不同Y形環應用于核電站控制棒驅動機構Canopy焊縫焊接工藝及焊縫性能的研究

沈天闊，邵善家，郭寶超，鄒小平，邱振生，邢會平，米大為，卜佳煒，陳寶洪，潘長建，鄭兵德，熊丹丹

1.中廣核工程有限公司 廣東深圳 518124

2.上海第一機床廠有限公司 上海 200120

3.深圳中廣核工程設計有限公司 廣東深圳 518000

1 序言

隨著我國核電事業的發展，核電設備的可靠性與長期服役性顯得至關重要。核電站控制棒驅動機構是壓水堆主設備，壓水堆的有效服役與控制棒驅動機構質量密切相關[1]?？刂瓢趄寗訖C構Canopy焊縫是控制棒驅動機構耐壓殼部件與管座連接的主要焊縫，該焊縫的性能決定了控制棒驅動機構能否有效長期服役[2]。

傳統方法一直采用進口拉拔Y形環進行Canopy焊縫焊接，但進口拉拔Y形環價格昂貴。另外，Y形環形狀奇特，且尺寸要求嚴格，國外供應商依靠精密工裝，對φ5.5mm盤條拉拔制成Y形截面的焊絲，再利用彎曲工藝將Y形截面的焊絲彎制成Y形環[3]。目前，國內對Y形環的研制很少，由于模具精度及工藝原因，很難制造出滿足要求的Y形填充環，因此無法采用與國外相同工藝來制造Y形環[4]。因此，為滿足核電站現場試驗及維修更換需求，采用機械加工方式制造Y形環，進而替代進口拉拔Y形環勢在必行。

本文采用兩種機械加工Y形環和一種進口拉拔Y形環進行Canopy焊縫焊接，從點焊工藝、裝配間隙、焊縫成形、金相檢測及水壓試驗等進行對比分析，為機械加工Y形環應用于核電站控制棒驅動機構Canopy焊縫提供了寶貴的經驗。

2 試驗條件及方法

2.1 母材與焊接材料的選擇

試件所用母材為022C r19N i10N不銹鋼，兩側母材近似管狀，分別為耐壓殼側模擬件、管座側模擬件，焊接坡口處外徑163.57m m，壁厚1.9mm。焊接材料為機械加工Y形環、機械加工Y形環（控公差）及拉拔Y形環，材質為308L不銹鋼。試驗用材料主要化學成分見表1。Y形環規格為φ163.6mm×φ159.5mm，截面近似Y形，如圖1所示。從表1可看出，試驗用母材與焊接材料化學成分相近，主要含有Cr、Ni元素。機械加工Y形環與拉拔Y形環相比，主要化學成分含量相當，機械加工Y形環的P、S含量低于拉拔Y形環。機械加工Y形環、機械加工Y形環（控公差）、拉拔Y形環主要尺寸實測值見表2。由表2可知，機械加工Y形環開口尺寸4.50～4.72mm，明顯大于拉拔Y形環開口尺寸4.10～4.20mm；另外，機械加工Y形環環高4.03～4.12mm，相較拉拔Y形環環高3.80～4.10mm尺寸下限也偏大。鑒于機械加工Y形環偏大，對Y形環尺寸進行收公差控制。機械加工Y形環（控公差）各尺寸與拉拔Y形環更加接近，已無明顯尺寸差別；另外，機械加工Y形環、機械加工Y形環（控公差）為整圈環，無開口；拉拔Y形環采用拉拔成形后彎曲制成，每個環存在一個開口，如圖2所示。

圖1 Y形環尺寸要求

圖2 Y形環實物

表1 試驗用材料化學成分（質量分數） （%）

表2 3種Y形環主要尺寸實測值 （mm）

2.2 焊接工藝

（1）Canopy焊縫焊接流程 首先，焊前對試件用酒精進行清洗，去除油污。然后，用專用工裝將Y形環定位焊在耐壓殼側模擬件上，如圖3所示。再將裝配好Y形環的耐壓殼側模擬件，安裝到專用焊機上，通過旋轉耐壓殼側模擬件，調整Y形環與下側管座側模擬件的裝配間隙到0.04～0.25mm，焊前采用正面保護氣罩驅氣的方式實現背面保護，焊前驅氣時間一般為15min，氣體為Ar，純度99.999%。

圖3 Y形環定位焊裝配示意

（2）定位焊工藝的區別 綜上可知，Canopy焊縫焊前需采用專用工裝進行定位，選用手工TIG焊進行，焊接參數見表3。圖4a所示為定位焊專用工裝，定位焊時將耐壓殼側模擬件與Y形環安裝在該專用工裝內，沿工裝上預留的孔隙進行手工定位焊接。定位焊后實物如圖4b所示，焊點間隔20～30mm，焊點尺寸≤3mm，均布在整個Y形環圓周內側上。

圖4 定位焊實物

表3 手工TIG焊焊接參數

另外，對于拉拔Y形環，由于整圈環上有個開口，為保證開口處Y形環定位焊牢固，需在開口處密集定位焊接4個焊點，4個焊點之間不得粘連，如圖5所示。

圖5 拉拔Y形環定位焊示意

對于拉拔環開口處密集的4個焊點，因為焊點間距很小，所以無法在專用工裝上實現。由于Y形環定位焊處厚度僅1.15mm，開口處密集4個焊點易熔穿Y形環內壁，因此定位焊難度高。而機械加工Y形環，由于沒有開口，在專用工裝上即可完成定位焊，因此難度降低，效率提高。

（3）焊接過程裝配間隙的區別 定位焊完成后，需調整Y形環與管座側模擬件裝配間隙，焊前采用正面保護氣罩驅氣的方式來實現背面保護，然后用PC 300型Canopy專用焊機進行焊接，3種Y形環焊接參數一致。自動TIG焊焊接參數見表4。

表4 自動TIG焊焊接參數

由于保護氣體是通過Y形環與管座側模擬件的裝配間隙進入焊縫背面來實現背面保護，所以Y形環與管座側模擬件的裝配間隙大小直接影響背面保護效果。正常裝配間隙時，背面保護良好，焊縫背面呈金黃色或銀白色，如圖6a所示。當裝配間隙接近0.04mm下限時，由于較小的裝配間隙，會使背面保護不良，導致焊縫背面發黑，如圖6b所示。當裝配間隙接近上限0.25mm時，由于本身焊接時，焊接位置為橫焊，焊縫會在重力作用下往下偏移，因此無法得到成形良好的焊縫[5]。

圖6 焊縫背面形貌

經多組試驗得出3種Y形環與管座側適用的裝配間隙，見表5。

表5 3種Y形環與管座側適用的裝配間隙 （mm）

由表5 可知，拉拔Y 形環、機械加工Y 形環（控公差）與管座側適用的裝配間隙均為0.06～0.20mm，無差別；而機械加工Y形環與管座側適用的裝配間隙為0.12～0.20mm，間隙范圍收窄。這是由于機械加工Y形環開口尺寸明顯大于拉拔Y形環、機械加工Y形環（控公差），采用正面保護氣罩驅氣時，Y形環開口處擋住了更多的保護氣進入焊縫內側，使得在裝配間隙較小時，只有更少量保護氣通過裝配間隙進入焊縫內側，因此無法實現有效背面保護。

根據核電站控制棒驅動機構產品Canopy焊縫焊接經驗，實際定位焊好Y形環的耐壓殼側與管座側裝配間隙，由旋轉耐壓殼側至一定力矩決定，一般產品裝配間隙為0.06～0.15mm。機械加工Y形環（控公差）與管座側適用的裝配間隙可以更好地滿足現場產品焊接需求。

3 試驗結果及分析

3.1 焊縫宏觀形貌

用光學顯微鏡對3種Y形環Canopy焊縫截面宏觀形貌進行觀察，如圖7所示。由圖7可看出，3種Y形環熔成的Canopy焊縫成形良好，焊縫寬度均勻，焊縫與母材冶金結合良好，具有明顯的分界線[6]。該核電控制棒驅動機構產品Canopy焊縫要求為焊縫表面寬度6.5～9mm，焊縫背面寬度≥3.5mm。根據以上要求，對3種Y形環焊縫表面及背面寬度等進行了測量，結果見表6。

圖7 Canopy焊縫截面宏觀形貌

表6 3種Y形環焊縫尺寸測量結果 （mm）

由表6可看出，機械加工Y形環熔成的Canopy焊縫表面寬度明顯大于機械加工Y形環（控公差）和拉拔Y形環，這是由于機械加工Y形環開口尺寸明顯大于拉拔Y形環、機械加工Y形環（控公差），在焊縫熔凝過程中，較大的Y形環開口熔凝成的焊縫表面變寬。另外，機械加工Y形環熔成的Canopy焊縫平均厚度也比機械加工Y形環（控公差）和拉拔Y形環偏大，這是由機械加工Y形環環高較大所致。3種Y形環焊縫背面寬度、焊縫平均厚度/焊縫表面寬度比值無明顯差異。

3.2 焊縫微觀形貌

用光學顯微鏡對3種Y形環Canopy焊縫截面微觀組織進行觀察，如圖8所示。

圖8 Canopy焊縫截面組織

由圖8可看出，3種Y形環熔成的Canopy焊縫組織主要由骨架狀鐵素體與快速凝固的柱狀奧氏體組成，無明顯差別[7]。由圖8a、c可看出，柱狀奧氏體組織生長具有明顯的方向性，這與焊縫熔凝過程有關，焊縫組織按與熔池散熱方向相反的方向生長，即焊縫組織由熱影響區向焊縫中心生長，由熱影響區向焊縫中心生長的這部分組織具有一定的方向性[8]。由圖8b可看出，柱狀奧氏體組織和骨架狀奧氏體組織交錯在一起，沒有明顯的方向性。分析認為，這與微觀組織觀察的區域有關，該部分組織更加靠近焊縫中心區域，由于焊縫中心區域散熱無方向性，所以焊縫組織生長也沒有明顯方向性[9]。

3.3 水壓滲漏試驗

對3種Y形環熔成的Canopy焊縫進行水壓滲漏試驗，試驗參數如下：環境溫度20.4℃；試驗介質A級水，介質溫度20℃；先升到12MPa，保持壓力5min；再升到23.1～23.3MPa，保持壓力20min；最后降壓至12MPa，保持壓力5min后，卸壓至常壓。3種Y形環熔成的Canopy焊縫，經23.1～23.3MPa水壓試驗后，Canopy焊縫表面均無滲漏，無可見變形，水壓試驗結果合格。

4 結束語

通過對不同Y形環應用于核電站控制棒驅動機構Canopy焊縫焊接工藝及焊縫性能的研究，得出如下結論。

1）機械加工Y形環定位焊工藝優于拉拔Y形環，定位焊難度降低，效率更高。

2）機械加工Y形環（控公差）、拉拔Y形環與管座側適用的裝配間隙為0.06～0.20mm，比機械加工Y形環裝配間隙范圍大，更適合工程實際應用。

3）3種Y形環熔成的Canopy焊縫組織主要由骨架狀鐵素體與快速凝固的柱狀奧氏體組成，無明顯差異。

4）經23.1～23.3MPa水壓試驗，3種Y形環熔成的Canopy焊縫表面無滲漏，無可見變形。