特種焊接技術(shù)在核電汽輪機(jī)部件修復(fù)及再制造方面的應(yīng)用

陳興東　郭洋　黃滔

摘要：隨著自主核電技術(shù)的深入發(fā)展，我國(guó)核電裝備的修復(fù)再制造領(lǐng)域呈現(xiàn)跨越式發(fā)展，一些新型特種焊接技術(shù)不斷發(fā)展、創(chuàng)新，已成功進(jìn)入百萬(wàn)千瓦級(jí)核電汽輪機(jī)核心部件的修復(fù)再制造市場(chǎng)。實(shí)踐證明：以高速或超高速激光熔覆、微弧等離子焊接為主的高能束焊接技術(shù)在修復(fù)市場(chǎng)具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng);以冷金屬過(guò)渡焊接（CMT）技術(shù)為主的技術(shù)仍具有很強(qiáng)的適應(yīng)性;以高頻冷焊技術(shù)為主的瞬時(shí)過(guò)渡焊接技術(shù)在精密部件小缺陷的修復(fù)方面具有廣泛優(yōu)勢(shì)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，以機(jī)器人3D打印技術(shù)為主要平臺(tái)的高能束智能再制造技術(shù)將是未來(lái)核電修復(fù)市場(chǎng)的一個(gè)主流趨勢(shì)。同時(shí)，核電部件修復(fù)的相應(yīng)行業(yè)指導(dǎo)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)隨著特種焊接技術(shù)的不斷發(fā)展而適時(shí)的作出升級(jí)，以促進(jìn)行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展。

關(guān)鍵詞：特種焊接;核電汽輪機(jī);修復(fù);再制造

中圖分類號(hào)：TG266文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）03-0053-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.10

0 前言

核電是我國(guó)發(fā)展電力工藝的重要方向，是建立低碳、可持續(xù)發(fā)展能源系統(tǒng)的需要和重要內(nèi)容[1]。華龍1號(hào)已完成生產(chǎn)投運(yùn)，目前我國(guó)正在第三代核電技術(shù)的基礎(chǔ)上積極開(kāi)展第四代先進(jìn)核電技術(shù)的研發(fā)[2]，這將有力推動(dòng)我國(guó)核電技術(shù)的深入發(fā)展。因此，如核電汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等零件體積大、質(zhì)量要求高的核電核心部件的修復(fù)再制造技術(shù)也獲得了巨大的發(fā)展空間，尤其是修復(fù)過(guò)程中必須使用的先進(jìn)特種焊接技術(shù)，因其特殊的性能、效率等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到重視。目前，我國(guó)主要的核電修復(fù)再制造的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，均采用常規(guī)焊接方法的主要修復(fù)流程，這使得其在面臨大量核電核心精密部件服役損傷的修復(fù)時(shí)，常規(guī)修復(fù)技術(shù)及規(guī)范往往難以滿足要求。

近年來(lái)，我國(guó)持續(xù)完善了核電汽輪機(jī)部件修復(fù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為規(guī)范業(yè)內(nèi)操作提供了極大的支撐。如NB/T 25006-2011 核電廠汽輪機(jī)葉片焊接修復(fù)技術(shù)規(guī)程、NB/T 25028-2014 核電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子焊接修復(fù)技術(shù)導(dǎo)則等，為行業(yè)發(fā)展提供了操作方面的指導(dǎo)性意見(jiàn)。

但值得思考的是，該系列導(dǎo)則只規(guī)定了常規(guī)焊接方法的主要修復(fù)流程，即核電廠可采用焊條電弧焊（SMAW）、鎢極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW）等方法進(jìn)行汽輪機(jī)葉片（圍帶、拉筋及鉚釘）等損傷后的現(xiàn)場(chǎng)焊接修復(fù)，并未引入更新的焊接技術(shù)或方法。眾所周知，常規(guī)焊接技術(shù)往往能量分散，對(duì)母材的熱影響較大，對(duì)于精密部件的修復(fù)往往處于劣勢(shì)。焊接熱輸入和焊接軌跡的精確控制是焊接技術(shù)發(fā)展的一個(gè)終極性目標(biāo)，而特種焊接技術(shù)就是在此基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來(lái)的。

特種焊接技術(shù)主要特點(diǎn)為：能量密度更高、對(duì)基材的熱影響更小、配合數(shù)字脈沖等可以更精確控制熱輸入，從而獲得更高質(zhì)量的焊接接頭。如高能束流的電子束、激光及等離子方法，可用來(lái)進(jìn)行表面淬火、3D打印等。近年來(lái)，先進(jìn)的特種焊接技術(shù)在我國(guó)發(fā)展迅速，如高能束流技術(shù)中高速激光熔覆（EHLA）、微弧等離子焊接（mPTAW）技術(shù);冷焊技術(shù)中的冷金屬過(guò)渡（CMT）、脈沖冷焊、高頻次脈沖焊接（VBC）等技術(shù)。

在核電部件修復(fù)再制造領(lǐng)域，上述特種焊接方法具有非常大的可應(yīng)用性，尤其是以高速激光、等離子為主的高能束焊接技術(shù)和以CMT為代表的金屬冷過(guò)渡技術(shù)，其對(duì)基材熱影響小、熱影響區(qū)窄、能量集中等優(yōu)點(diǎn)更符合核電質(zhì)量的客觀要求，在核電核心部件如葉片、軸頸、閥芯部件等的修復(fù)方面都具有特殊優(yōu)勢(shì)。未來(lái)隨著3D機(jī)器人技術(shù)、智能檢測(cè)、機(jī)器人柔性加工技術(shù)的深入發(fā)展，上述特種焊接技術(shù)與機(jī)器人將會(huì)結(jié)合得更為緊密，將從零部件的加工、檢測(cè)、熱處理等全面實(shí)現(xiàn)再制造，形成更為智能的再制造平臺(tái)，全面替代以手工為主的修復(fù)現(xiàn)狀，是未來(lái)再制造領(lǐng)域的發(fā)展方向。

1 高速激光熔覆技術(shù)

高速激光熔覆技術(shù)（Extreme High-Speed Laser），是由德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）和亞琛工業(yè)大學(xué)（RWTH-Aachen）聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種激光表面沉積技術(shù)。其極高的熔覆效率和優(yōu)異的性能可彌補(bǔ)常規(guī)鍍鉻、熱噴涂技術(shù)的缺點(diǎn)，被Thomas等認(rèn)為是常規(guī)鍍鉻及熱噴涂工藝的替代技術(shù)[3]。

超高速激光熔覆是在常規(guī)激光熔覆基礎(chǔ)上，通過(guò)提高激光能量密度，增加粉末進(jìn)入激光光束的時(shí)間，從而提升粉末進(jìn)入熔池前的初段溫度，實(shí)現(xiàn)高速熔覆沉積，原理如圖1所示。其主要優(yōu)點(diǎn)是：可精確控制凝固過(guò)程，獲得較好的微觀組織，性能達(dá)到甚至超過(guò)鍛造或鑄造材料的要求[4]。高速激光技術(shù)的使用特性比常規(guī)堆焊更為廣泛，常規(guī)堆焊技術(shù)因稀釋率原因，需要堆焊更厚的金屬層才能實(shí)現(xiàn)改性[4]，而高速激光熔覆層厚度微0.3～1 mm，熔覆速率可達(dá)15 m/min以上，在大型核電葉片抗水蝕、高溫端進(jìn)汽管、轉(zhuǎn)子軸頸修復(fù)、水泵泵軸防海水腐蝕等修復(fù)再制造中極具應(yīng)用前景。

王豫躍等人[5]采用自主設(shè)計(jì)的超高速激光熔覆設(shè)備，在基體材料表面分別進(jìn)行了單道和多道耐磨涂層粉末的激光熔覆實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，超高速激光熔覆的效率是常規(guī)激光熔覆效率的3～5倍，可制備的涂層種類多，涂層表面成型好、內(nèi)部致密，與基體結(jié)合強(qiáng)度高，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

2017年中科院西安光機(jī)所研制出了2 000 W級(jí)的高速激光熔覆設(shè)備，筆者為使用該設(shè)備進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，熔覆層實(shí)物及組織如圖2所示，基體為東汽牌號(hào)3305YC1材料。熔覆參數(shù)如表1所示。

2 冷金屬過(guò)渡焊接技術(shù)

冷金屬過(guò)渡技術(shù)（CMT）是一種基于熔化極氣體保護(hù)焊方法的焊接技術(shù)，是由奧地利FRONIUS公司在無(wú)飛濺引弧理論（SFI）基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的冷金屬過(guò)渡技術(shù)，拓寬了熔化極氣體保護(hù)焊的應(yīng)用領(lǐng)域[6]。冷金屬過(guò)渡技術(shù)從電流極性方面分為直流和交流，主要原理是：通過(guò)精確控制電子電路，使得焊絲在熔滴形成后迅速回抽，熔滴在重力作用下進(jìn)入熔池，而此時(shí)電流為0（見(jiàn)圖3、圖4），電弧熄滅。這極大地減少了電弧存在時(shí)間，從而減少熱輸入，顯著降低焊接過(guò)程對(duì)母材的影響以及焊接稀釋率，即熱影響區(qū)更窄，稀釋率更小，特別適合焊接薄壁件。由于瞬時(shí)熄弧使焊接過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺更少[5]，這也是該技術(shù)的顯著特點(diǎn)之一。近年來(lái)，CMT技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)增材制造方面。如針對(duì)垃圾焚燒爐膜式水冷壁的堆焊，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有廠家使用CMT技術(shù)進(jìn)行大面積堆焊，如圖5所示。

張博文[8]等人梳理和展望了CMT冷金屬過(guò)渡技術(shù)的原理及應(yīng)用情況，認(rèn)為交流CMT技術(shù)在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景會(huì)更加廣泛，研究方向應(yīng)側(cè)重于解決交流CMT技術(shù)下的凝固過(guò)程原位檢測(cè)表征以及熱源模擬的進(jìn)一步修正，為復(fù)雜件的精確成型奠定基礎(chǔ)。楊修榮[9]指出CMT技術(shù)可使得熔滴過(guò)渡在幾乎無(wú)電流的狀態(tài)下進(jìn)行，整個(gè)焊接過(guò)程實(shí)現(xiàn)“熱-冷-熱”交替轉(zhuǎn)換，可大幅降低焊接熱輸入，且能實(shí)現(xiàn)鋼與鋁的焊接。胡剛[10]成功將CMT技術(shù)應(yīng)用于15CrMo+S32168復(fù)合板換熱器制造過(guò)程中的設(shè)備法蘭與接管法蘭的堆焊，其稀釋率、組織及性能均滿足設(shè)備運(yùn)行條件的要求，且質(zhì)量穩(wěn)定，提升了堆焊效率。

東方汽輪機(jī)公司使用CMT技術(shù)進(jìn)行了百萬(wàn)千瓦汽輪機(jī)如隔板、汽封體的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，如圖6所示。與傳統(tǒng)TIG焊相比，該焊接技術(shù)具有更低的裂紋敏感性、更高的效率和更優(yōu)的焊接工藝性能。

3 微弧等離子技術(shù)

等離子焊接技術(shù)是基于等離子弧為熱源的一種焊接方法，其電弧是在利用強(qiáng)制冷卻的噴嘴對(duì)其進(jìn)行的熱壓縮、鎢極與噴嘴產(chǎn)生的機(jī)械壓縮以及電流對(duì)電弧產(chǎn)生的磁壓縮三者共同作用下的壓縮電弧，溫度較TIG焊自由電弧更集中，有與激光電子束相媲美的能量密度，是繼激光、電子束后的第三大高能束[11]。微弧等離子是指熱輸入控制在小范圍的等離子熱源，與大功率等離子熱源相比，可更精確地控制焊接電流，如1～100 A的微弧等離子，其電流調(diào)節(jié)幅度可精確到0.5 A。因此可產(chǎn)生更小的稀釋率（見(jiàn)圖7）和熱影響區(qū)。

印度印多爾理工學(xué)Suyog Jhvavr，N. K. Jain[12]研究了微束等離子轉(zhuǎn)移?。é?PTA）線沉積工藝對(duì)增材制造應(yīng)用工藝發(fā)展的影響。分別進(jìn)行了單層及多層沉積實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果良好。研究認(rèn)為與激光GTAW、CMT等技術(shù)相比，微束等離子在沉積率、沉積有效性等方面優(yōu)勢(shì)明顯，微束等離子工藝在高附加值部件的修復(fù)方面具有巨大潛力。

秦毅等人[13]采用微弧等離子技術(shù)補(bǔ)焊修復(fù)了TC6鈦合金航空葉輪，對(duì)組織性能進(jìn)行評(píng)估后并使用有限元方法進(jìn)行效果評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，使用該工藝可獲得均勻分布在β相基體中的細(xì)小α相均勻組織，接頭拉伸等性能滿足技術(shù)要求，焊接后材料的安全系數(shù)在原來(lái)的10倍以上。黃嵐等人[14]研究了1 000 MW汽輪機(jī)精加工轉(zhuǎn)子軸頸的等離子堆焊工藝，結(jié)果表明，微弧等離子工藝可獲得較低的稀釋率合金層和可靠的焊接接頭。陳興東等人[15]研究了焊接電流對(duì)微弧等離子焊接2Cr13汽輪機(jī)葉片接頭組織的影響，發(fā)現(xiàn)微弧等離子技術(shù)電流大小對(duì)2Cr13材料的焊接性能及組織影響較大，通過(guò)合理控制電流能實(shí)現(xiàn)葉片等部件的高質(zhì)量修復(fù)。

東方汽輪機(jī)公司已成功開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的微弧等離子焊接工藝，并在30萬(wàn)、60萬(wàn)、100萬(wàn)千瓦超臨界、超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸損傷（見(jiàn)圖8a）、末級(jí)葉片水蝕（見(jiàn)圖8b）等修復(fù)及再制造方面成功投入應(yīng)用，為客戶提供了現(xiàn)場(chǎng)解決方案，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 脈沖冷焊技術(shù)

脈沖冷焊技術(shù)是一種高精密的補(bǔ)焊技術(shù)，通過(guò)電容瞬間放電形成瞬時(shí)脈沖，使母材及焊材在脈沖的瞬間熔化并熔合在一起，形成冶金結(jié)合[16]。整個(gè)過(guò)程中熔核在瞬間形成并凝固，使得基體溫度能保持在很低水平，熱影響區(qū)非常小，并可精確控制電流及放電時(shí)間，可使用很細(xì)小的焊絲實(shí)現(xiàn)對(duì)更精密零部件的修復(fù)。東方汽輪機(jī)有限公司在3305YC1材料基體上脈沖冷焊司太立合金（未熱處理），硬度為401～407 HV，分布均勻，如圖9所示。組織中的Co-Cr固溶體晶粒細(xì)小，除黑色缺陷外，組織結(jié)構(gòu)純凈，熱影響區(qū)?。s0.35 mm）。

目前的冷焊技術(shù)主要分為脈沖冷焊技術(shù)和電火花沉積技術(shù)。前者是可以填絲的非熔化極冷焊脈沖技術(shù)，而后者是熔化極冷焊工藝。兩者的焊接效果均較為理想，后者的沉積效率低于前者。

該技術(shù)的特點(diǎn)使其可用于常規(guī)焊接方法難以焊接的材料，如有色金屬以及異種材料的焊接。趙繼文等人[18]研究了冷熔焊的修復(fù)特點(diǎn)，修復(fù)了高溫高壓法蘭密封面腐蝕坑點(diǎn)、沖蝕的溝槽及碰撞劃傷，出料泵長(zhǎng)200 mm的裂紋以及汽輪機(jī)軸端磨損0.5 mm的軸頸。賈瑩[19]研究了脈沖冷焊技術(shù)及補(bǔ)焊工藝，通過(guò)不銹鋼材料的脈沖焊接驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)分析了修復(fù)層的顯微組織、硬度、斷口等微觀特征，認(rèn)為該修復(fù)技術(shù)能形成牢固的冶金結(jié)合接頭，且熱影響區(qū)極小，焊接殘余應(yīng)力可忽略不計(jì)，其拉伸斷口為典型的韌性斷裂和解理斷裂。成功地對(duì)40NiCrMo7材料軸類的磕碰、劃傷等缺陷進(jìn)行了脈沖冷焊修復(fù)。

東方汽輪機(jī)公司對(duì)脈沖冷焊技術(shù)的開(kāi)發(fā)較早，主要用于精密部件損傷的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)。某電站不銹鋼水泵泵軸的海水腐蝕損傷的修復(fù)如圖10所示，目前運(yùn)行狀態(tài)良好。

5 基于機(jī)器人系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)智能再制造技術(shù)

對(duì)于核電關(guān)鍵部件，如汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、隔板等核心部件，隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，沿著裂化方向發(fā)展，會(huì)出現(xiàn)不同程度的沖蝕損傷，由于該領(lǐng)域?qū)Π嘿F金屬零件的性能、精度、成本和周期的要求越來(lái)越高[20]，對(duì)其修復(fù)及再制造成為必然趨勢(shì)。

通過(guò)整合精密加工、3D增材、光學(xué)掃描、逆向工程等技術(shù)，配合傳感器形成閉環(huán)的修復(fù)及再制造中心，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜部件損傷、功能擴(kuò)充的現(xiàn)場(chǎng)高效再制造技術(shù)將是未來(lái)發(fā)展的核心趨勢(shì)。如3D增材塑型技術(shù)，即在原來(lái)部件基礎(chǔ)上通過(guò)增材制造改變其功能曲面等構(gòu)型，以大幅提高其工作效率。

智能再制造技術(shù)在便于發(fā)電企業(yè)的同時(shí)，將顯著推進(jìn)核心部件的現(xiàn)場(chǎng)診斷、修復(fù)及再制造向著高端產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，這為現(xiàn)場(chǎng)解決方案的發(fā)展繪制了宏偉藍(lán)圖。東汽公司已針對(duì)該技術(shù)領(lǐng)域展開(kāi)了較多研究，并初步取得了良好成果。如基于激光技術(shù)的燃機(jī)熱部件增材制造技術(shù)、基于等離子粉末的閥芯件打印技術(shù)等，應(yīng)用業(yè)績(jī)良好。司太立合金3D打印部件硬度均勻（427～430 HV），組織致密，已用于汽輪機(jī)閥門部件，微觀組織如圖11所示。

6 結(jié)論

（1）核電部件的修復(fù)及再制造市場(chǎng)潛力巨大，與高要求對(duì)應(yīng)的特種焊接修復(fù)技術(shù)將是未來(lái)核電部件修復(fù)的主要方法。高能束的激光、等離子技術(shù)以及冷金屬過(guò)渡、高頻冷焊等特種焊接技術(shù)具有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，將會(huì)在核電精密部件的修復(fù)及再制造方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，各技術(shù)之間的互補(bǔ)性非常明顯，這將促進(jìn)各特焊技術(shù)的復(fù)合發(fā)展。

（2）超高速激光熔覆技術(shù)將是未來(lái)高能束表面改性的發(fā)展方向，未來(lái)可替代熱噴涂、滲碳、滲氮，甚至電鍍技術(shù)的相關(guān)特征越來(lái)越明顯。隨著硬件及軟件科學(xué)的發(fā)展，高速激光熔覆將是極具競(jìng)爭(zhēng)力的領(lǐng)域，值得進(jìn)一步關(guān)注和探討。

（3）對(duì)于汽輪機(jī)核心部件的再制造領(lǐng)域，未來(lái)將會(huì)逐步趨于修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的智能化、專業(yè)化方向發(fā)展，不但可以實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的3D打印，也能通過(guò)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3D柔性加工、打印、掃描，從而實(shí)現(xiàn)3D塑型技術(shù)，為舊部件移花接木，擴(kuò)增新功能、完全實(shí)現(xiàn)再制造等。

（4）對(duì)于核電汽輪機(jī)精密部件的修復(fù)行業(yè)規(guī)范，應(yīng)在特種焊接技術(shù)發(fā)展迅速的當(dāng)下作出適時(shí)的升級(jí)調(diào)整，以克服現(xiàn)有規(guī)范難以滿足核電精密部件的高效高質(zhì)量的修復(fù)及再制造的實(shí)際需求。

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