乏燃料貯存格架激光焊接問題分析及改進措施

高俊根

摘要：激光焊具有能量高度集中、熱影響區(qū)小、工件變形小、焊接效率高、焊接質(zhì)量好、自動化程度高等特點，目前已經(jīng)在很多領域得到廣泛應用，但尚未在核電設備制造中進行推廣應用。文中提到的激光焊焊接工藝，是在國內(nèi)同類設備中首次采用，對前期項目核電機組水下燃料儲存格架貯存套筒焊接質(zhì)量問題及激光焊應用中發(fā)生的焊接質(zhì)量問題進行梳理和總結(jié)，分析原因，并從焊接參數(shù)優(yōu)化、焊縫變形控制、引弧板和收弧板的應用、清潔度控制等方面提出了技術改進措施，取得了良好效果，為激光焊在核電乏燃料儲存格架貯存套筒焊接的應用提供借鑒經(jīng)驗。

關鍵詞：乏燃料貯存格架;貯存套筒;激光焊;工藝參數(shù)

中圖分類號：TG457? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0136-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.26

0? ? 前言

核電乏燃料貯存格架是核燃料循環(huán)中的核心設備，用于存放停堆換料之前及換料期間準備裝入堆芯的新燃料組件和由堆芯卸出的乏燃料組件等[1]，水池為高輻照環(huán)境，格架一旦投入使用，整個壽期內(nèi)將無法進行維修或更換，因此必須保證其質(zhì)量能滿足全壽期的服役要求。水下乏燃料貯存格架套筒的焊接工藝是格架制造過程中的重難點，由于格架方形筒壁厚較薄，且為奧氏體不銹鋼材質(zhì)，焊接過程中極易產(chǎn)生變形，因此對焊接工藝及質(zhì)量控制提出了較高要求。中廣核工程公司梳理了核電項目中儲存格架套筒焊接質(zhì)量問題，結(jié)合激光焊技術特點，深入分析缺陷原因并進行技術改進，實現(xiàn)了激光焊在核電設備乏燃料貯存格架生產(chǎn)中的成功應用。

1 乏燃料貯存格架結(jié)構及焊接工藝

核電機組水下乏燃料貯存格架是由“ 整體骨架+模塊化貯存套筒 ”組成，以“ 華龍一號 ”技術路線為例，每臺機組分別有 38 臺不同規(guī)格的格架，每個格架由1 020 個貯存套筒組成，如圖1所示。貯存套筒是一個內(nèi)腔截面尺寸為 226 mm×226 mm×4 265 mm、壁厚為 2 mm不銹鋼材質(zhì)（022Cr19Ni10）方形筒，是格架的基本單元。貯存套筒由兩件C型板組對焊接而成，如圖2所示，由于C型板為薄壁不銹鋼鋼板，線膨脹系數(shù)大，焊接變形大，易產(chǎn)生熱裂紋，而激光焊具有能量密度大、形成焊縫窄、熱影響小等特點，因此采用激光焊。焊接工藝主要參數(shù)如表 1所示。

2 乏燃料貯存格架焊接問題分析及工藝改進

2.1 乏燃料貯存格架焊接缺陷統(tǒng)計

前期工程公司CPR1000核電技術路線核電項目中乏燃料貯存格架貯存套筒焊縫曾出現(xiàn)嚴重的質(zhì)量問題，主要為焊縫銹蝕和腐蝕，如圖3所示。焊縫缺陷主要是焊縫氧化、未焊透、未熔合、凹坑、成型不良等，典型缺陷特征如圖4所示。其中未焊透主要發(fā)生在焊縫端部，長度3～15 mm。焊接56件套筒出現(xiàn)的焊接缺陷情況統(tǒng)計如表2所示。

2.2 焊接缺陷原因分析

2.2.1 氧化缺陷

焊縫氧化是激光焊焊接貯存套筒時最常出現(xiàn)的缺陷。激光焊焊縫如圖5所示，母材及焊縫金屬均有不同程度的氧化，由于焊縫背面未采用保護氣體，氧化較為嚴重，焊縫正面出現(xiàn)輕微氧化則主要與保護氣體流量不充分有關[2-3]。

2.2.2 未焊透/凹坑/未熔合缺陷

貯存格架激光焊未焊透、未熔合和凹坑缺陷主要發(fā)生在起弧和收弧處，主要原因是激光焊在啟動時能量存在波動、光束不集中現(xiàn)象，如果直接在焊縫上施焊，焊縫端部極易出現(xiàn)未焊透、未熔合或凹形缺陷，而在焊縫尾部，若熔池無新熔化金屬填充，則易形成尾部凹坑缺陷。出現(xiàn)在焊縫中的未熔合缺陷主要與激光焊的線能量低、焊速過快有關。另外，焊接面清理不干凈，有油污、銹污等污物也會導致未熔合缺陷的出現(xiàn)。

2.2.3 焊縫成形不良

激光焊接由于具有光斑小、焊縫窄的局限性，對被焊件裝配位置和配合間隙精度要求較高。設備和工裝組對間隙不一致、焊件不在同一水平面上，是導致焊縫成形不良的主要原因。

焊接參數(shù)設置的合理與否對焊縫表面的平整光潔度有著較大影響，其中焊接速度是重要因素。貯存套筒的C型板為薄壁奧氏體不銹鋼，焊接過程中易產(chǎn)生變形，為減少焊接變形，需要采用較高的焊接速度以縮短焊接時間，然而高速激光焊接下的熔池特性及高冷卻速率容易導致焊縫出現(xiàn)駝峰焊道[4-5]，因此在保證焊接變形符合要求的情況下需要合理控制焊接速度以抑制駝峰焊道。

激光焊過程中的匙孔效應也會導致焊縫成形不良[6]。匙孔主要由等離子體和金屬蒸汽組成，氣體對激光有較強的吸收輻射作用，所以激光焊接過程中會出現(xiàn)焊接的不穩(wěn)定，從而使焊接接頭的表面凹凸不平。

2.2.4 焊接變形

貯存套筒的C型板厚度為2 mm，屬于薄壁板，焊接過程中容易產(chǎn)生變形，因此焊接中須實施防變形控制措施。未改進前的防變形工裝采用剛性固定方，即設計單獨的工裝，借助工裝壓板，在激光焊機上將待焊的套筒進行固定，如圖6所示。由于最初未考慮薄板的剛性，因此在自動壓制對中時，若兩件C型板左右兩側(cè)施壓后不在同一水平面，導致激光頭測距值出現(xiàn)較大離散、無法滿足整條焊縫功率參數(shù)一致要求，不僅會出現(xiàn)焊縫成形不良，還會出現(xiàn)焊接變形。

2.2.5 焊縫銹蝕

制造完成的方筒經(jīng)通規(guī)試驗后，放置在車間一段時間后，焊縫表面會產(chǎn)生銹蝕，而前期核電項目乏燃料貯存格架出現(xiàn)最多的問題就是焊縫表面大面積銹蝕。對制造車間的焊縫銹蝕部位進行分析，焊縫的銹蝕均呈現(xiàn)出疏松（可輕輕擦拭掉）、點狀、不均勻等特征，顏色為亮黃色，且位于焊縫中心，如圖7所示。這說明焊縫表面的銹蝕不是焊接氧化所致，因為焊接氧化過程溫度較高，氧化層較為堅硬和致密。

焊縫銹蝕主要是外來污染物與強力摩擦共同作用所致。由于不銹鋼薄板焊接過程中容易產(chǎn)生變形，因此焊接過程如控制不當，方筒會發(fā)生尺寸變形，在方筒后續(xù)的通規(guī)試驗中，板規(guī)與方筒直接形成摩擦，較大摩擦導致對應部位表面的鈍化膜破壞，當制造車間存在污染物時，尤其是含有S、Cl等腐蝕性元素離子存在時，S2-、Cl-粘附在格架不銹鋼表面后，會局部破壞不銹鋼鈍化膜，促使格架表面發(fā)生點蝕，進而出現(xiàn)銹蝕。其形成機理是：在不銹鋼劃傷或局部破損部位，粘附在不銹鋼表面的硫化物相對于基體而言是陽極，因而發(fā)生溶解，溶解產(chǎn)生的S2-、HS-破壞周圍的氧化膜，使該處基體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殛枠O并開始腐蝕。硫化物會溶解產(chǎn)生H+ （或 H2S）對不銹鋼摩擦破壞部位露出的新鮮表面產(chǎn)生活化作用，阻止破壞部位的再鈍化，形成點蝕。而當腐蝕性陰離子（如Cl-）在不銹鋼鈍化膜上吸附后，Cl-或進入膜內(nèi)后污染氧化膜，或者替代氧的吸附點，形成可溶性金屬—羥—氯絡合物， 使膜破壞而發(fā)生點蝕。因S和Cl同時存在，Cl與硫化物等化學物質(zhì)相互作用促使不銹鋼表面的點蝕快速發(fā)生。項目現(xiàn)場格局焊縫出現(xiàn)嚴重的銹蝕或腐蝕，則主要是由于摩擦、污染物和金屬表面破損等因素共同所致。

3 貯存格架焊接技術改進

激光焊雖然具有熱量集中、熱源準確控制、應力應變小和效率高的優(yōu)點，但激光焊對裝配精度要求較高，且奧氏體不銹鋼導熱率低、膨脹系數(shù)大，因此焊接時防止變形是其技術難點，同時焊接工藝參數(shù)的設置和清潔度控制也是貯存格架激光焊的重點和難點。

3.1 焊接變形控制

經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗和分析，將原壓板工裝調(diào)整為使用新設計的組對工裝，新工裝如圖8、圖9所示。這種方式可以在組對時很好地控制住間隙，同時確保兩件C型板在同一水平面上，提高裝配精度，滿足激光焊機激光測距的要求。

3.2 焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

通過采用不同功率、不同速度和不同離焦量數(shù)據(jù)進行組合焊接、對比試驗，找出最合理的參數(shù)，在原來的焊接工藝上，提高焊接激光功率，降低焊接速度，增加背面保護氣體（Ar）和提高保護氣體流量，正面保護氣體仍為He，同時將保護氣體純度由原來的99%提高到99.999%，可顯著降低焊縫氧化、成形不良等缺陷。優(yōu)化后焊接參數(shù)如表 3所示。

3.3 增加引弧板和收弧板

在焊縫起端和尾端增加引弧板和收弧板（見圖10），待相關參數(shù)穩(wěn)定后光束才到達正式焊縫;焊接至尾端時不立即關閉激光，而是繼續(xù)施焊至收弧板，焊縫尾部的熔池由收弧板熔化金屬進行補充。通過“ 兩塊板 ”的增加，可有效解決焊縫端部和尾部的未焊透和凹坑等焊接缺陷。

3.4 焊接清潔度控制

（1）C型板組對前檢查清潔度。

C型板來料時，仔細檢查表面是否存在銹蝕，如有銹蝕，則對其進行清理，同時要求裝配和焊接在無塵車間完成，確保車間清潔度滿足要求，避免奧氏體不銹鋼表面被污染。

（2）C型板組對、點焊清潔度控制。

C型板組對、點焊及尺寸檢查時，相關人員應配戴潔凈手套，避免徒手接觸設備造成汗?jié)n污染或使用不潔手套造成鐵素體污染等情況發(fā)生。在進行組對和點焊時，避免損傷板材表面。

（3）C型板焊接后清理。

如焊接后焊縫表面存在缺陷，在打磨消除缺陷后，使用A級水、酒精或丙酮對表面進行清理。

目前中廣核工程公司已將改進后的工藝措施成功應用于乏燃料貯存格架的激光焊接中，基本消除了焊縫氧化、成形不良、焊接變形等問題，改進后質(zhì)量提升明顯，如圖11所示。

4 結(jié)論

結(jié)合核電機組水下乏燃料貯存格架奧氏體不銹鋼的焊接性（壁厚2 mm）和激光焊技術特點，分析了氧化、未熔合、未焊透、凹坑、成形不良、變形等缺陷產(chǎn)生的原因，提出通過設計焊接變形控制工裝，提高裝配精度，優(yōu)化焊接工藝（增加背面保護氣體、提高激光功率、降低焊接速度等），增加引弧和收弧板，消除激光焊接啟動時產(chǎn)生的缺陷，加強清潔度控制等改進措施，有效保證了焊縫質(zhì)量，為激光焊技術在核電制造廠的應用提供了參考經(jīng)驗。

參考文獻：

王攀.我國成功自主研發(fā)燃料貯存格架實現(xiàn)科技突破[J].化工管理 ，2015（34）：80.

程艷艷.奧氏體不銹鋼的激光焊接技術研究[J].南方農(nóng)機，2019（24）：194.

劉健，石巖，劉佳.保護氣體對奧氏體不銹鋼激光焊接的影響[J].激光與光電子學進展，2014，51（5）：126-131.

裴瑩蕾，單際國， 任家烈.不銹鋼薄板高速激光焊駝峰焊道成形傾向及其影響[J].金屬學報，2012，48（12）：1431-1436.

裴瑩蕾，吳愛萍，單際國，等.基于熔池流動分析的高速激光焊駝峰焊道形成過程研究[J].金屬學報，2013，49（6）：725-730.

鄒宏琨.激光焊接技術的應用與發(fā)展[J].山東工業(yè)技術，2015（7）：79.

趙昕.激光焊接技術原理及工藝分析[J].農(nóng)機使用與維修，2019（6）：59.