二代改進型核電項目控制棒驅動機構中奧氏體不銹鋼Ω型密封焊縫自動TIG焊焊接工藝研究

□ 任正秋1上海交通大學 材料科學與工程學院 上海 2000302上海第一機床廠有限公司 上海 201306

二代改進型核電項目控制棒驅動機構中奧氏體不銹鋼Ω型密封焊縫自動TIG焊焊接工藝研究

□ 任正秋1，2
1上海交通大學 材料科學與工程學院 上海 200030
2上海第一機床廠有限公司 上海 201306

隨著近幾年核電事業的飛速發展，大規模的核能發電設備不斷投入制造，為我國的社會生產和人民的生活提供了強大的電力支持。其中，控制棒驅動機構是核電主設備中的核安全一級設備。針對控制棒驅動機構中最重要的，也是焊接難度最高的一條焊縫——Ω型密封焊縫的焊接特點和要點，通過對脈沖電流、基值電流、脈沖時間、基值時間、焊槍角度、填充環的形狀和尺寸等工藝參數進行分析和控制，以達到解決Ω型密封焊縫正、背面氣體保護不完善和焊縫表面成形不佳等問題。由于該焊縫在反應堆中是長時間處于17.2 MPa的壓力和293℃的工況下，屬于壓力容器的一部分，所以該焊縫的焊接是核電主設備制造中至關重要的環節。

控制棒驅動機構Ω型密封焊縫（如圖1所示）是由密封殼組件與行程套管組件焊接而成的，兩組件經螺紋連接后，通過Ω型密封焊縫進行密封［1］。該焊縫的特殊性在于在其焊接過程中如何進行氣體保護和環形填充材料。首先，在普通機械結構的焊接中，焊縫背面保護可以由直接通保護氣體或由簡單的氣體保護罩來解決，但控制棒驅動機構Ω型密封焊縫的背面是個Ω形環狀的腔體，下端長1.4 m，焊接時垂直立于焊接工位，該腔體內既不能伸入氣體保護罩，也不能裝設氬氣進、出管接頭。其次，在普通形狀坡口的焊接中，焊接第一層焊縫時，焊槍可伸進坡口內側，正面保護氣體因兩側坡口的遮擋而不至于快速散開至空氣中，而Ω型密封焊縫在焊接時，由于填充環填滿了整個坡口，焊槍只能置于填充環正上方，正面保護氣體從瓷嘴噴出后迅速向外擴散，并且因為紊流而將空氣帶入熔池，導致焊縫表面氧化；另外，該焊縫焊接時加入的填充材料并非一般的焊絲或焊條，而是由和母材相同材料制成的特定形狀的填充環，焊接時將填充環嵌入坡口進行焊接，增加了焊接變素，提高了焊接難度。

圖1 Ω焊縫

1 Ω型密封焊縫的焊接

1.1母材及焊接材料的選用

母材選用兩種規格的00Cr18Ni10N奧氏體不銹鋼，使用狀態為固溶狀態，該不銹鋼屬于超低碳不銹鋼，抗晶間腐蝕性能良好，很適合作為核島一回路中承壓設備的制造材料。化學成分見表1、表2。

表1 密封殼端（規格為Φ160）成分 wt%

表2 行程套管端（規格為Φ110）成分 wt%

焊接材料為填充環的形式，采用與密封殼端相同的材料制成。

1.2 焊接設備的選用

Ω密封焊縫的焊接采用自動TIG焊的方法，焊機采用天核機電設備有限公司生產的型號為HSC-12的脈沖自動TIGΩ焊機。該焊機是專門為Ω焊縫設計的專用焊機，分為機械結構部分和焊接控制部分［2］。焊接時，由機械結構部分對兩個零件進行鎖緊后進行環形焊縫的焊接。

2 焊接過程中遇到的主要問題

2.1 焊縫內外表面易氧化的問題

由于控制棒驅動機構Ω型焊縫的特殊接頭形式，使采用HSC-12型焊機在平焊位置焊接時通過瓷嘴噴出的保護氣體無法對焊縫進行良好的保護，因而造成最終焊縫表面有一層褐色的氧化層，如圖2所示。

圖2 焊縫表面氧化情況

由于控制棒驅動機構Ω型密封焊縫的背面是個環狀的密封腔，若采用先在坡口間隙處充入氬氣填一段時間、經填滿整個密封殼組件后再放入填充環進行焊接的方法，既浪費了大部分氬氣，而且焊縫背面保護狀態無法得到保障。

2.2 焊縫表面成形不佳的問題

在以往的焊接過程中，焊縫表面因脈沖電流和基值電流交錯而產生的層次非常不均勻，經常出現大片魚鱗狀不規則分布于整個環焊縫。有時，焊縫表面與母材齊平或低于母材，焊縫背面熔敷金屬過多，與母材內表面夾角＜90°，如圖3所示。

圖3 表面成形

2.3 收弧處焊縫背面未焊透的問題

在采用氬弧焊方法焊接時，一般在收弧處會對焊接電流進行衰減，并且在離開起弧位置一定的距離處進行收弧，從而避免弧坑的產生。而在收弧處焊縫疊加時將是電流衰減的過程，因此在焊縫起弧處常常有焊縫表面過高的現象發生，有時甚至在焊縫背面會出現未焊透的現象（如圖4所示）。

圖4 未焊透現象

3 焊接工藝過程中的要點及改進方案

3.1 改進方案的方向

（1）焊槍在前進方向與填充環表面形成一定角度，從而使焊槍在前進時能夠給下一個脈沖電流熔化的熔池提供良好的氣體保護。

（2）改進填充環的形狀或尺寸，使其在焊接過程中能不間斷地向焊縫背面提供保護氣體。

（3）調整基值電流，改善焊縫成形狀態。

（4）調整填充環厚度與填充環自身夾角角度，保證焊縫外表面高度不低于母材，背面余高與母材成鈍角。

（5）減少起弧時電流上升時間，增加起弧時焊槍停留時間，以避免起弧處焊縫背面未焊透。

3.2 詳細改進措施

由于焊接時正面保護氣體缺乏有效的聚攏措施，使熔池得不到良好的保護。但若在坡口上方添加氣體保護罩，則不利于熱量擴散，由于該焊縫的母材與焊材都為奧氏體不銹鋼材料［3］，過熱容易引起熱影響區晶粒粗大，從而影響材料性能，甚至產生焊縫燒穿的現象。受手工TIG焊的啟發，將焊槍在前進方向與填充環表面的垂直線成3～4°時，能顯著地提高對熔池的保護效果，使焊縫表面呈現金黃甚至銀白色。原因在于采用脈沖TIG焊的方法焊接時，在脈沖電流作用下，填充環的一小部分熔化形成熔池，在基值電流作用下，熔池凝固。原先保護氣體垂直于填充環吹下時，因為保護氣體無法聚攏而立即擴散到空氣中，對下一個脈沖電流產生的新熔池基本沒有起到保護作用。但焊槍與填充環表面所成角度不宜超過5°，傾角過大，將降低電弧的穿透力，造成背面未焊透。

當采用實芯填充環作為焊材時，由于無法在焊接時從焊縫背面送入保護氣體，導致焊縫背面氣體保護程度始終不穩定。若在填充環下部均布割開氣槽后，能較好地解決該問題（氣槽形狀見圖5所示）。在填充環下部開槽后，在焊接前和焊接時通過一個扁平的氣嘴向填充環下部的氣槽充入氬氣進行保護。開槽方向必須與水平線呈一定角度，而不是垂直于水平面，原理與改善表面氣體保護狀態相同，即在新的熔池形成前就已將保護氣體送至熔池下方。

圖5 氣槽形狀

由于采用脈沖TIG焊焊接時，在脈沖電流通過時，填充環的一小部分熔化形成熔池，基值電流通過時熔池冷凝結晶，其整個Ω型焊縫由一個個熔池疊加而成。但是，如果焊接時基值電流超過一個較大的臨界值（＞35 A）時，則可能造成在基值電流作用下焊縫未冷凝結晶，而是重新熔化，此時基值電流的作用將不再僅僅是維持電弧，其作用與脈沖電流相同。如此就造成焊縫表面成形中有魚鱗狀不規則的分布在整個環焊縫上。經過反復試驗后，將焊接時采用的基值電流由原先的40 A調整為20 A后，焊縫表面呈均勻的層疊狀。

由于待焊組件的坡口鈍邊厚度為2.5 mm，夾角為60°，當采用4 mm厚的填充環時，在焊接后焊縫表面或焊縫背面的余高將會過高，常與母材內表面成銳角。但如果背面余高與母材內表面成銳角，則整個組件的熱影響區在正常工況下將長時間處于應力集中狀態，即熱影響區將承受比焊縫和母材更大的集中應力而引起應力腐蝕。對于核安全一級設備來說，這種情況是絕對不允許的，經過多種填充環厚度試驗，最終確定3 mm厚最為適合。另外，填充環的夾角也是影響焊縫成形的一個重要原因。在填充環夾角大于60°的情況下，若填充環裝配后其上表面高于母材表面（≥1.2 mm），則焊接后焊縫將未能填滿整個坡口的鈍邊，而是更多地在母材表面鋪開。在填充環夾角小于60°的情況下，若填充環裝配后其上表面高于母材表面（≤1.0 mm），則焊接后焊縫表面過于平坦，焊縫內表面與母材內表面成銳角，易引起應力集中。故填充環夾角選60°最為適宜，裝配后填充環上表面與母材表面高度差應在1.0～1.2 mm，滿足以上條件情況下形成的焊縫內外表面余高一般不高于1.5 mm，焊縫內表面余高與母材內表面夾角呈鈍角，如圖6所示。

圖6 焊縫余高過高

對于氬弧焊來說，為了避免收弧時的焊接缺陷，收弧時衰減電流是一種必要的手段，如何能避免電流衰減而造成焊縫背面未焊透的現象，只能從起弧時的焊接狀況作調整。通過HSC-12型焊機對起弧時電流上升的時間和引弧處的停留時間進行參數調整后，該現象得到了有效地控制。原來的焊接參數中，起弧的電流上升時間為3 s，引弧停留時間為1 s。這樣的參數會引起起弧處的填充環材料未完全熔化，而需要依靠收弧時的電流去熔化填充環。經過對該參數的功能分析，作出了相應調整，將電流上升時間調整為0 s，引弧停留時間為2 s。即起弧電流瞬間達到脈沖電流的最大值，而省略了電流上升的過程。這樣起弧處的填充環被完全熔化，而不需要收弧時的電流熔化填充環，完全杜絕了起弧處焊縫背面的未焊透現象。

5 總結

在采用脈沖TIG焊，調整了各項參數后，核電主設備控制棒驅動機構密封殼組件與行程套管組件間的Ω型焊縫的穩定性和可靠性得到了較大改善，作為一種十分有效的焊接工藝方法，已經投入到了后續的生產項目中，工藝改善后得出如下結論：

（1）調整了焊槍角度，相對于從前焊槍垂直于填充環表面來說，對熔池提供了很好的保護。

（2）確定了填充環尺寸和形狀后，相對于從前的工藝，不需要再在密封殼組件中充入大量氬氣，提高了產品質量，節約了成本又提高了生產效率。

（3）降低了基值電流，改善了焊縫的表面成形狀態。

［1］邱振生，匡艷軍，柳猛，等.控制棒驅動機構現場安裝OMEGA焊縫坡口缺陷返修試驗研究 ［J］.焊接，2014（2）：42-46.

［2］朱龍興.控制棒驅動機構“Ω”焊機的研制［J］.核電工程與技術，1998（2）：41-44.

［3］張偉棟.控制棒驅動機構“Ω”環的焊接技術［J］.焊接技術，2001（Z1）：66-68.

Alongwith the rapid development ofnuclear power industry and continuous investment in manufacturing of large-scale nuclear power equipment in recent years，a powerful support of electric power is provided for our social production and people's life.Among others，the control rod drive mechanism is one of the top class devices in the primary nuclear power equipment in terms of nuclear safety.Aiming at the characters and key points in welding of the most important and difficult weld seam-Ω-type weld seam in control rod drive mechanism，try to analyze and control the processing parameters including pulse current，background current，pulse time，the background time，torch angle，shape and size of filling ring to settle the issues like imperfect gas shield at front and back sides of Ω-type weld seam and poor shape of weld surface.Since the weld seam in the reactor is set under the working conditions of 17.2 MPa pressure and 293℃for a long time，it belongs to the part of the pressure vessel，so that the welding seam should be a vital link in manufacturing of the primary devices in nuclear power equipment.

Ω型密封焊縫；基值電流；焊槍角度；氣體保護；填充環

Ω-type Weld Seam；Background Current；Torch Angle；Gas Shield；Filling Ring

TL357.5

A

1672-0555（2015）04-030-05

2015年7月

任正秋（1986年-），男，碩士研究生，從事焊接工藝的研究