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        CPR1000反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件鈷基合金堆焊的質(zhì)量控制

        2018-11-29 08:23:20王官龍
        金屬加工(熱加工) 2018年11期
        關(guān)鍵詞:基合金堆焊母材

        ■ 王官龍

        1.概述

        堆內(nèi)構(gòu)件是CPR1000反應(yīng)堆的主要設(shè)備之一,安裝于反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部,為燃料組件提供支承和固定作用。堆內(nèi)構(gòu)件通過鍵槽方式進(jìn)行徑向限位并防止設(shè)備周向旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)對燃料組件的精確定位。為實(shí)現(xiàn)設(shè)備整個(gè)壽期保持定位的精確性,要求配合面具有良好的耐磨性及耐腐蝕性能,配合部件同時(shí)應(yīng)有足夠的韌性。鈷基合金具有良好的耐磨性及耐腐蝕性能,但韌性不佳,在不銹鋼基材表面進(jìn)行鈷基合金堆焊,既可滿足配合部件的整體韌性,同時(shí)確保配合面良好的耐磨效果。鈷基合金堆焊難度大,容易出現(xiàn)焊接缺陷,是堆內(nèi)構(gòu)件制造的難點(diǎn)之一。

        表1 Z2CN19-10控氮不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        表2 鈷基合金ERCoCr-A化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        2.焊接性分析

        需要進(jìn)行鈷基合金堆焊的部件基材為Z2CN19-10控氮不銹鋼,化學(xué)成分如表1所示,用于堆焊的鈷基合金焊材為ERCoCr-A,其化學(xué)成分如表2所示。鈷基合金含C量較高,在P、S等有害雜質(zhì)作用下,容易形成低熔化合物FeS、Fe3P或共晶體FeS-Fe、Fe3P-Fe,裂紋傾向高。在不銹鋼基材上堆焊鈷基合金,屬于異種鋼堆焊,母材與堆焊層的線膨脹系數(shù)差異大,焊接過程中,加熱和冷卻存在不均勻性,存在較大的焊接應(yīng)力,將加重裂紋傾向。鈷基合金流動性及浸潤效果不佳,容易出現(xiàn)未熔合、咬邊、氣孔及夾雜物等缺陷。綜上,鈷基合金堆焊焊接性差,需要通過合適的工藝及嚴(yán)格的過程控制,方可獲得滿足要求的焊接產(chǎn)品。

        3.鈷基合金堆焊檢測要求

        鈷基合金堆焊前,對基材待焊面應(yīng)按照RCC-M MC4000進(jìn)行PT檢測,待焊面不得有任何顯示。鈷基合金堆焊完成后,應(yīng)對堆焊面進(jìn)行PT檢測,焊縫不得有任何開裂、裂紋、未熔合、夾渣和夾鎢,不得有任何線性顯示,不得有>1.5mm的圓形顯示。對堆焊層最終機(jī)加后,需要再次對堆焊區(qū)域進(jìn)行PT檢測,不得有任何線性顯示及>3mm的圓形顯示。雖然對鈷基合金堆焊焊縫無需進(jìn)行UT、RT等檢測,但最終機(jī)加工后的PT檢測,將可能導(dǎo)致內(nèi)部缺陷表面化,而出現(xiàn)PT檢測不合格。如果最終機(jī)加后PT檢測發(fā)現(xiàn)缺陷,將增大缺陷處理難度。圖1為最終機(jī)加工后PT發(fā)現(xiàn)的堆焊層缺陷。

        圖1 機(jī)加工后PT發(fā)現(xiàn)堆焊層缺陷

        為了驗(yàn)證產(chǎn)品堆焊層硬度及內(nèi)部質(zhì)量是否滿足要求,在產(chǎn)品焊接時(shí),需同步設(shè)置產(chǎn)品焊接見證件,焊接見證件的焊工及焊接工藝應(yīng)與產(chǎn)品焊縫完全一致。除了進(jìn)行與產(chǎn)品焊縫相同的檢驗(yàn)外,還需要在見證件堆焊層樣進(jìn)行硬度檢測及宏觀金相檢測,硬度平均值要求為39~47HRC,宏觀金相檢測不允許有裂紋、未熔合及其他線性缺陷。一旦出現(xiàn)見證件不合格,則需要對整批產(chǎn)品進(jìn)行報(bào)廢處理。

        4.鈷基合金堆焊工藝

        堆內(nèi)構(gòu)件需要進(jìn)行鈷基合金堆焊的堆焊面小,質(zhì)量要求高,而鎢極氬弧堆焊具有可見度好、電弧穩(wěn)定、飛濺少等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)手工鎢極氬弧堆焊熔深淺、稀釋率低,操作靈活方便,堆焊層容易控制。堆內(nèi)構(gòu)件的鈷基堆焊一般采用手工鎢極氬弧焊,具體焊接工藝必須提前按照RCC-M S3000完成焊接工藝評定。表3為鈷基合金堆焊參數(shù)。

        在焊接過程中,起弧、收弧位置出現(xiàn)缺陷的幾率較高,特別是收弧位置極易出現(xiàn)弧坑裂紋。所以應(yīng)設(shè)置引熄弧板,焊接完成后將引熄弧板去除,可以有效提高產(chǎn)品質(zhì)量。引熄弧板材料應(yīng)選擇與母材相同的材質(zhì)。

        表3 鈷基合金堆焊參數(shù)

        5.鈷基合金堆焊的質(zhì)量控制

        由于鈷基合金堆焊難度大,質(zhì)量要求高,為了保證鈷基合金堆焊的質(zhì)量,應(yīng)對焊接的全過程進(jìn)行嚴(yán)格控制。主要包括:人員控制、環(huán)境控制、焊前準(zhǔn)備及焊接過程控制等。

        (1)人員控制 鈷基合金堆焊采用手工鎢極氬弧焊,焊接質(zhì)量對焊工的技能依賴度高,需要挑選技能優(yōu)異的焊工,提前進(jìn)行培訓(xùn)、練習(xí),并按照HAF-603完成焊工考試后才可以實(shí)施產(chǎn)品焊接工作。

        (2)環(huán)境控制 鎢極氬弧堆焊屬于氣體保護(hù)焊,需要在焊接過程中嚴(yán)格防風(fēng),應(yīng)選擇相對封閉的場所,且不能開啟風(fēng)扇,以免影響氣體保護(hù)效果。施焊場所還需要保持足夠清潔,不能有粉塵、打磨飛濺等,以免產(chǎn)生焊接夾雜物。

        (3)焊前準(zhǔn)備 焊接前應(yīng)確保母材待焊面加工平整,表面粗糙度滿足Ra3.2μm要求,PT檢測無任何顯示,所有異物清理干凈。焊接設(shè)備處于正常的工作狀態(tài),且各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置在規(guī)范要求內(nèi)。焊絲牌號及規(guī)格應(yīng)與規(guī)范要求一致,且無油污、水分及其他可能影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)。

        (4)焊接過程控制 鈷基合金堆焊的裂紋傾向極高,為了有效避免焊接裂紋,需要較高的預(yù)熱溫度(350~420℃)。嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度及層間溫度對保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要,具體執(zhí)行方式為:焊前采用爐內(nèi)整體預(yù)熱,可以使工件預(yù)熱充分,同時(shí)保持工件溫度的均勻性。施焊過程中,設(shè)置電加熱器便于隨時(shí)為工件進(jìn)行加熱升溫;為了盡可能減少熱量散失及熱輻射對焊工的影響,可用石棉將工件包裹,僅保持待焊面外露(見圖2);每焊一道檢查工件溫度,一旦發(fā)現(xiàn)溫度低于370℃,則需啟動電加熱器進(jìn)行加熱升溫。焊接工作完成后,立即進(jìn)爐進(jìn)行后熱處理,后熱溫度為350~420℃,保溫60min,出爐后用云母石掩埋實(shí)現(xiàn)緩慢冷卻。

        圖2 鈷基合金堆焊工件布置

        鈷基合金流動性差,浸潤效果不佳,容易出現(xiàn)焊接未熔合。鈷基合金硬度極高,焊道清理難度大,加之較高的預(yù)熱溫度也增加了焊道清理的難度。如果焊道清理不徹底將增大未熔合的幾率。 因此每道焊接前,需要將焊瘤、飛濺、咬邊等容易導(dǎo)致未熔合的因素徹底清理排除,以減少產(chǎn)生未熔合的幾率。

        在施焊過程中,在保證充分熔合的情況下,應(yīng)盡量減少母材熔化深度,以減少稀釋率,避免堆焊層表面硬度不合格。

        6.結(jié)語

        堆內(nèi)構(gòu)件的鈷基合金堆焊屬于異種金屬堆焊,由于鈷基合金的焊接性能差,堆焊難度大,所以是堆內(nèi)構(gòu)件制造過程中的難點(diǎn)之一。本文針對鈷基合金堆焊的工藝特性,分析了影響焊接質(zhì)量的因素,并提出了控制焊接質(zhì)量的措施,可減少焊接缺陷產(chǎn)生的幾率,對提高鈷基合金堆焊質(zhì)量具有一定的指導(dǎo)作用。

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