□ 任正秋1上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 上海 2000302上海第一機(jī)床廠有限公司 上海 201306

二代改進(jìn)型核電項(xiàng)目控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中奧氏體不銹鋼Ω型密封焊縫自動(dòng)TIG焊焊接工藝研究

□ 任正秋1，2
1上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 上海 200030
2上海第一機(jī)床廠有限公司 上海 201306

隨著近幾年核電事業(yè)的飛速發(fā)展，大規(guī)模的核能發(fā)電設(shè)備不斷投入制造，為我國(guó)的社會(huì)生產(chǎn)和人民的生活提供了強(qiáng)大的電力支持。其中，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是核電主設(shè)備中的核安全一級(jí)設(shè)備。針對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中最重要的，也是焊接難度最高的一條焊縫——Ω型密封焊縫的焊接特點(diǎn)和要點(diǎn)，通過(guò)對(duì)脈沖電流、基值電流、脈沖時(shí)間、基值時(shí)間、焊槍角度、填充環(huán)的形狀和尺寸等工藝參數(shù)進(jìn)行分析和控制，以達(dá)到解決Ω型密封焊縫正、背面氣體保護(hù)不完善和焊縫表面成形不佳等問(wèn)題。由于該焊縫在反應(yīng)堆中是長(zhǎng)時(shí)間處于17.2 MPa的壓力和293℃的工況下，屬于壓力容器的一部分，所以該焊縫的焊接是核電主設(shè)備制造中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ω型密封焊縫（如圖1所示）是由密封殼組件與行程套管組件焊接而成的，兩組件經(jīng)螺紋連接后，通過(guò)Ω型密封焊縫進(jìn)行密封［1］。該焊縫的特殊性在于在其焊接過(guò)程中如何進(jìn)行氣體保護(hù)和環(huán)形填充材料。首先，在普通機(jī)械結(jié)構(gòu)的焊接中，焊縫背面保護(hù)可以由直接通保護(hù)氣體或由簡(jiǎn)單的氣體保護(hù)罩來(lái)解決，但控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ω型密封焊縫的背面是個(gè)Ω形環(huán)狀的腔體，下端長(zhǎng)1.4 m，焊接時(shí)垂直立于焊接工位，該腔體內(nèi)既不能伸入氣體保護(hù)罩，也不能裝設(shè)氬氣進(jìn)、出管接頭。其次，在普通形狀坡口的焊接中，焊接第一層焊縫時(shí)，焊槍可伸進(jìn)坡口內(nèi)側(cè)，正面保護(hù)氣體因兩側(cè)坡口的遮擋而不至于快速散開(kāi)至空氣中，而Ω型密封焊縫在焊接時(shí)，由于填充環(huán)填滿(mǎn)了整個(gè)坡口，焊槍只能置于填充環(huán)正上方，正面保護(hù)氣體從瓷嘴噴出后迅速向外擴(kuò)散，并且因?yàn)槲闪鞫鴮⒖諝鈳肴鄢?，?dǎo)致焊縫表面氧化；另外，該焊縫焊接時(shí)加入的填充材料并非一般的焊絲或焊條，而是由和母材相同材料制成的特定形狀的填充環(huán)，焊接時(shí)將填充環(huán)嵌入坡口進(jìn)行焊接，增加了焊接變素，提高了焊接難度。

圖1 Ω焊縫

1 Ω型密封焊縫的焊接

1.1母材及焊接材料的選用

母材選用兩種規(guī)格的00Cr18Ni10N奧氏體不銹鋼，使用狀態(tài)為固溶狀態(tài)，該不銹鋼屬于超低碳不銹鋼，抗晶間腐蝕性能良好，很適合作為核島一回路中承壓設(shè)備的制造材料?；瘜W(xué)成分見(jiàn)表1、表2。

表1 密封殼端（規(guī)格為Φ160）成分 wt%

表2 行程套管端（規(guī)格為Φ110）成分 wt%

焊接材料為填充環(huán)的形式，采用與密封殼端相同的材料制成。

1.2 焊接設(shè)備的選用

Ω密封焊縫的焊接采用自動(dòng)TIG焊的方法，焊機(jī)采用天核機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為HSC-12的脈沖自動(dòng)TIGΩ焊機(jī)。該焊機(jī)是專(zhuān)門(mén)為Ω焊縫設(shè)計(jì)的專(zhuān)用焊機(jī)，分為機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和焊接控制部分［2］。焊接時(shí)，由機(jī)械結(jié)構(gòu)部分對(duì)兩個(gè)零件進(jìn)行鎖緊后進(jìn)行環(huán)形焊縫的焊接。

2 焊接過(guò)程中遇到的主要問(wèn)題

2.1 焊縫內(nèi)外表面易氧化的問(wèn)題

由于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ω型焊縫的特殊接頭形式，使采用HSC-12型焊機(jī)在平焊位置焊接時(shí)通過(guò)瓷嘴噴出的保護(hù)氣體無(wú)法對(duì)焊縫進(jìn)行良好的保護(hù)，因而造成最終焊縫表面有一層褐色的氧化層，如圖2所示。

圖2 焊縫表面氧化情況

由于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ω型密封焊縫的背面是個(gè)環(huán)狀的密封腔，若采用先在坡口間隙處充入氬氣填一段時(shí)間、經(jīng)填滿(mǎn)整個(gè)密封殼組件后再放入填充環(huán)進(jìn)行焊接的方法，既浪費(fèi)了大部分氬氣，而且焊縫背面保護(hù)狀態(tài)無(wú)法得到保障。

2.2 焊縫表面成形不佳的問(wèn)題

在以往的焊接過(guò)程中，焊縫表面因脈沖電流和基值電流交錯(cuò)而產(chǎn)生的層次非常不均勻，經(jīng)常出現(xiàn)大片魚(yú)鱗狀不規(guī)則分布于整個(gè)環(huán)焊縫。有時(shí)，焊縫表面與母材齊平或低于母材，焊縫背面熔敷金屬過(guò)多，與母材內(nèi)表面夾角＜90°，如圖3所示。

圖3 表面成形

2.3 收弧處焊縫背面未焊透的問(wèn)題

在采用氬弧焊方法焊接時(shí)，一般在收弧處會(huì)對(duì)焊接電流進(jìn)行衰減，并且在離開(kāi)起弧位置一定的距離處進(jìn)行收弧，從而避免弧坑的產(chǎn)生。而在收弧處焊縫疊加時(shí)將是電流衰減的過(guò)程，因此在焊縫起弧處常常有焊縫表面過(guò)高的現(xiàn)象發(fā)生，有時(shí)甚至在焊縫背面會(huì)出現(xiàn)未焊透的現(xiàn)象（如圖4所示）。

圖4 未焊透現(xiàn)象

3 焊接工藝過(guò)程中的要點(diǎn)及改進(jìn)方案

3.1 改進(jìn)方案的方向

（1）焊槍在前進(jìn)方向與填充環(huán)表面形成一定角度，從而使焊槍在前進(jìn)時(shí)能夠給下一個(gè)脈沖電流熔化的熔池提供良好的氣體保護(hù)。

（2）改進(jìn)填充環(huán)的形狀或尺寸，使其在焊接過(guò)程中能不間斷地向焊縫背面提供保護(hù)氣體。

（3）調(diào)整基值電流，改善焊縫成形狀態(tài)。

（4）調(diào)整填充環(huán)厚度與填充環(huán)自身夾角角度，保證焊縫外表面高度不低于母材，背面余高與母材成鈍角。

（5）減少起弧時(shí)電流上升時(shí)間，增加起弧時(shí)焊槍停留時(shí)間，以避免起弧處焊縫背面未焊透。

3.2 詳細(xì)改進(jìn)措施

由于焊接時(shí)正面保護(hù)氣體缺乏有效的聚攏措施，使熔池得不到良好的保護(hù)。但若在坡口上方添加氣體保護(hù)罩，則不利于熱量擴(kuò)散，由于該焊縫的母材與焊材都為奧氏體不銹鋼材料［3］，過(guò)熱容易引起熱影響區(qū)晶粒粗大，從而影響材料性能，甚至產(chǎn)生焊縫燒穿的現(xiàn)象。受手工TIG焊的啟發(fā)，將焊槍在前進(jìn)方向與填充環(huán)表面的垂直線(xiàn)成3～4°時(shí)，能顯著地提高對(duì)熔池的保護(hù)效果，使焊縫表面呈現(xiàn)金黃甚至銀白色。原因在于采用脈沖TIG焊的方法焊接時(shí)，在脈沖電流作用下，填充環(huán)的一小部分熔化形成熔池，在基值電流作用下，熔池凝固。原先保護(hù)氣體垂直于填充環(huán)吹下時(shí)，因?yàn)楸Ｗo(hù)氣體無(wú)法聚攏而立即擴(kuò)散到空氣中，對(duì)下一個(gè)脈沖電流產(chǎn)生的新熔池基本沒(méi)有起到保護(hù)作用。但焊槍與填充環(huán)表面所成角度不宜超過(guò)5°，傾角過(guò)大，將降低電弧的穿透力，造成背面未焊透。

當(dāng)采用實(shí)芯填充環(huán)作為焊材時(shí)，由于無(wú)法在焊接時(shí)從焊縫背面送入保護(hù)氣體，導(dǎo)致焊縫背面氣體保護(hù)程度始終不穩(wěn)定。若在填充環(huán)下部均布割開(kāi)氣槽后，能較好地解決該問(wèn)題（氣槽形狀見(jiàn)圖5所示）。在填充環(huán)下部開(kāi)槽后，在焊接前和焊接時(shí)通過(guò)一個(gè)扁平的氣嘴向填充環(huán)下部的氣槽充入氬氣進(jìn)行保護(hù)。開(kāi)槽方向必須與水平線(xiàn)呈一定角度，而不是垂直于水平面，原理與改善表面氣體保護(hù)狀態(tài)相同，即在新的熔池形成前就已將保護(hù)氣體送至熔池下方。

圖5 氣槽形狀

由于采用脈沖TIG焊焊接時(shí)，在脈沖電流通過(guò)時(shí)，填充環(huán)的一小部分熔化形成熔池，基值電流通過(guò)時(shí)熔池冷凝結(jié)晶，其整個(gè)Ω型焊縫由一個(gè)個(gè)熔池疊加而成。但是，如果焊接時(shí)基值電流超過(guò)一個(gè)較大的臨界值（＞35 A）時(shí)，則可能造成在基值電流作用下焊縫未冷凝結(jié)晶，而是重新熔化，此時(shí)基值電流的作用將不再僅僅是維持電弧，其作用與脈沖電流相同。如此就造成焊縫表面成形中有魚(yú)鱗狀不規(guī)則的分布在整個(gè)環(huán)焊縫上。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)后，將焊接時(shí)采用的基值電流由原先的40 A調(diào)整為20 A后，焊縫表面呈均勻的層疊狀。

由于待焊組件的坡口鈍邊厚度為2.5 mm，夾角為60°，當(dāng)采用4 mm厚的填充環(huán)時(shí)，在焊接后焊縫表面或焊縫背面的余高將會(huì)過(guò)高，常與母材內(nèi)表面成銳角。但如果背面余高與母材內(nèi)表面成銳角，則整個(gè)組件的熱影響區(qū)在正常工況下將長(zhǎng)時(shí)間處于應(yīng)力集中狀態(tài)，即熱影響區(qū)將承受比焊縫和母材更大的集中應(yīng)力而引起應(yīng)力腐蝕。對(duì)于核安全一級(jí)設(shè)備來(lái)說(shuō)，這種情況是絕對(duì)不允許的，經(jīng)過(guò)多種填充環(huán)厚度試驗(yàn)，最終確定3 mm厚最為適合。另外，填充環(huán)的夾角也是影響焊縫成形的一個(gè)重要原因。在填充環(huán)夾角大于60°的情況下，若填充環(huán)裝配后其上表面高于母材表面（≥1.2 mm），則焊接后焊縫將未能填滿(mǎn)整個(gè)坡口的鈍邊，而是更多地在母材表面鋪開(kāi)。在填充環(huán)夾角小于60°的情況下，若填充環(huán)裝配后其上表面高于母材表面（≤1.0 mm），則焊接后焊縫表面過(guò)于平坦，焊縫內(nèi)表面與母材內(nèi)表面成銳角，易引起應(yīng)力集中。故填充環(huán)夾角選60°最為適宜，裝配后填充環(huán)上表面與母材表面高度差應(yīng)在1.0～1.2 mm，滿(mǎn)足以上條件情況下形成的焊縫內(nèi)外表面余高一般不高于1.5 mm，焊縫內(nèi)表面余高與母材內(nèi)表面夾角呈鈍角，如圖6所示。

圖6 焊縫余高過(guò)高

對(duì)于氬弧焊來(lái)說(shuō)，為了避免收弧時(shí)的焊接缺陷，收弧時(shí)衰減電流是一種必要的手段，如何能避免電流衰減而造成焊縫背面未焊透的現(xiàn)象，只能從起弧時(shí)的焊接狀況作調(diào)整。通過(guò)HSC-12型焊機(jī)對(duì)起弧時(shí)電流上升的時(shí)間和引弧處的停留時(shí)間進(jìn)行參數(shù)調(diào)整后，該現(xiàn)象得到了有效地控制。原來(lái)的焊接參數(shù)中，起弧的電流上升時(shí)間為3 s，引弧停留時(shí)間為1 s。這樣的參數(shù)會(huì)引起起弧處的填充環(huán)材料未完全熔化，而需要依靠收弧時(shí)的電流去熔化填充環(huán)。經(jīng)過(guò)對(duì)該參數(shù)的功能分析，作出了相應(yīng)調(diào)整，將電流上升時(shí)間調(diào)整為0 s，引弧停留時(shí)間為2 s。即起弧電流瞬間達(dá)到脈沖電流的最大值，而省略了電流上升的過(guò)程。這樣起弧處的填充環(huán)被完全熔化，而不需要收弧時(shí)的電流熔化填充環(huán)，完全杜絕了起弧處焊縫背面的未焊透現(xiàn)象。

5 總結(jié)

在采用脈沖TIG焊，調(diào)整了各項(xiàng)參數(shù)后，核電主設(shè)備控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封殼組件與行程套管組件間的Ω型焊縫的穩(wěn)定性和可靠性得到了較大改善，作為一種十分有效的焊接工藝方法，已經(jīng)投入到了后續(xù)的生產(chǎn)項(xiàng)目中，工藝改善后得出如下結(jié)論：

（1）調(diào)整了焊槍角度，相對(duì)于從前焊槍垂直于填充環(huán)表面來(lái)說(shuō)，對(duì)熔池提供了很好的保護(hù)。

（2）確定了填充環(huán)尺寸和形狀后，相對(duì)于從前的工藝，不需要再在密封殼組件中充入大量氬氣，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約了成本又提高了生產(chǎn)效率。

（3）降低了基值電流，改善了焊縫的表面成形狀態(tài)。

［1］邱振生，匡艷軍，柳猛，等.控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝OMEGA焊縫坡口缺陷返修試驗(yàn)研究 ［J］.焊接，2014（2）：42-46.

［2］朱龍興.控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)“Ω”焊機(jī)的研制［J］.核電工程與技術(shù)，1998（2）：41-44.

［3］張偉棟.控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)“Ω”環(huán)的焊接技術(shù)［J］.焊接技術(shù)，2001（Z1）：66-68.

Alongwith the rapid development ofnuclear power industry and continuous investment in manufacturing of large-scale nuclear power equipment in recent years，a powerful support of electric power is provided for our social production and people's life.Among others，the control rod drive mechanism is one of the top class devices in the primary nuclear power equipment in terms of nuclear safety.Aiming at the characters and key points in welding of the most important and difficult weld seam-Ω-type weld seam in control rod drive mechanism，try to analyze and control the processing parameters including pulse current，background current，pulse time，the background time，torch angle，shape and size of filling ring to settle the issues like imperfect gas shield at front and back sides of Ω-type weld seam and poor shape of weld surface.Since the weld seam in the reactor is set under the working conditions of 17.2 MPa pressure and 293℃for a long time，it belongs to the part of the pressure vessel，so that the welding seam should be a vital link in manufacturing of the primary devices in nuclear power equipment.

Ω型密封焊縫；基值電流；焊槍角度；氣體保護(hù)；填充環(huán)

Ω-type Weld Seam；Background Current；Torch Angle；Gas Shield；Filling Ring

TL357.5

A

1672-0555（2015）04-030-05

2015年7月

任正秋（1986年-），男，碩士研究生，從事焊接工藝的研究