“華龍一號”控制棒驅動機構中部Ω焊縫焊接質量優化處理分析

戴文勤

(中國中原對外工程有限公司,北京 100044)

“華龍一號”堆型控制棒驅動機構中部Ω焊縫焊接機于2016年通過了鑒定試驗，進入了產品的制造和使用階段。在調試階段中曾經出現的部分焊縫存在氧化、焊道寬度突變及焊道背面局部未熔合等問題。針對上述問題，本文從多角度進行了分析并提出了處理方案，有效地提高了Ω焊縫焊接質量。

本文主要從焊接工藝方面入手，列舉部分優化焊接的方案，討論焊接保護氣體，填充環、氣罩的設計方案以及壓輪形式對Ω焊縫實際焊接質量的影響。

1 控制棒驅動機構中部Ω焊縫介紹

控制棒驅動機構是核電廠反應堆控制系統和安全保護系統的一種伺服機構。中部Ω焊縫即連接行程套管及密封殼的密封性非承壓焊縫。由于其焊縫坡口的形式類似于Ω字母外形，故被稱為Ω焊縫。中部Ω焊縫的強度直接影響到控制棒驅動機構整體腔內水壓及控制棒的動作，其性能的好壞將直接影響核電廠的正常運行和安全[1-3]。Ω焊縫形貌如圖1所示。

圖1 控制棒驅動機構中部Ω焊縫形貌Fig.1 The shape of the Ω weld in the middle part of the CRDM

2 焊接設備及焊接件介紹

2.1 Ω焊縫焊接機簡介

中部Ω密封焊縫焊接機是用于焊接驅動桿行程套管組件與密封殼組件之間的Ω型密封焊縫，對保證控制棒驅動機構可靠工作具有極為重要的作用。該機頭重量輕，操作方便，采用填充環自熔TIG焊，適用于核電廠控制棒驅動機構現場安裝階段，焊接機外形如圖2所示。

圖2 焊接機外形圖Fig.2 The shape of the welding machine

焊接機主要結構有：旋轉系統、氣動夾鉗裝置、傳動系統、攝像頭監控組件。

焊接機工作環境應滿足：

1)環境溫度：≤45 ℃；

2)環境濕度：≤90 ℃；

3)輻照水平：≤2 mSv/h。

2.2 Ω焊縫填充環及模擬環簡介

控制棒驅動機構的密封殼組件為反應堆一回路壓力邊界，屬于核安全一級部件，工作空間可達性差并具有放射性等。這些都對Ω密封焊縫提出了許多特殊的要求，所以焊接工藝設計以填充環作為焊接填充材料[4]。

2.2.1 Ω焊縫填充環

Ω焊縫填充環即為驅動機構行程套管及密封殼裝配后所形成的Ω型焊縫坡口焊接用填充金屬，類似于環形焊絲預埋，填充環材料與密封殼和行程套管材質保持一致，選用00Cr18Ni10N。由于安裝尺寸要求極為精確，故Ω填充環的尺寸精度要求也非常高[5-6]。為保證填充金屬滿足技術規格書要求，經過計算金屬填充量，將Ω焊縫填充環設計厚度為2.8 mm，寬度為3 mm(M級自由公差)的金屬環。考慮到Ω焊縫特殊結構，無法從行程套管及密封殼對Ω焊縫背面充氬氣保護，為保證焊縫接頭成形及焊接質量，在填充環外側設計均勻分布的斜槽，焊前預先沿著Ω坡口一周通過填充環斜槽向Ω腔內充氬氣背保，外形如圖3所示。

清華大學圖書館微電影獲獎是一個里程碑意義的事件，在國內圖書館界掀起了微電影創作與營銷的熱潮，微電影數量迅速增加、題材也不斷豐富。之后，北京大學圖書館推出的微電影《天堂圖書館》以及上海交通大學圖書館推出的微電影因為其充實的內容成為其中的佼佼者。北大圖書館的微電影是為紀念北大圖書館建館110周年而策劃，富含文化底蘊，朱強館長也親情出演，講述了祖孫兩代人與北大圖書館的不解情緣，溫暖了萬千觀眾，并獲得全國大學生微電影創作大賽最美獎。上海交通大學圖書館的微電影是與校相聲社團合作的，笑果十足，包袱不斷，讓人在歡笑中記住了與圖書館相關的知識。

圖3 Ω焊縫填充環外形三維圖Fig.3 The 3D shape of the Ω weld filler ring

2.2.2 Ω焊縫模擬環

Ω焊縫模擬環由內環及外環組成，外環模擬的是密封殼Ω焊縫坡口結構形狀，內環模擬的是行程套管Ω焊縫坡口結構形狀，如圖4所示。

(a)Ω焊縫模擬環裝配圖 (b)Ω焊縫模擬環實物圖圖4 填充環裝配及外形Fig.4 Assembly and shape of the filling ring

其設計目的是為了模擬實際密封殼和行程套管裝配后行程的Ω型焊縫坡口，用于電廠現場安裝公司在正式焊接前進行焊接工藝評定、參數調整及試驗，模擬環可多次使用。為保證焊接工藝評定及參數選取符合實際要求，模擬環(內環及外環尺寸)材質也保持與控制棒驅動機構密封殼一致，盡量選擇同爐批，材質為00Cr18Ni10N。

3 焊縫質量影響因素分析及優化方案

根據國內同類型電廠項目現場反饋資料分析可知。在實際焊接過程中，影響焊接質量最大的因素是氣體保護及焊前裝配，在了解現場焊接問題及廠內調試問題后，本文對焊縫質量影響較大的因素設計的合理性進行了分析。焊接機的電流電壓為工藝應用參數，而非焊機本身固有參數，電流電壓的合理數值需由安裝公司進行確定。從而對于焊接機本身焊接氣體保護是否滿足需求以及焊縫焊絲裝填方法是否合理，就成為了影響Ω焊縫質量的最大變量。本文從保護氣體的純度及氣罩形式對氣體保護工藝等方面進行了優化。

3.1 保護氣體

眾所周知，在焊接過程中，氣體保護的焊縫質量會遠高于無氣體保護的焊縫質量。具體保護氣體會從以下幾個方面提高焊縫的質量：1)隔絕空氣及減少氧化；2)提高焊絲熔敷率。

高純度的氬氣是一種比較理想的保護氣體，比空氣密度大25%，在平焊時有利于對焊接電弧進行保護，降低了保護氣體的消耗。氬氣是一種化學性質非常不活潑的惰性氣體，即使在高溫下也不和金屬發生化學反應，避免了合金元素氧化燒損及由此帶來的一系列問題。氬氣也不溶于液態的金屬，因而不會引起氣孔。氬是一種單原子氣體，以原子狀態存在，在高溫下沒有分子分解或原子吸熱的現象。氬氣的比熱容和熱傳導能力小，即本身吸收量小，向外傳熱也少，電弧中的熱量不易散失，使焊接電弧燃燒穩定，熱量集中，有利于焊接的進行。

原焊接工藝中選擇純度為99.99%的氬氣進行氣保護，焊接結果基本滿足規格書要求。焊縫表面基本呈現銀白色狀，但國內其他電廠項目現場焊接試驗中出現了局部氧化和焊縫寬度突變，如圖5所示。

圖5 國內其他項目現場99.99%氬氣保護焊接結果Fig.5 The welding under the 99.99% Ar gas protection in other project

不同純度的氬氣保護效果也不同。由于工業使用的氬氣中存有一定量的雜質氣體，如Cl、Br、I這些鹵族元素和O2、CO2等，詳細成分對比如表1所示。

表1 純氬氣與高純氬氣成分對比表Table 1 Composition between pure argon and high pure argon

經過多次嘗試，本文最終將對保護氣體純度的選擇從99.99%提升到了99.999%超高純度的氬氣。為了研究氬氣純度變化對焊縫的影響，本文選擇控制其余焊接參數，保證現場所用Ω焊縫焊接參數與廠內調試過程焊接參數基本一致。現場焊接工藝參數及廠內調試參數如表2所示。

表2 焊接參數對照表Table 2 Comparison of welding parameters

通過圖6中(a)和(b)對比可以明顯發現，采用99.999%純度氬氣保護的焊縫表面及背部成形遠優于采用原99.99%純度氬氣保護的焊縫。采用99.99%純度氬氣保護的焊縫表面成形局部會偶爾出現如圖6(a)所示的焊道突變，寬度不均勻，焊縫存在局部發藍被氧化的現象。而采用99.999%純度氬氣保護的焊縫表面成形平整光滑，焊道表面基本保持銀白色，部分呈金色。

(a)99.99%氬氣焊接結果 (b)99.999%氬氣焊接結果圖6 不同氬氣濃度焊接結果示意圖Fig.6 The schematic of welding results with different argon concentrations

3.2 氣罩保護

不同于前期項目設計的Ω焊縫焊接機單獨氣罩，此次K2/K3項目中部Ω焊縫焊機采用前后雙氣罩保護，即焊炬前和后裝有兩個拖罩，如圖7所示。

圖7 前后氣罩示意圖Fig.7 The schematic of the front and rear hood

通過焊接控制系統，按照設定的氣體壓力、充壓時間，氬氣從氣瓶經流量閥通過緊貼Ω模擬環的拖罩，氬氣均勻地沿著填充環外側邊斜槽流入Ω內腔，如圖8所示。

圖8 氣體流向示意圖Fig.8 The schematic of gas flow direction

焊前模擬行走兩圈對模擬環Ω內腔進行預送氣，待檢測Ω內腔氬氣流量達到要求后開始焊接，雙氣罩則加快了預送氣速度，焊接過程中使焊縫熔池始終處在氬氣保護狀態下。前氣罩相當于對焊縫進行了反復的預充氣保護，而后氣罩可在熔敷后保證焊縫表面繼續與空氣進行隔離，焊接電弧燃燒更穩定，從而提高了焊縫接頭質量，以及焊縫正反面保護質量。

3.3 壓輪形式

為了保證優化焊接工藝，保證焊接過程中填充環不會因氣體壓力或應力應變而發生翹曲，從而降低焊接的熔敷率和焊縫質量。K2/K3項目Ω焊縫焊接機新增了三組軸承式壓輪，對焊縫處填充環進行固定。沿φ148.5圓周布置，三組壓輪固定在支腳上，支腳主要由支座、軸桿、彈簧、壓輪、銷軸、擋圈、導向螺釘組成，如圖9所示。

圖9 壓輪結構示意圖Fig.9 The schematic diagram of the roller structure

支腳是隨著焊炬一起轉動，機頭安裝到位后，壓輪是處在預壓緊狀態，壓縮量是3 mm，以保證對填充環的緊固。壓輪除了轉動，還可以沿著導向螺釘上下運動，這取決于壓輪的受力大小。壓輪受力大，壓輪隨著軸桿向上，壓輪受力減小，壓輪隨著軸桿向下。如此的設計是為了保證壓輪的布置，即可在預通氣前進行填充環位置的微調，減少由于焊接人員未正確放置填充環而導致焊后質量不滿足要求；其次壓輪隨著壓力的變化而上下浮動也可有效地在焊接過程中對焊縫進行壓緊，減少未焊接區域的翹起以及以熔合區域的塌陷。

新增的軸承式壓輪有效地固定了坡口處填充環的位置，且保證了焊縫焊后余高，有效地提高了焊接的質量，也降低了由于人員操作不當造成焊縫質量不合格的比率。

需要注意的是為保證壓輪轉動順暢及防治鐵素體污染，采用滾針軸承鑲不銹鋼套組合。隨著焊接量的增大，壓輪及銷軸磨損加大，所以需要定期對壓輪及銷軸進行更換，以保障壓輪轉動順暢。

4 結論

1)氬氣純度的提高有效提高了焊縫氣保護的質量，清除焊縫處鹵族元素的以及空氣雜質的含量，減少了焊接過程的波動；

2)前、后氣罩的設計對熔化區域和焊后區域進行了優化保護，減少了焊后區域在無氣保護的情況下發生的氧化，提高了焊接質量；

3)壓輪形式變更，讓焊接機在填充環上的焊接更加順暢，減少了因打滑而出現的重復焊接現象，保證了整個焊接過程的均勻性。壓輪材質的變化更好地保護了焊后的區域，減少了焊接過程由于受擠壓而造成的填充環翹起，提高了焊接的穩定性；

4)總結上述焊接機優化方案，可以看出，焊接過程不是一個簡單的加工過程，每一個細節參數的變化都將對焊接質量產生巨大的影響。在后續核電廠項目Ω焊縫焊接機的現場使用過程中也會出現各式各樣的問題，要向前期項目及廠內的調試經驗學習，從細節入手，逐步優化焊接的設備、焊接工藝參數及操作方式，提高Ω焊接機的焊接質量和穩定性，最終完成產品驅動機構中部Ω焊縫的焊接工作。