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

■ 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(duì)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(dòng)性及浸潤(rùn)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(cè)要求

鈷基合金堆焊前，對(duì)基材待焊面應(yīng)按照RCC-M MC4000進(jìn)行PT檢測(cè)，待焊面不得有任何顯示。鈷基合金堆焊完成后，應(yīng)對(duì)堆焊面進(jìn)行PT檢測(cè)，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(duì)堆焊層最終機(jī)加后，需要再次對(duì)堆焊區(qū)域進(jìn)行PT檢測(cè)，不得有任何線性顯示及＞3mm的圓形顯示。雖然對(duì)鈷基合金堆焊焊縫無需進(jìn)行UT、RT等檢測(cè)，但最終機(jī)加工后的PT檢測(cè)，將可能導(dǎo)致內(nèi)部缺陷表面化，而出現(xiàn)PT檢測(cè)不合格。如果最終機(jī)加后PT檢測(cè)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(cè)及宏觀金相檢測(cè)，硬度平均值要求為39～47HRC，宏觀金相檢測(cè)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(duì)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(píng)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(duì)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(duì)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(duì)封閉的場(chǎng)所，且不能開啟風(fēng)扇，以免影響氣體保護(hù)效果。施焊場(chǎng)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(cè)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(hào)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(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)性差，浸潤(rùn)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(duì)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(duì)提高鈷基合金堆焊質(zhì)量具有一定的指導(dǎo)作用。