全位置镍基内壁与端面一体化增材堆焊技术——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文由一重集团大连核电石化有限公司刘万存等作者完成，发表于2022年《压力容器》第39卷第6期。核反应堆压力容器接管是核岛设备中的关键部件，其内壁和端面需要堆焊镍基合金层以满足核级设备的耐蚀性和抗辐照要求。传统制造方法中，接管内壁堆焊和端面堆焊通常需要分别进行，且受焊接位置限制，需要大量专用工装，生产效率低。本文开发的全位置镍基内壁与端面一体化增材堆焊技术，实现了单个工位、多流程的生产制造，显著提高了产品制造效率。

核心技术要点解读

技术难点分析

核反应堆压力容器接管内壁与端面堆焊面临以下技术难点：

1. 全位置焊接：接管内壁堆焊需要在平焊、横焊、仰焊等多种位置完成，不同位置的熔池控制难度差异大
2. 一体化制造：内壁堆焊和端面堆焊需要连续完成，避免二次装夹带来的定位误差
3. 大型焊接工装：传统方法需要大量专用工装，开发成本高、周期长
4. 核级质量要求：核级设备对焊接质量要求极高，需要满足严格的无损检测和理化性能标准

专用设备开发

作者开发了适用于全位置焊接的TIG-自动焊接专机，实现了平焊、横焊及全位置等多种位置的焊接。这一设备的开发是本文的核心创新之一。TIG焊（钨极氩弧焊）在镍基合金堆焊中具有以下优势：

• 电弧稳定，焊接质量高
• 热输入可控，适合薄壁件焊接
• 保护效果好，防止氧化
• 适合自动化操作

一体化焊接工艺

全位置镍基内壁+端面一体化焊接工艺主要包括：

质量检测与验证

作者对试验件进行了PT（渗透检测）、UT（超声检测）以及理化性能检测，结果满足产品技术要求。PT检测用于发现表面开口缺陷，UT检测用于发现内部缺陷，理化性能检测包括硬度、金相组织、力学性能等。这种全面的检测方案确保了堆焊质量满足核级设备的要求。

与钢管管件制造的关联思考

虽然本文研究对象为核反应堆压力容器接管，但其技术方法对钢管管件制造具有重要的借鉴价值。

大型管件内壁堆焊

在大型管件（如大直径弯头、三通、异径管）的制造中，内壁堆焊是一个常见的工艺需求。特别是在化工、石油、电力等行业中，大型管件的内壁耐蚀堆焊需求日益增加。本文的全位置焊接专机和一体化堆焊工艺可以为大型管件内壁堆焊提供技术参考。

增材制造技术在管件制造中的应用前景

本文提到的"增材堆焊"概念，实际上是将增材制造技术应用于表面堆焊领域。增材制造技术具有逐层堆积、精确控制、无需模具等优势，在复杂形状管件的制造中具有广阔的应用前景。

从技术发展的角度看，增材制造技术在管件制造中的应用可能包括：

• 复杂管件的整体增材制造：直接制造复杂形状的管件，无需传统锻造-机加工工艺
• 管件内壁增材堆焊：在管件内壁逐层堆焊耐蚀层，实现精确的成分和厚度控制
• 管件修复增材：对受损管件进行增材修复，恢复其几何尺寸和性能

质量控制方法

核级设备的质量控制方法对钢管管件制造同样具有参考价值。在关键管道元件的制造中，可以采用类似的质量控制策略：

关键疑问与深入思考

学习本文后，我有以下几点需要进一步探讨的问题。

第一，关于全位置焊接的熔池控制。在仰焊位置，熔池在重力作用下容易下坠，导致焊缝成形不良和未熔合缺陷。本文未详细说明仰焊位置的熔池控制策略。在实际生产中，可能需要采用低热输入、小电流、慢速焊接等策略来控制仰焊位置的熔池。

第二，关于一体化堆焊的层间质量控制。内壁堆焊与端面堆焊的过渡区域是质量控制的薄弱环节。两个堆焊区域的焊接方向、热输入和冷却条件可能存在差异，导致过渡区域的组织和性能不一致。需要制定专门的过渡区域焊接工艺。

第三，关于镍基合金堆焊层的残余应力控制。镍基合金的热膨胀系数与碳钢基体差异较大，堆焊过程中会产生较大的残余应力。在核级设备中，残余应力可能影响堆焊层的疲劳性能和抗辐照性能。需要通过焊后热处理或应力消除处理来控制残余应力。

第四，关于增材堆焊的批量生产适应性。本文技术已成功应用于某核反应堆的接管制造，但核级设备的生产批量通常较小。如果将该技术应用于大批量管件生产，需要考虑生产效率、设备成本、工艺稳定性等问题。

学习心得与启示

本文的核心价值在于将增材制造理念与全位置焊接技术相结合，开发了适用于核反应堆压力容器接管内壁与端面一体化堆焊的制造技术。这一技术突破不仅解决了核级设备制造中的关键技术难题，也为大型管件内壁堆焊提供了新的技术思路。

从工程实践的角度看，全位置一体化堆焊技术的推广应用需要解决以下问题：一是焊接专机的通用性和适应性，需要能够适应不同尺寸、不同形状的管件；二是工艺参数的标准化，需要建立完善的工艺数据库和质量控制标准；三是检测技术的配套，需要发展适用于全位置堆焊层的高效检测方法。

从技术发展的角度看，增材制造技术在管件制造中的应用前景广阔。随着增材制造技术的不断进步，未来将实现管件的整体增材制造、管件内壁增材堆焊、管件修复增材等多种应用模式。对于钢管管件制造行业而言，掌握增材堆焊技术将有助于提升产品竞争力，满足高端市场的需求，推动行业向高端化、智能化方向发展。