戴文勤

(中國中原對外工程有限公司,北京 100044)

“華龍一號”堆型控制棒驅(qū)動機構(gòu)中部Ω焊縫焊接機于2016年通過了鑒定試驗，進入了產(chǎn)品的制造和使用階段。在調(diào)試階段中曾經(jīng)出現(xiàn)的部分焊縫存在氧化、焊道寬度突變及焊道背面局部未熔合等問題。針對上述問題，本文從多角度進行了分析并提出了處理方案，有效地提高了Ω焊縫焊接質(zhì)量。

本文主要從焊接工藝方面入手，列舉部分優(yōu)化焊接的方案，討論焊接保護氣體，填充環(huán)、氣罩的設(shè)計方案以及壓輪形式對Ω焊縫實際焊接質(zhì)量的影響。

1 控制棒驅(qū)動機構(gòu)中部Ω焊縫介紹

控制棒驅(qū)動機構(gòu)是核電廠反應堆控制系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)的一種伺服機構(gòu)。中部Ω焊縫即連接行程套管及密封殼的密封性非承壓焊縫。由于其焊縫坡口的形式類似于Ω字母外形，故被稱為Ω焊縫。中部Ω焊縫的強度直接影響到控制棒驅(qū)動機構(gòu)整體腔內(nèi)水壓及控制棒的動作，其性能的好壞將直接影響核電廠的正常運行和安全[1-3]。Ω焊縫形貌如圖1所示。

圖1 控制棒驅(qū)動機構(gòu)中部Ω焊縫形貌Fig.1 The shape of the Ω weld in the middle part of the CRDM

2 焊接設(shè)備及焊接件介紹

2.1 Ω焊縫焊接機簡介

中部Ω密封焊縫焊接機是用于焊接驅(qū)動桿行程套管組件與密封殼組件之間的Ω型密封焊縫，對保證控制棒驅(qū)動機構(gòu)可靠工作具有極為重要的作用。該機頭重量輕，操作方便，采用填充環(huán)自熔TIG焊，適用于核電廠控制棒驅(qū)動機構(gòu)現(xiàn)場安裝階段，焊接機外形如圖2所示。

圖2 焊接機外形圖Fig.2 The shape of the welding machine

焊接機主要結(jié)構(gòu)有：旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、氣動夾鉗裝置、傳動系統(tǒng)、攝像頭監(jiān)控組件。

焊接機工作環(huán)境應滿足：

1)環(huán)境溫度：≤45 ℃；

2)環(huán)境濕度：≤90 ℃；

3)輻照水平：≤2 mSv/h。

2.2 Ω焊縫填充環(huán)及模擬環(huán)簡介

控制棒驅(qū)動機構(gòu)的密封殼組件為反應堆一回路壓力邊界，屬于核安全一級部件，工作空間可達性差并具有放射性等。這些都對Ω密封焊縫提出了許多特殊的要求，所以焊接工藝設(shè)計以填充環(huán)作為焊接填充材料[4]。

2.2.1 Ω焊縫填充環(huán)

Ω焊縫填充環(huán)即為驅(qū)動機構(gòu)行程套管及密封殼裝配后所形成的Ω型焊縫坡口焊接用填充金屬，類似于環(huán)形焊絲預埋，填充環(huán)材料與密封殼和行程套管材質(zhì)保持一致，選用00Cr18Ni10N。由于安裝尺寸要求極為精確，故Ω填充環(huán)的尺寸精度要求也非常高[5-6]。為保證填充金屬滿足技術(shù)規(guī)格書要求，經(jīng)過計算金屬填充量，將Ω焊縫填充環(huán)設(shè)計厚度為2.8 mm，寬度為3 mm(M級自由公差)的金屬環(huán)?？紤]到Ω焊縫特殊結(jié)構(gòu)，無法從行程套管及密封殼對Ω焊縫背面充氬氣保護，為保證焊縫接頭成形及焊接質(zhì)量，在填充環(huán)外側(cè)設(shè)計均勻分布的斜槽，焊前預先沿著Ω坡口一周通過填充環(huán)斜槽向Ω腔內(nèi)充氬氣背保，外形如圖3所示。

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圖3 Ω焊縫填充環(huán)外形三維圖Fig.3 The 3D shape of the Ω weld filler ring

2.2.2 Ω焊縫模擬環(huán)

Ω焊縫模擬環(huán)由內(nèi)環(huán)及外環(huán)組成，外環(huán)模擬的是密封殼Ω焊縫坡口結(jié)構(gòu)形狀，內(nèi)環(huán)模擬的是行程套管Ω焊縫坡口結(jié)構(gòu)形狀，如圖4所示。

(a)Ω焊縫模擬環(huán)裝配圖 (b)Ω焊縫模擬環(huán)實物圖圖4 填充環(huán)裝配及外形Fig.4 Assembly and shape of the filling ring

其設(shè)計目的是為了模擬實際密封殼和行程套管裝配后行程的Ω型焊縫坡口，用于電廠現(xiàn)場安裝公司在正式焊接前進行焊接工藝評定、參數(shù)調(diào)整及試驗，模擬環(huán)可多次使用。為保證焊接工藝評定及參數(shù)選取符合實際要求，模擬環(huán)(內(nèi)環(huán)及外環(huán)尺寸)材質(zhì)也保持與控制棒驅(qū)動機構(gòu)密封殼一致，盡量選擇同爐批，材質(zhì)為00Cr18Ni10N。

3 焊縫質(zhì)量影響因素分析及優(yōu)化方案

根據(jù)國內(nèi)同類型電廠項目現(xiàn)場反饋資料分析可知。在實際焊接過程中，影響焊接質(zhì)量最大的因素是氣體保護及焊前裝配，在了解現(xiàn)場焊接問題及廠內(nèi)調(diào)試問題后，本文對焊縫質(zhì)量影響較大的因素設(shè)計的合理性進行了分析。焊接機的電流電壓為工藝應用參數(shù)，而非焊機本身固有參數(shù)，電流電壓的合理數(shù)值需由安裝公司進行確定。從而對于焊接機本身焊接氣體保護是否滿足需求以及焊縫焊絲裝填方法是否合理，就成為了影響Ω焊縫質(zhì)量的最大變量。本文從保護氣體的純度及氣罩形式對氣體保護工藝等方面進行了優(yōu)化。

3.1 保護氣體

眾所周知，在焊接過程中，氣體保護的焊縫質(zhì)量會遠高于無氣體保護的焊縫質(zhì)量。具體保護氣體會從以下幾個方面提高焊縫的質(zhì)量：1)隔絕空氣及減少氧化；2)提高焊絲熔敷率。

高純度的氬氣是一種比較理想的保護氣體，比空氣密度大25%，在平焊時有利于對焊接電弧進行保護，降低了保護氣體的消耗。氬氣是一種化學性質(zhì)非常不活潑的惰性氣體，即使在高溫下也不和金屬發(fā)生化學反應，避免了合金元素氧化燒損及由此帶來的一系列問題。氬氣也不溶于液態(tài)的金屬，因而不會引起氣孔。氬是一種單原子氣體，以原子狀態(tài)存在，在高溫下沒有分子分解或原子吸熱的現(xiàn)象。氬氣的比熱容和熱傳導能力小，即本身吸收量小，向外傳熱也少，電弧中的熱量不易散失，使焊接電弧燃燒穩(wěn)定，熱量集中，有利于焊接的進行。

原焊接工藝中選擇純度為99.99%的氬氣進行氣保護，焊接結(jié)果基本滿足規(guī)格書要求。焊縫表面基本呈現(xiàn)銀白色狀，但國內(nèi)其他電廠項目現(xiàn)場焊接試驗中出現(xiàn)了局部氧化和焊縫寬度突變，如圖5所示。

圖5 國內(nèi)其他項目現(xiàn)場99.99%氬氣保護焊接結(jié)果Fig.5 The welding under the 99.99% Ar gas protection in other project

不同純度的氬氣保護效果也不同。由于工業(yè)使用的氬氣中存有一定量的雜質(zhì)氣體，如Cl、Br、I這些鹵族元素和O2、CO2等，詳細成分對比如表1所示。

表1 純氬氣與高純氬氣成分對比表Table 1 Composition between pure argon and high pure argon

經(jīng)過多次嘗試，本文最終將對保護氣體純度的選擇從99.99%提升到了99.999%超高純度的氬氣。為了研究氬氣純度變化對焊縫的影響，本文選擇控制其余焊接參數(shù)，保證現(xiàn)場所用Ω焊縫焊接參數(shù)與廠內(nèi)調(diào)試過程焊接參數(shù)基本一致。現(xiàn)場焊接工藝參數(shù)及廠內(nèi)調(diào)試參數(shù)如表2所示。

表2 焊接參數(shù)對照表Table 2 Comparison of welding parameters

通過圖6中(a)和(b)對比可以明顯發(fā)現(xiàn)，采用99.999%純度氬氣保護的焊縫表面及背部成形遠優(yōu)于采用原99.99%純度氬氣保護的焊縫。采用99.99%純度氬氣保護的焊縫表面成形局部會偶爾出現(xiàn)如圖6(a)所示的焊道突變，寬度不均勻，焊縫存在局部發(fā)藍被氧化的現(xiàn)象。而采用99.999%純度氬氣保護的焊縫表面成形平整光滑，焊道表面基本保持銀白色，部分呈金色。

(a)99.99%氬氣焊接結(jié)果 (b)99.999%氬氣焊接結(jié)果圖6 不同氬氣濃度焊接結(jié)果示意圖Fig.6 The schematic of welding results with different argon concentrations

3.2 氣罩保護

不同于前期項目設(shè)計的Ω焊縫焊接機單獨氣罩，此次K2/K3項目中部Ω焊縫焊機采用前后雙氣罩保護，即焊炬前和后裝有兩個拖罩，如圖7所示。

圖7 前后氣罩示意圖Fig.7 The schematic of the front and rear hood

通過焊接控制系統(tǒng)，按照設(shè)定的氣體壓力、充壓時間，氬氣從氣瓶經(jīng)流量閥通過緊貼Ω模擬環(huán)的拖罩，氬氣均勻地沿著填充環(huán)外側(cè)邊斜槽流入Ω內(nèi)腔，如圖8所示。

圖8 氣體流向示意圖Fig.8 The schematic of gas flow direction

焊前模擬行走兩圈對模擬環(huán)Ω內(nèi)腔進行預送氣，待檢測Ω內(nèi)腔氬氣流量達到要求后開始焊接，雙氣罩則加快了預送氣速度，焊接過程中使焊縫熔池始終處在氬氣保護狀態(tài)下。前氣罩相當于對焊縫進行了反復的預充氣保護，而后氣罩可在熔敷后保證焊縫表面繼續(xù)與空氣進行隔離，焊接電弧燃燒更穩(wěn)定，從而提高了焊縫接頭質(zhì)量，以及焊縫正反面保護質(zhì)量。

3.3 壓輪形式

為了保證優(yōu)化焊接工藝，保證焊接過程中填充環(huán)不會因氣體壓力或應力應變而發(fā)生翹曲，從而降低焊接的熔敷率和焊縫質(zhì)量。K2/K3項目Ω焊縫焊接機新增了三組軸承式壓輪，對焊縫處填充環(huán)進行固定。沿φ148.5圓周布置，三組壓輪固定在支腳上，支腳主要由支座、軸桿、彈簧、壓輪、銷軸、擋圈、導向螺釘組成，如圖9所示。

圖9 壓輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 The schematic diagram of the roller structure

支腳是隨著焊炬一起轉(zhuǎn)動，機頭安裝到位后，壓輪是處在預壓緊狀態(tài)，壓縮量是3 mm，以保證對填充環(huán)的緊固。壓輪除了轉(zhuǎn)動，還可以沿著導向螺釘上下運動，這取決于壓輪的受力大小。壓輪受力大，壓輪隨著軸桿向上，壓輪受力減小，壓輪隨著軸桿向下。如此的設(shè)計是為了保證壓輪的布置，即可在預通氣前進行填充環(huán)位置的微調(diào)，減少由于焊接人員未正確放置填充環(huán)而導致焊后質(zhì)量不滿足要求；其次壓輪隨著壓力的變化而上下浮動也可有效地在焊接過程中對焊縫進行壓緊，減少未焊接區(qū)域的翹起以及以熔合區(qū)域的塌陷。

新增的軸承式壓輪有效地固定了坡口處填充環(huán)的位置，且保證了焊縫焊后余高，有效地提高了焊接的質(zhì)量，也降低了由于人員操作不當造成焊縫質(zhì)量不合格的比率。

需要注意的是為保證壓輪轉(zhuǎn)動順暢及防治鐵素體污染，采用滾針軸承鑲不銹鋼套組合。隨著焊接量的增大，壓輪及銷軸磨損加大，所以需要定期對壓輪及銷軸進行更換，以保障壓輪轉(zhuǎn)動順暢。

4 結(jié)論

1)氬氣純度的提高有效提高了焊縫氣保護的質(zhì)量，清除焊縫處鹵族元素的以及空氣雜質(zhì)的含量，減少了焊接過程的波動；

2)前、后氣罩的設(shè)計對熔化區(qū)域和焊后區(qū)域進行了優(yōu)化保護，減少了焊后區(qū)域在無氣保護的情況下發(fā)生的氧化，提高了焊接質(zhì)量；

3)壓輪形式變更，讓焊接機在填充環(huán)上的焊接更加順暢，減少了因打滑而出現(xiàn)的重復焊接現(xiàn)象，保證了整個焊接過程的均勻性。壓輪材質(zhì)的變化更好地保護了焊后的區(qū)域，減少了焊接過程由于受擠壓而造成的填充環(huán)翹起，提高了焊接的穩(wěn)定性；

4)總結(jié)上述焊接機優(yōu)化方案，可以看出，焊接過程不是一個簡單的加工過程，每一個細節(jié)參數(shù)的變化都將對焊接質(zhì)量產(chǎn)生巨大的影響。在后續(xù)核電廠項目Ω焊縫焊接機的現(xiàn)場使用過程中也會出現(xiàn)各式各樣的問題，要向前期項目及廠內(nèi)的調(diào)試經(jīng)驗學習，從細節(jié)入手，逐步優(yōu)化焊接的設(shè)備、焊接工藝參數(shù)及操作方式，提高Ω焊接機的焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性，最終完成產(chǎn)品驅(qū)動機構(gòu)中部Ω焊縫的焊接工作。