三代核電控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉤爪鈷基堆焊工藝研究

（上海第一機(jī)床廠(chǎng)有限公司，上海201306）

0 前言

鈷鉻合金是以鈷元素為基體的合金，一般稱(chēng)為鈷基合金。相對(duì)于鐵基、鎳基合金堆焊，鈷基合金在650℃左右具有較高的強(qiáng)度、硬度以及耐磨性。鈷基合金常用于高溫狀態(tài)下工作的零件表面[1]。我國(guó)目前投入運(yùn)行或在建的核電站絕大多數(shù)為壓水堆核電站，特別是近年來(lái)第三代核電技術(shù)是國(guó)家核電建設(shè)的重中之重，大多數(shù)壓水堆壓力容器設(shè)計(jì)溫度約為340℃，高溫水在一定壓力下在其中循環(huán)，帶來(lái)劇烈振動(dòng)，組件間不斷摩擦，這對(duì)組件間連接部分的強(qiáng)度和耐磨性提出了非常高的要求，因此鈷基合金在高溫下高強(qiáng)度、高耐磨性的特點(diǎn)對(duì)保證核電站的安全運(yùn)行起到了非常重要的作用[2]。

1 可焊性分析

1.1 母材

圖1 鉤爪在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位置

圖2 鉤爪鈷基堆焊示意

表1 304奧氏體不銹鋼化學(xué)成分

1.2 焊接材料

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉤爪鈷基堆焊選用美國(guó)Stellite公司研發(fā)ASME牌號(hào)為ERCoCr-A的鈷基焊條，常稱(chēng)為司太立6合金；其鑄態(tài)組織主要為鉻碳化物共晶體網(wǎng)絡(luò)組成的亞共晶體組織，化學(xué)成分如表2所示，具有良好的抗腐蝕、抗氧化以及在650℃仍然保持良好的熱硬性[5]。

母材304奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱性能差，線(xiàn)膨脹系數(shù)大，焊接應(yīng)力和變形也較大，鈷基焊材的組織主要為鉻碳化物共晶體網(wǎng)絡(luò)組成的亞共晶體組織，鉻碳化合物在晶粒邊界析出，在焊接應(yīng)力、相變應(yīng)力等作用下很容易開(kāi)裂，因此鈷基堆焊母材及焊材的可焊性都較差。

表2 ERCoCr-A焊絲化學(xué)成分 %

2 焊接設(shè)備

本次試驗(yàn)鉤爪堆焊采用氧乙炔堆焊，其焊接設(shè)備主要是焊槍?zhuān)褂脟娮熘睆綖棣?.0～1.2 mm以及φ1.5～2.0 mm的焊槍?zhuān)ㄒ?jiàn)圖3），預(yù)熱熱處理爐。

圖3 氧乙炔堆焊焊接噴嘴

3 焊接參數(shù)對(duì)堆焊質(zhì)量的影響

3.1 鉤爪氧乙炔堆焊的焊接參數(shù)

鉤爪堆焊焊接參數(shù)如表3所示：碳化焰，氧氣壓力 0.3～0.7 MPa，乙炔壓力 0.3～0.7 MPa，平焊，焊槍噴嘴直徑分別為φ1.0～1.2 mm和φ1.5～2.0 mm，分別在預(yù)熱溫度25℃和260℃下堆焊。

氧乙炔堆焊時(shí)，火焰的選擇至關(guān)重要，相當(dāng)于電弧焊時(shí)熱輸入的選擇，直接影響焊縫質(zhì)量；鈷基堆焊屬于硬質(zhì)合金的焊接，一般采用碳化焰，要求中焰約為內(nèi)焰長(zhǎng)度的2～2.5倍[6]。

表3 鉤爪氧乙炔堆焊焊接工藝參數(shù)

鈷基合金熔點(diǎn)Tm計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[7]

計(jì)算得出鈷基合金焊條的熔點(diǎn)為1248～1330℃，碳化焰的焰心太短、外焰溫度較低，不足以充分熔化鈷基合金，焊后可能出現(xiàn)夾雜等缺陷，因此氧乙炔堆焊時(shí)采用碳化焰內(nèi)焰進(jìn)行焊接。

3.2 噴嘴直徑對(duì)焊接質(zhì)量的影響

氧乙炔堆焊采用火焰加熱使鈷基焊材熔化、以熔滴過(guò)渡的方式在奧氏體不銹鋼母材上堆焊鈷基。氧乙炔焊接時(shí)，通過(guò)焊槍將氧氣與乙炔混合，兩者的混合比可通過(guò)獨(dú)立的閥門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)，混合后的氣體通過(guò)一個(gè)可拆卸的紫銅制作的噴嘴形成火焰進(jìn)行焊接，因此焊槍的噴嘴直徑?jīng)Q定焊接火焰的強(qiáng)度，進(jìn)而影響焊接時(shí)鈷基焊材是否可以充分熔化進(jìn)行熔滴過(guò)渡，這相當(dāng)于弧焊焊接時(shí)熱輸入的影響，同時(shí)由于采用碳化焰焊接，噴嘴直徑對(duì)控制滲碳、堆焊層化學(xué)成分、表面硬度都會(huì)有影響。

涂料生產(chǎn)產(chǎn)生的廢氣中，VOCs的質(zhì)量濃度通常在100 ～2000 mg/m3之間，對(duì)于這類(lèi)中低質(zhì)量濃度的VOCs，吸附和催化燃燒是經(jīng)常應(yīng)用且經(jīng)濟(jì)有效的兩種治理技術(shù)，特別是吸附-脫附-催化燃燒復(fù)合凈化處理技術(shù)的應(yīng)用較多。

3.2.1 噴嘴直徑對(duì)化學(xué)成分影響

氧乙炔進(jìn)行鈷基堆焊時(shí)，碳化焰溫度為2 700～3 000℃，由于碳化焰中有過(guò)剩的乙炔，它可以分解為氫氣和碳，在焊接時(shí)火焰中游離狀態(tài)的碳會(huì)滲入熔池，增加焊縫含碳量，使焊縫金屬的強(qiáng)度、硬度提高而塑韌性下降；氧乙炔堆焊時(shí)噴嘴直徑對(duì)于滲碳現(xiàn)象的影響也將影響其堆焊層的化學(xué)成分，如表4所示。由表4可知，噴嘴直徑φ1.5～2.0 mm時(shí)堆焊層的碳含量大于噴嘴直徑φ1.0～1.2 mm時(shí)的含碳量，含碳量高時(shí)會(huì)與W、Cr、Fe等元素形成硬度較高的硬質(zhì)相碳化物，如：WC、W2C、（Cr、Fe）3C7、Cr23C6等，這些硬質(zhì)相對(duì)鈷基基體α-Co起到固溶強(qiáng)化，提高堆焊層的強(qiáng)度、硬度，降低塑、韌性；同時(shí)隨著碳含量的提高，堆焊層的組織由近共晶組織向過(guò)共晶組織轉(zhuǎn)變。

3.2.2 噴嘴直徑對(duì)組織的影響

表4 不同噴嘴直徑焊后堆焊層化學(xué)成分 %

噴嘴直徑影響堆焊層的化學(xué)成分，堆焊層碳含量隨著噴嘴直徑的變大而升高，堆焊層組織可能由近共晶組織向過(guò)共晶組織轉(zhuǎn)變，同時(shí)碳化物也可能由M7C3向Cr23C6轉(zhuǎn)變，硬質(zhì)相的改變使強(qiáng)度硬度提高，塑韌性下降。

不同噴嘴直徑堆焊層的微觀(guān)組織如圖4所示。

由圖4可知，堆焊層為典型的凝固組織，堆焊層中未出現(xiàn)孔穴、固體夾雜等缺陷。晶粒的生長(zhǎng)方向取決于擇優(yōu)生長(zhǎng)方向，堆焊層中主要為樹(shù)枝晶。與圖4b相比較，圖4a樹(shù)枝晶較多、且一次枝晶較大；與圖4d相比較，圖4c的柱狀枝晶較多，且二次枝晶較大，這是在由于噴嘴直徑較大時(shí)加熱溫度較高，使得熔池的溫度升高，而晶界的平均遷移率m與e-Qm/(RT)成正比（Qm為晶界遷移的激活能），因此當(dāng)溫度上升時(shí)，晶界的平均遷移率m越大，從而晶粒的長(zhǎng)大速率越快，樹(shù)枝晶越多，形成的二次枝晶的幾率越大，進(jìn)而影響堆焊層性能。

3.2.3 噴嘴直徑對(duì)硬度的影響

氧乙炔堆焊時(shí)火焰中游離的狀態(tài)的碳會(huì)滲透到熔池中，增加焊縫中的碳含量，增加堆焊層硬度。不同噴嘴堆焊母材、HAZ堆焊層硬度如圖5所示，不同噴嘴堆焊層硬度如圖6所示。

由圖5和圖6可知，從母材、HAZ到堆焊層硬度逐漸增加，且φ1.5～2.0 mm噴嘴直徑的硬度比φ1.0～1.2 mm噴嘴直徑的高，噴嘴直徑越大，堆焊時(shí)滲碳現(xiàn)象越嚴(yán)重，其焊縫含碳量升高，強(qiáng)度、硬度提高，塑韌性下降。

圖4 不同噴嘴直徑的堆焊層組織

圖5 不同噴嘴堆焊母材、HAZ堆焊層硬度

3.3 預(yù)熱溫度對(duì)堆焊層質(zhì)量的影響

鉤爪堆焊是在奧氏體不銹鋼基體上堆焊鈷基合金，堆焊時(shí)由于焊件受到不均勻的局部加熱和冷卻，焊縫金屬中殘留較大焊接應(yīng)力，且母材奧氏體不銹鋼與堆焊鈷基合金的熱膨脹系數(shù)不同，焊縫產(chǎn)生熱應(yīng)力，這些都會(huì)影響堆焊層質(zhì)量。為了避免鉤爪堆焊后產(chǎn)生缺陷，主要通過(guò)焊前預(yù)熱減小焊件溫差，降低焊接應(yīng)力，避免堆焊層出現(xiàn)裂紋。

圖6 不同噴嘴堆焊層硬度

3.3.1 預(yù)熱溫度對(duì)堆焊層組織的影響

不同預(yù)熱溫度的堆焊層組織如圖7所示。

由圖7可知，在預(yù)熱25℃和 260℃時(shí)，堆焊層組織主要為樹(shù)枝晶且生長(zhǎng)方向明顯，圖7b比圖7a的晶粒較粗大，且晶粒內(nèi)出現(xiàn)較多的顆粒狀析出相，這是因?yàn)殡S著預(yù)熱溫度的升高，堆焊時(shí)熱循環(huán)的起始溫度上升，冷卻速率下降，這延長(zhǎng)了熔池在高溫下的停留時(shí)間，進(jìn)而增加了晶粒中各元素的擴(kuò)散時(shí)間，使晶粒內(nèi)的析出相增加。

圖7 不同預(yù)熱溫度的堆焊層組織

3.3.2 預(yù)熱對(duì)堆焊層表面質(zhì)量的影響

不同預(yù)熱溫度下堆焊母材、HAZ堆焊層硬度如圖8所示，不同預(yù)熱溫度下堆焊層硬度如圖9所示。

圖8 不同預(yù)熱溫度下堆焊母材、HAZ堆焊層硬度

由圖8和圖9可知，當(dāng)預(yù)熱溫度為260℃時(shí)，其堆焊層平均硬度為494.8 HV、預(yù)熱溫度為25℃時(shí)，其堆焊層平均硬度為500 HV，預(yù)熱溫度為260℃的堆焊層的平均硬度比預(yù)熱溫度為25℃略大，這是因?yàn)樵陬A(yù)熱260℃時(shí)，堆焊層晶粒內(nèi)有明顯的顆粒狀析出相，使其堆焊層的強(qiáng)度硬度提高；但是預(yù)熱260℃時(shí)，堆焊層的冷卻速率下降會(huì)使晶粒長(zhǎng)大，對(duì)硬度有所影響，因此其維氏硬度才會(huì)略有上升。

圖9 不同預(yù)熱溫度下堆焊層硬度

4 結(jié)論

（1）鈷基焊材以及奧氏體不銹鋼堆焊時(shí)焊接性較差，堆焊采用氧乙炔堆焊。

（2）鈷基堆焊層組織主要為樹(shù)枝晶，且噴嘴直徑變大，樹(shù)枝晶越多，形成的二次枝晶的幾率越大。

（3）噴嘴直徑越大，堆焊時(shí)滲碳現(xiàn)象越嚴(yán)重，其焊縫含碳量越高，強(qiáng)度、硬度提高，塑韌性下降。

（4）增加預(yù)熱溫度，堆焊層晶粒變粗，晶粒內(nèi)析出相增加，預(yù)熱260℃比25℃表面硬度略微增加。