“華龍一號”堆內構件徑向支承鍵堆焊工藝及質量控制

林金平

(中國中原對外工程有限公司,北京 100044)

在堆內構件設備安裝時，為了確保堆內構件精確定位，防止接口處疲勞破壞和磨損，在上堆芯板與吊籃筒體的接口處專門設置有左、右嵌入件等零部件，在吊籃筒體與壓力容器接口處專門設置有左、右U型嵌入件和徑向支承鍵等零部件。以徑向支承鍵為例，徑向支承鍵與壓力容器上的鍵槽的裝配間隙為0.25[+0 mm，+0.025 mm]。在正常的換料檢修以及運行工況下，由于激勵源(包括湍流、漩渦脫落振動、主泵引起的壓力振蕩以及流體彈性振動)作用下的流致振動，導致磨損不可避免，這樣會導致間隙越來越大。因此，選擇一種耐高溫腐蝕并具有優良耐磨性能的材料是非常必要的[1]，堆焊層的耐磨性是保證堆內構件安全的重要因素。在生產中，通常選擇在零部件的接觸面上堆焊高性能的合金材料提高部件的耐蝕耐磨性。

堆焊是在工件的表面或邊緣進行熔敷一層耐磨、耐蝕、耐熱等性能金屬層的焊接工藝。在堆內構件設備制造過程中，堆焊主要分為如下兩種情況：A類，奧氏體不銹鋼Z2CN19-10NS零件的耐磨堆焊，包括上堆芯板導向銷耐磨堆焊層、左/右嵌入件耐磨堆焊層、徑向支承鍵耐磨堆焊層；B類，鎳基合金NC30Fe零件的耐磨堆焊，包括左/右U型嵌入件鍵耐磨堆焊層。由于堆內構件中堆焊主要以A類堆焊為主，且徑向支承鍵的制造周期較長，堆焊面積大，堆焊過程受相關影響因素較多，堆焊的質量直接部件的制造質量和制造進度，本文以徑向支承鍵的堆焊分析為例，分析堆內構件中奧氏體不銹鋼零部件的堆焊工藝及不符合項的處理，提出提高堆焊質量的措施和建議(見圖1和圖2)。

1 徑向支承鍵堆焊

1.1 徑向支承鍵堆焊難點

根據上游技術文件，堆內構件徑向支承鍵堆焊鈷基合金應滿足熔敷金屬厚度≥3 mm，硬度值在39～47 HRC，且最大硬度值最小硬度值之差控制在5 HRC的要求。堆焊層硬度和稀釋率(主要是指含鐵量) 有著密切的關系。為了獲得預計的堆焊層化學成分，必須盡可能減少母材向焊層的熔入量，即降低稀釋率是其工藝過程的關鍵。堆焊熔敷金屬層通常易產生微裂紋或冷裂紋、與母材剝離或脫落、化學成分偏析及硬度不均勻等缺陷。對于徑向支承鍵，由于堆焊面積大，給堆焊的質量控制增加了風險。綜合分析，徑向支承鍵堆焊難點主要在：1)防止堆焊裂紋，提高堆焊后零件的堆焊焊縫金屬合格率；2)補償堆焊層由于稀釋(或沖淡)所引起的合金元素的降低，保證堆焊金屬的硬度均勻；3)由于堆焊面積大，需要提高堆焊熔敷效率。

1.2 徑向支承鍵堆焊方法及工藝

徑向支承鍵堆焊的方式為手工鎢極氬弧堆焊(GTAW)，采用手工鎢極氬弧堆焊工件具有以下特點，母材吸熱少，熔深淺，堆焊層形狀容易控制，焊工可進行全位置焊接，變形小。堆焊選用的焊條為ERCoCr-7A。整個徑向支承鍵的堆焊過程如下:1)部件清洗；2)堆焊有填充金屬的手工氬弧焊；3)加工前至少堆焊4 層，堆焊層最低處至少6～7 mm；4)初加工：堆焊層加工至約6 mm；5)檢查(VT、DT、PT、UT檢查)；6)最終機加工；7)檢查(VT、DT、PT、UT檢查)。故在堆焊過程中，直接質量目標是確保在最終機加工后的VT、DT、PT、UT檢查合格。堆焊的主要參數見表1。

表1 徑向支承鍵堆焊的主要參數Table 1 The main parameters of the radial support key cladding

堆焊前的準備工作。在堆焊前，通過機加工將徑向支承鍵兩側面加工至要求尺寸，表面粗糙度達到Ra 3.2 μm，無毛刺等。機加后的表面按相關要求進行液體滲透檢測和驗收。將驗收合格的零件堆焊表面用丙酮清洗，確保堆焊區域影響堆焊質量的雜質。堆焊前檢查手工鎢極氬弧焊設備、高頻引弧、保護氣、冷卻水等控制系統是否正常。堆焊環境相對濕度<90%，風速<2 m/s，氬氣的純度為99.99%。將零件放入熱處理爐中均勻預熱至350～425 ℃，保溫30～60 min 后取出，立即進行堆焊。

堆焊時，零件堆焊面水平放置，噴嘴與工件保持75°夾角，填充焊絲與工件夾角15°，鎢極尖端與工件表面距離約為鎢極直徑的1.5倍。堆焊時采用小電流、短弧焊、快速、多層多道左向焊法，弧長應保持不變，鎢極擺動幅度不應大于鎢極直徑的3倍。層、道間溫度控制在350～425 ℃，各層間焊接交替處應錯開，接引處應保證焊透和熔合。焊道兩側邊緣銜接處應平緩過渡，不可過厚，避免造成道間熔合不良，形成未焊透、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷。堆焊過程中，隨時檢查堆焊質量和操作質量，如有裂紋、未焊透、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷時，應及時處理和清除。焊工在手工鎢極氬弧堆焊過程中，應盡量減少稀釋和保持電弧穩定，使堆焊層質量均勻。常通過調節焊接電流、電弧電壓，焊接電流、運條方式和弧長等焊接參數控制熔深以達到降低稀釋率。焊后徑向支承鍵堆焊表面如圖2所示。整個徑向支承鍵堆焊層數約四層，其中第一層采用3.2 mm焊條，后面三層采用4.0 mm焊條。

堆焊后的零件經外觀檢驗合格后立即進行熱處理。熱處理溫度為380～425 ℃，保溫1～1.1 h，隨爐緩冷。徑向支承鍵冷卻至室溫后，對焊縫及熱影響區按相關要求進行檢驗。

1.3 徑向支承鍵堆焊后性能分析

堆焊后化學成分在已加工到最小厚度的堆焊表面進行，化學分析試樣應從稀釋區以外的部位選取。堆焊后堆焊金屬的化學成分如表2所示。硬度檢測在機加工到最小尺寸的耐磨堆焊層的表面上進行Rockwell C 硬度測量，至少測量10次。合格標準：計算10次測量數值的平均值，該值應在39～47 HRC范圍內，最大值與最小值之間的偏差不得超過5 HRC。在與熔敷金屬表面垂直面上檢測堆焊層硬度(HRC)，徑向支承鍵堆焊層硬度檢測結果為如表3所示。

表2 徑向支承鍵堆焊層的化學成分(Wt，%)Table 2 The chemical composition of the cladding layer of the radial support key

表3 徑向支承鍵堆焊層的硬度Table 3 The hardness of the cladding layer of the radial support key

在焊道垂直方向切取宏觀試樣。經過拋光和侵蝕液侵蝕后，用10倍放大鏡觀察焊縫金屬和熱影響區的橫截面，未發現未熔合和線性缺陷及氣孔缺陷，符合標準要求。用放大200x的顯微鏡進行微觀金相檢驗，不存在顯微裂紋及影響接頭性能的沉淀物。堆焊層的組織是奧氏體+共晶組織。焊縫區顯微組織為“奧氏體+碳化物”，如圖3所示。

圖3 堆內構件徑向支承鍵堆焊層組織Fig.3 The structure of the cladding layer of the radial support key

2 徑向支承鍵的堆焊主要不符合項及糾正措施

2.1 典型的堆焊不符合項及原因分析

典型的徑向支承鍵的堆焊缺陷主要為PT顯示有缺陷和裂紋，例如，某機組2號徑向支承鍵，堆焊結束機加工后PT檢查有缺陷，徑向支承件表面一定區域內有密集型點狀顯示。某機組1號、2號徑向支承鍵共兩件在堆焊完畢機加工后PT產生缺陷顯示，UT檢查合格，某機組3號徑向支承鍵，堆焊表面有裂紋。

(1)氣孔

對于上述密集點狀顯示不符合項，初步分析其可能為氣孔，是堆焊時熔池中的氣泡在凝固時未能逸出而形成空穴。由于氣孔的存在，焊縫的有效截面減小，過大的氣孔會降低焊縫強度，破壞焊縫金屬的致密性。產生密集氣孔的可能原因有：焊接線能量過小，熔池冷卻速度大，不利于氣體溢出，造成密集氣孔。

(2)裂紋

徑向支承鍵的堆焊中易產生冷裂紋，冷裂縫一般指焊接接頭冷卻到較低溫度時所產生的裂縫。這類焊縫可能焊后立即出現，也可能延遲幾小時、幾天甚至更長時間。焊縫和熱影響區均可能產生冷裂縫。

經過分析，上述不符合項產生的直接原因為焊接過程中送絲量過多導致缺陷產生，根本原因為“華龍一號”項目徑向支承鍵相比較以往項目產品尺寸增大、堆焊面增大。堆焊一層的時間由原先的80 min增加至120 min，因此會造成產品層間溫度較難控制、單道焊縫過厚以及焊工疲勞程度增加等較容易造成缺陷。

2.2 典型的堆焊不符合項處理

常見的堆焊缺陷的不符合項的處理措施主要如下:1)對于PT的密集顯示或裂紋，若這些缺陷大多位于徑向支承鍵凸臺的根部，建議對這些缺陷進行修磨至消除，并圓滑過渡，修磨范圍盡量小，修磨后進行目檢尺檢以及液體滲透檢查，并將結果報設計方審核。注意只允許手工修磨，不允許使用電動和氣動工具；2)對于PT顯示或裂紋，若去除深度小于2 mm，則原樣接受，將結果報設計方審核；若去除深度大于等于2 mm，則按照原堆焊WPS進行修補焊，修補焊后進行原焊縫的所有檢查。

2.3 提高徑向支承鍵焊接質量的措施

在不符合項產生后，除了按程序對它進行評定并做出處理外，還應對該缺陷進行深入的原因分析，在后續堆焊過程中，提出改進措施和方向。通過對多項目的的徑向支承鍵不符合項分析發現，在堆焊過程中要嚴格執行焊接管理程序，不斷提高焊接人員的質保意識和操作水平，同時，對工藝進行優化，使堆焊質量始終處于穩定的受控狀態。

(1) 提高焊接人員的質保意識和操作水平

徑向支承鍵的堆焊采用的是手工鎢極氬弧堆焊，焊工的操作技能水平和質量意識是保證焊接質量的基礎。因此除在上崗前對焊工進行培訓外，還應在良好習慣的養成上也下一番功夫，如操作技能、職業習慣、質量意識問題。在焊接時，應按照程序要求關注溫度的變化，堆焊時應特別注意起弧和收弧的質量，確保收弧時應填滿熔池，多層多道焊的接頭應錯開。同時，對相關焊接人員等進行核安全文化/質保意識培訓，明確焊接過程中操作規范性等要求，提高員工責任心，避免后續因人為原因導致焊接缺陷等不符合項重復發生。在焊接過程中，嚴格執行焊前預熱、焊材管理、焊接規范參數、層道間溫度及后熱處理要求。同時，在每批項目徑向支承鍵堆焊前，召開焊工技術交底會，對以往廠內產生徑向支承鍵焊接缺陷質量事件進行宣貫，強調焊接質量的重要性。通過焊接操作技術交流、焊接培訓，來提升焊接操作工的技能。通過對焊工核安全文化培訓、質量培訓來提升對焊前準備重要性的認識。

同時，在層間溫度控制合理的情況下增加焊工數量，勤換人，盡量避免焊工長時間作業造成的精神狀態下滑、手勢抖動、長時間高溫環境眼睛干澀等疲勞因素造成的焊接缺陷的產生，從而降低缺陷發生率。

(2)制定技術改進措施

在提高焊接人員的質保意識和操作水平同時，另一方面也制定鈷基堆焊焊接質量提升的工藝技術措施。比如徑向支承鍵堆焊時，采用對稱焊接方法，先堆焊上端面，堆焊一層技術后保溫，再堆焊下斷面一層，如此交替，降低工件兩端的溫差。依據焊工焊接經驗，控制起弧送絲量，控制焊槍角度75°～90°，焊接收弧保證弧坑填滿，減小焊接時焊槍擺動。同時，結合實際情況，在焊工堆焊時，要求焊工控制焊接手勢，焊接手勢抬高5 mm左右，降低熔深。焊接過程中做好清潔工作，每道焊接完成后，清潔工件表面。焊接完成進行機加工，每次機加工堆焊厚度<0.8 mm控制加工量，避免焊縫開裂。在焊接時最好在焊接的對稱面采取加熱裝置，盡量減少工件兩端的溫差。針對在徑向支承鍵見證件焊接時，相應的堆焊焊接層數過少，容易產生缺陷。在后續徑向支承鍵堆焊時，要建立提前做好相應的工作量預估及風險識別，適當增加焊縫層數一至二層，控制單道焊縫厚度，從而降低缺陷發生率。

同時，針對通過分析項目的技術要求，根據發生的不符合項原因發現：大部分的不符合項都是PT檢查有圓形顯示，且該圓形顯示基本都位于收弧處。因此，根據上述原因，制定了工藝改進方向：增加收弧處的機加工余量，將收弧缺陷從最終焊縫避開(見圖4)。

圖4 堆焊工藝改進措施Fig.4 Measures for improving the surfacing process

實踐證明，通過對焊接操作人員的培訓和焊接技術改進措施，徑向支承鍵堆焊質量明顯提高，制造廠沒有出現過因為操作工失誤出現的不符合項，取得了良好的質量效益和經濟效益。

3 論結

本文對徑向支承鍵采用手工鎢極氬弧焊堆焊鈷基合金堆焊工藝進行了介紹，并對常見的堆焊不符合項及原因進行了分析。為防止不符合項的產生，徑向支承鍵堆焊過程中，應嚴格執行相應的工藝文件，提高焊接人員的質保意識和操作水平，增加焊接層數，以降低熔敷金屬的稀釋率、熱應力和組織應力。同時，在層間溫度控制合理的情況下增加焊工數量，勤換人，從細節入手，做好工藝改進，嚴格進行過程控制，就能為保障徑向支承鍵的制造工期和質量奠定基礎。