控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉤爪及連桿自動(dòng)氬弧堆焊關(guān)鍵技術(shù)及裝置研發(fā)

王德斌，劉 剛，王 豐，史驍辰，周 文

（1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233；2.北京雷蒙賽博機(jī)電技術(shù)有限公司，北京 101407）

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉤爪及連桿自動(dòng)氬弧堆焊關(guān)鍵技術(shù)及裝置研發(fā)

王德斌1，劉 剛1，王 豐1，史驍辰1，周 文2

（1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233；2.北京雷蒙賽博機(jī)電技術(shù)有限公司，北京 101407）

以控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉤爪和連桿的自動(dòng)氬弧堆焊技術(shù)為主要對(duì)象，在對(duì)鉤爪及連桿的功能和性能要求以及成型工藝分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)研制專用的自動(dòng)氬弧堆焊裝置及配套堆焊制造工藝，采用自動(dòng)氬弧堆焊技術(shù)制造鉤爪，樣件通過(guò)1000萬(wàn)次的耐磨性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了堆焊鉤爪及連桿滿足性能要求，從而確?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安全可靠運(yùn)行。該研究開(kāi)發(fā)了小孔、齒面弧形多層自動(dòng)化堆焊工藝技術(shù)和適用于鉤爪及連桿堆焊的專用自動(dòng)化焊接裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化堆焊，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、效率高、經(jīng)濟(jì)性好。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；鉤爪及連桿；自動(dòng)氬弧堆焊技術(shù)；耐磨性能試驗(yàn)

0 引言

在壓水堆中，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）的作用是在垂直方向定位控制棒組件。通過(guò)CRDM改變或保持控制棒組件的位置，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的啟停、反應(yīng)堆正常運(yùn)行中調(diào)節(jié)或維持堆芯的功率水平以及在事故工況下的快速停堆?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，每臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有2組鉤爪，每組鉤爪由三套鉤爪、銷軸和連桿組成。上面一組鉤爪為可動(dòng)鉤爪，即該組鉤爪除了能通過(guò)擺動(dòng)進(jìn)出驅(qū)動(dòng)桿齒槽，還可以做上下升降一步的步躍運(yùn)動(dòng)；下面一組鉤爪為固定鉤爪，固定鉤爪只能做進(jìn)出驅(qū)動(dòng)桿環(huán)齒槽的動(dòng)作，并可略有上下間隙竄動(dòng)。鉤爪與驅(qū)動(dòng)桿的齒槽嚙合設(shè)計(jì)是不自鎖的，當(dāng)所有電磁工作線圈供電切斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)桿連帶控制棒組件便能在重力作用下快速脫開(kāi)鉤爪而下落。鉤爪的壽命直接影響驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的壽命。

圖1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

本研究來(lái)源于國(guó)家重大專項(xiàng)課題“AP1000核島重大設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)研究”（課題編號(hào)：2010ZX06001-002），通過(guò)研制專用的自動(dòng)氬弧堆焊裝置及配套堆焊制造工藝，采用機(jī)械性能優(yōu)良的304LN作為鉤爪基體，并在鉤爪齒面及銷孔等摩擦部位自動(dòng)氬弧堆焊鈷基合金，使鉤爪兼顧良好的韌性和耐磨性，確保控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安全可靠運(yùn)行；同時(shí)通過(guò)大大減少活化材料的使用，進(jìn)而大大降低二次激發(fā)輻射劑量。采用自動(dòng)氬弧堆焊，工藝穩(wěn)定可靠，堆焊層化學(xué)成分穩(wěn)定，整體熱輸入低，熱變形和熱應(yīng)力小，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化批量生產(chǎn)。

1 產(chǎn)品性能及成型工藝分析

CRDM運(yùn)行可靠性、步躍壽命提升很大程度依賴于鉤爪部件，同時(shí)先進(jìn)堆型的電廠負(fù)荷跟蹤的需求，對(duì)鉤爪部件壽命提出更高要求；此外CRDM性能指標(biāo)顯著提升，這對(duì)鉤爪部件可靠性提出更為嚴(yán)苛要求。

鉤爪及連桿做為鉤爪部件的關(guān)鍵零部件，其性能對(duì)機(jī)構(gòu)的壽命和運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。每套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有兩組鉤爪組成，每組鉤爪由3套鉤爪、銷軸和連桿組成。綜合分析功能要求和運(yùn)行環(huán)境，鉤爪應(yīng)具備良好的耐磨性和一定的沖擊性能。

現(xiàn)階段鉤爪的成型工藝，主要有兩種方式：整體鑄造鉤爪和氧乙炔堆焊鉤爪。整體鑄造鉤爪是采用Stellite6合金整體鑄造，其優(yōu)點(diǎn)為成型工藝較為簡(jiǎn)單，可控性強(qiáng)，易于批量生產(chǎn)；缺點(diǎn)為鈷合金耐沖擊性能較差；且整體為鈷合金，增加了堆內(nèi)鈷元素的含量。氧乙炔堆焊鉤爪是在奧氏體不銹鋼基體（304LN）表面堆焊鈷基合金。其優(yōu)點(diǎn)實(shí)減少了鈷元素在整個(gè)產(chǎn)品中的成分占比，在保障表面耐磨性能的前提下，兼顧了韌性。缺點(diǎn)是氧乙炔堆焊手工操作，工藝可控性弱，產(chǎn)品一致性差，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，人為不可控因素較多，具有成品率較低的技術(shù)缺陷；易導(dǎo)入C、H等化學(xué)元素，使得堆焊層的化學(xué)成分難以控制；對(duì)母材的預(yù)熱溫度和預(yù)熱均勻性要求非常高。

面對(duì)目前的技術(shù)現(xiàn)狀，很有必要?jiǎng)?chuàng)新性開(kāi)發(fā)一種新的技術(shù)、新的工藝。即研發(fā)適用于小孔堆焊、工藝穩(wěn)定可控、易于檢測(cè)、可實(shí)現(xiàn)鉤爪及連桿自動(dòng)化批量生產(chǎn)的堆焊工藝及裝置，該新技術(shù)需具有可靠性和經(jīng)濟(jì)性、整體壽命提高等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)大量試驗(yàn)和摸索，創(chuàng)新性的提出自動(dòng)氬弧堆焊（TIG）鉤爪及連桿。

2 自動(dòng)氬弧堆焊技術(shù)研究

2.1 自動(dòng)氬弧堆焊技術(shù)方案

采用機(jī)械性能優(yōu)良的304LN控氮不銹鋼作為鉤爪基體，使用專用裝置在鉤爪齒面及銷孔等摩擦部位自動(dòng)氬弧堆焊硬度高的Stellite6鈷基合金，使鉤爪兼顧良好的韌性和耐磨性。針對(duì)上述技術(shù)方案，需對(duì)鉤爪及連桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。圖2和圖3為適用于自動(dòng)氬弧堆焊新技術(shù)新工藝的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圖中黑色部分為堆焊部位。

圖2 堆焊鉤爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 堆焊連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉤爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上創(chuàng)造性地采用了母材嵌入堆焊層鉤齒的結(jié)構(gòu)。母材與堆焊層的接觸面積增大，兩種材料的結(jié)合強(qiáng)度提高。由于齒面堆焊層厚度更均勻，齒面堆焊層的工藝穩(wěn)定性和機(jī)械性能都進(jìn)一步提高。

堆焊主要的技術(shù)難度在于小孔的小電流自動(dòng)化堆焊。分析堆焊的鉤爪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如圖4所示，其一大難點(diǎn)就是小孔的堆焊可實(shí)施性和可達(dá)性。此小孔堆焊層寬度2.25mm，深度25mm，堆焊后的小孔直徑僅有9.5mm。需開(kāi)發(fā)定型的小孔小電流自動(dòng)化堆焊技術(shù)、多層堆焊工藝，保證堆焊層化學(xué)成分的穩(wěn)定性和質(zhì)量的可靠性。此外采用自動(dòng)氬弧堆焊技術(shù)研制的鉤爪及連桿的具體參數(shù)及指標(biāo)應(yīng)滿足相關(guān)技術(shù)要求。研制完成的堆焊專用自動(dòng)化焊接裝置應(yīng)滿足焊接工藝規(guī)范中對(duì)焊接參數(shù)的要求。其中較重要的技術(shù)指標(biāo)為：堆焊材料推薦使用ERCoCr-A或Stellite6，硬度值應(yīng)達(dá)到HRC42～45；堆焊后最終機(jī)加工前表面硬度值需達(dá)到HRC42～45。

圖4 小孔堆焊示意圖

2.2 Stellite6焊絲的焊接性能分析

用Stellite6焊絲熔敷的堆焊層金屬的特征是一個(gè)由大約13%共晶碳化鉻以網(wǎng)狀分布在Co-Cr-W固溶基體中的超共晶結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)使材料具有抵抗低應(yīng)力磨損和抗某種程度沖擊所需的綜合性能。其也具有良好的抵抗金屬對(duì)金屬磨損的能力?；w的高合金含量也提供了良好的抗腐蝕、抗氧化和在最高為650℃工作溫度下的紅硬性。這些合金不發(fā)生同素異形轉(zhuǎn)變，因此對(duì)基體進(jìn)行熱處理，不會(huì)失去他們的性能。根據(jù)ASME SFA-5.13 得到Stellite6焊絲的AWS類別為：ECoCr-A。ECoCr-A焊絲堆焊的典型硬度值為：HRC23-47。因此，為了獲得HRC42-45這個(gè)的硬度范圍，必須合理控制焊接電流、焊接速度、預(yù)熱溫度、層間溫度、保溫溫度、保溫時(shí)間等各者之間的關(guān)系。

2.3 堆焊層硬度研究

根據(jù)304L控氮不銹鋼和Stellite6焊絲的化學(xué)成分和力學(xué)性能，進(jìn)行了試件的單層堆焊。從硬度分布結(jié)果來(lái)看，單層堆焊的堆焊層硬度值不均勻，且平均硬度值低，穩(wěn)定性差，無(wú)法滿足堆焊層的硬度要求。分析原因主要是母材基體為304LN不銹鋼，硬度值較低；焊材為Stellite6合金，硬度值較高。母材密度低于焊材密度，由于母材稀釋的原因，單層堆焊的硬度值低。后采用減小焊接電流和焊絲直徑的多層堆焊工藝堆焊，均值滿足HRC42-45的要求，且硬度分布均勻，如圖5所示。

圖5 多層堆焊硬度分布圖

2.4 防止堆焊層產(chǎn)生裂紋的研究

鈷基合金屬于硬質(zhì)合金，堆焊時(shí)易產(chǎn)生裂紋。應(yīng)采取焊前預(yù)熱，焊后保溫緩冷，合理的焊接工藝參數(shù)等措施，避免產(chǎn)生裂紋。若預(yù)熱溫度過(guò)低，將使堆焊初期堆焊層冷卻速度過(guò)快，易產(chǎn)生裂紋。層間溫度過(guò)高會(huì)引起熱影響區(qū)晶粒粗大，使304L控氮不銹鋼基體的沖擊韌性下降，若層間溫度低于預(yù)熱溫度則可能在堆焊過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，因此層間溫度需稍高于預(yù)熱溫度。堆焊后的冷卻速度過(guò)快，堆焊層將會(huì)因?yàn)闇囟润E降產(chǎn)生裂紋。降低堆焊層的冷卻速度，使工件能均勻緩慢冷卻下來(lái)，從而減少產(chǎn)生裂紋的傾向。

經(jīng)過(guò)分析、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)，制定了在304L控氮不銹鋼基體上堆焊Stellite6合金的堆焊工藝規(guī)范，并研制了堆焊專用自動(dòng)化裝備，由小孔堆焊裝置和齒面堆焊裝置兩套裝備組成。最終堆焊樣件實(shí)際性能指標(biāo)滿足所有技術(shù)指標(biāo)要求，堆焊層機(jī)加工后液體滲透檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)技術(shù)文件規(guī)定的缺陷存在。圖6為堆焊鉤爪結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 堆焊鉤爪結(jié)構(gòu)示意圖

3 產(chǎn)品耐磨性能試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案

產(chǎn)品耐磨性能試驗(yàn)驗(yàn)證的檢驗(yàn)CRDM鉤爪及連桿試件在試驗(yàn)介質(zhì)為常溫、常壓、去離子水，并且更苛刻（72步/分鐘）的工作條件下，能否完成工作循環(huán)次數(shù)600萬(wàn)次和900萬(wàn)次的壽命要求。

采用CRDM鉤爪及連桿耐磨性能試驗(yàn)裝置，對(duì)鉤爪及連桿試件900萬(wàn)次的動(dòng)作分為8個(gè)階段進(jìn)行試驗(yàn)。在規(guī)定的里程碑?dāng)?shù)，分別對(duì)鉤爪、連桿、承重銷軸、鉤爪支撐銷軸，動(dòng)爪銜鐵支撐銷軸，驅(qū)動(dòng)桿、緩沖軸，動(dòng)爪銜鐵的關(guān)鍵磨損部位進(jìn)行測(cè)量和記錄。對(duì)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得出影響鉤爪及連桿磨損的規(guī)律。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

產(chǎn)品耐磨性能試驗(yàn)獲得了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了影響鉤爪及連桿的磨損規(guī)律，驗(yàn)證了鉤爪及連桿的耐磨性能，為鉤爪及連桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支持。

總體分析各類數(shù)據(jù)及曲線，可得出以下結(jié)論：

1）鉤爪，連桿，銷軸等各試件的質(zhì)量隨著運(yùn)行步數(shù)的增加逐步減小，試件的各孔的直徑增大，銷軸的直徑減小，實(shí)際的磨損趨勢(shì)與理論磨損趨勢(shì)相吻合。

2）鉤爪齒面，驅(qū)動(dòng)桿齒面隨著運(yùn)行步數(shù)的增加磨損量逐漸增大，實(shí)際的磨損趨勢(shì)與理論磨損趨勢(shì)相吻合。

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3）鉤爪背槽及連桿厚度曲線，只是在前100萬(wàn)步有微量變化，之后一直趨于平行。且動(dòng)爪銜鐵連桿槽和緩沖軸鉤爪槽曲線一直趨于平行狀態(tài)。由此看出試件運(yùn)行過(guò)程中的側(cè)向只有微量磨損或無(wú)磨損，說(shuō)明各試件只受微小的側(cè)向力或者無(wú)側(cè)向力，與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)符合。

4）通過(guò)觀察可知各個(gè)試件無(wú)論是質(zhì)量還是尺寸，前100萬(wàn)次曲線變化較為明顯。由于各個(gè)試件都是通過(guò)機(jī)械加工出來(lái)的，棱角處存在毛刺。還有隨著運(yùn)行步數(shù)的增加，各個(gè)接觸面的粗糙度減小，由此運(yùn)行同樣步數(shù)的情況下試件的磨損量減小。由此可知實(shí)際的曲線變化與理論變化相符合。

5）1000萬(wàn)次的耐磨性能試驗(yàn)的完成，驗(yàn)證了堆焊鉤爪及連桿完成900萬(wàn)次的壽命要求。從本試驗(yàn)采集的大量寶貴試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，CRDM堆焊鉤爪及連桿的使用壽命遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)壽命，大大提高了鉤爪及連桿的可靠性，進(jìn)而驗(yàn)證了氬弧堆焊工藝的可行性。

4 結(jié)論

本研究研制成功了滿足技術(shù)要求、適用性廣的自動(dòng)氬弧堆焊鉤爪及連桿及自動(dòng)化焊接裝置。并通過(guò)局部模擬試驗(yàn)裝置考核驗(yàn)證了技術(shù)的可行性和可靠性。本研究研制的自動(dòng)氬弧堆焊制造工藝與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的同類技術(shù)比較，具有一定優(yōu)勢(shì)：

1）定型的小孔小電流自動(dòng)化堆焊技術(shù)、多層堆焊工藝，保證了堆焊層化學(xué)成分的穩(wěn)定性和質(zhì)量的可靠性，進(jìn)而提高了鉤爪的使用壽命。

2）開(kāi)發(fā)的適用于鉤爪及連桿的堆焊專用自動(dòng)化焊接裝置，能夠最大程度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，保證堆焊穩(wěn)定性和優(yōu)品率，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性。

北京雷蒙賽博機(jī)電技術(shù)有限公司作為該成果的共同研制單位，在此一并致謝。

[1] 孫漢虹,程平東,繆鴻興,張維忠,朱鑫官,翁明輝.第三代核電技術(shù)AP1000[M].中國(guó)電力出版社,2010,9.

[2] 沈小要.控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)提升特性研究[J].核動(dòng)力工程,2012,33(1):51-56.

Research and development on key technology and device of automatic TIG welding latch arm and latch link

WANG De-bin1, LIU Gang1, WANG Feng1, SHI Xiao-chen1, ZHOU Wen2

TL351+.5；O313.4

：A

1009-0134(2017)01-0127-03

2016-10-11

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2011ZX06002-002）

王德斌（1983 -），男，甘肅人，工程師，碩士，主要從事核電站反應(yīng)堆設(shè)備設(shè)計(jì)研究工作。