CPR1000反應堆堆內構件鈷基合金堆焊的質量控制

■ 王官龍

1.概述

堆內構件是CPR1000反應堆的主要設備之一，安裝于反應堆壓力容器內部，為燃料組件提供支承和固定作用。堆內構件通過鍵槽方式進行徑向限位并防止設備周向旋轉，從而實現對燃料組件的精確定位。為實現設備整個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，配合部件同時應有足夠的韌性。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行鈷基合金堆焊，既可滿足配合部件的整體韌性，同時確保配合面良好的耐磨效果。鈷基合金堆焊難度大，容易出現焊接缺陷，是堆內構件制造的難點之一。

表1 Z2CN19-10控氮不銹鋼化學成分（質量分數） （%）

表2 鈷基合金ERCoCr-A化學成分（質量分數） （%）

2.焊接性分析

需要進行鈷基合金堆焊的部件基材為Z2CN19-10控氮不銹鋼，化學成分如表1所示，用于堆焊的鈷基合金焊材為ERCoCr-A，其化學成分如表2所示。鈷基合金含C量較高，在P、S等有害雜質作用下，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，存在較大的焊接應力，將加重裂紋傾向。鈷基合金流動性及浸潤效果不佳，容易出現未熔合、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格的過程控制，方可獲得滿足要求的焊接產品。

3.鈷基合金堆焊檢測要求

鈷基合金堆焊前，對基材待焊面應按照RCC-M MC4000進行PT檢測，待焊面不得有任何顯示。鈷基合金堆焊完成后，應對堆焊面進行PT檢測，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。對堆焊層最終機加后，需要再次對堆焊區域進行PT檢測，不得有任何線性顯示及＞3mm的圓形顯示。雖然對鈷基合金堆焊焊縫無需進行UT、RT等檢測，但最終機加工后的PT檢測，將可能導致內部缺陷表面化，而出現PT檢測不合格。如果最終機加后PT檢測發現缺陷，將增大缺陷處理難度。圖1為最終機加工后PT發現的堆焊層缺陷。

圖1 機加工后PT發現堆焊層缺陷

為了驗證產品堆焊層硬度及內部質量是否滿足要求，在產品焊接時，需同步設置產品焊接見證件，焊接見證件的焊工及焊接工藝應與產品焊縫完全一致。除了進行與產品焊縫相同的檢驗外，還需要在見證件堆焊層樣進行硬度檢測及宏觀金相檢測，硬度平均值要求為39～47HRC，宏觀金相檢測不允許有裂紋、未熔合及其他線性缺陷。一旦出現見證件不合格，則需要對整批產品進行報廢處理。

4.鈷基合金堆焊工藝

堆內構件需要進行鈷基合金堆焊的堆焊面小，質量要求高，而鎢極氬弧堆焊具有可見度好、電弧穩定、飛濺少等優點，同時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。堆內構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完成焊接工藝評定。表3為鈷基合金堆焊參數。

在焊接過程中，起弧、收弧位置出現缺陷的幾率較高，特別是收弧位置極易出現弧坑裂紋。所以應設置引熄弧板，焊接完成后將引熄弧板去除，可以有效提高產品質量。引熄弧板材料應選擇與母材相同的材質。

表3 鈷基合金堆焊參數

5.鈷基合金堆焊的質量控制

由于鈷基合金堆焊難度大，質量要求高，為了保證鈷基合金堆焊的質量，應對焊接的全過程進行嚴格控制。主要包括：人員控制、環境控制、焊前準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，焊接質量對焊工的技能依賴度高，需要挑選技能優異的焊工，提前進行培訓、練習，并按照HAF-603完成焊工考試后才可以實施產品焊接工作。

（2）環境控制 鎢極氬弧堆焊屬于氣體保護焊，需要在焊接過程中嚴格防風，應選擇相對封閉的場所，且不能開啟風扇，以免影響氣體保護效果。施焊場所還需要保持足夠清潔，不能有粉塵、打磨飛濺等，以免產生焊接夾雜物。

（3）焊前準備 焊接前應確保母材待焊面加工平整，表面粗糙度滿足Ra3.2μm要求，PT檢測無任何顯示，所有異物清理干凈。焊接設備處于正常的工作狀態，且各項參數設置在規范要求內。焊絲牌號及規格應與規范要求一致，且無油污、水分及其他可能影響焊接質量的雜質。

（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，需要較高的預熱溫度（350～420℃）。嚴格控制預熱溫度及層間溫度對保證焊接質量至關重要，具體執行方式為：焊前采用爐內整體預熱，可以使工件預熱充分，同時保持工件溫度的均勻性。施焊過程中，設置電加熱器便于隨時為工件進行加熱升溫；為了盡可能減少熱量散失及熱輻射對焊工的影響，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，一旦發現溫度低于370℃，則需啟動電加熱器進行加熱升溫。焊接工作完成后，立即進爐進行后熱處理，后熱溫度為350～420℃，保溫60min，出爐后用云母石掩埋實現緩慢冷卻。

圖2 鈷基合金堆焊工件布置

鈷基合金流動性差，浸潤效果不佳，容易出現焊接未熔合。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、咬邊等容易導致未熔合的因素徹底清理排除，以減少產生未熔合的幾率。

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.結語

堆內構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，所以是堆內構件制造過程中的難點之一。本文針對鈷基合金堆焊的工藝特性，分析了影響焊接質量的因素，并提出了控制焊接質量的措施，可減少焊接缺陷產生的幾率，對提高鈷基合金堆焊質量具有一定的指導作用。