合金incoloy800h换热管进行焊接，两换热管规格均为φ19×3mm，换热管最小管壁间距为41mm，填充材料为in82熔化环，具体如下：

步骤1)，焊接前，对低合金钢sa-213t22换热管与镍基合金incoloy800h换热管管端及in82熔化环的待焊部位进行打磨至见金属光泽，并用白色无纺布蘸取丙酮擦拭至无纺布不变色；

步骤2)，将换热管焊接工装7的一个压板安装在任一换热管管端处，调整工装7与管端相对位置；装配另一换热管及熔化环，通过工装7调整两侧换热管及熔化环位置，确保两侧换热管与熔化环的同轴，并保证两侧换热管与熔化环紧密配合；

步骤3)，将焊接设备的焊接机头与工装7配合装夹；在换热管的长度方向上，焊接机头上钨极指向熔化环中间位置；在熔化环径向方向上，控制钨极与熔化环外壁的距离为1.5mm。选用钍钨极，钨极杆的直径为1.6mm，钨极端部圆锥的圆锥角角度为30°，尖端平台的直径为0.35mm；

步骤4)，按本工艺的焊接参数及操作要求进行焊接，本工艺采用的焊接工艺参数选择如下：基值电流20～45a，峰值电流40～90a，脉冲频率2hz，脉宽比40％，焊接电压23v，焊接速度80mm/min，正面保护气体为氦气(纯度99.997％)，气体流量10l/min，背面保护气体为氩气(纯度99.999％)，气体流量20l/min。焊接时，钨极与换热管长度方向垂直。提前编辑焊接程序存入焊接设备操控盒内，焊接过程通过焊接程序控制。

焊接产品进行以下检验：

目视检测：焊后焊缝均匀饱满，无肉眼可见缺陷，外壁不凹陷；

焊缝处管孔内径检测：外壁凸起为0.15mm，通球φ12.7mm；

液体渗透：检验结果无显示，表示无液体渗漏；

棒阳极射线检测(rt)：内壁不凹陷；无裂纹、咬边、未熔合或未焊透；

室温拉伸：抗拉强度530mpa；

高温(550℃)拉伸：抗拉强度358mpa；

面弯、背弯试验：弯曲角度180°，在拉伸面上任何方向无单条长度大于3mm的裂纹或缺陷；

金相试验：未发现气孔、裂纹等缺陷。

结果显示，本实施例制得的焊接产品达到上述检验标准，满足高温气冷堆蒸汽发生器中低合金钢sa-213t22换热管与镍基合金incoloy800h换热管焊接质量要求。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上结合优选实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明。不过需要声明的是，这些具体实施方式仅是对本发明的阐述性解释，并不对本发明的保护范围构成任何限制。在不超出本发明精神和保护范围的情况下，可以对本发明技术内容及其实施方式进行各种改进、等价替换或修饰，这些均落入本发明的保护范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。