沈天闊，邵善家，郭寶超，鄒小平，邱振生，邢會(huì)平，米大為，卜佳煒，陳寶洪，潘長建，鄭兵德，熊丹丹

1.中廣核工程有限公司 廣東深圳 518124

2.上海第一機(jī)床廠有限公司 上海 200120

3.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司 廣東深圳 518000

1 序言

隨著我國核電事業(yè)的發(fā)展，核電設(shè)備的可靠性與長期服役性顯得至關(guān)重要。核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是壓水堆主設(shè)備，壓水堆的有效服役與控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量密切相關(guān)[1]?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Canopy焊縫是控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼部件與管座連接的主要焊縫，該焊縫的性能決定了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能否有效長期服役[2]。

傳統(tǒng)方法一直采用進(jìn)口拉拔Y形環(huán)進(jìn)行Canopy焊縫焊接，但進(jìn)口拉拔Y形環(huán)價(jià)格昂貴。另外，Y形環(huán)形狀奇特，且尺寸要求嚴(yán)格，國外供應(yīng)商依靠精密工裝，對φ5.5mm盤條拉拔制成Y形截面的焊絲，再利用彎曲工藝將Y形截面的焊絲彎制成Y形環(huán)[3]。目前，國內(nèi)對Y形環(huán)的研制很少，由于模具精度及工藝原因，很難制造出滿足要求的Y形填充環(huán)，因此無法采用與國外相同工藝來制造Y形環(huán)[4]。因此，為滿足核電站現(xiàn)場試驗(yàn)及維修更換需求，采用機(jī)械加工方式制造Y形環(huán)，進(jìn)而替代進(jìn)口拉拔Y形環(huán)勢在必行。

本文采用兩種機(jī)械加工Y形環(huán)和一種進(jìn)口拉拔Y形環(huán)進(jìn)行Canopy焊縫焊接，從點(diǎn)焊工藝、裝配間隙、焊縫成形、金相檢測及水壓試驗(yàn)等進(jìn)行對比分析，為機(jī)械加工Y形環(huán)應(yīng)用于核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Canopy焊縫提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

2 試驗(yàn)條件及方法

2.1 母材與焊接材料的選擇

試件所用母材為022C r19N i10N不銹鋼，兩側(cè)母材近似管狀，分別為耐壓殼側(cè)模擬件、管座側(cè)模擬件，焊接坡口處外徑163.57m m，壁厚1.9mm。焊接材料為機(jī)械加工Y形環(huán)、機(jī)械加工Y形環(huán)（控公差）及拉拔Y形環(huán)，材質(zhì)為308L不銹鋼。試驗(yàn)用材料主要化學(xué)成分見表1。Y形環(huán)規(guī)格為φ163.6mm×φ159.5mm，截面近似Y形，如圖1所示。從表1可看出，試驗(yàn)用母材與焊接材料化學(xué)成分相近，主要含有Cr、Ni元素。機(jī)械加工Y形環(huán)與拉拔Y形環(huán)相比，主要化學(xué)成分含量相當(dāng)，機(jī)械加工Y形環(huán)的P、S含量低于拉拔Y形環(huán)。機(jī)械加工Y形環(huán)、機(jī)械加工Y形環(huán)（控公差）、拉拔Y形環(huán)主要尺寸實(shí)測值見表2。由表2可知，機(jī)械加工Y形環(huán)開口尺寸4.50～4.72mm，明顯大于拉拔Y形環(huán)開口尺寸4.10～4.20mm；另外，機(jī)械加工Y形環(huán)環(huán)高4.03～4.12mm，相較拉拔Y形環(huán)環(huán)高3.80～4.10mm尺寸下限也偏大。鑒于機(jī)械加工Y形環(huán)偏大，對Y形環(huán)尺寸進(jìn)行收公差控制。機(jī)械加工Y形環(huán)（控公差）各尺寸與拉拔Y形環(huán)更加接近，已無明顯尺寸差別；另外，機(jī)械加工Y形環(huán)、機(jī)械加工Y形環(huán)（控公差）為整圈環(huán)，無開口；拉拔Y形環(huán)采用拉拔成形后彎曲制成，每個(gè)環(huán)存在一個(gè)開口，如圖2所示。

圖1 Y形環(huán)尺寸要求

圖2 Y形環(huán)實(shí)物

表1 試驗(yàn)用材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 3種Y形環(huán)主要尺寸實(shí)測值 （mm）

2.2 焊接工藝

（1）Canopy焊縫焊接流程 首先，焊前對試件用酒精進(jìn)行清洗，去除油污。然后，用專用工裝將Y形環(huán)定位焊在耐壓殼側(cè)模擬件上，如圖3所示。再將裝配好Y形環(huán)的耐壓殼側(cè)模擬件，安裝到專用焊機(jī)上，通過旋轉(zhuǎn)耐壓殼側(cè)模擬件，調(diào)整Y形環(huán)與下側(cè)管座側(cè)模擬件的裝配間隙到0.04～0.25mm，焊前采用正面保護(hù)氣罩驅(qū)氣的方式實(shí)現(xiàn)背面保護(hù)，焊前驅(qū)氣時(shí)間一般為15min，氣體為Ar，純度99.999%。

圖3 Y形環(huán)定位焊裝配示意

（2）定位焊工藝的區(qū)別 綜上可知，Canopy焊縫焊前需采用專用工裝進(jìn)行定位，選用手工TIG焊進(jìn)行，焊接參數(shù)見表3。圖4a所示為定位焊專用工裝，定位焊時(shí)將耐壓殼側(cè)模擬件與Y形環(huán)安裝在該專用工裝內(nèi)，沿工裝上預(yù)留的孔隙進(jìn)行手工定位焊接。定位焊后實(shí)物如圖4b所示，焊點(diǎn)間隔20～30mm，焊點(diǎn)尺寸≤3mm，均布在整個(gè)Y形環(huán)圓周內(nèi)側(cè)上。

圖4 定位焊實(shí)物

表3 手工TIG焊焊接參數(shù)

另外，對于拉拔Y形環(huán)，由于整圈環(huán)上有個(gè)開口，為保證開口處Y形環(huán)定位焊牢固，需在開口處密集定位焊接4個(gè)焊點(diǎn)，4個(gè)焊點(diǎn)之間不得粘連，如圖5所示。

圖5 拉拔Y形環(huán)定位焊示意

對于拉拔環(huán)開口處密集的4個(gè)焊點(diǎn)，因?yàn)楹更c(diǎn)間距很小，所以無法在專用工裝上實(shí)現(xiàn)。由于Y形環(huán)定位焊處厚度僅1.15mm，開口處密集4個(gè)焊點(diǎn)易熔穿Y形環(huán)內(nèi)壁，因此定位焊難度高。而機(jī)械加工Y形環(huán)，由于沒有開口，在專用工裝上即可完成定位焊，因此難度降低，效率提高。

（3）焊接過程裝配間隙的區(qū)別 定位焊完成后，需調(diào)整Y形環(huán)與管座側(cè)模擬件裝配間隙，焊前采用正面保護(hù)氣罩驅(qū)氣的方式來實(shí)現(xiàn)背面保護(hù)，然后用PC 300型Canopy專用焊機(jī)進(jìn)行焊接，3種Y形環(huán)焊接參數(shù)一致。自動(dòng)TIG焊焊接參數(shù)見表4。

表4 自動(dòng)TIG焊焊接參數(shù)

由于保護(hù)氣體是通過Y形環(huán)與管座側(cè)模擬件的裝配間隙進(jìn)入焊縫背面來實(shí)現(xiàn)背面保護(hù)，所以Y形環(huán)與管座側(cè)模擬件的裝配間隙大小直接影響背面保護(hù)效果。正常裝配間隙時(shí)，背面保護(hù)良好，焊縫背面呈金黃色或銀白色，如圖6a所示。當(dāng)裝配間隙接近0.04mm下限時(shí)，由于較小的裝配間隙，會(huì)使背面保護(hù)不良，導(dǎo)致焊縫背面發(fā)黑，如圖6b所示。當(dāng)裝配間隙接近上限0.25mm時(shí)，由于本身焊接時(shí)，焊接位置為橫焊，焊縫會(huì)在重力作用下往下偏移，因此無法得到成形良好的焊縫[5]。

圖6 焊縫背面形貌

經(jīng)多組試驗(yàn)得出3種Y形環(huán)與管座側(cè)適用的裝配間隙，見表5。

表5 3種Y形環(huán)與管座側(cè)適用的裝配間隙 （mm）

由表5 可知，拉拔Y 形環(huán)、機(jī)械加工Y 形環(huán)（控公差）與管座側(cè)適用的裝配間隙均為0.06～0.20mm，無差別；而機(jī)械加工Y形環(huán)與管座側(cè)適用的裝配間隙為0.12～0.20mm，間隙范圍收窄。這是由于機(jī)械加工Y形環(huán)開口尺寸明顯大于拉拔Y形環(huán)、機(jī)械加工Y形環(huán)（控公差），采用正面保護(hù)氣罩驅(qū)氣時(shí)，Y形環(huán)開口處擋住了更多的保護(hù)氣進(jìn)入焊縫內(nèi)側(cè)，使得在裝配間隙較小時(shí)，只有更少量保護(hù)氣通過裝配間隙進(jìn)入焊縫內(nèi)側(cè)，因此無法實(shí)現(xiàn)有效背面保護(hù)。

根據(jù)核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品Canopy焊縫焊接經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際定位焊好Y形環(huán)的耐壓殼側(cè)與管座側(cè)裝配間隙，由旋轉(zhuǎn)耐壓殼側(cè)至一定力矩決定，一般產(chǎn)品裝配間隙為0.06～0.15mm。機(jī)械加工Y形環(huán)（控公差）與管座側(cè)適用的裝配間隙可以更好地滿足現(xiàn)場產(chǎn)品焊接需求。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 焊縫宏觀形貌

用光學(xué)顯微鏡對3種Y形環(huán)Canopy焊縫截面宏觀形貌進(jìn)行觀察，如圖7所示。由圖7可看出，3種Y形環(huán)熔成的Canopy焊縫成形良好，焊縫寬度均勻，焊縫與母材冶金結(jié)合良好，具有明顯的分界線[6]。該核電控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品Canopy焊縫要求為焊縫表面寬度6.5～9mm，焊縫背面寬度≥3.5mm。根據(jù)以上要求，對3種Y形環(huán)焊縫表面及背面寬度等進(jìn)行了測量，結(jié)果見表6。

圖7 Canopy焊縫截面宏觀形貌

表6 3種Y形環(huán)焊縫尺寸測量結(jié)果 （mm）

由表6可看出，機(jī)械加工Y形環(huán)熔成的Canopy焊縫表面寬度明顯大于機(jī)械加工Y形環(huán)（控公差）和拉拔Y形環(huán)，這是由于機(jī)械加工Y形環(huán)開口尺寸明顯大于拉拔Y形環(huán)、機(jī)械加工Y形環(huán)（控公差），在焊縫熔凝過程中，較大的Y形環(huán)開口熔凝成的焊縫表面變寬。另外，機(jī)械加工Y形環(huán)熔成的Canopy焊縫平均厚度也比機(jī)械加工Y形環(huán)（控公差）和拉拔Y形環(huán)偏大，這是由機(jī)械加工Y形環(huán)環(huán)高較大所致。3種Y形環(huán)焊縫背面寬度、焊縫平均厚度/焊縫表面寬度比值無明顯差異。

3.2 焊縫微觀形貌

用光學(xué)顯微鏡對3種Y形環(huán)Canopy焊縫截面微觀組織進(jìn)行觀察，如圖8所示。

圖8 Canopy焊縫截面組織

由圖8可看出，3種Y形環(huán)熔成的Canopy焊縫組織主要由骨架狀鐵素體與快速凝固的柱狀?yuàn)W氏體組成，無明顯差別[7]。由圖8a、c可看出，柱狀?yuàn)W氏體組織生長具有明顯的方向性，這與焊縫熔凝過程有關(guān)，焊縫組織按與熔池散熱方向相反的方向生長，即焊縫組織由熱影響區(qū)向焊縫中心生長，由熱影響區(qū)向焊縫中心生長的這部分組織具有一定的方向性[8]。由圖8b可看出，柱狀?yuàn)W氏體組織和骨架狀?yuàn)W氏體組織交錯(cuò)在一起，沒有明顯的方向性。分析認(rèn)為，這與微觀組織觀察的區(qū)域有關(guān)，該部分組織更加靠近焊縫中心區(qū)域，由于焊縫中心區(qū)域散熱無方向性，所以焊縫組織生長也沒有明顯方向性[9]。

3.3 水壓滲漏試驗(yàn)

對3種Y形環(huán)熔成的Canopy焊縫進(jìn)行水壓滲漏試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如下：環(huán)境溫度20.4℃；試驗(yàn)介質(zhì)A級水，介質(zhì)溫度20℃；先升到12MPa，保持壓力5min；再升到23.1～23.3MPa，保持壓力20min；最后降壓至12MPa，保持壓力5min后，卸壓至常壓。3種Y形環(huán)熔成的Canopy焊縫，經(jīng)23.1～23.3MPa水壓試驗(yàn)后，Canopy焊縫表面均無滲漏，無可見變形，水壓試驗(yàn)結(jié)果合格。

4 結(jié)束語

通過對不同Y形環(huán)應(yīng)用于核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Canopy焊縫焊接工藝及焊縫性能的研究，得出如下結(jié)論。

1）機(jī)械加工Y形環(huán)定位焊工藝優(yōu)于拉拔Y形環(huán)，定位焊難度降低，效率更高。

2）機(jī)械加工Y形環(huán)（控公差）、拉拔Y形環(huán)與管座側(cè)適用的裝配間隙為0.06～0.20mm，比機(jī)械加工Y形環(huán)裝配間隙范圍大，更適合工程實(shí)際應(yīng)用。

3）3種Y形環(huán)熔成的Canopy焊縫組織主要由骨架狀鐵素體與快速凝固的柱狀?yuàn)W氏體組成，無明顯差異。

4）經(jīng)23.1～23.3MPa水壓試驗(yàn)，3種Y形環(huán)熔成的Canopy焊縫表面無滲漏，無可見變形。