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CPR1000反应堆堆内构件钴基合金堆焊的质量控制

1.概述

堆内构件是CPR1000反应堆的主要设备之一,安装于反应堆压力容器内部,为燃料组件提供支承和固定作用。堆内构件通过键槽方式进行径向限位并防止设备周向旋转,从而实现对燃料组件的精确定位。为实现设备整个寿期保持定位的精确性,要求配合面具有良好的耐磨性及耐腐蚀性能,配合部件同时应有足够的韧性。钴基合金具有良好的耐磨性及耐腐蚀性能,但韧性不佳,在不锈钢基材表面进行钴基合金堆焊,既可满足配合部件的整体韧性,同时确保配合面良好的耐磨效果。钴基合金堆焊难度大,容易出现焊接缺陷,是堆内构件制造的难点之一。

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表1 Z2CN19-10控氮不锈钢化学成分(质量分数) (%)

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表2 钴基合金ERCoCr-A化学成分(质量分数) (%)

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2.焊接性分析

需要进行钴基合金堆焊的部件基材为Z2CN19-10控氮不锈钢,化学成分如表1所示,用于堆焊的钴基合金焊材为ERCoCr-A,其化学成分如表2所示。钴基合金含C量较高,在P、S等有害杂质作用下,容易形成低熔化合物FeS、Fe3P或共晶体FeS-Fe、Fe3P-Fe,裂纹倾向高。在不锈钢基材上堆焊钴基合金,属于异种钢堆焊,母材与堆焊层的线膨胀系数差异大,焊接过程中,加热和冷却存在不均匀性,存在较大的焊接应力,将加重裂纹倾向。钴基合金流动性及浸润效果不佳,容易出现未熔合、咬边、气孔及夹杂物等缺陷。综上,钴基合金堆焊焊接性差,需要通过合适的工艺及严格的过程控制,方可获得满足要求的焊接产品。

3.钴基合金堆焊检测要求

钴基合金堆焊前,对基材待焊面应按照RCC-M MC4000进行PT检测,待焊面不得有任何显示。钴基合金堆焊完成后,应对堆焊面进行PT检测,焊缝不得有任何开裂、裂纹、未熔合、夹渣和夹钨,不得有任何线性显示,不得有>1.5mm的圆形显示。对堆焊层最终机加后,需要再次对堆焊区域进行PT检测,不得有任何线性显示及>3mm的圆形显示。虽然对钴基合金堆焊焊缝无需进行UT、RT等检测,但最终机加工后的PT检测,将可能导致内部缺陷表面化,而出现PT检测不合格。如果最终机加后PT检测发现缺陷,将增大缺陷处理难度。图1为最终机加工后PT发现的堆焊层缺陷。

图1 机加工后PT发现堆焊层缺陷

为了验证产品堆焊层硬度及内部质量是否满足要求,在产品焊接时,需同步设置产品焊接见证件,焊接见证件的焊工及焊接工艺应与产品焊缝完全一致。除了进行与产品焊缝相同的检验外,还需要在见证件堆焊层样进行硬度检测及宏观金相检测,硬度平均值要求为39~47HRC,宏观金相检测不允许有裂纹、未熔合及其他线性缺陷。一旦出现见证件不合格,则需要对整批产品进行报废处理。

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4.钴基合金堆焊工艺

堆内构件需要进行钴基合金堆焊的堆焊面小,质量要求高,而钨极氩弧堆焊具有可见度好、电弧稳定、飞溅少等优点,同时手工钨极氩弧堆焊熔深浅、稀释率低,操作灵活方便,堆焊层容易控制。堆内构件的钴基堆焊一般采用手工钨极氩弧焊,具体焊接工艺必须提前按照RCC-M S3000完成焊接工艺评定。表3为钴基合金堆焊参数。

在焊接过程中,起弧、收弧位置出现缺陷的几率较高,特别是收弧位置极易出现弧坑裂纹。所以应设置引熄弧板,焊接完成后将引熄弧板去除,可以有效提高产品质量。引熄弧板材料应选择与母材相同的材质。

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表3 钴基合金堆焊参数

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5.钴基合金堆焊的质量控制

由于钴基合金堆焊难度大,质量要求高,为了保证钴基合金堆焊的质量,应对焊接的全过程进行严格控制。主要包括:人员控制、环境控制、焊前准备及焊接过程控制等。

(1)人员控制 钴基合金堆焊采用手工钨极氩弧焊,焊接质量对焊工的技能依赖度高,需要挑选技能优异的焊工,提前进行培训、练习,并按照HAF-603完成焊工考试后才可以实施产品焊接工作。

(2)环境控制 钨极氩弧堆焊属于气体保护焊,需要在焊接过程中严格防风,应选择相对封闭的场所,且不能开启风扇,以免影响气体保护效果。施焊场所还需要保持足够清洁,不能有粉尘、打磨飞溅等,以免产生焊接夹杂物。

(3)焊前准备 焊接前应确保母材待焊面加工平整,表面粗糙度满足Ra3.2μm要求,PT检测无任何显示,所有异物清理干净。焊接设备处于正常的工作状态,且各项参数设置在规范要求内。焊丝牌号及规格应与规范要求一致,且无油污、水分及其他可能影响焊接质量的杂质。

(4)焊接过程控制 钴基合金堆焊的裂纹倾向极高,为了有效避免焊接裂纹,需要较高的预热温度(350~420℃)。严格控制预热温度及层间温度对保证焊接质量至关重要,具体执行方式为:焊前采用炉内整体预热,可以使工件预热充分,同时保持工件温度的均匀性。施焊过程中,设置电加热器便于随时为工件进行加热升温;为了尽可能减少热量散失及热辐射对焊工的影响,可用石棉将工件包裹,仅保持待焊面外露(见图2);每焊一道检查工件温度,一旦发现温度低于370℃,则需启动电加热器进行加热升温。焊接工作完成后,立即进炉进行后热处理,后热温度为350~420℃,保温60min,出炉后用云母石掩埋实现缓慢冷却。

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图2 钴基合金堆焊工件布置

钴基合金流动性差,浸润效果不佳,容易出现焊接未熔合。钴基合金硬度极高,焊道清理难度大,加之较高的预热温度也增加了焊道清理的难度。如果焊道清理不彻底将增大未熔合的几率。 因此每道焊接前,需要将焊瘤、飞溅、咬边等容易导致未熔合的因素彻底清理排除,以减少产生未熔合的几率。

在施焊过程中,在保证充分熔合的情况下,应尽量减少母材熔化深度,以减少稀释率,避免堆焊层表面硬度不合格。

6.结语

堆内构件的钴基合金堆焊属于异种金属堆焊,由于钴基合金的焊接性能差,堆焊难度大,所以是堆内构件制造过程中的难点之一。本文针对钴基合金堆焊的工艺特性,分析了影响焊接质量的因素,并提出了控制焊接质量的措施,可减少焊接缺陷产生的几率,对提高钴基合金堆焊质量具有一定的指导作用。

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