鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊技術研制

羅 斌 鄭繼雷

(成都瑞迪機械實業有限公司 610207)

1 鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊技術研制中的主要內容分析

在核反應堆控制棒驅動系統當中，鉤爪組件可以說承擔著動作部件的重要工作任務，與此同時，在與連桿堆焊機械加工相配合的過程當中，有關鉤爪組件的機械加工技術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而言，在技術研制之前，鉤爪設計與連桿堆焊設計均已處于定型狀態。從這一角度上來說，在整個鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊技術的研制過程當中，需要重點關注的研制內容包括下述幾個方面：①.首先，需要通過對鉤爪以及連桿堆焊毛坯結構的優化設計方式，剔除因整體過燒問題而對鉤爪組件后續運行產生的質量隱患；②.其次，需要通過對氧—乙炔專用焊炬設備的優化設計方式，防止傳統氧-乙炔焊炬過程當中可能出現的碳增及焰型無法控制問題；③.再次，需要通過對自動溫控系統，也就是專用焊接工裝的優化設計方式，確保堆焊作業狀態下整個焊接工況的有效性；④.最后，需要通過對堆焊層體積檢驗方法進行優化設計的方式，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定性。現針對上述幾點問題做進一步的分析與說明。

1.鉤爪以及連桿堆焊毛坯結構的優化設計方式分析：考慮到在整個核反應堆控制棒驅動系統當中，鉤爪部件以及連桿部件均屬于超低碳奧氏體不銹鋼工業部件，同時也有著結構尺寸較小的共性，這一特性導致堆焊作業使用氧-乙炔焊接工作模式的過程當中，所焊接生成的鉤爪部件以及連桿部件組織晶粒直徑過大，甚至可能出現部件整體過燒的問題，上述問題若無法在堆焊過程當中得到有效控制，勢必會對鉤爪組件的后續運行產生極為不利的影響。從這一角度上來說，對于堆焊毛坯結構的設計無疑有著重要意義。在這一過程當中，齒根倒圓區域作為整個鉤爪結構設計中的應力集中區域，在堆焊過程當中無法避免出現一定程度上的疲勞性裂紋，從而在鉤爪毛坯結構的優化設計過程當中，將傳統意義上的齒根倒圓方式改變為倒橢圓方式，一方面能夠實現對集中應力的有效減少，另一方面能夠提高齒厚參數，強化整個鉤爪組件的耐磨性能。優化設計前后鉤爪毛坯結構所對應的基本示意圖如下圖所示（見圖1）。

圖1 鉤爪堆焊毛坯結構示意圖

（a）優化設計前毛坯結構 （b）優化設計后毛坯結構

2.氧—乙炔專用焊炬設備的優化設計方式分析：在現階段的技術條件支持下，適用于鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊技術研制與應用的氧-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中，又以第二種，即射吸式焊炬的使用更為頻繁。相關實踐研究同時證實：相對于一般意義上的結構性焊接作業以及工件加熱處理而言，射吸式狀態下的氧-乙炔焊炬方式能夠基本保障應用性能的穩定性。然而不容忽視的一點在于：在應用于1級核電零部件進行焊接加工處理的過程當中，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的研制過程當中，應當設計專用型的氧-乙炔焊炬設備，即氧氣氣體與乙炔在軟管作用下傳送至焊炬當中，并經由火嘴部件噴出，在燃燒過程當中迅速產生高熱熱量，從而實現熔切目的。

3.自動溫控系統即專用焊接工裝的優化設計方式分析：考慮到在鈷基合金堆焊過程當中，鉤爪結構的特殊性以及堆焊材料的特殊性，要想保障整個堆焊過程當中空間操作位置的有效以及基體母材預熱性能的穩定，首要應當保障的即為鉤爪部件以及連桿小孔部件堆焊質量能夠得到穩定發揮。從這一角度上來說，在整個鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊過程當中，需要通過對專用工裝及試驗進行設計的方式，剔除傳統意義上工件可能在堆焊作業前所出現的自動預熱不足問題、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.堆焊層體積檢驗方法優化設計的方式分析：在整個鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊作業的過程當中，機械加工難度最大的工作環節為有關鉤爪小孔的堆焊處理。與此同時，從整個核反應堆控制棒驅動系統的實踐應用角度上來說，鉤爪齒面所對應的使用工況有著極為嚴格的要求。其中最為突出的一點即在于：鉤爪齒面能夠在高壓及高溫環境下，承受來自于驅動棒控制系統所引發的摩擦作用力以及剪切作用力，同時保障整個堆焊層整體質量的穩定性。在當前技術條件支持下，針對各類堆焊層進行體積檢驗的方式包括兩種類型：其一為目視檢驗方法；其二為滲透檢驗方法。然而無論是對于上述何種檢驗方法而言，其檢驗僅能夠局限在對堆焊層表面質量的檢驗當中，有關堆焊層內部質量的反應并不全面與有效。

2 鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊技術研制過程中的創新點分析

核反應堆控制棒驅動機構中所涉及到的鉤爪部件以及連桿部件無疑是整個驅動控制系統中的核心與關鍵所在。然而在當前技術條件支持下，有關鉤爪部件與連桿部件的生產還無法實現真正意義上的國產化。特別是在本文有關鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊技術的研制過程當中，鉤爪焊接工藝攻關所面臨的最主要難點即體現為鉤爪自身所表現出的結構性特點。在鈷基合金堆焊技術焊接試驗的過程當中，如何最大限度的保障鉤爪部件所對應的設計使用結構尺寸能夠始終維持在穩定水平下，是整個技術研制的重要內容。從技術研制的角度上來說，鉤爪部件小孔焊接是在基本尺寸參數為Φ15.8/Φ12.7×27的小孔中進行厚度參數在1.5～2.5mm單位范圍內的鈷基合金材料的堆焊處理，與此同時，還需要針對鈷基合金材料堆焊過程中的硬度指標予以合理控制，借助于此種方式可有效保障堆焊層表面耐磨性能的穩定發揮，從而使得鈷基合金所對應的耐磨性優勢以及抗沖擊性韌性優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的研制與應用背景之下，整個國際市場對于核反應堆控制棒驅動機構下屬鉤爪部件以及連桿部件生產的市場壟斷性將得到徹底打破，此項技術的成功研制與應用一方面能夠實現對核電廠建造成本的有效控制，提高核電廠設備的國產率，另一方面還能夠為國家節約大量的外匯儲備開支，同時贏得更為堅實的國際地位。

3 結束語

在當前技術條件支持下，鈷基合金所表現出的抗高溫、抗腐蝕特性，使其成為了作為理想的耐磨堆焊材料，從而廣泛應用于核反應堆控制棒驅動系統鉤爪組件與連桿組件的焊接過程當中。然而傳統意義上采取奧氏體不銹鋼作為堆焊材料的堆焊方式，表現出了較低水平的焊接性能，同時也證實了有關鉤爪組件與連桿組件堆焊處理的工作難度。總而言之，本文針對有關鉤爪組件小孔鈷基合金堆焊技術在研制過程中所涉及到的相關問題做出了簡要分析與說明，希望能夠為今后相關研究與實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/鈷基合金的組織結構及耐磨性能[J].稀有金屬材料與工程,2008,37(2):294-298.