核電用304不銹鋼掃描激光微連接工藝研究

梁曉梅 黃瑞生 劉金湘 楊義成 鄒吉鵬 王猛

摘要：分別采用激光“○”掃描焊、激光“|”掃描焊及激光“8”掃描焊方法焊接核電用控制棒導(dǎo)向筒304不銹鋼，并與常規(guī)激光焊進(jìn)行對(duì)比，分析掃描幅度、掃描頻率等主要工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形、焊接氣孔的影響規(guī)律，對(duì)導(dǎo)向筒模擬件焊接接頭進(jìn)行綜合質(zhì)量評(píng)估。結(jié)果表明，三種掃描焊方法在焊縫成形、焊接氣孔控制等方面均優(yōu)于常規(guī)焊，且不同光斑掃描路徑對(duì)焊接氣孔的抑制程度存在差異，“○”掃描焊最優(yōu);若要發(fā)揮掃描焊抑制氣孔的作用，掃描幅度、掃描頻率均須達(dá)到閾值，且超出閾值后，適當(dāng)增大掃描幅度或掃描頻率均可增強(qiáng)抑制氣孔的效果，當(dāng)掃描幅度為2 mm、掃描頻率為50 Hz 時(shí)，未檢測(cè)到焊接氣孔;“○”掃描焊焊接接頭具有良好的耐腐蝕性能，變形量可控制在0.3 mm以?xún)?nèi)。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)向筒;不銹鋼;激光掃描焊;光斑掃描路徑;焊接氣孔

中圖分類(lèi)號(hào)：TG456.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）07-0053-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.08

0 前言

隨著我國(guó)核電技術(shù)的快速發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切要求，百萬(wàn)千瓦級(jí)核反應(yīng)堆關(guān)鍵設(shè)備制造技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化亟待解決[1-2]。控制棒導(dǎo)向筒是核島主設(shè)備堆內(nèi)構(gòu)件的關(guān)鍵部件，百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電站每個(gè)機(jī)組有61套控制棒導(dǎo)向筒組件，安裝在倒帽形的上部性堆內(nèi)構(gòu)件上[3]，其主要功能是為控制棒組件提供保護(hù)和導(dǎo)向，減小冷卻劑橫向作用力對(duì)落棒時(shí)間的影響[4]，因此，焊接過(guò)程及焊后去應(yīng)力過(guò)程都必須嚴(yán)格控制變形[5]。而在滿(mǎn)足較低的焊接變形前提下，盡可能實(shí)現(xiàn)大熔深焊接無(wú)疑是對(duì)焊接技術(shù)的一大挑戰(zhàn)。

目前，304 奧氏體不銹鋼因其優(yōu)良的抗腐蝕、耐高溫和綜合力學(xué)性能[6]，被廣泛用作百萬(wàn)千瓦級(jí)控制棒導(dǎo)向筒材料，目前主要采用真空電子束焊接方法。電子束焊接具有功率密度高、能量密度高、加熱速度快、熱影響區(qū)較窄等特點(diǎn)，但由于必須在真空狀態(tài)下進(jìn)行焊接，大大增加了加工成本[7-8]。

激光焊接具有熱輸入低、焊接變形小的特點(diǎn)，適用于各種材料和零件的微焊接，已廣泛應(yīng)用于電子、醫(yī)療設(shè)備、儀器儀表、汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域，而針對(duì)核反應(yīng)堆控制棒導(dǎo)向筒的激光掃描焊接工藝研究鮮有報(bào)道[9-12]。因此，文中以304奧氏體不銹鋼為試驗(yàn)材料，采用激光掃描焊接方法，分析主要工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形、焊接氣孔、焊接變形的影響規(guī)律，通過(guò)工藝優(yōu)化獲得成形美觀、變形低、質(zhì)量高的微連接或全熔透性焊縫。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用母材為304奧氏體不銹鋼，其化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)前用角磨機(jī)清除表面毛邊、氧化皮等，然后利用酒精擦拭焊接區(qū)域，去除表面油污及附著物。掃描焊和常規(guī)焊接工藝參數(shù)如表2所示。

焊接試驗(yàn)用激光器為德國(guó)阿帕奇（IPG）公司生產(chǎn)的YLS-30000-SS4連續(xù)型輸出光纖激光器，其最大輸出功率為30 kW，BIMO萬(wàn)瓦級(jí)多功能激光焊接頭，激光束傾角10°。激光“|”掃描焊、激光“○”掃描焊及激光“8”形掃描焊三種掃描激光光斑掃描路徑示意如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 激光掃描焊接工藝研究

2.1.1 掃描軌跡對(duì)焊縫成形及氣孔的影響

常規(guī)激光焊、激光“|”掃描焊、激光“○”掃描焊及激光“8”形掃描焊焊縫形貌如圖2所示，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2，除掃描方式變化外，其余焊接參數(shù)均相同。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，常規(guī)激光焊焊縫成形最差，焊縫表面凹凸不平，存在較明顯的咬邊、飛濺等缺陷，焊縫截面呈“長(zhǎng)釘形”，符合高能束焊縫截面形狀，上表面也存在對(duì)稱(chēng)凹陷，這是由于焊接過(guò)程中部分液態(tài)金屬以飛濺形式損失造成的;激光“|”掃描焊焊縫成形得到了明顯改善，但焊接飛濺明顯增加，原因可能是“|”掃描焊鋸齒形的光斑掃描路徑使焊接過(guò)程穩(wěn)定性變差造成的，且焊縫寬度明顯增加，熔深明顯減小，焊縫截面形狀由“長(zhǎng)釘形”轉(zhuǎn)變?yōu)椤芭诸^釘形”;“8”形掃描焊焊縫成形及焊接飛濺得到了進(jìn)一步改善，焊縫截面形狀變?yōu)椤熬票巍?，但存在明顯的焊接氣孔，這與“8”形掃描焊過(guò)于復(fù)雜的光斑掃描路徑可能使液態(tài)金屬在凝固過(guò)程中產(chǎn)生了空隙有關(guān);“○”與“8”形掃描焊焊縫截面形狀相近，且“○”掃描焊焊縫在表面平整度、成形均勻性、焊接缺陷等方面均優(yōu)于其他三種焊接方法，這歸因于“○”掃描焊簡(jiǎn)單又圓滑的光斑掃描路徑對(duì)液態(tài)金屬有益的攪拌作用?？傮w而言，與常規(guī)焊相比，三種掃描焊接方法均可以美化焊縫表面形貌，但由于光斑掃描路徑的不同，效果不同，后續(xù)將會(huì)詳細(xì)分析。

為了更全面地對(duì)比四種焊接方法，對(duì)整條焊縫進(jìn)行了X射線(xiàn)氣孔檢測(cè)，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯Ｒ?guī)焊焊接氣孔最多，“8”形掃描焊縫有少量氣孔，“○”與“|”掃描焊焊縫未發(fā)現(xiàn)焊接氣孔。這表明，無(wú)論哪種掃描方式，掃描焊對(duì)熔池的攪拌作用均可有效抑制焊接氣孔，不同光斑掃描路徑對(duì)氣孔的抑制程度有所差異。

綜上所述，與常規(guī)激光焊、激光“|”掃描焊及激光“8”形掃描焊相比，“○”掃描焊焊縫成形最好、焊接氣孔最少，因此后續(xù)試驗(yàn)均采取激光“○”掃描焊接方法。

2.1.2 “○”掃描焊關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)焊縫尺寸、氣孔的影響

掃描幅度、掃描頻率和激光功率是激光掃描焊接中的關(guān)鍵焊接參數(shù)，掃描幅度和掃描頻率分別反映了激光束掃描的區(qū)域變化和快慢程度，進(jìn)而影響熔池面積、焊接過(guò)程中小孔以及等離子體的穩(wěn)定性，影響結(jié)果會(huì)直接反映在焊縫尺寸與焊接氣孔率的變化上;而對(duì)于核電用控制棒導(dǎo)向筒的微連接來(lái)說(shuō)，能夠在滿(mǎn)足使用要求前提下實(shí)現(xiàn)熔深最大化極為重要，因此，研究恒定焊接速度下的激光功率的變化對(duì)熔深、氣孔的影響是必要的，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

由圖4可知，掃描幅度和掃描頻率對(duì)焊縫熔深、熔寬影響較大，在一定范圍內(nèi)，熔深和熔寬變化趨勢(shì)相反，熔寬增加時(shí)，熔深下降，反之亦然;兩個(gè)掃描參數(shù)對(duì)焊縫余高的影響不大，結(jié)果符合能量守恒定律。

由圖5可知，焊接氣孔率隨掃描幅度和掃描頻率的變化曲線(xiàn)均會(huì)出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)且變化趨勢(shì)相反。隨著掃描幅度的增加，深寬比基本呈線(xiàn)性下降，焊縫形狀逐漸趨于淺而寬的狀態(tài)。氣孔率曲線(xiàn)在掃描幅度為1 mm處為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且此時(shí)氣孔率達(dá)到最大值;掃描幅度小于1 mm時(shí)，焊接氣孔逐漸增加;大于1 mm時(shí)，焊接氣孔逐漸減少;當(dāng)掃描幅度增加到2 mm時(shí)，未檢測(cè)到焊接氣孔。隨著掃描頻率的增加，焊縫深寬比曲線(xiàn)與氣孔率曲線(xiàn)都不是呈線(xiàn)性變化的，焊縫深寬比曲線(xiàn)在掃描頻率為50 Hz時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)并在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處達(dá)到最低值，此時(shí)焊接氣孔率曲線(xiàn)也達(dá)到最低點(diǎn)，氣孔率為0。綜上所述，無(wú)論掃描幅度和掃描頻率如何變化，焊接氣孔率最低值均出現(xiàn)在深寬比最小位置，這與淺而寬的焊縫形狀有益于焊接氣孔的溢出相吻合。此外，分析認(rèn)為，若要發(fā)揮掃描焊抑制氣孔的作用，掃描幅度、掃描頻率均須超出閾值范圍，掃描幅度不能太小，掃描頻率不能太大，且當(dāng)兩者達(dá)到閾值后，適當(dāng)增大掃描幅度或掃描頻率都可以增強(qiáng)抑制氣孔的效果，這是因?yàn)閽呙韬笇?duì)熔池規(guī)律性的攪拌作用既會(huì)促進(jìn)焊接氣孔的溢出，也會(huì)影響焊接過(guò)程的穩(wěn)定性而使焊接氣孔增多，當(dāng)掃描對(duì)焊接過(guò)程的干擾作用大于對(duì)氣孔的抑制作用時(shí)，氣孔率呈上升趨勢(shì)，反之，呈下降趨勢(shì)。

研究表明，增加激光功率是增加焊縫熔深最有效的途徑，焊縫尺寸及焊接氣孔隨激光功率增加的變化趨勢(shì)如圖6所示?？梢钥闯觯S著激光功率的增加，焊縫熔深顯著增加，焊縫熔寬與余高基本不變，且激光功率小于等于4.5 kW時(shí)的幾組焊縫均未檢測(cè)到焊接氣孔，當(dāng)激光功率增至5.0 kW時(shí)，焊縫檢測(cè)到少量氣孔，但仍滿(mǎn)足使用要求。

2.2 激光“○”掃描焊對(duì)接接頭質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.2.1 焊接接頭宏觀質(zhì)量評(píng)價(jià)

針對(duì)導(dǎo)向筒7 mm厚模擬件進(jìn)行了對(duì)接焊接試驗(yàn)，對(duì)接焊縫表面及X射線(xiàn)照片分別如圖7、圖8所示?？梢钥闯?，焊縫成形美觀、尺寸均勻、波紋連續(xù)、色澤接近金屬色，且經(jīng)X射線(xiàn)檢測(cè)，整條焊縫未發(fā)現(xiàn)焊接氣孔。

2.2.2 焊接變形測(cè)量

對(duì)于控制棒導(dǎo)向筒的焊接，焊接變形是評(píng)價(jià)是否達(dá)到使用要求的關(guān)鍵指標(biāo)，針對(duì)板厚7 mm的未熔透、5 mm全熔透焊縫進(jìn)行了焊接變形測(cè)量。

測(cè)量裝置示意如圖9所示。測(cè)量裝置由高度測(cè)量裝置和支撐塊組成，支撐塊上包含簡(jiǎn)易固定裝置，測(cè)量時(shí)保證每次能將板固定在固定位置，保證測(cè)量的精確性并使測(cè)量具有重復(fù)性，以?xún)啥藶榛鶞?zhǔn)，測(cè)量薄板各點(diǎn)高度，獲得薄板的形狀和彎曲變形，假設(shè)測(cè)得的距端面距離為L(zhǎng)處的高度為He，則

ΔH1=He-Hz-h（1）

式中 He為實(shí)際測(cè)量高度;Hz支撐塊高度;h為板厚。在板未發(fā)生彎曲變形時(shí)，板足夠平整且無(wú)變形，理想情況下ΔH1應(yīng)為零。發(fā)生彎曲后，ΔH1為負(fù)值，表示鋼板向下凹，ΔH1為正值，表示鋼板向上凸。

焊接變形測(cè)量結(jié)果如圖10所示，焊接變形量均在0.3 mm以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足使用要求。

2.2.3 接頭晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

晶間腐蝕試樣尺寸為70 mm×10 mm×5 mm，壓頭直徑20 mm，腐蝕液為銅屑+硫酸銅+硫酸，腐蝕時(shí)間24 h，晶間腐蝕結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯?，焊接接頭無(wú)晶間腐蝕現(xiàn)象，具有較好的耐晶間腐蝕性能。

3 結(jié)論

（1）綜合對(duì)比焊縫成形、焊縫熔深、焊接氣孔等方面，三種激光掃描焊均優(yōu)于常規(guī)激光焊，不同光斑掃描路徑對(duì)焊接氣孔的抑制程度存在差異，綜合而言，激光”○”掃描焊焊接方法最優(yōu)。

（2）對(duì)于激光”○”掃描焊，掃描幅度和掃描頻率對(duì)焊接氣孔的影響都不是呈線(xiàn)性變化的，且變化趨勢(shì)相反。掃描幅度增加，焊接氣孔率先增加后減小;掃描頻率增加，焊接氣孔率先減小后增加。若要發(fā)揮掃描焊抑制氣孔的作用，掃描幅度、掃描頻率均須超出閾值范圍，掃描幅度不能太小，掃描頻率不能太大，且當(dāng)兩者達(dá)到閾值后，適當(dāng)增大掃描幅度或掃描頻率均可增強(qiáng)抑制氣孔的效果，且掃描幅度為1 mm、掃描頻率為50 Hz時(shí)，焊縫均未檢測(cè)到焊接氣孔。

（3）采用激光”○”掃描焊接方法，通過(guò)工藝優(yōu)化，能夠獲得成形美觀、均勻、連續(xù)的優(yōu)質(zhì)焊縫，接頭無(wú)晶間腐蝕，焊接變形量可以控制在0.3 mm以?xún)?nèi)，均滿(mǎn)足核電用304不銹鋼導(dǎo)向筒的焊接接頭性能要求。

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