秦山核電二期擴(kuò)建工程反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件鈷基合金堆焊工藝改進(jìn)

王慶田，許 斌，何大明，李 燕

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

秦山核電二期擴(kuò)建工程反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件鈷基合金堆焊工藝改進(jìn)

王慶田，許 斌，何大明，李 燕

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

鈷基合金是一種抗高溫腐蝕性能優(yōu)異的耐磨材料，是理想的耐磨堆焊材料。在奧氏體基體上堆焊鈷基合金，難點(diǎn)在于預(yù)防堆焊裂紋以及補(bǔ)償堆焊層因稀釋(或沖淡)所引起的合金元素含量的降低，同時(shí)提高熔敷效率。討論了鈷基合金堆焊容易出現(xiàn)冷、熱裂紋的原因，并從冶金和工藝方面分析探討了提高熔敷率、降低稀釋率(沖淡率)以及防止堆焊冷、熱裂紋的可行性措施。在對(duì)秦山核電二期工程反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件鈷基合金堆焊的基礎(chǔ)上，改進(jìn)焊接工藝和參數(shù)，對(duì)堆焊層進(jìn)行金相檢驗(yàn)及硬度測(cè)量，結(jié)果滿足秦山核電二期擴(kuò)建工程鈷基合金堆焊的設(shè)計(jì)要求。

核反應(yīng)堆；堆內(nèi)構(gòu)件；鈷基合金；堆焊

0 前言

堆內(nèi)構(gòu)件是核反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部重要的支承部件，為確保定位精度和防止疲勞破壞，限位間隙必須控制。吊籃筒體上部?jī)?nèi)壁上的4個(gè)堆芯上板導(dǎo)向銷位于45°、135°、225°和315°處，為堆芯上板提供精確定位，保持與堆芯下板的一致性。吊籃筒體下部的4個(gè)徑向支承鍵位于0°、90°、180°和270°，這4個(gè)徑向支承鍵與壓力容器下部4個(gè)徑向支承鍵槽相配合，防止吊籃徑向移動(dòng)和周向轉(zhuǎn)動(dòng)。既然是定位鍵，鍵和槽之間要求保持一定間隙(上堆芯板導(dǎo)向銷與上堆芯板嵌入鍵之間的間隙為0.152±0.05mm，徑向支承鍵與鍵槽的裝配間隙0.25+0.025+0mm)。在正常的換料檢修以及運(yùn)行工況下，由于激勵(lì)源(包括湍流、漩渦脫落振動(dòng)、主泵引起的壓力振蕩以及流體彈性振動(dòng))作用下的流致振動(dòng)，導(dǎo)致磨損不可避免。這樣間隙會(huì)越來越大，流致振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)趸@下部徑向支承鍵與容器間隙超出設(shè)計(jì)限值時(shí)，吊籃出現(xiàn)明顯的梁式振動(dòng)，頻率7.2 Hz(吊籃固有頻率8 Hz)。因此，選擇一種耐高溫腐蝕并具有優(yōu)良耐磨性能的材料是非常必要的。鈷基合金具有優(yōu)良的耐磨性能，硬度高達(dá)HRC40以上，特別是stellite 6B、stellite 6K合金，其耐磨性能是固有的，不需要采用特殊熱處理，也不需要采取表面硬化措施。因此，鈷基合金常被用于核電零部件的堆焊，以提高耐磨性能。

1 鈷基合金耐磨機(jī)理

鈷基合金是含鈷為50%的合金，加入鉻、鎳、鎢、鉬、鉭、鈮和碳等元素對(duì)基體進(jìn)行強(qiáng)化，其中含鉻為20%，以保證具有良好的抗氧化、抗腐蝕性能。這類合金以固溶和碳化物[1-2](Cr7C3、Cr23C6、WC、W2C等)兩種方式強(qiáng)化，鉻、鎳、鎢、鉬等元素對(duì)基體進(jìn)行固溶強(qiáng)化，碳與碳化物元素形成復(fù)雜的金屬間化合物對(duì)合金進(jìn)行沉淀強(qiáng)化。鈷是合金固溶體元素，鉻是碳化物元素，鎢可形成硬度極高的碳化鎢質(zhì)點(diǎn)，碳是碳化物的主要元素。固溶體組織為富鈷合金，共晶組織中為含碳化物的硬質(zhì)點(diǎn)。但是碳、鎢含量越高，越易產(chǎn)生裂紋。

2 鈷基合金堆焊

鈷基合金是一種抗高溫腐蝕的性能優(yōu)異的耐磨金屬，是理想的耐磨堆焊材料。堆焊工藝本身具有明顯的異種金屬焊接特點(diǎn)，對(duì)焊接工藝和參數(shù)要求較高。在奧氏體基體(00Cr19Ni10N)上堆焊鈷基合金，難點(diǎn)在于預(yù)防堆焊裂紋以及補(bǔ)償堆焊層由于稀釋(或沖淡)所引起的合金元素的降低，同時(shí)提高熔敷效率。鈷基合金組織為呈樹枝狀結(jié)晶的CoCrW合金固溶體(奧氏體)初晶和固溶體與CrW復(fù)合碳化物的共晶體基底組成。隨著含碳量增加，奧氏體數(shù)量減小，共晶體增多。該組織屬于亞共晶類型。當(dāng)含碳量較高時(shí)，顯微組織為過共晶組織，由粗大的一次Cr、W復(fù)合碳化物加固溶體與碳化物的共晶體組成。這種樹枝狀?yuàn)W氏體及復(fù)合碳化物的共晶體組織，一般可能形成熱裂紋或冷裂紋。

2.1 堆焊裂紋產(chǎn)生原因

2.1.1 熱裂紋

(1)焊接時(shí)，焊件由于受到不均勻的局部加熱和冷卻，在焊縫金屬中殘留焊接應(yīng)力，這是產(chǎn)生熱裂紋的主要原因。由于基體母材奧氏體不銹鋼與堆焊鈷基合金材質(zhì)不同，奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，而鈷基合金的線膨脹系數(shù)較小，導(dǎo)致焊縫金屬的殘余應(yīng)力很難避免。

(2)奧氏體不銹鋼中的S、P、Sn、Si、Nb等雜質(zhì)元素易于形成NiS、FeS、Fe3P、NiP等化合物，與Fe或FeO等形成低熔點(diǎn)共晶組織沿晶界偏析，從而產(chǎn)生熱裂紋。

(3)對(duì)于奧氏體不銹鋼焊縫，易于聯(lián)生結(jié)晶形成方向性很強(qiáng)的粗大柱狀晶組織，容易造成有害雜質(zhì)的偏析，促使形成晶間液態(tài)夾層，產(chǎn)生熱裂傾向。

2.1.2 冷裂紋

鈷基合金堆焊后一般形成硬度較高的Cr7C3、Cr23C6、WC、W2C等共晶組織，該組織的氫溶解度較小，使擴(kuò)散氫含量增大，從而可能產(chǎn)生冷裂紋。

2.2 防止堆焊裂紋的措施

2.2.1 冶金措施

(1)選用合格的焊接材料，保證化學(xué)成分合理，嚴(yán)格控制S、P、C等的含量。

(2)嚴(yán)格控制奧氏體不銹鋼基體中的S、P、Sn、Sb等雜質(zhì)元素含量。

2.2.2 工藝措施

(1)適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)，以降低稀釋率，并可避免奧氏體柱狀晶粗大及雜質(zhì)的偏析。

(2)合理的熱處理制度，焊前預(yù)熱，焊后緩冷，采取堆焊過程中保溫和焊后熱處理措施。

(3)最好采用連續(xù)焊，減少由于局部加熱、冷卻而產(chǎn)生裂紋的傾向。

(4)正確選擇焊接順序，以減小焊接變形，降低焊接應(yīng)力。

(5)根據(jù)核反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件對(duì)徑向支承鍵、上堆芯板導(dǎo)向銷以及左／右嵌入鍵耐磨堆焊層要求，選擇合適的焊接方法，以獲得需要的性能要求。

(6)堆焊前對(duì)堆焊基體奧氏體不銹鋼進(jìn)行液體滲透檢驗(yàn)，要求檢驗(yàn)結(jié)果無任何缺陷顯示，并且待堆焊層表面粗糙度不大于1.6 μ m。

3 秦山核電二期工程反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件鈷基合金堆焊

3.1 秦山核電二期工程鈷基合金堆焊結(jié)果

秦山核電工程反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件的鈷基合金堆焊包括徑向支承鍵耐磨堆焊層(見圖1)、上堆芯板導(dǎo)向銷耐磨堆焊層(見圖2)和上堆芯板左／右嵌入鍵耐磨堆焊層(見圖3、圖4)?？紤]到堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)中對(duì)限位間隙的嚴(yán)格控制以及運(yùn)行中零部件的磨損，堆焊層的堆焊性能指標(biāo)對(duì)核反應(yīng)堆的運(yùn)行具有重要的意義。

圖1 徑向支承鍵

圖2 上堆芯板導(dǎo)向銷

秦山二期工程反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件鈷基合金堆焊采用手工TIG堆焊工藝，堆焊2～3層，堆焊后進(jìn)行金相和硬度測(cè)量，金相測(cè)量結(jié)果如圖5所示，硬度測(cè)量結(jié)果如表1所示。

3.2 秦山核電二期工程鈷基合金堆焊結(jié)果分析

秦山核電二期工程反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件鈷基合金堆焊結(jié)果滿足當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)規(guī)范要求為38～50 HRC，但是整體硬度值趨于下限。核查焊接施焊記錄發(fā)現(xiàn)，首層堆焊焊接電流195 A，返修焊電流150 A，首層焊焊接電流偏大，這樣由于奧氏體不銹鋼的稀釋，導(dǎo)致表層硬度偏低。另外，堆焊時(shí)的道間溫度波動(dòng)范圍偏大，導(dǎo)致硬度不均勻。

圖3 上堆芯板左嵌入鍵

圖4 上堆芯板右嵌入鍵

表1 堆焊層硬度值 HRC

秦山核電二期擴(kuò)建工程采用新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)硬度測(cè)量結(jié)果提出了更高的要求：39～47 HRC，不僅最低硬度指標(biāo)有所提高，而且要求測(cè)量點(diǎn)之間的硬度差值控制在5 HRC之內(nèi)。按照秦山核電二期工程的焊接工藝很可能滿足不了設(shè)計(jì)要求，因此有必要對(duì)工藝措施加以改進(jìn)。幾種常用的堆焊方法的特點(diǎn)如表2所示。

圖5 顯微金相檢驗(yàn)(250×)

表2 不同堆焊方法的特點(diǎn)及指標(biāo)[3-4]

從表2可以看出，氧乙炔焰堆焊的硬度值較其他堆焊方法略高。在秦山核電二期擴(kuò)建工程中，為了提高堆焊層的硬度，有必要選擇更合適的焊接工藝，比如，采用氧乙炔焰堆焊，或者改進(jìn)手工TIG焊焊接工藝參數(shù)，以獲得較低的手工TIG焊稀釋率，提高堆焊層的表層硬度。例如，為了降低稀釋率，首層堆焊可以采取更低的焊接電流，因?yàn)閵W氏體不銹鋼Z2CN19.10N.S.含碳量很低，隨著堆焊基體元素進(jìn)入堆焊層，造成堆焊層碳含量偏低，從而使硬度值偏低。另外，設(shè)計(jì)要求的最小堆焊層厚度為3 mm，理想厚度5 mm，在滿足公差、裝配要求的情況下，堆焊層厚度越大，表面硬度也會(huì)更大。基于這些考慮，加上制造廠對(duì)于手工TIG堆焊工藝的焊接經(jīng)驗(yàn)以及氧乙炔焰堆焊硬度與手工TIG堆焊硬度相差不大，秦山二期擴(kuò)建工程的堆焊工藝為：

(1)采取手工TIG堆焊，直流正接，同時(shí)控制焊接時(shí)的弧長(zhǎng)和電極擺動(dòng)，以盡可能降低稀釋率。

(2)降低首層焊的焊接電流，首道焊選取直徑較小的焊絲堆焊，以降低稀釋率。

(3)減少道間溫度的波動(dòng)范圍，堆焊過程中采取連續(xù)焊，層間溫度波動(dòng)范圍盡可能小。

4 秦山核電二期擴(kuò)建工程反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件鈷基合金堆焊

4.1 焊接材料的選擇

秦山核電二期工程反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件的鈷基合金堆焊采用的焊接材料為ERCoCr-A(Grade 6)鈷基合金光焊條，主要化學(xué)成分如表3所示。

表3 ERCoCr-A(Grade 6)的主要化學(xué)成分 %

同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素S、P等的含量，力爭(zhēng)含量控制為：w(S)≤0.015%，w(P)≤0.030%。

4.2 母材中有害元素的控制

基體材料為奧氏體不銹鋼Z2CN19.10NS(00Cr19 Ni10N)，化學(xué)成分如表4所示。堆焊時(shí)，在堆焊層的稀釋下，基體材料中的元素會(huì)溶解到堆焊層中，因此，應(yīng)嚴(yán)格控制基體中的雜質(zhì)元素S、P等含量。

表4 Z2CN19.10NS主要化學(xué)成分 %

4.3 焊接工藝參數(shù)

采用手工TIG進(jìn)行堆焊。堆焊2～3層，保護(hù)氣體為高純氬氣，堆焊第一層采取焊接工藝評(píng)定的下限電流，在秦山二期首道焊焊接電流的基礎(chǔ)上下降約15%。

4.4 熱處理制度

熱處理制度包括預(yù)熱、層間溫度和后熱。預(yù)熱溫度和層間溫度控制在350℃～480℃，后熱溫度加熱速度為380℃～480℃／h，為了降低冷卻速度，堆焊后在云母隔熱粉末中緩冷。對(duì)于挖槽尺寸小于等于φ 8mm的補(bǔ)焊，預(yù)熱溫度150℃～250℃，無需后熱。堆焊過程中采取連續(xù)焊，層間溫度波動(dòng)范圍保持到最?。?90℃～440℃。

4.5 堆焊層的檢驗(yàn)

對(duì)堆焊層分別進(jìn)行金相檢驗(yàn)和硬度測(cè)量。在與焊道垂直的方向上切取一塊被加工到最小尺寸(加工前堆焊層厚度6～7 mm，設(shè)計(jì)要求的最小堆焊層厚度3 mm)的熔敷金屬切片，以進(jìn)行宏觀金相檢驗(yàn)。使用5倍放大鏡進(jìn)行熔敷金屬和熱影響區(qū)檢查，結(jié)果顯示無裂紋、未熔合和其他線性缺陷。對(duì)可疑的區(qū)域應(yīng)進(jìn)行微觀金相檢驗(yàn)，顯示無亞共析組織、裂紋和過度滲碳現(xiàn)象出現(xiàn)。在與熔敷金屬表層垂直的直線上進(jìn)行堆焊區(qū)硬度變化曲線的測(cè)量，以評(píng)價(jià)堆焊層的稀釋率和堆焊層的均質(zhì)性。硬度測(cè)量結(jié)果偏差在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)，堆焊層較為均勻。在機(jī)加工到最小尺寸的耐磨堆焊層的表面上進(jìn)行Rockwell C硬度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表5所示，金相照片如圖6所示。硬度值滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求：HRC＝39～47，且要求測(cè)量點(diǎn)之間的硬度差值為4.5HRC，在設(shè)計(jì)要求的5 HRC之內(nèi)。金相檢驗(yàn)結(jié)果無缺陷顯示。堆焊結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

秦山核電二期擴(kuò)建工程核反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件奧氏體不銹鋼鈷基合金堆焊具有典型的異種金屬焊接的特點(diǎn)，由于材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)的不同，如果不嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素的含量，很容易出現(xiàn)堆焊缺陷。秦山核電二期擴(kuò)建工程反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件制造過程中針對(duì)鈷基合金堆焊的特點(diǎn)，在吸取秦山二期工程鈷基合金堆焊經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)焊接工藝參數(shù)和熱處理制度做出了適當(dāng)調(diào)整，堆焊結(jié)果滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

[1]王德權(quán)，胡毅鈞，李 杰.閥門用鈷基合金及堆焊工藝[J].閥門，2004(2)：12-17.

[2]劉政軍，吳英杰.超硬質(zhì)相在高溫磨損中的行為及抗磨性[J].焊接學(xué)報(bào)，1999(2)：120-125.

[3]蘇志東，王德權(quán).核級(jí)閥門堆焊鈷基合金工藝的研究[J].閥門，2000(5)：15-18.

[4]謝福彪.影響鈷基合金堆焊層硬度的諸因素[J].閥門，1994 (3)：17-20.

Improvement of welding process about Qinshan nuclear power II expansion project reactor Co-based alloy

WANG Qing-tian，XU Bin，HE Da-ming，LI Yan
(State Key Laboratory of Reactor System Design Technology，China Nuclear Power ResearchInstitute，Chengdu 610041，China)

With the property of wear resisting and high temperature resisting，cobalt-based alloy is a ideal building up welding material.The difficulty of building up of cobalt-based alloy in austenitic stainless steel is the appearance of hot crack，cold crack and increasing deposition efficiency.This paper discusses the reasons of hot crack and cold crack.Then from the metallurgy and process ways introduce the measures of increasing deposition efficiency，reducing the rate of dilution and prevention the appearance of hot／cold crack.Based on the building up of cobalt-based alloy in Qinshan II nuclear power project reactor，modifying the welding process，metallographical and hardness measurement show the building-up satisfy the design requirement of Qinshan II nuclear power project extension reactor.

nuclear reactor；reactor internals；cobalt-based alloy；building up

TG455

A

1001-2303(2010)02-0042-05

2009-09-18；

2010-01-13

王慶田(1982—)，男，四川成都人，工程師，碩士，主要從事核反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計(jì)研究工作。

表5 堆焊層硬度值 HRC

圖6 顯微金相檢驗(yàn)(250×)