“華龍一號(hào)”堆內(nèi)構(gòu)件徑向支承鍵堆焊工藝及質(zhì)量控制

林金平

(中國(guó)中原對(duì)外工程有限公司,北京 100044)

在堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)備安裝時(shí)，為了確保堆內(nèi)構(gòu)件精確定位，防止接口處疲勞破壞和磨損，在上堆芯板與吊籃筒體的接口處專門設(shè)置有左、右嵌入件等零部件，在吊籃筒體與壓力容器接口處專門設(shè)置有左、右U型嵌入件和徑向支承鍵等零部件。以徑向支承鍵為例，徑向支承鍵與壓力容器上的鍵槽的裝配間隙為0.25[+0 mm，+0.025 mm]。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，這樣會(huì)導(dǎo)致間隙越來(lái)越大。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[1]，堆焊層的耐磨性是保證堆內(nèi)構(gòu)件安全的重要因素。在生產(chǎn)中，通常選擇在零部件的接觸面上堆焊高性能的合金材料提高部件的耐蝕耐磨性。

堆焊是在工件的表面或邊緣進(jìn)行熔敷一層耐磨、耐蝕、耐熱等性能金屬層的焊接工藝。在堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)備制造過(guò)程中，堆焊主要分為如下兩種情況：A類，奧氏體不銹鋼Z2CN19-10NS零件的耐磨堆焊，包括上堆芯板導(dǎo)向銷耐磨堆焊層、左/右嵌入件耐磨堆焊層、徑向支承鍵耐磨堆焊層；B類，鎳基合金NC30Fe零件的耐磨堆焊，包括左/右U型嵌入件鍵耐磨堆焊層。由于堆內(nèi)構(gòu)件中堆焊主要以A類堆焊為主，且徑向支承鍵的制造周期較長(zhǎng)，堆焊面積大，堆焊過(guò)程受相關(guān)影響因素較多，堆焊的質(zhì)量直接部件的制造質(zhì)量和制造進(jìn)度，本文以徑向支承鍵的堆焊分析為例，分析堆內(nèi)構(gòu)件中奧氏體不銹鋼零部件的堆焊工藝及不符合項(xiàng)的處理，提出提高堆焊質(zhì)量的措施和建議(見圖1和圖2)。

1 徑向支承鍵堆焊

1.1 徑向支承鍵堆焊難點(diǎn)

根據(jù)上游技術(shù)文件，堆內(nèi)構(gòu)件徑向支承鍵堆焊鈷基合金應(yīng)滿足熔敷金屬厚度≥3 mm，硬度值在39～47 HRC，且最大硬度值最小硬度值之差控制在5 HRC的要求。堆焊層硬度和稀釋率(主要是指含鐵量) 有著密切的關(guān)系。為了獲得預(yù)計(jì)的堆焊層化學(xué)成分，必須盡可能減少母材向焊層的熔入量，即降低稀釋率是其工藝過(guò)程的關(guān)鍵。堆焊熔敷金屬層通常易產(chǎn)生微裂紋或冷裂紋、與母材剝離或脫落、化學(xué)成分偏析及硬度不均勻等缺陷。對(duì)于徑向支承鍵，由于堆焊面積大，給堆焊的質(zhì)量控制增加了風(fēng)險(xiǎn)。綜合分析，徑向支承鍵堆焊難點(diǎn)主要在：1)防止堆焊裂紋，提高堆焊后零件的堆焊焊縫金屬合格率；2)補(bǔ)償堆焊層由于稀釋(或沖淡)所引起的合金元素的降低，保證堆焊金屬的硬度均勻；3)由于堆焊面積大，需要提高堆焊熔敷效率。

1.2 徑向支承鍵堆焊方法及工藝

徑向支承鍵堆焊的方式為手工鎢極氬弧堆焊(GTAW)，采用手工鎢極氬弧堆焊工件具有以下特點(diǎn)，母材吸熱少，熔深淺，堆焊層形狀容易控制，焊工可進(jìn)行全位置焊接，變形小。堆焊選用的焊條為ERCoCr-7A。整個(gè)徑向支承鍵的堆焊過(guò)程如下:1)部件清洗；2)堆焊有填充金屬的手工氬弧焊；3)加工前至少堆焊4 層，堆焊層最低處至少6～7 mm；4)初加工：堆焊層加工至約6 mm；5)檢查(VT、DT、PT、UT檢查)；6)最終機(jī)加工；7)檢查(VT、DT、PT、UT檢查)。故在堆焊過(guò)程中，直接質(zhì)量目標(biāo)是確保在最終機(jī)加工后的VT、DT、PT、UT檢查合格。堆焊的主要參數(shù)見表1。

表1 徑向支承鍵堆焊的主要參數(shù)Table 1 The main parameters of the radial support key cladding

堆焊前的準(zhǔn)備工作。在堆焊前，通過(guò)機(jī)加工將徑向支承鍵兩側(cè)面加工至要求尺寸，表面粗糙度達(dá)到Ra 3.2 μm，無(wú)毛刺等。機(jī)加后的表面按相關(guān)要求進(jìn)行液體滲透檢測(cè)和驗(yàn)收。將驗(yàn)收合格的零件堆焊表面用丙酮清洗，確保堆焊區(qū)域影響堆焊質(zhì)量的雜質(zhì)。堆焊前檢查手工鎢極氬弧焊設(shè)備、高頻引弧、保護(hù)氣、冷卻水等控制系統(tǒng)是否正常。堆焊環(huán)境相對(duì)濕度<90%，風(fēng)速<2 m/s，氬氣的純度為99.99%。將零件放入熱處理爐中均勻預(yù)熱至350～425 ℃，保溫30～60 min 后取出，立即進(jìn)行堆焊。

堆焊時(shí)，零件堆焊面水平放置，噴嘴與工件保持75°夾角，填充焊絲與工件夾角15°，鎢極尖端與工件表面距離約為鎢極直徑的1.5倍。堆焊時(shí)采用小電流、短弧焊、快速、多層多道左向焊法，弧長(zhǎng)應(yīng)保持不變，鎢極擺動(dòng)幅度不應(yīng)大于鎢極直徑的3倍。層、道間溫度控制在350～425 ℃，各層間焊接交替處應(yīng)錯(cuò)開，接引處應(yīng)保證焊透和熔合。焊道兩側(cè)邊緣銜接處應(yīng)平緩過(guò)渡，不可過(guò)厚，避免造成道間熔合不良，形成未焊透、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷。堆焊過(guò)程中，隨時(shí)檢查堆焊質(zhì)量和操作質(zhì)量，如有裂紋、未焊透、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理和清除。焊工在手工鎢極氬弧堆焊過(guò)程中，應(yīng)盡量減少稀釋和保持電弧穩(wěn)定，使堆焊層質(zhì)量均勻。常通過(guò)調(diào)節(jié)焊接電流、電弧電壓，焊接電流、運(yùn)條方式和弧長(zhǎng)等焊接參數(shù)控制熔深以達(dá)到降低稀釋率。焊后徑向支承鍵堆焊表面如圖2所示。整個(gè)徑向支承鍵堆焊層數(shù)約四層，其中第一層采用3.2 mm焊條，后面三層采用4.0 mm焊條。

堆焊后的零件經(jīng)外觀檢驗(yàn)合格后立即進(jìn)行熱處理。熱處理溫度為380～425 ℃，保溫1～1.1 h，隨爐緩冷。徑向支承鍵冷卻至室溫后，對(duì)焊縫及熱影響區(qū)按相關(guān)要求進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.3 徑向支承鍵堆焊后性能分析

堆焊后化學(xué)成分在已加工到最小厚度的堆焊表面進(jìn)行，化學(xué)分析試樣應(yīng)從稀釋區(qū)以外的部位選取。堆焊后堆焊金屬的化學(xué)成分如表2所示。硬度檢測(cè)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，至少測(cè)量10次。合格標(biāo)準(zhǔn)：計(jì)算10次測(cè)量數(shù)值的平均值，該值應(yīng)在39～47 HRC范圍內(nèi)，最大值與最小值之間的偏差不得超過(guò)5 HRC。在與熔敷金屬表面垂直面上檢測(cè)堆焊層硬度(HRC)，徑向支承鍵堆焊層硬度檢測(cè)結(jié)果為如表3所示。

表2 徑向支承鍵堆焊層的化學(xué)成分(Wt，%)Table 2 The chemical composition of the cladding layer of the radial support key

表3 徑向支承鍵堆焊層的硬度Table 3 The hardness of the cladding layer of the radial support key

在焊道垂直方向切取宏觀試樣。經(jīng)過(guò)拋光和侵蝕液侵蝕后，用10倍放大鏡觀察焊縫金屬和熱影響區(qū)的橫截面，未發(fā)現(xiàn)未熔合和線性缺陷及氣孔缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。用放大200x的顯微鏡進(jìn)行微觀金相檢驗(yàn)，不存在顯微裂紋及影響接頭性能的沉淀物。堆焊層的組織是奧氏體+共晶組織。焊縫區(qū)顯微組織為“奧氏體+碳化物”，如圖3所示。

圖3 堆內(nèi)構(gòu)件徑向支承鍵堆焊層組織Fig.3 The structure of the cladding layer of the radial support key

2 徑向支承鍵的堆焊主要不符合項(xiàng)及糾正措施

2.1 典型的堆焊不符合項(xiàng)及原因分析

典型的徑向支承鍵的堆焊缺陷主要為PT顯示有缺陷和裂紋，例如，某機(jī)組2號(hào)徑向支承鍵，堆焊結(jié)束機(jī)加工后PT檢查有缺陷，徑向支承件表面一定區(qū)域內(nèi)有密集型點(diǎn)狀顯示。某機(jī)組1號(hào)、2號(hào)徑向支承鍵共兩件在堆焊完畢機(jī)加工后PT產(chǎn)生缺陷顯示，UT檢查合格，某機(jī)組3號(hào)徑向支承鍵，堆焊表面有裂紋。

(1)氣孔

對(duì)于上述密集點(diǎn)狀顯示不符合項(xiàng)，初步分析其可能為氣孔，是堆焊時(shí)熔池中的氣泡在凝固時(shí)未能逸出而形成空穴。由于氣孔的存在，焊縫的有效截面減小，過(guò)大的氣孔會(huì)降低焊縫強(qiáng)度，破壞焊縫金屬的致密性。產(chǎn)生密集氣孔的可能原因有：焊接線能量過(guò)小，熔池冷卻速度大，不利于氣體溢出，造成密集氣孔。

(2)裂紋

徑向支承鍵的堆焊中易產(chǎn)生冷裂紋，冷裂縫一般指焊接接頭冷卻到較低溫度時(shí)所產(chǎn)生的裂縫。這類焊縫可能焊后立即出現(xiàn)，也可能延遲幾小時(shí)、幾天甚至更長(zhǎng)時(shí)間。焊縫和熱影響區(qū)均可能產(chǎn)生冷裂縫。

經(jīng)過(guò)分析，上述不符合項(xiàng)產(chǎn)生的直接原因?yàn)楹附舆^(guò)程中送絲量過(guò)多導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生，根本原因?yàn)椤叭A龍一號(hào)”項(xiàng)目徑向支承鍵相比較以往項(xiàng)目產(chǎn)品尺寸增大、堆焊面增大。堆焊一層的時(shí)間由原先的80 min增加至120 min，因此會(huì)造成產(chǎn)品層間溫度較難控制、單道焊縫過(guò)厚以及焊工疲勞程度增加等較容易造成缺陷。

2.2 典型的堆焊不符合項(xiàng)處理

常見的堆焊缺陷的不符合項(xiàng)的處理措施主要如下:1)對(duì)于PT的密集顯示或裂紋，若這些缺陷大多位于徑向支承鍵凸臺(tái)的根部，建議對(duì)這些缺陷進(jìn)行修磨至消除，并圓滑過(guò)渡，修磨范圍盡量小，修磨后進(jìn)行目檢尺檢以及液體滲透檢查，并將結(jié)果報(bào)設(shè)計(jì)方審核。注意只允許手工修磨，不允許使用電動(dòng)和氣動(dòng)工具；2)對(duì)于PT顯示或裂紋，若去除深度小于2 mm，則原樣接受，將結(jié)果報(bào)設(shè)計(jì)方審核；若去除深度大于等于2 mm，則按照原堆焊WPS進(jìn)行修補(bǔ)焊，修補(bǔ)焊后進(jìn)行原焊縫的所有檢查。

2.3 提高徑向支承鍵焊接質(zhì)量的措施

在不符合項(xiàng)產(chǎn)生后，除了按程序?qū)λM(jìn)行評(píng)定并做出處理外，還應(yīng)對(duì)該缺陷進(jìn)行深入的原因分析，在后續(xù)堆焊過(guò)程中，提出改進(jìn)措施和方向。通過(guò)對(duì)多項(xiàng)目的的徑向支承鍵不符合項(xiàng)分析發(fā)現(xiàn)，在堆焊過(guò)程中要嚴(yán)格執(zhí)行焊接管理程序，不斷提高焊接人員的質(zhì)保意識(shí)和操作水平，同時(shí)，對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，使堆焊質(zhì)量始終處于穩(wěn)定的受控狀態(tài)。

(1) 提高焊接人員的質(zhì)保意識(shí)和操作水平

徑向支承鍵的堆焊采用的是手工鎢極氬弧堆焊，焊工的操作技能水平和質(zhì)量意識(shí)是保證焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)。因此除在上崗前對(duì)焊工進(jìn)行培訓(xùn)外，還應(yīng)在良好習(xí)慣的養(yǎng)成上也下一番功夫，如操作技能、職業(yè)習(xí)慣、質(zhì)量意識(shí)問(wèn)題。在焊接時(shí)，應(yīng)按照程序要求關(guān)注溫度的變化，堆焊時(shí)應(yīng)特別注意起弧和收弧的質(zhì)量，確保收弧時(shí)應(yīng)填滿熔池，多層多道焊的接頭應(yīng)錯(cuò)開。同時(shí)，對(duì)相關(guān)焊接人員等進(jìn)行核安全文化/質(zhì)保意識(shí)培訓(xùn)，明確焊接過(guò)程中操作規(guī)范性等要求，提高員工責(zé)任心，避免后續(xù)因人為原因?qū)е潞附尤毕莸炔环享?xiàng)重復(fù)發(fā)生。在焊接過(guò)程中，嚴(yán)格執(zhí)行焊前預(yù)熱、焊材管理、焊接規(guī)范參數(shù)、層道間溫度及后熱處理要求。同時(shí)，在每批項(xiàng)目徑向支承鍵堆焊前，召開焊工技術(shù)交底會(huì)，對(duì)以往廠內(nèi)產(chǎn)生徑向支承鍵焊接缺陷質(zhì)量事件進(jìn)行宣貫，強(qiáng)調(diào)焊接質(zhì)量的重要性。通過(guò)焊接操作技術(shù)交流、焊接培訓(xùn)，來(lái)提升焊接操作工的技能。通過(guò)對(duì)焊工核安全文化培訓(xùn)、質(zhì)量培訓(xùn)來(lái)提升對(duì)焊前準(zhǔn)備重要性的認(rèn)識(shí)。

同時(shí)，在層間溫度控制合理的情況下增加焊工數(shù)量，勤換人，盡量避免焊工長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)造成的精神狀態(tài)下滑、手勢(shì)抖動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境眼睛干澀等疲勞因素造成的焊接缺陷的產(chǎn)生，從而降低缺陷發(fā)生率。

(2)制定技術(shù)改進(jìn)措施

在提高焊接人員的質(zhì)保意識(shí)和操作水平同時(shí)，另一方面也制定鈷基堆焊焊接質(zhì)量提升的工藝技術(shù)措施。比如徑向支承鍵堆焊時(shí)，采用對(duì)稱焊接方法，先堆焊上端面，堆焊一層技術(shù)后保溫，再堆焊下斷面一層，如此交替，降低工件兩端的溫差。依據(jù)焊工焊接經(jīng)驗(yàn)，控制起弧送絲量，控制焊槍角度75°～90°，焊接收弧保證弧坑填滿，減小焊接時(shí)焊槍擺動(dòng)。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況，在焊工堆焊時(shí)，要求焊工控制焊接手勢(shì)，焊接手勢(shì)抬高5 mm左右，降低熔深。焊接過(guò)程中做好清潔工作，每道焊接完成后，清潔工件表面。焊接完成進(jìn)行機(jī)加工，每次機(jī)加工堆焊厚度<0.8 mm控制加工量，避免焊縫開裂。在焊接時(shí)最好在焊接的對(duì)稱面采取加熱裝置，盡量減少工件兩端的溫差。針對(duì)在徑向支承鍵見證件焊接時(shí)，相應(yīng)的堆焊焊接層數(shù)過(guò)少，容易產(chǎn)生缺陷。在后續(xù)徑向支承鍵堆焊時(shí)，要建立提前做好相應(yīng)的工作量預(yù)估及風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，適當(dāng)增加焊縫層數(shù)一至二層，控制單道焊縫厚度，從而降低缺陷發(fā)生率。

同時(shí)，針對(duì)通過(guò)分析項(xiàng)目的技術(shù)要求，根據(jù)發(fā)生的不符合項(xiàng)原因發(fā)現(xiàn)：大部分的不符合項(xiàng)都是PT檢查有圓形顯示，且該圓形顯示基本都位于收弧處。因此，根據(jù)上述原因，制定了工藝改進(jìn)方向：增加收弧處的機(jī)加工余量，將收弧缺陷從最終焊縫避開(見圖4)。

圖4 堆焊工藝改進(jìn)措施Fig.4 Measures for improving the surfacing process

實(shí)踐證明，通過(guò)對(duì)焊接操作人員的培訓(xùn)和焊接技術(shù)改進(jìn)措施，徑向支承鍵堆焊質(zhì)量明顯提高，制造廠沒有出現(xiàn)過(guò)因?yàn)椴僮鞴なд`出現(xiàn)的不符合項(xiàng)，取得了良好的質(zhì)量效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 論結(jié)

本文對(duì)徑向支承鍵采用手工鎢極氬弧焊堆焊鈷基合金堆焊工藝進(jìn)行了介紹，并對(duì)常見的堆焊不符合項(xiàng)及原因進(jìn)行了分析。為防止不符合項(xiàng)的產(chǎn)生，徑向支承鍵堆焊過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的工藝文件，提高焊接人員的質(zhì)保意識(shí)和操作水平，增加焊接層數(shù)，以降低熔敷金屬的稀釋率、熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。同時(shí)，在層間溫度控制合理的情況下增加焊工數(shù)量，勤換人，從細(xì)節(jié)入手，做好工藝改進(jìn)，嚴(yán)格進(jìn)行過(guò)程控制，就能為保障徑向支承鍵的制造工期和質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。