特種焊接技術在核電汽輪機部件修復及再制造方面的應用

陳興東　郭洋　黃滔

摘要：隨著自主核電技術的深入發(fā)展，我國核電裝備的修復再制造領域呈現(xiàn)跨越式發(fā)展，一些新型特種焊接技術不斷發(fā)展、創(chuàng)新，已成功進入百萬千瓦級核電汽輪機核心部件的修復再制造市場。實踐證明：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在修復市場具有廣闊的應用市場;以冷金屬過渡焊接（CMT）技術為主的技術仍具有很強的適應性;以高頻冷焊技術為主的瞬時過渡焊接技術在精密部件小缺陷的修復方面具有廣泛優(yōu)勢。可以預見，以機器人3D打印技術為主要平臺的高能束智能再制造技術將是未來核電修復市場的一個主流趨勢。同時，核電部件修復的相應行業(yè)指導規(guī)范或標準也應隨著特種焊接技術的不斷發(fā)展而適時的作出升級，以促進行業(yè)技術的不斷發(fā)展。

關鍵詞：特種焊接;核電汽輪機;修復;再制造

中圖分類號：TG266文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0053-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.10

0 前言

核電是我國發(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)的需要和重要內容[1]。華龍1號已完成生產(chǎn)投運，目前我國正在第三代核電技術的基礎上積極開展第四代先進核電技術的研發(fā)[2]，這將有力推動我國核電技術的深入發(fā)展。因此，如核電汽輪機、發(fā)電機等零件體積大、質量要求高的核電核心部件的修復再制造技術也獲得了巨大的發(fā)展空間，尤其是修復過程中必須使用的先進特種焊接技術，因其特殊的性能、效率等優(yōu)勢，越來越受到重視。目前，我國主要的核電修復再制造的行業(yè)標準，尤其是修復標準，均采用常規(guī)焊接方法的主要修復流程，這使得其在面臨大量核電核心精密部件服役損傷的修復時，常規(guī)修復技術及規(guī)范往往難以滿足要求。

近年來，我國持續(xù)完善了核電汽輪機部件修復的行業(yè)標準，為規(guī)范業(yè)內操作提供了極大的支撐。如NB/T 25006-2011 核電廠汽輪機葉片焊接修復技術規(guī)程、NB/T 25028-2014 核電廠汽輪機轉子焊接修復技術導則等，為行業(yè)發(fā)展提供了操作方面的指導性意見。

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

特種焊接技術主要特點為：能量密度更高、對基材的熱影響更小、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，可用來進行表面淬火、3D打印等。近年來，先進的特種焊接技術在我國發(fā)展迅速，如高能束流技術中高速激光熔覆（EHLA）、微弧等離子焊接（mPTAW）技術;冷焊技術中的冷金屬過渡（CMT）、脈沖冷焊、高頻次脈沖焊接（VBC）等技術。

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

1 高速激光熔覆技術

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

超高速激光熔覆是在常規(guī)激光熔覆基礎上，通過提高激光能量密度，增加粉末進入激光光束的時間，從而提升粉末進入熔池前的初段溫度，實現(xiàn)高速熔覆沉積，原理如圖1所示。其主要優(yōu)點是：可精確控制凝固過程，獲得較好的微觀組織，性能達到甚至超過鍛造或鑄造材料的要求[4]。高速激光技術的使用特性比常規(guī)堆焊更為廣泛，常規(guī)堆焊技術因稀釋率原因，需要堆焊更厚的金屬層才能實現(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15 m/min以上，在大型核電葉片抗水蝕、高溫端進汽管、轉子軸頸修復、水泵泵軸防海水腐蝕等修復再制造中極具應用前景。

王豫躍等人[5]采用自主設計的超高速激光熔覆設備，在基體材料表面分別進行了單道和多道耐磨涂層粉末的激光熔覆實驗。結果表明，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、內部致密，與基體結合強度高，具有廣闊的工程應用前景。

2017年中科院西安光機所研制出了2 000 W級的高速激光熔覆設備，筆者為使用該設備進行了相關實驗，熔覆層實物及組織如圖2所示，基體為東汽牌號3305YC1材料。熔覆參數(shù)如表1所示。

2 冷金屬過渡焊接技術

冷金屬過渡技術（CMT）是一種基于熔化極氣體保護焊方法的焊接技術，是由奧地利FRONIUS公司在無飛濺引弧理論（SFI）基礎上開發(fā)出的冷金屬過渡技術，拓寬了熔化極氣體保護焊的應用領域[6]。冷金屬過渡技術從電流極性方面分為直流和交流，主要原理是：通過精確控制電子電路，使得焊絲在熔滴形成后迅速回抽，熔滴在重力作用下進入熔池，而此時電流為0（見圖3、圖4），電弧熄滅。這極大地減少了電弧存在時間，從而減少熱輸入，顯著降低焊接過程對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。由于瞬時熄弧使焊接過程中產(chǎn)生的飛濺更少[5]，這也是該技術的顯著特點之一。近年來，CMT技術越來越多地應用于國內增材制造方面。如針對垃圾焚燒爐膜式水冷壁的堆焊，目前國內已經(jīng)有廠家使用CMT技術進行大面積堆焊，如圖5所示。

張博文[8]等人梳理和展望了CMT冷金屬過渡技術的原理及應用情況，認為交流CMT技術在增材制造領域的應用前景會更加廣泛，研究方向應側重于解決交流CMT技術下的凝固過程原位檢測表征以及熱源模擬的進一步修正，為復雜件的精確成型奠定基礎。楊修榮[9]指出CMT技術可使得熔滴過渡在幾乎無電流的狀態(tài)下進行，整個焊接過程實現(xiàn)“熱-冷-熱”交替轉換，可大幅降低焊接熱輸入，且能實現(xiàn)鋼與鋁的焊接。胡剛[10]成功將CMT技術應用于15CrMo+S32168復合板換熱器制造過程中的設備法蘭與接管法蘭的堆焊，其稀釋率、組織及性能均滿足設備運行條件的要求，且質量穩(wěn)定，提升了堆焊效率。

東方汽輪機公司使用CMT技術進行了百萬千瓦汽輪機如隔板、汽封體的現(xiàn)場修復，如圖6所示。與傳統(tǒng)TIG焊相比，該焊接技術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

等離子焊接技術是基于等離子弧為熱源的一種焊接方法，其電弧是在利用強制冷卻的噴嘴對其進行的熱壓縮、鎢極與噴嘴產(chǎn)生的機械壓縮以及電流對電弧產(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，其電流調節(jié)幅度可精確到0.5 A。因此可產(chǎn)生更小的稀釋率（見圖7）和熱影響區(qū)。

印度印多爾理工學Suyog Jhvavr，N. K. Jain[12]研究了微束等離子轉移弧（μ-PTA）線沉積工藝對增材制造應用工藝發(fā)展的影響。分別進行了單層及多層沉積實驗，實驗效果良好。研究認為與激光GTAW、CMT等技術相比，微束等離子在沉積率、沉積有效性等方面優(yōu)勢明顯，微束等離子工藝在高附加值部件的修復方面具有巨大潛力。

秦毅等人[13]采用微弧等離子技術補焊修復了TC6鈦合金航空葉輪，對組織性能進行評估后并使用有限元方法進行效果評價。結果顯示，使用該工藝可獲得均勻分布在β相基體中的細小α相均勻組織，接頭拉伸等性能滿足技術要求，焊接后材料的安全系數(shù)在原來的10倍以上。黃嵐等人[14]研究了1 000 MW汽輪機精加工轉子軸頸的等離子堆焊工藝，結果表明，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]研究了焊接電流對微弧等離子焊接2Cr13汽輪機葉片接頭組織的影響，發(fā)現(xiàn)微弧等離子技術電流大小對2Cr13材料的焊接性能及組織影響較大，通過合理控制電流能實現(xiàn)葉片等部件的高質量修復。

東方汽輪機公司已成功開發(fā)出相應的微弧等離子焊接工藝，并在30萬、60萬、100萬千瓦超臨界、超超臨界汽輪機轉子軸頸損傷（見圖8a）、末級葉片水蝕（見圖8b）等修復及再制造方面成功投入應用，為客戶提供了現(xiàn)場解決方案，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

4 脈沖冷焊技術

脈沖冷焊技術是一種高精密的補焊技術，通過電容瞬間放電形成瞬時脈沖，使母材及焊材在脈沖的瞬間熔化并熔合在一起，形成冶金結合[16]。整個過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間，可使用很細小的焊絲實現(xiàn)對更精密零部件的修復。東方汽輪機有限公司在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固溶體晶粒細小，除黑色缺陷外，組織結構純凈，熱影響區(qū)小（約0.35 mm）。

目前的冷焊技術主要分為脈沖冷焊技術和電火花沉積技術。前者是可以填絲的非熔化極冷焊脈沖技術，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。

該技術的特點使其可用于常規(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特點，修復了高溫高壓法蘭密封面腐蝕坑點、沖蝕的溝槽及碰撞劃傷，出料泵長200 mm的裂紋以及汽輪機軸端磨損0.5 mm的軸頸。賈瑩[19]研究了脈沖冷焊技術及補焊工藝，通過不銹鋼材料的脈沖焊接驗證實驗，系統(tǒng)分析了修復層的顯微組織、硬度、斷口等微觀特征，認為該修復技術能形成牢固的冶金結合接頭，且熱影響區(qū)極小，焊接殘余應力可忽略不計，其拉伸斷口為典型的韌性斷裂和解理斷裂。成功地對40NiCrMo7材料軸類的磕碰、劃傷等缺陷進行了脈沖冷焊修復。

東方汽輪機公司對脈沖冷焊技術的開發(fā)較早，主要用于精密部件損傷的現(xiàn)場修復。某電站不銹鋼水泵泵軸的海水腐蝕損傷的修復如圖10所示，目前運行狀態(tài)良好。

5 基于機器人系統(tǒng)的現(xiàn)場智能再制造技術

對于核電關鍵部件，如汽輪機轉子、隔板等核心部件，隨著服役時間的延長，沿著裂化方向發(fā)展，會出現(xiàn)不同程度的沖蝕損傷，由于該領域對昂貴金屬零件的性能、精度、成本和周期的要求越來越高[20]，對其修復及再制造成為必然趨勢。

通過整合精密加工、3D增材、光學掃描、逆向工程等技術，配合傳感器形成閉環(huán)的修復及再制造中心，實現(xiàn)復雜部件損傷、功能擴充的現(xiàn)場高效再制造技術將是未來發(fā)展的核心趨勢。如3D增材塑型技術，即在原來部件基礎上通過增材制造改變其功能曲面等構型，以大幅提高其工作效率。

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

6 結論

（1）核電部件的修復及再制造市場潛力巨大，與高要求對應的特種焊接修復技術將是未來核電部件修復的主要方法。高能束的激光、等離子技術以及冷金屬過渡、高頻冷焊等特種焊接技術具有獨特的技術特點和優(yōu)勢，將會在核電精密部件的修復及再制造方面占據(jù)優(yōu)勢。同時，各技術之間的互補性非常明顯，這將促進各特焊技術的復合發(fā)展。

（2）超高速激光熔覆技術將是未來高能束表面改性的發(fā)展方向，未來可替代熱噴涂、滲碳、滲氮，甚至電鍍技術的相關特征越來越明顯。隨著硬件及軟件科學的發(fā)展，高速激光熔覆將是極具競爭力的領域，值得進一步關注和探討。

（3）對于汽輪機核心部件的再制造領域，未來將會逐步趨于修復現(xiàn)場的智能化、專業(yè)化方向發(fā)展，不但可以實現(xiàn)新產(chǎn)品的3D打印，也能通過機器人系統(tǒng)實現(xiàn)3D柔性加工、打印、掃描，從而實現(xiàn)3D塑型技術，為舊部件移花接木，擴增新功能、完全實現(xiàn)再制造等。

（4）對于核電汽輪機精密部件的修復行業(yè)規(guī)范，應在特種焊接技術發(fā)展迅速的當下作出適時的升級調整，以克服現(xiàn)有規(guī)范難以滿足核電精密部件的高效高質量的修復及再制造的實際需求。

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