控制棒環(huán)焊縫的脈沖鎢極氬弧焊

1、.控制棒環(huán)焊縫的脈沖鎢極氬弧焊胡萬(wàn)倫( 宜賓核燃料元件廠 , 四川宜賓 , 644000)摘要 介紹了巴基斯坦恰?，敽穗娬? PC) 控制棒環(huán)焊所采用的脈沖鎢極氬弧焊( 以下簡(jiǎn)稱脈沖 T I G 焊)的工藝特點(diǎn)以及對(duì) 0Cr 18Ni 11 Ti 冷作奧氏體不銹鋼材料的適用性 , 分析總結(jié)了焊接缺陷產(chǎn)生的原因和采取的 措施 。關(guān)鍵詞 控制棒 脈沖鎢極氬弧焊 裂紋引言控制棒是控制棒組件的重要部件 。由于控 制棒組件在堆內(nèi)的設(shè) 計(jì) 運(yùn) 行 時(shí) 間 為 10 至 15 年 , 它的質(zhì)量 ( 主要是環(huán)焊縫質(zhì)量) 對(duì)反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性都至關(guān)重要 。在秦山首爐控制 棒制造中 , 宜賓核燃料元件廠采用了

2、直流鎢極 氬弧焊 ( T I G) 焊接方法 , 而在巴基斯坦恰?，敽?電站 ( PC) 控制棒制造中采用脈沖 T I G 焊接方 法 , 使產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率在秦山首爐控制棒制造的基礎(chǔ)上有了較大提高 。本文對(duì) PC 控制棒 環(huán)焊接中產(chǎn)生裂紋和未焊透的原因以及控制措 施進(jìn)行了分析 。等組成 ( 見圖 1 ) ?？刂瓢舭鼩す?0Cr 18Ni 11 Ti 是一種單相奧 氏體不銹鋼 , 其導(dǎo)熱系數(shù)小 , 線膨脹系數(shù)大 ,在焊接接頭內(nèi)有較大的殘余應(yīng)力 , 故焊接接頭可能產(chǎn)生熱裂紋 ; 在熱影響區(qū)發(fā)生鉻和鉬的碳 化物沉淀 , 降低耐蝕性和耐熱性 , 可能產(chǎn)生晶 間腐蝕 ; 在鐵素體含量較高時(shí) , 可能

3、出現(xiàn) 475 脆性或相脆化現(xiàn)象 。另外控制棒包殼管為冷作薄壁管 , 其制造工藝不同于普通奧氏體不銹 鋼管 , 它是經(jīng)固溶處理后進(jìn)行冷拉至最終尺 寸 , 而冷作變形量為 10 %左右 , 這樣使奧氏體基 體中存在少量的片狀馬氏體組織從而提高了材料 的強(qiáng)度和耐磨性 。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道1 , 此種冷作 不銹鋼材料在焊接時(shí)若焊接工藝選擇不當(dāng) , 其 中的片狀馬氏體有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈韵?( 碳化物12 焊接特點(diǎn)控制棒由上 、下端塞 、不銹鋼包殼 、芯體圖 1控制棒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1999 年 1 月 4 日收到初稿 , 1999 年 5 月 17 日收到修改稿。*;胡萬(wàn)倫 :控制棒環(huán)焊縫的脈沖鎢極氬弧焊179沉淀相

4、) , 而對(duì)焊縫的應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生不良影響 ;并且 , 管壁厚度為 015m m 的薄壁管也對(duì)焊接工 藝提出了很高的要求 。3 脈沖 TI G 焊對(duì)控制棒的適用性及其主要參數(shù)311 脈沖 TI G 焊對(duì)控制棒的適用性脈沖 T I G 焊作為 T I G 焊的一種特殊類型 ,圖 2直流脈沖氬弧焊電流波形Ib 基值電流 ,A ; Ip 脈沖電流 ,A ; tp 脈沖電流持續(xù) 時(shí)間 , s ; tb 基值電流持續(xù)時(shí)間 , s ; T 脈沖周期 , s 。2具有以下突出的優(yōu)點(diǎn) : 可以精確控制對(duì)工件的熱輸入和熔池尺寸 , 易獲得均勻的熔深 , 特 別適合于薄件 ; 脈沖電流能以較低的熱輸入 而獲得較大的熔

5、深 , 故同樣條件下能減小焊接 熱影響區(qū)和焊接變形 ; 焊接過(guò)程中熔池冷卻 快 , 高溫停留時(shí)間短 , 可減少熱敏感材料焊接 時(shí)產(chǎn)生熱裂紋的傾向 ?，F(xiàn)將直流 T I G 和脈沖 T I G 兩種焊接方法對(duì)控制棒環(huán)焊的適用性進(jìn)行 比較 (見表 1) 。312 脈沖 TI G 焊的主要參數(shù)直流脈沖氬弧焊電流波形見圖 2 。脈沖電流 是決定焊縫成形尺寸的主要因素 , 一般隨著電流的增大 , 焊縫的熔深和熔寬都增大 。脈沖電流的選擇主要取決于焊接材料性質(zhì)( 尤其是導(dǎo)熱 系數(shù)) 與厚度 。為了充分發(fā)揮脈沖焊的特點(diǎn) , 通 常選用的基值電流都較小 , 一般根據(jù)脈沖電流選定 ( I p / I b 比值約為

6、 3 1) , 但在其它參數(shù)不及熔池的冷卻速度 。脈沖占空比 k ( 脈沖電流持續(xù)時(shí)間與脈沖周期的比率即 k = t p / ( t p + t b ) ) 的大小反映了脈沖焊特征的強(qiáng)弱 , 當(dāng) k 過(guò)小 , 將影響電弧的穩(wěn)定性 , k 過(guò)大 , 則接近直流 , 失 去了脈沖焊的特點(diǎn) , 在 PC 控制棒環(huán)焊中選用 k = 50 % , 即熔化周期等于冷卻周期 。頻率高低 反映焊點(diǎn)間距的大小 , 可見脈沖頻率影響焊縫 外觀 。如果頻率超過(guò)某一極限時(shí) , 脈沖作用就 會(huì)隨之消失 。焊接裂紋產(chǎn)生的原因及其控制在控制棒環(huán)焊縫的試驗(yàn)過(guò)程中部分金相樣 品出現(xiàn)裂紋 。在 A M RA Y1845 F E

7、場(chǎng)發(fā)射電鏡下 對(duì)發(fā)現(xiàn)裂紋的試樣進(jìn)行剖面觀察 , 發(fā)現(xiàn)裂紋沿管與端塞結(jié)合線方向在熔區(qū)內(nèi)呈分叉和拐彎狀4變的情況下 ,改變基值電流可調(diào)節(jié)焊件的預(yù)熱表 1適用性比較注 : 表中 I p 代表脈沖電流 , I b 代表基值電流 , f 代表脈沖頻率 ,k 代表脈沖占空比。© 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.180核 動(dòng) 力 工 程Vol 1211No 1212000圖 3焊縫結(jié)合處的裂紋(500 倍)圖 4裂紋中的撕裂痕跡(2000 倍)的穿晶擴(kuò)展 (見圖 3)

8、 。觀察裂紋斷面發(fā)現(xiàn)部分位置出現(xiàn)撕裂痕跡 ( 見圖 4) 。從裂紋形態(tài)及斷口特 征可以判定該裂紋屬冷裂紋的一類( 即結(jié)合線裂 紋) 。411 裂紋產(chǎn)生原因分析焊接參數(shù)的影響不銹鋼薄壁管焊接參41111數(shù)的選擇對(duì)接頭的致密性和耐晶間腐蝕性至關(guān)重要 , 而線能量是焊接參數(shù)的綜合反映指標(biāo) , 表 2 給出了試驗(yàn)中 3 種工藝參數(shù)對(duì)控制棒環(huán)焊 的影響 。由表 2 分析可知 : 在輸入合適的線能量( E)下 , 脈沖電流與焊接速度的合理設(shè)置至關(guān)重 要 。焊縫凝固時(shí) , 熱量通過(guò)向管子外和端塞與 管子間縫中傳遞進(jìn)行冷卻 , 因而焊縫根部冷卻根據(jù)冷裂紋產(chǎn)生機(jī)理可知3: 焊縫中的應(yīng)力集中 、淬硬組織和氫是產(chǎn)生

9、冷裂紋的主要原因 。試驗(yàn)證明控制棒環(huán)焊縫脈沖 T I G 焊由結(jié)合 線產(chǎn)生結(jié)合線裂紋的原因主要有以下二方面 。表 2工藝參數(shù)對(duì)環(huán)焊的影響© 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 胡萬(wàn)倫 :控制棒環(huán)焊縫的脈沖鎢極氬弧焊181速度最快 , 由于脈沖 T I G 焊冷卻速度本身較T I G 焊快得多 , 若焊接速度太快 , 焊縫冷卻 時(shí) , 收縮殘余應(yīng)力最大 , 故在結(jié)合線出現(xiàn)裂紋 的幾率大 。PC 生產(chǎn)中采用試驗(yàn)條件 3 的參數(shù) , 焊接電流較低 , 焊接速度較

10、慢 , 生產(chǎn)中未出現(xiàn)裂紋 。故適當(dāng)降低焊縫的冷卻速度 , 有利于降 低焊接殘余應(yīng)力 , 即有利于消除結(jié)合線裂紋 。造成的返修率大于 10 % , 嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度 , 因此 , 對(duì)其進(jìn)行了分析 , 并提 出了具體的措施 。511 原因分析由于焊接設(shè)備 W SM2200 結(jié)構(gòu)問(wèn)題即夾持區(qū) 離焊縫太遠(yuǎn) , 約為 120m m , 控制棒在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中存在一定的跳動(dòng) , 另外根據(jù)技術(shù)條件要求 ,包殼管的直線度要求為 0125m m/ 300m m , 因而 在控制棒環(huán)縫焊接時(shí)鎢極與工作間距離( 即極間 距) 不斷發(fā)生較大變化 , 故在環(huán)焊縫中易出現(xiàn)局部未焊透 。512 具體措施由于包殼端

11、夾持在精密焊接工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)頭 中 , 無(wú)法調(diào)整 , 故實(shí)際中采用一特殊頂頭將控 制棒上端塞插入其中 , 特殊頂頭結(jié)構(gòu)見圖 5 。該頂頭的作用是限制控制棒的跳動(dòng)( 控制棒上端塞 有 一 直 徑 為 7m m 圓 柱 面 , 頂 頭 內(nèi) 徑 為711m m) 。通過(guò)該工藝的實(shí)施 , 最終解決了環(huán)焊 未焊透問(wèn)題 , 控制棒成品率和產(chǎn)品質(zhì)量由此得 到了保證 。41112拘束度的影響由于端塞和包殼裝配采用過(guò)盈配合 , 該焊接結(jié)構(gòu)的拘束應(yīng)力較大 。試驗(yàn)證明 , 當(dāng)過(guò)盈量小于等于 0102m m 時(shí) , 無(wú)裂 紋產(chǎn)生 , 隨著過(guò)盈量的增加 , 裂紋出現(xiàn)的幾率增加 。裝配過(guò)盈量的影響見表 3 。表 3裝配過(guò)盈量

12、對(duì)裂紋的影響41113包殼管表面狀態(tài)的影響冷作不銹鋼包殼管內(nèi)外表面存在一層氧化膜 , 為了驗(yàn)證該氧化膜對(duì)裂紋的影響 , 進(jìn)行了氧化膜打磨試驗(yàn) ,包殼管表面狀態(tài)對(duì)裂紋的影響見表 4 。表 4包殼端表面狀態(tài)對(duì)裂紋的影響由表 4 可知 , 在相同焊接工藝條件下 , 包殼管表面是否打磨對(duì)焊接裂紋的產(chǎn)生無(wú)明顯影 響 , 但氧化膜在焊接過(guò)程中將會(huì)影響電弧穩(wěn) 定 , 惡化焊縫成形 , 并可導(dǎo)致氣孔 、夾雜 、未 熔合等缺陷 , 故在 PC 控制棒生產(chǎn)中采用了去除圖 5上端塞頂頭示意圖結(jié)束語(yǔ)在 PC 控制棒的制造中 , 根據(jù)控制棒的焊接 特點(diǎn) , 采用脈沖 T I G 焊接方法 , 嚴(yán)格控制焊接 工藝 , 并

13、對(duì)焊接缺陷采取必要的措施 , 使成品控制棒質(zhì)量完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求 , 圓滿完成了我 國(guó)核電燃料組件的出口任務(wù) 。實(shí)踐證明 , 脈沖 T I G 焊接方法是冷作不銹鋼薄壁管焊接的先進(jìn)焊接方法 。6包殼管內(nèi)外表面氧化膜的工藝 ,量 。412裂紋的控制以確保焊接質(zhì)在生產(chǎn)中通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的合理選擇 , 特別是降低焊縫的冷卻速度以及控制端塞與包殼 管裝配過(guò)盈量和打磨包殼管管口內(nèi)外表面 , 使在生產(chǎn)金相見證樣中未發(fā)現(xiàn)結(jié)合線裂紋 。在對(duì)環(huán)縫的 100 %x 光探傷檢驗(yàn)中也未發(fā)現(xiàn)任何異 常 。參考文獻(xiàn)1陳德和 1 不銹鋼的性能和組織 11977 , 2013512陳武柱 , 邢小琳 , 胡正衡 1 鎢極氣體保護(hù)

14、焊 1 焊接 手冊(cè) , 1995 , (1) : 10013013陳伯蠡 1 焊接熱裂紋 1 焊接冶金原理 ,1991 , 4544951未焊透產(chǎn)生的原因及其控制在控制棒制造初期 , 由于上端環(huán)縫未焊透5© 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 182核 動(dòng) 力 工 程Vol 1211No 1212000Girt h Wel din g of Con tr ol Rodby Pul se Tun gsten 2 Inert 2 Ga s Wel din g

15、Pr oce ssHu Wa nl u n( Yi bi n N uclea r Fuel Ele me nt Pla nt , Yi bi n ,Sic hua n ,644000)Abstra ctThi s p ap e r st udie s t he f ea t ure s of p ul se t u n gst e n2i ne r t2ga s ( T I G) wel di n g p roce ss i n gi r t h wel di n g oft he co nt rol ro d fo r Pa ki st a n Cha r sh ma ( PC) N ucl

16、ea r Po we r Pla nt a n d t hea vaila bili t yof 0Cr 18Ni 11 Ti , t hecol d2f i ni she d a ust e nic st ai nle ss st eel ma t e rial 1 It a nal yze s t he rea so n s t ha t t he c rac k a n d t he i nco mplet e2f usio n occ uri nt he gi r t h wel d ,p re se nt s t he actio n s to be t a ke n 1Co nt

17、rol ro d Pul se t u n gst e n2i ne r t2ga s wel di n g Crac kKey wor ds 作者簡(jiǎn)介 胡萬(wàn)倫 , 男 , 1966 年生 , 工程師 。1988 年畢業(yè)于武漢水運(yùn)工程學(xué)院 , 現(xiàn)從事核燃料元件制造技術(shù)工作 。(上接第 166 頁(yè))A Ne w Co de d Fa ul t Tree Met ho dol ogy f or Ana l ys is of Acc iden t sGao J iaHua ng Xia n gr uiShe nZup ei(Beiji n g U ni ve r si t y of Scie nce

18、 a n d Tec h nology ,Beiji ng ,100083)( Tsi ng hua U ni ve r si t y ,Beiji n g ,100084)Abstra ctThi s p ap e r p re se nt s a met ho dolo gy of co de d f a ul t t ree to a nal yze t he va rio us di sa st e r s , w hic h li n ksall f ail ure s , a s f a r a s po ssi ble bac k to so me hu ma n e r ro r s , suc h a s de si g n e r ro r , mai nt e na nce e r ro r ,o p e ra to r e r ro r ,et c 1 It al so sho w s t ha t hu ma n relia bili t