1、64双钨极氩弧焊技术的发展及其在核承压设备耐腐蚀层堆焊中的应用俞雄军苏斌东方法马通核泵有限责任公司，四川 德阳 618000摘要：双钨极氩弧焊技术（T-TIG）是近年在常规钨极氩弧焊基础上发展起来的一种高质量、高效率的新兴焊接技术，具有电弧电压低、焊接熔深浅、母材稀释率低、焊接效率高等特点。这种新型焊接技术在保留传统氩弧焊的良好焊接质量和坡口适应性的同时，显著提高生产效率、降低制造成本，进一步拓展了钨极氩弧焊技术的应用空间。本文论述了双钨极氩弧焊技术的产生和发展历程，并结合最新的应用案例进一步阐述这种新工艺在核承压设备耐腐蚀层堆焊过程中的明显优势。关键词：双钨极；承压设备；耐腐蚀层中图分类号：
2、TG444文献标识码：A文章编号：1001-9006（2022）04-0064-05The Development of T-TIG and the Application on Corrosion Resistance Layerfor Nuclear Pressure EquipmentYU Xiongjun,SU Bin（Framatome-Dongfang Nuclear Pumps Co.,Ltd.,618000,Deyang,Sichuan,China）Abstract：Twin-tungsten inert gas welding（T-TIG）is a novel high-qu
3、ality and high-efficiency welding procedure basedon the traditional TIG.This technology is characterized by a lower arc pressure、shallower melting depth、lower dilutionration and higher efficiency.Besides the same weld quality and welding groove compatibility as the traditional TIG，thistechnology may
4、 increase the efficiency and decrease the cost in production，which may enlarge its further application.This paper describes the origin and development of T-TIG，and then further analyzes its obvious advantage to realizecorrosion resistance layers for nuclear pressure equipment with several engineerin
5、g cases in recent years.Key words:twin-tungsten;pressure equipment;corrosion resistance1收稿日期：2022-04-18作者简介：俞雄军（1982），男，2006 年毕业于西南交通大学材料科学与工程专业。现在东方法马通核泵有限责任公司从事核电项目的冷却剂主泵焊接工艺工作及核级焊接人员资质管理工作。以核电厂压力容器为代表的各种承压设备，出于对流体介质的防腐和防辐射脆化要求，需要对设备内表面堆焊一层奥氏体不锈钢耐腐层。这些设备包括一回路中的反应堆压力容器、稳压器和蒸汽发生器，二回路中的低压加热器、高压加热器、汽水
6、分离再热器等1。对于大面积堆焊而言，焊条电弧焊和丝极自动堆焊不但效率低，堆焊层内部和表面质量差，而且在堆焊层与基层母材结合处往往容易产生缺陷；带极堆焊虽然具有效率高、堆焊层内部质量均匀、堆焊表面平整光滑等特点，但是由于带极堆焊工艺本身的局限性，接头组织粗大和坡口适应性问题一直是焊接科技人员努力探索解决的问题。双钨极耦合电弧工艺为解决这些问题提供了一种新的工艺方法，本论文简要对双钨极耦合弧焊这种新型焊接工艺方法的发展进行回顾梳理，同时介绍其在核电工程耐腐蚀层堆焊的实际应用。1双钨极氩弧焊的产生及基础研究双钨极耦合电弧焊起源于日本，兼具单钨极氩弧焊良好的成型质量和高速效率的特点。1998 年，日本
7、IHI株式会社的研究人员Yamada和Kobayashi等2-3，DOI:10.13661/ki.issn1001-9006.2022.04.01865为了提高含 Ni 9%的液化天然气储藏罐体的厚壁钢结构焊接效率，首次应用双钨极耦合氩弧焊在满足电弧压力的条件下，通过提高焊接电流，最终达到提高焊丝熔敷率的目的，并将这一方法成功地应用于大型压力容器罐的全位置焊接，克服了传统埋弧焊的缺点，提高了焊接生产效率。从 2006 年开始，哈尔滨工业大学吴林教授团队在国内率先展开双钨极氩弧焊的基础研究和工艺特性研究，并形成了系列研究成果。王树保等4-5对这种新焊接方法的电弧电流、电压压力分布、温度场和接头成
8、型特性展开了系统研究。特别地，作者用双钨极氩弧焊枪及焊接电源在 Q235 低碳钢板和 304 奥氏体不锈钢板上展开试验。冷雪松等6-9在团队焊接工艺特性研究基础上，进一步对近距离双钨极之间的电弧相互作用的物理特性进行细致的分析，并研究了耦合电弧对熔池的作用、焊缝成型质量和焊接效率的影响。研究发现双钨极氩弧焊在保持传统氩弧焊原有优点的基础上，可以承载更高的电流，适合于全位置焊接的需要，明确了这种焊接方法相对于传统方法的主要优点，例如高熔敷速度，平焊和立焊时的熔敷速度可分别达到50g/min和 34.8 g/min，比传统氩弧焊提高 20；坡口的适应性强，X 型坡口仅需 40左右，相对于埋弧焊坡口
9、横截面积减小了 15，从而减少了所需的熔敷金属量；相对于传统的埋弧焊或熔化极电弧焊，双钨极氩弧焊具有更加稳定的焊接过程，表面成形良好，省去了背面清根及焊后打磨等工序，提高了生产率，改善了噪音和重尘的生产环境。此外，金周鑫等10和张丹丹11对双钨极氩弧焊的电弧行为和电弧压力做了进一步的研究。随着计算机技术的不断发展和数值计算理论的逐步完善，数值模拟逐渐成为科学研究和工程领域先进的分析工具。张广军等12-13和顾学亮14对双钨极氩弧焊的热循环过程进行了数字化模拟研究，建立了适用于双钨极氩弧焊的热源模型，从而用数字模拟技术研究了双钨极氩弧焊钨极间距、焊接电流等参数对焊缝成形的影响规律。但是由于 Ma
10、rc软件的局限性，未能充分考虑熔池中液态金属的对流运动，只对获得的焊接温度场进行分析，只能间接判断出焊缝的熔深、熔宽。张翔等15基于前人对双钨极氩弧焊焊接过程的研究，使用有限体积法流体计算软件 Fluent 建立了更加符合双钨极氩弧焊的焊接热源模型，充分考虑了熔池中液态金属的流动，对焊接熔池热场、流场进行了模拟。王新鑫等16-17针对双钨极耦合电弧，采用 CFD 软件 FLUENT建立了双钨极耦合电弧满足的稳态三维模型，实现了对所建立模型的数值求解。该研究成果相比于此前，模拟计算得到了不同钨极间距和弧长下耦合电弧的温度场、流场、电弧压力和电流密度等的分布情况。李桓等18通过建立三维统一模型，利
11、用磁流体动力学理论，基于 FLUENT 软件对双钨极的、电弧、阳极三个区域进行了统一求解，最终获得双钨极电弧压强的分布状况和压强场。胡玉堂19以双钨极耦合电弧为研究对象，用光谱诊断的方法分析了耦合非对称电弧等离子体发射系数与光谱强度之间数学转换方法及计算软件的开发，进行了耦合电弧等离子体谱强度空间分布的多角度扫描测量，完成了双钨极耦合电弧温度场的光谱诊断。近五年来，吴统立等20-23聚焦双钨极氩弧焊接头接头质量，持续在高频双钨极氩弧焊的工艺、电源和电弧机理等方面进行了系统研究。研究发现，高频脉冲电流可以引起明显的电弧收缩效应，提高电弧的稳定性，并对电弧力、电弧挺度等产生影响，有利于改善和提高焊
12、接质量；同时脉冲电流焊接时，周期性变化的电弧压力对熔池的搅拌作用能够破碎枝晶，增加熔池的结晶中心，促进焊缝晶粒细化，从而提高焊缝力学性能。2双钨极氩弧焊在国内核电承压设备上的实际应用陈志林等24在 Cr-Mo 耐热钢小接管内壁进行双钨极氩弧焊堆焊过渡层 ER309L 和耐腐蚀层ER347L，通过控制适当的焊接热输入，堆焊层获得了良好的焊缝成形及稳定的合金过渡，焊缝组织性能优良。该研究是双钨极耦合电弧在核电工程上潜在应用的首次报道。马驰原等25在总结双钨极氩弧焊的熔覆效率、坡口适应和焊缝成型等优点后，分别在 Q235、2.25Cr1Mo0.25V 材料上进行了 ER309l+ER347l 耐腐蚀
13、层堆焊试验及焊接工艺评定，并按照加氢设备的生产工程技术条件检验堆焊层各项理化性能，分66析了双钨极氩弧焊堆焊技术在压力容器制造中的可行性。研究不仅验证了双钨极氩弧焊的熔覆效率数倍于单钨极，而且也按照压力容器的制造标准要求完成了各项破坏性试验和无损检验。因此，作者认为双钨极氩弧焊技术不仅熔敷效率高、焊接质量好，同时设备使用更加便捷、操作更加灵活，可以用于全位置焊接，并典型的应用场合。例如，以卸料管、冷氢管、热偶管、弯管等工件较小尺寸管状工件，由于旋转方便，双钨极氩弧焊对比于药芯焊丝气体保护焊、单钨极氩弧焊和手工电弧焊这些焊接方法，其焊接效率能提高四倍；其次，可以旋转的较大尺寸管板类工件，应用双钨
14、极氩弧焊接的焊接质量比带极堆焊要好许多；第三，尺寸较大、形状复杂工件的堆焊，如核反应堆压力容器的进、出口接管等，此类工件堆焊部位多，焊接线路包括不规则的椭圆形和马鞍形，现有焊接施工多采用带极堆焊、普通氩弧焊和手工电弧焊。而用双钨极氩弧焊替代时可令焊枪沿着设定好的轨迹运动施焊，能够有效减少工件装配和翻转次数，提高生产效率。总之，除特殊结构外，双钨极氩弧焊能够代替绝大多数平焊位、横焊位的单钨极氩弧焊、气体保护焊或手工电弧焊，能够兼顾焊接质量和焊接效率。周彦林等26采用双钨极高效焊接技术，通过摆动焊枪的方式在加氢反应器低合金高强钢 SA516-70N 基材表面堆焊不锈钢过渡层和耐腐蚀层，通过系列试验
15、分析，各项试验均符合相关标准。本研究特别值得注意的是，焊枪的摆动对熔池起搅拌熔池的作用，可以促使形成树枝晶并且晶粒较小，这是解决堆焊层显微晶粒粗大问题的有效手段。因此，研究认为这种高效焊接方法适用于在低合金钢表面堆焊奥氏体不锈钢。李亚亚等27在石油炼制反应器的内壁奥氏体不锈钢耐腐蚀层堆焊各类方法中，肯定了带极堆焊的效率最高，钨极氩弧焊的质量最好。在近年出现的各类新型钨极氩弧焊方法中，作者分别在Q345R 和 12Cr2Mo1V 试件上堆焊过渡层 ER309L和耐腐蚀层 ER347L，通过系列试验探索了双钨极氩弧焊在压力容器制造中的可能性。研究表明，双钨极氩弧焊不仅效率高，焊接质量高，而且设备使
16、用更加便捷，操作更加灵活，可以用于全位置的焊接。其典型应用场合包括较小尺寸管件的堆焊、较大尺寸的管板堆焊和尺寸较大且形状复杂的堆焊，这些应用均能发挥双钨极氩弧焊的高质量和高效率综合优势，特别是可以极大减少异形大型工件的装配和翻转次数，弥补了带极堆焊的不足之处。可以看到，双钨极氩弧焊在耐腐蚀层堆焊中的应用探索逐渐从传统的石油化工行业延伸到核电工程行业，然而只有以下少数公开报道，而且集中在核电站承压设备耐腐蚀层堆焊应用上。方迪生等28-29在镍基合金堆焊、不锈钢与低合金钢异种金属焊接组织和铁素体含量等方面进行了深入研究。该研究先后以核电站压力容器代表性材料RCC-M 16MND5和ASME SA508 Gr3为母材，首次将双钨极氩弧焊引入到核电工程，代替了传统的带极堆焊、电弧焊和常规氩弧焊，开启了双钨极氩弧焊在国内核电工程耐腐蚀层堆焊中的应用。同类的研究成果也出现在袁亮文等30研究成果中。邹国伟等31以核电站反应堆压力容器的实际工程案例为载体对双钨极氩弧焊在核电工程上的工艺特性做了探索性研究。通过在核反应堆压力容器材质 SA508 Gr3 上堆焊过渡层 ER309L 和耐蚀层ER308L，