核電站堆內(nèi)構(gòu)件鎖緊銷點焊工藝

夏超

（國核工程有限公司，上海200233）

核電站堆內(nèi)構(gòu)件鎖緊銷點焊工藝

夏超

（國核工程有限公司，上海200233）

控氮不銹鋼和鎳基合金的材質(zhì)性能優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于核電站內(nèi)重要部件。通過分析討論焊接工藝評定過程，詳細闡述兩種材質(zhì)的焊接特性，并著重介紹了接頭形式、焊材選擇、焊接方法選擇以及焊接參數(shù)設(shè)置，使用工藝評定試驗來驗證各項參數(shù)的合理性。在評定試件的破壞性試驗過程中發(fā)現(xiàn)了鎳基合金的焊接未熔合缺陷，經(jīng)過對部件形狀和工藝參數(shù)多方面分析后，找到缺陷產(chǎn)生的原因，針對性地調(diào)整工藝參數(shù)和操作方法，最終獲得優(yōu)質(zhì)滿意的焊縫。

堆內(nèi)構(gòu)件；鎖緊銷；控氮不銹鋼；鎳基合金

0 前言

壓水堆核電站M310型在建造過程中，堆內(nèi)構(gòu)件現(xiàn)場安裝涉及鎖緊銷防松點焊，包含兩種工藝9類接頭形式，兩種工藝分別為A型Z2CN19-10（控氮）不銹鋼鎖緊銷點焊和B型NC15Fe鎳基合金鎖緊銷點焊。核電設(shè)備的工況環(huán)境復(fù)雜，高溫、高壓、冷熱循環(huán)大?？氐讳P鋼抗晶間腐蝕能力強，且具有較高的強度；鎳基合金耐熱、耐酸、耐應(yīng)力腐蝕；兩種材料被廣泛用于核電站堆內(nèi)構(gòu)件等重要部件上。這兩種材質(zhì)的焊接工藝在工程現(xiàn)場使用之前需要經(jīng)過嚴格的工藝評定并合格，在此從焊接工藝評定的角度，從材料分析、焊接方法選擇、焊材選擇、工藝參數(shù)設(shè)置、試驗檢測等各個方面逐層闡述，分析兩種材料的特殊性，并總結(jié)獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的關(guān)鍵因素。

1 點焊的重要性

核電站一旦投入運行，堆內(nèi)構(gòu)件便一直處于高溫、高壓、高輻射、冷熱循環(huán)以及持續(xù)振動的封閉工況環(huán)境中，螺栓作為各部件的連接件必須有很高的可靠性，如果松動脫落進入一回路循環(huán)系統(tǒng)不但會對設(shè)備造成極大破壞，而且會迫使停堆檢修，帶來巨大的經(jīng)濟損失。鑒于以上原因，設(shè)計規(guī)定連接螺栓采用鎖緊銷點焊、嵌入銷點焊及螺帽直接點焊三種方法做防松處理。由于部件特殊、材質(zhì)特殊、焊接位置特殊，一般的焊接工藝不能覆蓋現(xiàn)場施工，因此采用具有代表性的鎖緊銷接頭形式進行點焊工藝評定。

2 材料焊接性分析

Z2CN19-10（控氮）不銹鋼屬于超低碳奧氏體不銹鋼[1]，具有奧氏體不銹鋼相似的焊接性，在任何溫度下都不會發(fā)生相變，對氫脆不敏感，在焊態(tài)下有較好的塑性和韌性。但焊接過程中如果控制不當(dāng)也會出現(xiàn)一些問題，如焊接熱裂紋、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、脆化等，其導(dǎo)熱性能差，線膨脹系數(shù)大，焊接應(yīng)力及變形大[2]。其化學(xué)成分中含有一定量的N元素，通過N元素的固溶強化作用提高材料強度，化學(xué)成分如表1所示。

表1 Z2CN19-10（控氮）不銹鋼化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of Z2CN19-10N.S. %

鎳基合金按照主要性能可分為鎳基耐熱合金、鎳基耐蝕合金、鎳基耐磨合金、鎳基精密合金及鎳基記憶合金。NC15Fe屬于鎳基耐熱合金，是因康鎳（Ni-Cr-Fe）系列，在650℃～1 000℃高溫下有較高的強度和一定抗氧化腐蝕能力，常用于制造核反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件等高溫零部件。鎳基合金在焊接過程中常出現(xiàn)熱裂紋，形成機理是由于鎳和鐵的二元共晶物中有較多的低熔點金屬共晶物和非金屬共晶物，當(dāng)焊縫結(jié)晶時，低熔點共晶物的液態(tài)膜殘留在晶界區(qū)，同時鎳及鎳合金線膨脹系數(shù)大，焊接時易產(chǎn)生較大的應(yīng)力，焊縫結(jié)晶時低熔點共晶物的液態(tài)膜在收縮應(yīng)力作用下開裂而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生[3-4]。NC15Fe化學(xué)成分如表2所示。

表2 NC15Fe化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of NC15Fe %

3 焊接工藝評定

3.1 焊接方法

奧氏體不銹鋼和鎳基合金的焊接方法通常可以采用焊條電弧焊、鎢極氬弧焊或熔化極惰性氣體保護焊。焊條電弧焊勞動條件差，焊后需要清渣；熔化極惰性氣體保護焊設(shè)備較復(fù)雜，操作性差。比較可知，鎢極氬弧焊熱輸入小，適宜薄板及敏感材料焊接[2]；氬氣保護效果好，熱源集中且具有冷卻作用；不需要清渣，適合全位置；工藝性能好，成形美觀。

根據(jù)實際情況，堆內(nèi)構(gòu)件鎖緊銷是小尺寸部件，焊接端最大直徑僅為φ7.981 mm，現(xiàn)場點焊時，操作空間有限，且施工區(qū)域已建立清潔保護區(qū)，防污染防異物要求高。考慮材料特性，奧氏體不銹鋼和鎳基合金焊接時都需要較小的熱輸入量來防止裂紋、變形、過度氧化、元素?zé)龘p等缺陷產(chǎn)生，同時考慮操作的方便性，選擇鎢極氬弧焊進行點焊工藝評定。

3.2 接頭形式

根據(jù)工程現(xiàn)場實際部件尺寸制作模擬件，每個接頭形式包括三個部件，即模擬墊圈、模擬螺栓和模擬鎖緊銷。鎖緊銷兩端與墊圈連接處為防松點焊位置。A型鎖緊銷焊接接頭形式如圖1所示，B型鎖緊銷焊接接頭形式如圖2所示。

圖1 A型鎖緊銷接頭形式Fig.1 Type of A locking pin

3.3 焊接位置

為了能夠覆蓋產(chǎn)品全位置的焊接施工，根據(jù)工程實際情況，在垂直平面內(nèi)，A型鎖緊銷按水平、豎直、45°三種位置評定，B型按鎖緊銷豎直位置評定，每種焊接位置制作2個評定件。

圖2 B型鎖緊銷接頭形式Fig.2 Type of B locking pin

3.4 焊材選擇

通常奧氏體不銹鋼和鎳基耐熱合金鋼選用焊材時主要考慮焊材熔敷金屬的化學(xué)成分與母材相近。Nb元素對鎳基合金的作用可作為參考，Nb元素能起到穩(wěn)定焊縫、增強焊縫金屬耐晶間腐蝕能力的作用，但需要存在一定量的Mn元素以抑制Nb元素對晶間裂紋的影響。工藝評定選擇ER308L和ERNiCr3焊絲分別進行Z2CN19-10（控氮）和NC15Fe的焊接，兩種牌號焊絲的化學(xué)成分如表3所示。氬氣純度大于等于99.99%。

3.5 焊接工藝參數(shù)

焊接工藝參數(shù)以控制較低線能量為目的，設(shè)置了較低的電流、電壓和焊接速度，焊接工藝參數(shù)如表4所示。

3.6 焊接過程控制

（1）制定焊接工藝指導(dǎo)書，評定前對焊工進行技術(shù)交底。

（2）清潔試件表面、焊絲表面，去除污染物，使待焊部件充分干燥。

表3 ER308L和ERNiCr3焊絲化學(xué)成分Tab.3 Chemical composition of ER308L and ERNiCr3 %

表4 焊接參數(shù)設(shè)置Tab.4 Welding parameter setting %

（3）評定操作間配備溫度計、濕度表、不銹鋼錘、不銹鋼銼刀、不銹鋼絲刷、不銹鋼砂輪片等，A型與B型工具分開使用。

（4）評定操作間配備遮擋設(shè)施防風(fēng)，焊接時控制環(huán)境風(fēng)速小于等于2 m/s。

（5）模擬墊圈點焊固定在工裝上防止移動。

（6）采用小電流，快速焊，減小焊接熱輸入量。

（7）嚴格控制環(huán)境溫度不低于-10℃，相對濕度小于等于90%，焊件溫度大于等于5℃，層間溫度小于等于100℃。

（8）焊縫不能高于模擬墊圈表面，焊接收弧后繼續(xù)送氣3～5 s。

（9）細小缺陷用不銹鋼銼刀輕輕去除，嚴禁錘擊試件。

4 評定結(jié)果

4.1 外觀檢測

焊后采用10倍放大鏡對8個評定件的16條焊縫進行目視檢查，無裂紋、夾鎢、凹坑、表面氣孔等缺陷，焊縫寬度大于或等于鎖緊銷直徑，焊縫無咬邊，檢查結(jié)果符合RCC-M標準外觀檢查的相關(guān)規(guī)定。

4.2 鐵素體含量測定

按RCC-M標準規(guī)定，奧氏體不銹鋼焊縫的δ鐵素體含量應(yīng)為5%～15%[5]，因此采用磁性法對A型評定件每處焊縫進行測定，每處焊縫測3個點，沿鎖緊銷軸線方向分布，測定結(jié)果合格，見表5。

表5 A型評定件δ鐵素體測定結(jié)果Tab.5 Delta ferrite measurement results of A type %

4.3 破壞性試驗

鎖緊銷點焊的作用為限制螺栓松動，非主要受力部件，設(shè)計標準規(guī)定，僅對評定件進行宏觀金相檢驗（10×）和微觀金相檢驗（450×）。宏觀金相要求無未熔合、未焊透、裂紋、氣孔和夾渣，微觀金相要求無微裂紋和影響接頭性能的沉淀物。

試驗取樣方法為沿鎖緊銷軸線將評定件剖為兩個試樣，逐個試樣進行檢驗。A型評定件6個全部合格，B型評定件其中一個試件的焊縫一端出現(xiàn)根部未熔合，如圖3所示。

5 工藝分析與改進

根據(jù)評定結(jié)果進行原因分析，B型評定件焊接位置為鎖緊銷豎直，點焊時，一端為仰角焊縫另一端為平角焊縫，不合格焊縫屬于仰角焊縫。從部件形狀分析，銷端部截面為長方形，包角時若熔深不夠、過渡不充分會形成不熔合；從材料的焊接性分析，NC15Fe鎳基合金焊縫金屬表面張力大，流動性差，焊接過程中為了防止產(chǎn)生裂紋，采用了小電流、低電壓、快速焊的操作工藝，可能存在母材熔合不夠充分，仰角位置熔滴在重力影響下加大了根部不熔合趨勢。

圖3 根部未熔合Fig.3 Root incomplete fusion

針對以上原因，在改進工藝中對于仰角焊縫適當(dāng)提高電流2～5 A以保證母材根部熔化。焊至包角位置和根部間隙較大處時適當(dāng)降低焊把移動速度。適當(dāng)調(diào)節(jié)氬氣流量，既托住熔滴又使熔池金屬充分攪動和滲透。收弧時多加幾次熔滴填滿弧坑。

按照改進的工藝，重新焊接了兩個B型評定件，外觀檢查、破壞性試驗均合格。

6 結(jié)論

Z2CN19-10（控氮）不銹鋼和NC15Fe鎳基合金在焊接工藝上相似，宜采用小電流、低電壓、快速焊的操作工藝。Z2CN19-10（控氮）可焊性較好，有效控制層間溫度和焊接熱輸入量可獲得優(yōu)質(zhì)焊縫；NC15Fe可焊性較差，在仰焊位置易出現(xiàn)根部未熔合，需改變操作方法和適當(dāng)調(diào)整工藝參數(shù)方可獲得合格焊縫。

[1]陳磊，陳龍鶴.核電站控氮不銹鋼Z2CN19-10焊接技術(shù)[J].電站輔機，2011，3（32）：40，42.

[2]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002：349，1055.

[3]孫桂英.鎳及鎳合金焊接施工工藝[J].化學(xué)工程與裝備，2009（4）：82.

[4]杜敏.鎳基合金焊接施工工藝綜述[J].石油化工建設(shè)，2008，4（30）：44.

[5]RCC-M 2000年版+2002年補遺.壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計建造規(guī)則[S].

Spot welding technology of locking pin of nuclear reactor internals

XIA Chao
（State Nuclear Power Engineering Company，Shanghai 200233，China）

Because of the excellent material properties，the nitrogen controlled stainless steel and nickel base alloy are widely applied to the important parts of nuclear power station.Through the exploration of the whole welding procedure qualification，the welding characteristics of two kinds of materials are elaborated，and the joint type，selection of welding material，selection of welding method and welding parameters setting are emphatically introduced.Procedure qualification test is used to verify the rationality of the various parameters.In the process of destructive test of test specimen，the welding incomplete fusion defect of nickel base alloy is discovered，and the causes is found out by analyzing the parts shape and various parameters.The high quality welds are obtained eventually by adjusting welding parameter and operating method.

reactor internals；locking pin；nitrogen controlled stainless steel；nickel base alloy；spot welding

TG111

：A

1001-2303（2015）09-0152-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.34

2015-03-03；

2015-04-10

夏 超（1981—），男，四川廣安人，工程師，學(xué)士，主要從事壓水堆核電主管道、波動管主蒸汽管道焊接技術(shù)與管理工作。