鄭建能 劉玉平 李厚彬 朱永有 何宏宇 徐常順

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

1 泵殼

在核島設備中，冷卻劑泵殼作為核島的“心臟”，推動冷卻劑在核島一回路中不斷循環(huán)，將熱量通過管道帶入蒸發(fā)器，將反應堆裂變產生的熱量傳遞給二回路產生高溫飽和蒸汽用于發(fā)電。泵殼一方面能夠將熱量傳遞給二回路，另一方面能夠防止燃料部件燒毀。泵殼是主泵的機體，為長時間輸送高溫高壓的冷卻劑的核電主泵提供有力支撐與安全保障，泵殼作為承壓容器，受到高頻交變動載荷、溫度場的作用，同時也承受冷卻劑流體沖刷，工況條件極為苛刻，綜合性能要求高。

1.1 泵殼結構簡介

泵殼的設計壓力為17.23 MPa，設計溫度343℃，由泵殼本體、底腳、安全端組成，其中泵殼的本體需要堆焊。泵殼本體外形大致為八方結構，底座為平面，進/出水口外壁為不規(guī)則的回轉面；泵殼本體的內腔不規(guī)則，為一個球面與兩個接管相貫，結構如圖1所示。

圖1 泵殼本體結構示意圖Figure 1 Schematic diagram of pump shell body structure

1.2 堆焊要求

泵殼本體的母材材質牌號為SA508.Gr3.Cl1，由于該材料為合金鋼，不耐腐蝕，因此需要在泵殼本體內腔堆焊不銹鋼以防止在泵殼運行過程中母材被腐蝕。根據設計要求，堆焊材料為309L(一層)+308L(其余層)，堆焊厚度≥5 mm，309L、308L堆焊層化學成分要求見表1。

表1 309L、308L焊絲和熔敷金屬化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of 309L, 308L welding wire and deposited metal (mass fraction, %)

1.3 泵殼項目簡介

該型號泵殼為國內外首次使用，并無相關制造經驗，與該泵殼產品結構最為類似的核電主泵結構見圖2。針對前期型號的泵殼，目前制造廠家采用的堆焊技術方案為：規(guī)則區(qū)域采用帶極堆焊，非規(guī)則區(qū)域使用SMAW堆焊。

圖2 前期型號的泵殼示意圖Figure 2 Schematic diagram of the previous modelof pump shell

對比前期泵殼的內腔結構發(fā)現：前期型號的泵殼內腔面積較小，規(guī)則的區(qū)域多，底座密封面、進水口、出水口沒有變徑區(qū)域，內腔為圓柱體和平面組成。對于規(guī)則區(qū)域可以采用帶極堆焊，不規(guī)則區(qū)域只能采用SMAW進行堆焊。由于堆焊需預熱≥150℃，帶極堆焊、SMAW堆焊均需要操作人員進入泵殼內壁操作，操作環(huán)境惡劣，焊接操作人員勞動強度高，焊接質量控制難度大，且堆焊層的表面容易在水壓試驗后的PT檢測時出現點狀顯示缺陷。

對于圖1的泵殼，其內壁待堆焊面由球面、錐面和球面錐面形成的相貫面組成，泵殼內腔極不規(guī)則，若采用上述堆焊方案，帶極堆焊區(qū)域非常小，SMAW堆焊區(qū)域非常大，焊工勞動強度大，且大面積SMAW堆焊的堆焊層質量也難以保證。

為了解決勞動強度大、堆焊層質量難以控制的問題，結合現有的堆焊技術，最終確定采用全自動雙鎢極氬弧焊堆焊方案，實現泵殼內壁全自動堆焊。

2 制造關鍵技術分析

將圖1所示的泵殼分解來看，可近似地將泵殼內壁曲面看成由多個回轉面相貫組成的幾何曲面，因此在焊接時，泵殼或焊炬需要不斷旋轉以達到自動連續(xù)施焊的目的。

泵殼本體重達32 t，外形不規(guī)則，若采用泵殼旋轉、焊炬固定的方式進行堆焊，則泵殼需要裝配至變位器上，整個過程中需多次起吊泵殼，裝配找正難度大、周期長，且存在安全風險。為解決上述問題，采用泵殼固定的方式進行內壁堆焊。為了實現泵殼在固定不動的情況下進行連續(xù)、自動、高效的堆焊，需要解決以下三個問題：

(1)焊炬的無限回轉；

(2)采用多軸聯(lián)動控制焊接軌跡以實現泵殼內壁全自動的堆焊；

(3)選取高效的堆焊工藝。

2.1 焊炬無限回轉的實現

為了使焊槍進行無限制的回轉以進行連續(xù)的堆焊操作。在焊槍的回轉軸部位，增加了無限回轉機構。無限回轉機構由上下蓋板組成，上下蓋板的不同直徑分別負責電刷、電機、進水回路、出水回路等功能，具有焊接電流、熱絲電流、系統(tǒng)接地、焊炬冷卻水進出、焊炬保護氣的無限制旋轉過程的穩(wěn)定動態(tài)連接和密封能力，同時實現電流、電弧電壓、系統(tǒng)工作邏輯信號、送絲控制信號和焊接視頻信號等的無限制旋轉過程的穩(wěn)定連接，機構簡圖見圖3。該機構的應用徹底解決焊槍連續(xù)旋轉過程中的線束纏繞問題，簡化了設備結構和降低了操作難度。

圖3 無限回轉機構示意圖Figure 3 Schematic diagram of infinite rotary mechanism

2.2 多軸聯(lián)動控制焊接軌跡

由于泵殼設備內表面為復雜曲面，焊接時焊炬的運動軌跡復雜，需采用不同的軸聯(lián)動才能實現泵殼所有位置的自動焊接。

按照圖4，泵殼在以下兩種擺放方式下分別建立坐標系：左圖為以泵殼球心為原點的三維坐標系并增加一個旋轉軸R；右圖為以出口接管的母線和進口、底座母線相交點為原點的三維坐標系并增加一個旋轉軸R。

圖4 泵殼坐標系建立方式Figure 4 The establishment mode of pump shellcoordinate system

2.2.1 圓柱面軌跡設置

要焊接內圓柱面，需要使用Z軸和R軸聯(lián)合控制焊炬。R軸旋轉一周后，將Z軸提高一個變道量。

2.2.2 球面軌跡設置

使用圖4中左側的坐標系，將焊炬的回轉中心定為坐標原點(0，0，0)。配合設備角度的α軸，當R軸旋轉一周時，α軸旋轉一個Δα。為了保持焊接速度恒定，每一次α軸變換后，R軸的角速度也會相應變換。

當堆焊至帶缺口的球面時，根據程序設置啟停弧的位置，能在預定的位置自動啟、?；?。

2.2.3 錐面軌跡的設置

使用圖4中右側的坐標系，將焊炬的回轉中心定為坐標(0，0，Z0)。使用旋轉軸R和高度方向的Z軸聯(lián)動，R軸旋轉一周后Z提高一個ΔZ，角速度也相應降低。

根據2.2.1～2.2.3條設置的曲線，能夠堆焊泵殼大面積的區(qū)域，但圖5中的區(qū)域A為錐面與球面相貫后倒R200 mm倒角組成，該面的數學模型較為復雜，難以通過簡單曲線來設置堆焊軌跡，因此需要借助于弧壓跟蹤(AVC)系統(tǒng)來進行該部位堆焊?；焊櫹到y(tǒng)的工作方式為：通過不斷監(jiān)測焊接時的電壓大小，利用伺服電機和蝸桿來控制機頭，保證焊接時焊接電壓一致即保證焊接時電弧長度始終一致。

圖5 相貫R角部位示意圖Figure 5 Schematic diagram of intersecting angle R

借助于該系統(tǒng)，可以將焊炬的軌跡簡單化，從而進行區(qū)域A的堆焊。

2.3 高效的堆焊工藝

使用了2.1和2.2的技術方案后，為了能夠在保證質量的情況下提高生產效率，對比目前各種焊接工藝，最終確定選擇雙鎢極堆焊工藝進行泵殼內壁的堆焊。

雙鎢極焊槍頭由互成一定夾角的主、從兩個鎢極組成，參見圖6。為了徹底掌握該焊接工藝，在產品焊接前，進行了系列試驗，以徹底掌握該焊接工藝。

圖6 雙鎢極機頭Figure 6 Double-tungsten electrode machine head圖7 復合電弧原理Figure 7 Principle of composite arc

2.3.1 形成復合電弧

如圖7所示，復合電弧原理如下：電弧1和電弧2分別為單電弧，電弧吹力直接垂直于工件表面，但中間1+2電弧為復合電弧，由于兩個電弧各自產生磁感線后，兩個電弧分別會受到磁場的作用，導致兩個電弧會復合形成一個電弧。形成復合電弧前的兩個電弧的電磁吹力會和工件表面形成一定夾角，且兩個電弧的電弧吹力在平行于待焊工件的表面的分力方向相反，這樣會降低垂直于工件方向的電弧吹力，減小熔深，降低堆焊層的稀釋率。

2.3.2 鎢極間距對焊縫的影響

在焊接試驗階段發(fā)現，通過在一定范圍內調節(jié)鎢極間距能夠控制堆焊層的熔深。其電弧間距越大，兩個電弧的電弧吹力在平行于待焊工件的表面方向的分力越大，垂直方向的電弧吹力越小，熔池的熔深越小。

2.3.3 熔深對比

為了對比雙鎢極工藝的熔深，在保持焊接速度、電源極性、焊接電壓一致的情況下，按照單鎢極電流300A和雙鎢極電流150A+150A的情況下進行了熔深測量試驗，發(fā)現單鎢極的熔深較大達到了2.98 mm，而雙鎢極的熔深僅為1.44 mm。

2.3.4 鎢極連線的方向與焊接方向的夾角對堆焊層的影響

在焊接過程中，發(fā)現兩個鎢極的連接線與焊接方向的夾角能夠控制焊縫的寬度，當鎢極連線平行于焊接方向時焊縫寬度較大，且焊縫的焊接質量良好，未出現咬邊等情況，焊縫邊緣圓滑，焊縫潤濕角較小；若采用鎢極連線垂直于焊接方向的方式進行焊接，則焊道較窄，焊道成型質量較差，出現咬邊，焊縫潤濕角較大，焊接質量差。

2.3.5 堆焊效率

在理想的工況下，平焊位置焊接時，不銹鋼焊絲(規(guī)格?1.2 mm)的送絲量可高達12 m/min，其效率可與MIG焊媲美。

3 焊接規(guī)范評定

由于傳統(tǒng)的GTAW(單鎢極)的工藝性較好，焊接質量、對母材性能影響均能滿足要求，因此分別進行了單鎢極和雙鎢極不銹鋼堆焊的評定。通過工藝評定試驗，得到了在SA508.Gr3.Cl1鋼上，使用ER309L(第一層，規(guī)格?1.2 mm)和ER308L(其余層，規(guī)格?1.2 mm)的單、雙鎢極的焊接規(guī)范，規(guī)范見表2和3。

表2 單鎢極不銹鋼堆焊規(guī)范Table 2 Specification for build-up welding of stainless steel with single tungsten pole

從表2和表3中熱輸入量來看，雙鎢極的熱輸入量大概為單鎢極的40%。

表3 雙鎢極不銹鋼堆焊規(guī)范Table 3 Specification for build-up welding of stainless steel with double tungsten poles

3.1 評定件無損檢測

為了驗證評定試驗試板的堆焊層質量，使用上游設計院的無損檢測標準對堆焊后的堆焊層進行目視、PT、UT檢測，結果均合格。

3.2 評定件有損檢測

為了驗證評定件試板的理化性能，分別采用單、雙鎢極的焊接方法，使用ER309L和ER308L焊絲(規(guī)格?1.2 mm)，在材料為SA508.Gr3.Cl1的試板上進行了堆焊，對比單鎢極堆焊焊道，雙鎢極堆焊焊道表面飽滿，焊縫上下邊緣整齊，潤濕角較小。

焊接結束后，對單、雙鎢極堆焊評定試板解剖后進行理化性能檢驗，結果表4～表8。

表4 評定試件化學分析及鐵素體計算結果Table 4 The results of chemical analysis and ferrite of evaluated specimens

表5 評定試件彎曲試驗結果Table 5 The bending test results of evaluated specimens

從表4～表8中可以看出，單鎢極、雙鎢極堆焊的堆焊層、熱影響區(qū)性能沒有明顯差別，均能滿足相關要求。在表6的母材熱影響區(qū)的沖擊試驗中，雙鎢極18個沖擊試樣沖擊平均值為229.6 J，單鎢極18個沖擊試樣沖擊平均值為178.2 J，兩者數據均合格，但由于雙鎢極堆焊相比于單鎢極堆焊，其熱輸入量更小，對母材的影響也更小，所以雙鎢極堆焊母材熱影響區(qū)的沖擊試樣的平均值略高。

表6 評定試件低合金母材熱影響區(qū)沖擊試驗結果Table 6 The impact test results of the heat affected zone of low alloy base metal of evaluated specimens

表7 評定試件晶間腐蝕試驗結果Table 7 The test results of intergranular corrosion of evaluated specimens

表8 評定試件金相檢驗結果Table 8 The metallographic test results of evaluated specimens

3.3 堆焊層微觀組織

為了觀察單、雙鎢極的堆焊層、母材、熱區(qū)的微觀結構是否有區(qū)別，將堆焊層的三區(qū)部位解剖后，分別在放大200倍的顯微鏡下觀察，結果見圖8。

圖8 堆焊層及母材、熱影響區(qū)顯微組織(200×)Figure 8 Microstructure of build-up welding layer and base material and heat affected area(200×)

通過圖8發(fā)現，母材和熱影響區(qū)的組織均為回火貝氏體；堆焊層組織均為奧氏體+鐵素體。

放大觀察未發(fā)現微裂紋和沉淀物。兩種堆焊方法獲得的試樣在放大情況下，無明顯區(qū)別。

3.4 小結

(1)通過使用PLC數控系統(tǒng)設置合理的焊接軌跡配合無限回轉技術和弧壓跟蹤技術，能夠實現泵殼復雜內腔的全自動堆焊。

(2)單、雙鎢極堆焊的試板，其性能無明顯差別，但由于雙鎢極熱輸入量較小，其母材熱影響區(qū)的沖擊試樣平均值略高于單鎢極堆焊的母材熱影響區(qū)的沖擊平均值。

(3)單、雙鎢極堆焊的試板，取試后，在放大情況下觀察，無明顯區(qū)別。

(4)雙鎢極的堆焊效率遠高于單鎢極的堆焊效率。

4 生產應用

按照圖9所示，堆焊過程將泵殼分三個狀態(tài)進行擺放。每一個擺放方向分別在預熱150℃下依靠程序設定的軌跡自動地完成對應區(qū)域的堆焊工作，最終堆焊完成整個泵殼內腔。整個堆焊過程，操作人員僅需通過攝像頭觀察焊縫，無需進入泵殼內部，自動化程度高，能夠極大地降低工作強度。對于能夠連續(xù)堆焊的區(qū)域，利用無限回轉實現連續(xù)不?；〉亩押?。通過無限回轉的精確啟停功能控制堆焊邊緣焊道飽滿，成型美觀。

圖9 泵殼三個堆焊狀態(tài)示意圖Figure 9 Schematic diagram of three surfacing status of pump shell

5 結語

(1)單鎢極和雙鎢極堆焊得到的堆焊層質量、性能、微觀組織沒有明顯區(qū)別。

(2)雙鎢極堆焊時實際送絲速度約為5 m/min，單鎢極堆焊時實際送絲速度約為1.2 m/min，因此雙鎢極熔覆效率約為單鎢極的4倍。

(3)利用上述技術方案，能夠實現泵殼復雜曲面的全自動堆焊，目前承制的6臺產品泵殼和1臺試驗泵殼的不銹鋼堆焊工作均順利完成。

(4)采用全自動堆焊，人員通過顯示器觀察進行操作，焊接質量穩(wěn)定、可靠；人員無需進入加熱的泵殼內部進行焊接操作，減少了焊接操作人員的勞動強度，改善了人員的操作環(huán)境。

(5)全自動雙鎢極氬弧焊能夠運用于其它復雜回轉曲面工件的堆焊，適應性較好。