核島堆內(nèi)構(gòu)件鎖緊焊缺陷機(jī)理研究

廖訓(xùn)龍 王勇 劉斌 范海平 劉海明

摘 要：堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)備質(zhì)量是核電站安全運(yùn)行的重要保障。巴基斯坦恰希瑪核電3期堆內(nèi)構(gòu)件出現(xiàn)了鎖緊焊焊接質(zhì)量事件，通過對焊接裂紋形貌及裂紋位置對其所產(chǎn)生的原因進(jìn)行金屬學(xué)和焊接工藝的研究，發(fā)現(xiàn)母材和防松銷材料熔點(diǎn)和共晶點(diǎn)特征以及焊縫鎳鉻含量造成焊接熱裂紋傾向主要原因，提出了控制母材和焊材中雜質(zhì)、加入細(xì)化晶粒元素，以及修改焊接工藝等改進(jìn)方案，為后續(xù)項目提供借鑒。

關(guān)鍵詞：堆內(nèi)構(gòu)件 鎖緊焊 缺陷 機(jī)理

中圖分類號：TG457 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（a）-0050-04

中原公司質(zhì)量監(jiān)督人員和安裝公司檢驗人員在例行檢查過程中發(fā)現(xiàn)巴基斯坦恰希瑪3期（簡稱C3）堆內(nèi)構(gòu)件吊籃組件157.5°及202.5°方向用于固定吊籃底板的兩個螺釘鎖緊焊上有裂紋。發(fā)現(xiàn)該問題后，中原公司組織設(shè)計單位、安裝公司及制造廠進(jìn)行討論；并對吊籃筒體內(nèi)、外部鎖緊焊焊縫的檢查，檢查中先后在吊籃組件外圓、圍板內(nèi)腔及壓緊部件頂部發(fā)現(xiàn)焊接裂紋缺陷29處。針對檢查中發(fā)現(xiàn)的目視可檢區(qū)域的缺陷，開啟了NCR流程進(jìn)行處理。

該文將對上述堆內(nèi)構(gòu)件吊籃筒體鎖緊焊缺陷進(jìn)行分析，通過對其裂紋形貌及裂紋位置對其所產(chǎn)生的原因進(jìn)行金屬學(xué)和焊接工藝兩方面的研究，試圖找出造成該缺陷的真實原因，并提出改進(jìn)方案，為后續(xù)項目提供借鑒。

1 焊接缺陷及工況介紹

1.1 焊接工況環(huán)境

防松銷鎖緊焊使用的焊接方法為GTAW，選用焊接電源直流正接，對焊縫施加多層多道焊。母材螺釘材料為Inconel 718鎳基合金，防松銷及吊籃筒體材料為321奧氏體不銹鋼[1]，焊絲為ER347不銹鋼焊絲。

對于防松銷的焊接，除了筒體中極少數(shù)特殊位置的定位銷與防松銷裝配的鎖緊焊是由導(dǎo)向筒車間焊接之外，其余均是由裝配車間完成。

組件狀態(tài)下焊接防松銷操作空間較大，容易操作；可視度較高，不會影響焊工及檢驗員的判斷。但在總裝部件狀態(tài)下的部分鎖緊焊，由于操作空間小，操作位置差以及需要登高作業(yè)，對于焊工施焊以及檢驗有一定難度。

1.2 吊籃筒體外部鎖緊焊焊縫缺陷

如表1所示1#至9#以及16#缺陷，共10處裂紋缺陷均位于吊籃筒體外側(cè)，為吊籃筒體和下柵格板組件、圍輻板組件連接的PC8-IN-2-8螺釘與PC8-IN-2-25防松銷焊接位置，結(jié)構(gòu)形式詳見圖1，圖2。

1.3 吊籃筒體內(nèi)部鎖緊焊焊縫缺陷

如表2所示1#、4#～7#、14#、16#、18#、21#、25#，共10處裂紋缺陷，其中1#、6#、7#、14#、16#、18#、25#共7處缺陷為筒體內(nèi)腔1/4圍板組件和相配的圍板Ⅶ連接的PC8-IN-2-2-3螺釘與PC8-IN-2-26防松銷焊接位置；5#缺陷位于圍板Ⅶ與輻板連接的PC8-IN-2-2-4螺釘與PC8-IN-2-26防松銷焊接位置；4#及21#缺陷位于圍板與圍板相連接PC8-IN-2-2-1-9螺釘與PC8-IN-2-26防松銷焊接位置，10處裂紋缺陷結(jié)構(gòu)形式詳見圖3。

2 裂紋機(jī)理分析

根據(jù)上述對焊接工藝的描述和焊接工況的介紹，該文判斷其斷裂機(jī)理符合焊接熱裂紋斷裂，該文將從材料金屬學(xué)角度及對上述堆內(nèi)構(gòu)件吊籃筒體內(nèi)外側(cè)銷緊焊焊接缺陷產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析。

從金屬學(xué)角度來分析又可以分為兩部分：首先，由于螺釘材料為Inconel 718鎳基合金，防松銷及吊籃筒體材料為321奧氏體不銹鋼，其兩者本身所的鎳鉻含量就比較高，通過對鐵-鉻-鎳合金相圖觀察如圖4。

獲得單質(zhì)鎳固-液轉(zhuǎn)變溫度及鎳鉻共晶轉(zhuǎn)變溫度，鎳基合金的熔點(diǎn)溫度為1 453 ℃，而鐵-鎳-鉻共晶轉(zhuǎn)變溫度在1 326 ℃左右，即鎳基合金的熔點(diǎn)明顯高于鎳鉻合金共晶轉(zhuǎn)變溫度，所以根據(jù)熱裂紋發(fā)生機(jī)理可推測上述裂紋屬于結(jié)晶裂紋，結(jié)晶裂紋的主要產(chǎn)生原因主要是：（1）液態(tài)薄膜；（2）拉伸應(yīng)力。其中液態(tài)薄膜是根本原因，拉伸應(yīng)力為必要條件。在吊籃筒體鎖緊焊的焊縫處在焊后冷卻過程中在固-液凝固階段，熔化區(qū)內(nèi)的單質(zhì)鎳在1 450 ℃左右即開始發(fā)生結(jié)晶，在溫度持續(xù)下降的過程中單質(zhì)鎳晶粒不斷長大，晶間距離不斷減少，但鎳鉻合金仍未到達(dá)其共晶轉(zhuǎn)變溫度，所以在晶間產(chǎn)生了金屬液態(tài)薄膜，在這種情況下，由于液態(tài)薄膜量很少，而在焊接和焊縫冷卻的過程中都會不斷產(chǎn)生并累計拉伸應(yīng)力，在拉伸應(yīng)力的作用下所產(chǎn)生的微笑的空隙都無法填充，繼而產(chǎn)生了熱裂紋的萌生和擴(kuò)展。

另一方面，可以考慮造成該裂紋的原因為異種材料接觸所產(chǎn)生的熱裂紋中的液化裂紋。螺釘材料為Inconel 718鎳基合金，防松銷及吊籃筒體材料為321奧氏體不銹鋼，焊材為ER347不銹鋼焊絲。

這種鎖緊焊是吊籃部件狀態(tài)下在廠內(nèi)裝配臺位上完成焊接的，缺陷位于第1層、第3層、第4層、第5層螺孔外側(cè)位置，由于裝配臺位每層層高及操作空間的影響，而這4層位置正處于每層裝配臺位偏上或偏下位置，焊工在操作時必須下蹲或墊高才能達(dá)到焊接位置。部分位置間隙小，焊接角度有難度，沉孔到螺釘?shù)拈g隙只有不到2 mm，在縫隙中點(diǎn)焊，起弧后容易碰到螺釘。

根據(jù)該螺釘材料化學(xué)成分表3可知，在實際焊接工藝操作過程中，如果融化焊絲接觸到螺釘Inconel 718材料則焊縫中鎳和鉻的含量相對的會有明顯上升。

在焊接熱的作用下，鎳鉻合金將會和S、P形成共晶化合物，而這些化合物的熔點(diǎn)特變低（Ni-Ni2S2：645 ℃，Ni-Ni3P：880 ℃），在焊縫熔合區(qū)以及鄰近的母材或者焊縫層間金屬中產(chǎn)生沿晶界的融化，在隨后冷卻收縮時引起沿晶界液化層的開裂傾向增大，從而焊縫的熱裂紋敏感性增加，更易發(fā)生裂紋的萌生和擴(kuò)展。

另外從焊接工藝角度來分析，防松銷規(guī)定的焊接次序見圖5。

由圖5可知防松銷的焊接僅規(guī)定了單一端點(diǎn)的焊接順序，而鎖緊焊兩端的焊接為分次焊接，并且焊接過程中對防松銷并無夾具固定。因此在防松銷一端焊接結(jié)束后另一端的焊接在無夾具的固定下進(jìn)行，從而相對地即會產(chǎn)生較大的焊接殘余拉伸應(yīng)力，造成裂紋的萌生和擴(kuò)展。

在對上述焊接裂紋從金屬學(xué)和工藝兩方面進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，該文從理論角度提出了以下幾點(diǎn)優(yōu)化思路。

冶金方面如下所述。

（1）對母材、防松銷以及焊絲中雜質(zhì)如硫、磷、碳等含量嚴(yán)格檢查和控制；提高對焊件和坡口表面的清理和檢查標(biāo)準(zhǔn)。雜質(zhì)的增加不僅能夠形成低熔共晶，而且還能促使合金成分和組織的偏析，因此這些元素將會大大增加熱裂紋的敏感性。

（2）向鎖緊焊焊縫中加入有細(xì)化晶粒作用的元素（如Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al和稀土等），即在焊縫冷卻的過程中可以抑制晶粒的長大和粗化，從而降低了焊接殘余應(yīng)力的累積和熱裂紋的敏感性。

工藝方面如下所述。

（1）在現(xiàn)有鎖緊焊焊接工藝基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)卦黾雍附泳€能量即提高焊接電流、電壓，放慢焊接速度以及適當(dāng)?shù)靥岣哳A(yù)熱溫度，可減小焊縫金屬的應(yīng)變率，從而降低結(jié)晶熱裂紋的傾向。但相對的鎖緊焊焊接熱輸入量以及預(yù)熱溫度過高時，會增大焊縫處金屬過熱以及惡化勞動條件，所以對鎖緊焊接工藝參數(shù)的修改一定要小幅地逐步進(jìn)行修改，從而獲得改良后的最優(yōu)工藝參數(shù)。

（2）焊前對母材螺釘、防松銷以及焊材的干燥和清理十分重要，由于材料本身具有較高的鎳鉻含量，如果焊接表面未清理干凈，則容易產(chǎn)生低熔點(diǎn)化合物，增加焊接熱裂紋可能性。

（3）要對焊接次序進(jìn)行修改，在每端的焊接時盡量保持對稱性，如圖5（A），另外，從整體角度看，在焊接過程中應(yīng)加裝夾具。可以選擇同時對防松銷兩端進(jìn)行施焊，從而降低之前所產(chǎn)生的某一端焊接殘余應(yīng)力過大造成的裂紋萌生。

從另一角度看，焊接人員在實際焊接操作過程中部分不規(guī)范的行為和粗心大意也可能會是造成部分焊接起弧時碰到螺釘?shù)牟糠衷蛑弧Ｆ涓驹蚴鞘┖负腹げ僮鞑划?dāng)，操作不規(guī)范，自我要求不嚴(yán)格，為了搶進(jìn)度而忽視了質(zhì)量，沒有嚴(yán)格執(zhí)行自檢程序；檢驗員在焊后未仔細(xì)觀察，導(dǎo)致缺陷沒有及時發(fā)現(xiàn)；焊工及檢驗員嚴(yán)重缺乏責(zé)任心。

3 結(jié)論

（1）防松銷鎖緊焊接工藝中母材與防松銷材料的本身由于其熔點(diǎn)以及共晶點(diǎn)的特征使得其本身就具有較大的焊接熱裂紋傾向。

（2）焊接工藝過程中焊接人員的不規(guī)范操作以及疏忽大意造成的焊縫處起弧打到螺釘造成焊縫處鎳鉻含量增大，從而增大了其焊縫的焊接熱裂紋傾向。

（3）通過對母材和焊材中雜質(zhì)的控制以及細(xì)化晶粒元素的加入來降低融敷金屬中低熔共晶化合物含量和焊縫處熱裂紋敏感度。

（4）通過對焊接工藝的修改如安裝夾具和焊接次序來降低焊后累積殘余應(yīng)力過大造成的焊縫發(fā)生的可能性。

（5）制造廠需要對焊接人員進(jìn)行細(xì)致的培訓(xùn)，提高工作人員的實操技術(shù)以及工作責(zé)任心。

參考文獻(xiàn)

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