核電站控制棒導(dǎo)向筒組件半方管電子束焊縫熔深問(wèn)題分析及改進(jìn)運(yùn)用

汪為慶

摘要：某核電站控制棒導(dǎo)向筒組件半方管采用真空電子束焊接，焊縫經(jīng)超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在熔深不足的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)不同交貨態(tài)及批次的原材料進(jìn)行焊接對(duì)比試驗(yàn)，以及對(duì)影響焊縫熔深檢測(cè)的可能因素進(jìn)行研究分析，從降低半方管原材料中非金屬氧化物形成的孔洞和釘尖缺陷對(duì)焊縫熔深的影響出發(fā)，采用電子束焊接重熔的方式，延長(zhǎng)焊縫熔敷金屬的高溫停留時(shí)間，提高電子束流進(jìn)行焊接修復(fù)和工藝改進(jìn)，經(jīng)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，有效地解決了焊縫熔深的問(wèn)題，并在后續(xù)項(xiàng)目中成功推廣運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：電子束焊接;熔深;重熔

中圖分類號(hào)：TG456.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）11-0104-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.19

0 前言

核電站控制棒有61件導(dǎo)向筒，為控制棒組件提供定位和導(dǎo)向功能，上部導(dǎo)向筒是一個(gè)圓筒結(jié)構(gòu)，下部導(dǎo)向筒是一個(gè)方筒結(jié)構(gòu)，控制棒導(dǎo)向筒和下部導(dǎo)向筒組件結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示[1]。下部導(dǎo)向筒外層為半方管包殼，由一對(duì)形狀和結(jié)構(gòu)相同的半方管采用真空電子束焊接而成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

某大型核電制造企業(yè)承接某項(xiàng)目機(jī)組控制棒制造任務(wù)，對(duì)導(dǎo)向筒組件某批次半方管采用真空電子束焊接完成后，經(jīng)水浸法超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫熔深小于3.5 mm，不滿足技術(shù)要求。本文對(duì)該起質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查及分析，并對(duì)影響焊縫熔深檢測(cè)的可能因素進(jìn)行研究，找出產(chǎn)生問(wèn)題的原因，從而針對(duì)性地進(jìn)行修復(fù)和工藝改進(jìn)，成功解決了焊縫熔深不足的問(wèn)題。

1 設(shè)備與工藝介紹

1.1 半方管

半方管為厚度6.35 mm，材質(zhì)Z2CN19-10不銹鋼，將兩片半方管折彎后，采用真空電子束焊接工藝，利用其焊接變形小的優(yōu)勢(shì)，保證焊后導(dǎo)向筒組件尺寸鏈不被破壞進(jìn)而影響后續(xù)摩擦力試驗(yàn)，焊后進(jìn)行超聲波檢測(cè)焊縫熔深，以確保達(dá)到足夠的焊縫深寬比[2]。

1.2 真空電子束焊接

真空電子束焊接是電子在真空室中被定向加速，向待焊工件沖擊，利用轉(zhuǎn)化的熱能將待焊工件熔化，再冷卻凝固形成焊縫的焊接工藝。由于電子束能量極高、密度大，真空電子束焊縫具有較高的深寬比[3]。制造廠采用真空電子束焊接控制棒導(dǎo)向筒組件半方管，焊接接頭如圖4所示，工藝參數(shù)為：真空度不大于4×10-2 Pa，加速電壓48 kV，電子束流45 mA，焊后進(jìn)行焊縫100%目視及超聲波檢測(cè)。

2 質(zhì)量問(wèn)題的產(chǎn)生

制造廠對(duì)導(dǎo)向筒組件某批次半方管進(jìn)行真空電子束焊接，焊后使用深度為3.5 mm人工反射體的對(duì)比試塊，進(jìn)行水浸法超聲檢測(cè)焊縫熔深，發(fā)現(xiàn)焊縫批量性存在分布不均勻的點(diǎn)狀超標(biāo)顯示，即熔深小于3.5 mm，不滿足技術(shù)要求。

3 調(diào)查與分析

3.1 對(duì)比試驗(yàn)

經(jīng)調(diào)查，制造廠前期批次的半方管電子束焊縫并沒(méi)有出現(xiàn)此類問(wèn)題，為找出問(wèn)題產(chǎn)生的原因，通過(guò)比對(duì)原材料、焊接參數(shù)等差異，篩選出導(dǎo)致問(wèn)題發(fā)生的主要變量：材料供應(yīng)商、軋制狀態(tài)、原材料批號(hào)、焊接參數(shù)及焊接設(shè)備，并進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，如表1所示。

表1中試驗(yàn)a、b、c顯示，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商對(duì)供貨狀態(tài)為熱軋和冷軋狀態(tài)的原材料均具備合格的供貨能力，采用真空電子束焊接，使用相同的焊接設(shè)備及焊接參數(shù)能夠獲得足夠的焊縫熔深。試驗(yàn)c、d顯示，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商原材料板材在批號(hào)改變后，焊縫出現(xiàn)熔深不足問(wèn)題。因此，原材料批次是導(dǎo)致問(wèn)題產(chǎn)生的主要因素。

3.2 原材料及焊接過(guò)程調(diào)查

對(duì)問(wèn)題發(fā)生批次的原材料的熔煉和成品分析進(jìn)行檢查，見(jiàn)表2，并對(duì)機(jī)械性能，晶間腐蝕等工序的過(guò)程及記錄進(jìn)行核查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。原材料厚度為6.35 mm，按采購(gòu)技術(shù)要求不需要進(jìn)行超聲檢測(cè)，為排除原材料中存在夾雜物等影響到真空電子束焊縫熔深檢測(cè)，對(duì)剩余同批次板材進(jìn)行了超聲波檢查，未發(fā)現(xiàn)異常顯示。

對(duì)表1中國(guó)內(nèi)供應(yīng)商熱軋和冷軋?jiān)牧线M(jìn)行金相檢查，經(jīng)比對(duì)其微觀組織照片，發(fā)現(xiàn)冷軋態(tài)與熱軋態(tài)的原材料中鐵素體的分布有較明顯差異，出現(xiàn)熔深不足問(wèn)題的原材料板材的晶粒更細(xì)，鐵素體呈帶狀分布，如圖5所示。進(jìn)一步通過(guò)磁性法測(cè)量鐵素體含量，鐵素體FN平均數(shù)為0.62，出現(xiàn)熔深問(wèn)題原材料板材中鐵素體含量略高，這與微觀組織顯示的結(jié)果相同。對(duì)此，將國(guó)內(nèi)供應(yīng)商原材料分組進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)，硫化物、氧化鋁、硅酸鹽和氧化物類的粗系和細(xì)系均小于1.5，檢測(cè)結(jié)果沒(méi)有明顯差異。

對(duì)半方管電子束焊縫進(jìn)行檢查，表面成型好，沒(méi)有出現(xiàn)焊縫弧坑，裂紋等表面缺陷。且焊接機(jī)頭行進(jìn)路線由電腦控制，焊工每隔一定的距離確認(rèn)焊縫的中心，不存在焊縫偏離的情況。

3.3 原因分析

在鋼的軋制過(guò)程中，帶狀鐵素體的形成是以非金屬夾雜物為結(jié)晶核心并沿著其變形方向生長(zhǎng)而形成[4]。在本起質(zhì)量事件中，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商冷扎態(tài)原材料中鐵素體含量相對(duì)偏高，呈帶狀分布，且真空電子束焊縫熔深不足的情況在焊縫長(zhǎng)度上占一定比例，分布不均勻，同時(shí)熔深小于3.5 mm的情況是點(diǎn)狀分布，并無(wú)規(guī)律。

因此，可以判斷出母材中存在細(xì)小且分布不均勻、但滿足原材料驗(yàn)收要求的非金屬夾雜物，位于焊縫區(qū)域的非金屬夾雜經(jīng)焊接冶金的熱過(guò)程，在高溫下容易汽化形成一些不規(guī)則孔洞，并在焊縫熔池凝固的過(guò)程中保留下來(lái)。這些孔洞有不規(guī)則的邊界，即使尺寸很小也可能直接影響焊縫超聲檢測(cè)時(shí)的聲波反射，進(jìn)而影響熔深檢測(cè)。

3.4 釘尖缺陷對(duì)焊縫熔深檢測(cè)的影響

釘尖缺陷是真空電子束焊接工藝特有的一種缺陷形式，屬于類氣孔缺陷，電子束焊接在熔池根部形成一個(gè)封閉的空隙，金屬蒸汽被阻隔在空隙中而不能逸出，從而形成釘尖類缺陷。釘尖缺陷形成示意如圖6所示[5-6]。

真空電子束焊縫呈釘子形，深寬比大，但焊接時(shí)會(huì)形成小孔效應(yīng)[5]。在小孔底部是一個(gè)氣相、液相、固相相結(jié)合的區(qū)域，具有能量密度大和不穩(wěn)定性，因此容易產(chǎn)生各類缺陷。其對(duì)焊縫的影響，不僅會(huì)直接減小焊縫的平均深度，還會(huì)造成焊縫根部釘尖部位出現(xiàn)微小的縮孔等，這些缺陷與母材和焊縫存在邊界，將對(duì)超聲波反射造成影響。結(jié)合焊縫熔深小于3.5 mm的不規(guī)律和點(diǎn)狀分布情況，半方管焊縫中存在一定量釘尖缺陷，其一定程度影響了焊縫熔深的檢測(cè)。

4 問(wèn)題處理及改進(jìn)措施

4.1 重熔工藝改進(jìn)

按上述分析，為降低或消除非金屬夾雜物和釘尖缺陷導(dǎo)致的焊縫根部不規(guī)則孔洞和微小縮孔等缺陷對(duì)熔深檢測(cè)的影響，通過(guò)焊接重熔的方式，延長(zhǎng)焊縫熔敷金屬的高溫停留時(shí)間，消除缺陷，以降低其對(duì)熔深的不利影響。同時(shí)重熔焊道為正常、成熟的返修工藝，且在原焊接工藝評(píng)定中各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求，通過(guò)焊接重熔能夠獲得滿足要求的焊縫。

釘尖是電子束小孔模式的固有產(chǎn)物，很難通過(guò)調(diào)整焊接參數(shù)來(lái)徹底消除“釘尖”[5]，影響熔深的參數(shù)中電子束流的影響最大，影響熔寬的參數(shù)中加速電壓的影響最大[7]。因此，在改進(jìn)中對(duì)電子束流進(jìn)行小范圍的調(diào)整。

在原焊接工藝基礎(chǔ)上，通過(guò)焊接重熔的方式，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整電子束流，讓熔池在高溫下停留時(shí)間延長(zhǎng)，以消除或降低非金屬夾雜物導(dǎo)致的汽化孔洞和釘尖缺陷的影響，進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量焊縫熔深。

4.2 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

將電子束流作為重要變素，進(jìn)行小范圍的調(diào)整，以探索其影響及重熔工藝改進(jìn)效果。采用焊接速度70 cm/min，經(jīng)多次試驗(yàn)，遴選出3組典型工藝試驗(yàn)，采用水浸法超聲檢測(cè)熔深，以3.5 mm、4.0 mm的對(duì)比試塊進(jìn)行水浸法超聲檢測(cè)測(cè)量焊縫熔深，見(jiàn)表3。

由表3中試驗(yàn)A、B可知，電子束流適當(dāng)增大，可有效改善焊縫熔深問(wèn)題;而試驗(yàn)A經(jīng)焊接重熔后，焊縫熔深獲得了實(shí)質(zhì)的改善，僅有少量熔深3.5～4.0 mm的情況;試驗(yàn)B、C顯示，采用增大的電子束流能夠改善焊縫熔深情況，但結(jié)果不夠穩(wěn)定，存在波動(dòng)，經(jīng)歷焊接重熔后完全消除了熔深在小于3.5 mm的情況。

結(jié)果顯示，通過(guò)小范圍提高焊接電子束流，延長(zhǎng)焊縫液態(tài)過(guò)程，成功降低了非金屬夾雜物形成的汽化孔洞以及釘尖缺陷釘尖部位對(duì)超聲檢測(cè)的影響，對(duì)最終焊縫熔深起到改善作用，通過(guò)增加重熔焊道，消除了熔深小于3.5 mm的情況，獲得合格焊縫。由于真空電子束能量集中，試樣焊縫表面熔寬較小，集中在3～4 mm，對(duì)重熔后焊縫進(jìn)行10倍宏觀金相觀察，測(cè)量焊縫熔深在4～5.5 mm，某試樣焊縫宏觀金相如圖7所示。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)控制棒導(dǎo)向筒組件半方管電子束焊縫熔深問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查，并對(duì)影響焊縫熔深檢測(cè)的可能因素進(jìn)行研究分析，降低或消除原材料中非金屬氧化物形成的孔洞缺陷和釘尖缺陷對(duì)熔深檢測(cè)的影響，采用焊接重熔的方式，延長(zhǎng)焊縫熔敷金屬的高溫停留時(shí)間，小范圍提高電子束流進(jìn)行焊接修復(fù)和工藝改進(jìn)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，成功解決了焊縫熔深不足的問(wèn)題。

采用重熔工藝進(jìn)行控制棒導(dǎo)向筒組件半方管的真空電子束焊接，已成功運(yùn)用于產(chǎn)品制造，經(jīng)實(shí)踐證明，焊縫經(jīng)超聲檢測(cè)熔深滿足技術(shù)要求，焊縫成型質(zhì)量美觀，成功解決和避免了類似問(wèn)題的再次發(fā)生。目前已在制造廠內(nèi)推廣使用，確保了設(shè)備質(zhì)量。

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