鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊技術(shù)研制

羅 斌 鄭繼雷

(成都瑞迪機(jī)械實(shí)業(yè)有限公司 610207)

1 鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊技術(shù)研制中的主要內(nèi)容分析

在核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，鉤爪組件可以說承擔(dān)著動(dòng)作部件的重要工作任務(wù)，與此同時(shí)，在與連桿堆焊機(jī)械加工相配合的過程當(dāng)中，有關(guān)鉤爪組件的機(jī)械加工技術(shù)的研制難度始終維持在較高水平。對于本文所研究鈷基合金堆焊技術(shù)而言，在技術(shù)研制之前，鉤爪設(shè)計(jì)與連桿堆焊設(shè)計(jì)均已處于定型狀態(tài)。從這一角度上來說，在整個(gè)鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊技術(shù)的研制過程當(dāng)中，需要重點(diǎn)關(guān)注的研制內(nèi)容包括下述幾個(gè)方面：①.首先，需要通過對鉤爪以及連桿堆焊毛坯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，剔除因整體過燒問題而對鉤爪組件后續(xù)運(yùn)行產(chǎn)生的質(zhì)量隱患；②.其次，需要通過對氧—乙炔專用焊炬設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，防止傳統(tǒng)氧-乙炔焊炬過程當(dāng)中可能出現(xiàn)的碳增及焰型無法控制問題；③.再次，需要通過對自動(dòng)溫控系統(tǒng)，也就是專用焊接工裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，確保堆焊作業(yè)狀態(tài)下整個(gè)焊接工況的有效性；④.最后，需要通過對堆焊層體積檢驗(yàn)方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式，確保鉤爪齒面能夠在各種工況作用下保障其使用性能的穩(wěn)定性。現(xiàn)針對上述幾點(diǎn)問題做進(jìn)一步的分析與說明。

1.鉤爪以及連桿堆焊毛坯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式分析：考慮到在整個(gè)核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，鉤爪部件以及連桿部件均屬于超低碳奧氏體不銹鋼工業(yè)部件，同時(shí)也有著結(jié)構(gòu)尺寸較小的共性，這一特性導(dǎo)致堆焊作業(yè)使用氧-乙炔焊接工作模式的過程當(dāng)中，所焊接生成的鉤爪部件以及連桿部件組織晶粒直徑過大，甚至可能出現(xiàn)部件整體過燒的問題，上述問題若無法在堆焊過程當(dāng)中得到有效控制，勢必會(huì)對鉤爪組件的后續(xù)運(yùn)行產(chǎn)生極為不利的影響。從這一角度上來說，對于堆焊毛坯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)無疑有著重要意義。在這一過程當(dāng)中，齒根倒圓區(qū)域作為整個(gè)鉤爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)力集中區(qū)域，在堆焊過程當(dāng)中無法避免出現(xiàn)一定程度上的疲勞性裂紋，從而在鉤爪毛坯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，將傳統(tǒng)意義上的齒根倒圓方式改變?yōu)榈箼E圓方式，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)對集中應(yīng)力的有效減少，另一方面能夠提高齒厚參數(shù)，強(qiáng)化整個(gè)鉤爪組件的耐磨性能。優(yōu)化設(shè)計(jì)前后鉤爪毛坯結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的基本示意圖如下圖所示（見圖1）。

圖1 鉤爪堆焊毛坯結(jié)構(gòu)示意圖

（a）優(yōu)化設(shè)計(jì)前毛坯結(jié)構(gòu) （b）優(yōu)化設(shè)計(jì)后毛坯結(jié)構(gòu)

2.氧—乙炔專用焊炬設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式分析：在現(xiàn)階段的技術(shù)條件支持下，適用于鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊技術(shù)研制與應(yīng)用的氧-乙炔焊炬按照焊炬方式的差異性可以分為兩種類型：其一是等壓式焊炬；其二是射吸式焊炬。在上述兩種焊炬方式當(dāng)中，又以第二種，即射吸式焊炬的使用更為頻繁。相關(guān)實(shí)踐研究同時(shí)證實(shí)：相對于一般意義上的結(jié)構(gòu)性焊接作業(yè)以及工件加熱處理而言，射吸式狀態(tài)下的氧-乙炔焊炬方式能夠基本保障應(yīng)用性能的穩(wěn)定性。然而不容忽視的一點(diǎn)在于：在應(yīng)用于1級核電零部件進(jìn)行焊接加工處理的過程當(dāng)中，無論是對于射吸式焊炬還是對于等壓式焊炬而言，均不同程度上的存在定量增碳以及焰型控制的問題。從而在鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊技術(shù)的研制過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)專用型的氧-乙炔焊炬設(shè)備，即氧氣氣體與乙炔在軟管作用下傳送至焊炬當(dāng)中，并經(jīng)由火嘴部件噴出，在燃燒過程當(dāng)中迅速產(chǎn)生高熱熱量，從而實(shí)現(xiàn)熔切目的。

3.自動(dòng)溫控系統(tǒng)即專用焊接工裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式分析：考慮到在鈷基合金堆焊過程當(dāng)中，鉤爪結(jié)構(gòu)的特殊性以及堆焊材料的特殊性，要想保障整個(gè)堆焊過程當(dāng)中空間操作位置的有效以及基體母材預(yù)熱性能的穩(wěn)定，首要應(yīng)當(dāng)保障的即為鉤爪部件以及連桿小孔部件堆焊質(zhì)量能夠得到穩(wěn)定發(fā)揮。從這一角度上來說，在整個(gè)鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊過程當(dāng)中，需要通過對專用工裝及試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方式，剔除傳統(tǒng)意義上工件可能在堆焊作業(yè)前所出現(xiàn)的自動(dòng)預(yù)熱不足問題、過程溫度控制失效問題以及焊接位置控制不足等問題，在此過程當(dāng)中也就能夠確保焊接工況的良好性與可靠性。

4.堆焊層體積檢驗(yàn)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式分析：在整個(gè)鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊作業(yè)的過程當(dāng)中，機(jī)械加工難度最大的工作環(huán)節(jié)為有關(guān)鉤爪小孔的堆焊處理。與此同時(shí)，從整個(gè)核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用角度上來說，鉤爪齒面所對應(yīng)的使用工況有著極為嚴(yán)格的要求。其中最為突出的一點(diǎn)即在于：鉤爪齒面能夠在高壓及高溫環(huán)境下，承受來自于驅(qū)動(dòng)棒控制系統(tǒng)所引發(fā)的摩擦作用力以及剪切作用力，同時(shí)保障整個(gè)堆焊層整體質(zhì)量的穩(wěn)定性。在當(dāng)前技術(shù)條件支持下，針對各類堆焊層進(jìn)行體積檢驗(yàn)的方式包括兩種類型：其一為目視檢驗(yàn)方法；其二為滲透檢驗(yàn)方法。然而無論是對于上述何種檢驗(yàn)方法而言，其檢驗(yàn)僅能夠局限在對堆焊層表面質(zhì)量的檢驗(yàn)當(dāng)中，有關(guān)堆焊層內(nèi)部質(zhì)量的反應(yīng)并不全面與有效。

2 鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊技術(shù)研制過程中的創(chuàng)新點(diǎn)分析

核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中所涉及到的鉤爪部件以及連桿部件無疑是整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中的核心與關(guān)鍵所在。然而在當(dāng)前技術(shù)條件支持下，有關(guān)鉤爪部件與連桿部件的生產(chǎn)還無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的國產(chǎn)化。特別是在本文有關(guān)鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊技術(shù)的研制過程當(dāng)中，鉤爪焊接工藝攻關(guān)所面臨的最主要難點(diǎn)即體現(xiàn)為鉤爪自身所表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)。在鈷基合金堆焊技術(shù)焊接試驗(yàn)的過程當(dāng)中，如何最大限度的保障鉤爪部件所對應(yīng)的設(shè)計(jì)使用結(jié)構(gòu)尺寸能夠始終維持在穩(wěn)定水平下，是整個(gè)技術(shù)研制的重要內(nèi)容。從技術(shù)研制的角度上來說，鉤爪部件小孔焊接是在基本尺寸參數(shù)為Φ15.8/Φ12.7×27的小孔中進(jìn)行厚度參數(shù)在1.5～2.5mm單位范圍內(nèi)的鈷基合金材料的堆焊處理，與此同時(shí)，還需要針對鈷基合金材料堆焊過程中的硬度指標(biāo)予以合理控制，借助于此種方式可有效保障堆焊層表面耐磨性能的穩(wěn)定發(fā)揮，從而使得鈷基合金所對應(yīng)的耐磨性優(yōu)勢以及抗沖擊性韌性優(yōu)勢能夠得到最為充分的融合。可以說，在鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊技術(shù)的研制與應(yīng)用背景之下，整個(gè)國際市場對于核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下屬鉤爪部件以及連桿部件生產(chǎn)的市場壟斷性將得到徹底打破，此項(xiàng)技術(shù)的成功研制與應(yīng)用一方面能夠?qū)崿F(xiàn)對核電廠建造成本的有效控制，提高核電廠設(shè)備的國產(chǎn)率，另一方面還能夠?yàn)閲夜?jié)約大量的外匯儲(chǔ)備開支，同時(shí)贏得更為堅(jiān)實(shí)的國際地位。

3 結(jié)束語

在當(dāng)前技術(shù)條件支持下，鈷基合金所表現(xiàn)出的抗高溫、抗腐蝕特性，使其成為了作為理想的耐磨堆焊材料，從而廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)鉤爪組件與連桿組件的焊接過程當(dāng)中。然而傳統(tǒng)意義上采取奧氏體不銹鋼作為堆焊材料的堆焊方式，表現(xiàn)出了較低水平的焊接性能，同時(shí)也證實(shí)了有關(guān)鉤爪組件與連桿組件堆焊處理的工作難度。總而言之，本文針對有關(guān)鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊技術(shù)在研制過程中所涉及到的相關(guān)問題做出了簡要分析與說明，希望能夠?yàn)榻窈笙嚓P(guān)研究與實(shí)踐工作的開展提供一定的參考與幫助。

[1] 周芳,侯清宇.等離子電弧熔覆Y2O3/鈷基合金的組織結(jié)構(gòu)及耐磨性能[J].稀有金屬材料與工程,2008,37(2):294-298.