三代核电控制棒驱动机构钩爪钴基堆焊工艺研究

三代核电控制棒驱动机构钩爪钴基堆焊工艺研究

杨亚涛，薛 松，郭宝超，戚丹鸿，米大为

（上海第一机床厂有限公司，上海201306）

摘要：对三代核电驱动机构钩爪钴基堆焊焊接工艺进行研究，从材料可焊性、氧乙炔焊接方法、焊接火焰类型、焊接喷嘴尺寸、焊前预热等方面研究钩爪钴基堆焊焊接工艺，对堆焊层进行化学成分、金相组织、表面硬度等分析。结果显示：钴基堆焊采用氧乙炔堆焊，不同喷嘴直径和预热温度对堆焊层化学成分、硬度、金相组织均有影响；堆焊层组织主要是树枝晶，喷嘴直径越大，树枝晶越多，形成二次枝晶的几率越大；增加预热温度，堆焊层晶粒变粗，晶粒内析出相增加。

关键词：驱动机构；钩爪；钴基合金；氧乙炔堆焊；耐磨堆焊

0 前言

钴铬合金是以钴元素为基体的合金，一般称为钴基合金。相对于铁基、镍基合金堆焊，钴基合金在650℃左右具有较高的强度、硬度以及耐磨性。钴基合金常用于高温状态下工作的零件表面[1]。我国目前投入运行或在建的核电站绝大多数为压水堆核电站，特别是近年来第三代核电技术是国家核电建设的重中之重，大多数压水堆压力容器设计温度约为340℃，高温水在一定压力下在其中循环，带来剧烈振动，组件间不断摩擦，这对组件间连接部分的强度和耐磨性提出了非常高的要求，因此钴基合金在高温下高强度、高耐磨性的特点对保证核电站的安全运行起到了非常重要的作用[2]。

1 可焊性分析

1.1 母材

核电控制棒驱动机构的材料以奥氏体不锈钢为主，其在任何温度下都不发生相变，焊态奥氏体不锈钢接头的塑性与韧性较好[3]。其导热性差，线膨胀系数大，因此焊接应力和变形也较大[4]。钩爪在控制棒驱动机构位置见图1，钩爪钴基堆焊示意见图2。核电常用304奥氏体不锈钢的化学成分见表1。

图1 钩爪在控制棒驱动机构位置

图2 钩爪钴基堆焊示意

表1 304奥氏体不锈钢化学成分

注：单一值为最大值。

w（S）0.03 w（C）0.030 w（Mn）2.0 w（Si）1.0 w（Cr）18～20 w（Ni）8～10.5 w（N2）≤0.1 w（Co）≤0.05 w（P）0.045%

1.2 焊接材料

控制棒驱动机构钩爪钴基堆焊选用美国Stellite公司研发ASME牌号为ERCoCr-A的钴基焊条，常称为司太立6合金；其铸态组织主要为铬碳化物共晶体网络组成的亚共晶体组织，化学成分如表2所示，具有良好的抗腐蚀、抗氧化以及在650℃仍然保持良好的热硬性[5]。

母材304奥氏体不锈钢导热性能差，线膨胀系数大，焊接应力和变形也较大，钴基焊材的组织主要为铬碳化物共晶体网络组成的亚共晶体组织，铬碳化合物在晶粒边界析出，在焊接应力、相变应力等作用下很容易开裂，因此钴基堆焊母材及焊材的可焊性都较差。

在对线材表面进行处理的实验中,所用材料为直径6mm的45号钢线材；加工过程中线材匀速移动,速度为20mm/s；喷头在对线材的处理过程中,去除的面积能达到线材表面积的1/4,按照理论计算,每小时对线材的去除面积能达到0.339m2；但实际加工过程中由于线材直线度不够、磨料分布不均匀、射流流量有所波动等导致线材表面有少部分氧化皮不能完全去除,所以达不到理想值,故线材的表面去除效率越接近0.339m2/h,效率就越高。实验时,每次加工1min,加工3次,测量去除面积,求得平均去除效率值。

表2 ERCoCr-A焊丝化学成分 %

注：单一值为最大值。

w（其他）0.50 w（C）0.9～1.4 w（Mn）1.0 w（Si）2.0 w（Cr）26～32 w（Ni）3.0 w（Mo）1.0 w（Fe）3.0 w（W）3.0～6.0 w（Co）余量w（P）0.03 w（S）0.03

2 焊接设备

本次试验钩爪堆焊采用氧乙炔堆焊，其焊接设备主要是焊枪，使用喷嘴直径为φ1.0～1.2 mm以及φ1.5～2.0 mm的焊枪（见图3），预热热处理炉。

笔者设计了一种十字交叉型悬臂梁约束支撑微纳测头。基于压杆失稳原理，利用压电装置改变悬臂梁的轴向受力以改变其刚度，进而改变约束支撑机构的整体刚度。基于最小势能原理建立约束支撑机构的刚度模型，为计算变刚度控制过程所需压电驱动力提供重要的理论依据，并通过有限元仿真验证理论模型的准确性和变刚度调节的可行性。

图3 氧乙炔堆焊焊接喷嘴

3 焊接参数对堆焊质量的影响

3.1 钩爪氧乙炔堆焊的焊接参数

钩爪堆焊焊接参数如表3所示：碳化焰，氧气压力 0.3～0.7 MPa，乙炔压力 0.3～0.7 MPa，平焊，焊枪喷嘴直径分别为φ1.0～1.2 mm和φ1.5～2.0 mm，分别在预热温度25℃和260℃下堆焊。

氧乙炔堆焊时，火焰的选择至关重要，相当于电弧焊时热输入的选择，直接影响焊缝质量；钴基堆焊属于硬质合金的焊接，一般采用碳化焰，要求中焰约为内焰长度的2～2.5倍[6]。

表3 钩爪氧乙炔堆焊焊接工艺参数

火焰种类碳化焰碳化焰碳化焰碳化焰焊接位置平焊平焊平焊平焊焊条直径φ/mm 2.5/3.2 2.5/3.2 2.5/3.2 2.5/3.2氧气压力/MPa 0.3～0.7 0.3～0.7 0.3～0.7 0.3～0.7乙炔压力/MPa 0.03～0.07 0.03～0.07 0.03～0.07 0.03～0.07喷嘴直径φ/mm 1.0～1.2 1.0～1.2 1.5～2.0 1.5～2.0预热温度T/℃25 260 25 260

钴基合金熔点Tm计算经验公式[7]

计算得出钴基合金焊条的熔点为1248～1330℃，碳化焰的焰心太短、外焰温度较低，不足以充分熔化钴基合金，焊后可能出现夹杂等缺陷，因此氧乙炔堆焊时采用碳化焰内焰进行焊接。

截至2014年年底，全国有效使用绿色食品标志企业总数达到8700家，产品21153个，达到历史新高。2014年上半年统计数据显示，绿色食品大米、水果和茶叶产量已分别占全国大米、水果和茶叶总产量的10.8%、6.8%和3.7%。全国共创建了635个绿色食品原料标准化生产基地，基地种植面积1.6亿亩。

3.2 喷嘴直径对焊接质量的影响

氧乙炔堆焊采用火焰加热使钴基焊材熔化、以熔滴过渡的方式在奥氏体不锈钢母材上堆焊钴基。氧乙炔焊接时，通过焊枪将氧气与乙炔混合，两者的混合比可通过独立的阀门进行调节，混合后的气体通过一个可拆卸的紫铜制作的喷嘴形成火焰进行焊接，因此焊枪的喷嘴直径决定焊接火焰的强度，进而影响焊接时钴基焊材是否可以充分熔化进行熔滴过渡，这相当于弧焊焊接时热输入的影响，同时由于采用碳化焰焊接，喷嘴直径对控制渗碳、堆焊层化学成分、表面硬度都会有影响。

其中{（vn，tn，yn）∶n=1，…，N}是训练数据集，Δ是0-1损失，vn是图像，tn是相应的文本描述，yn是类标签。fv和ft分别是图像和文本分类器，具体参数如下：

3.2.1 喷嘴直径对化学成分影响

用餐结束时，老板娘端出了点心，放在我们的桌上，有别于一般涮涮锅的绿豆或仙草或甜爱玉，上桌的是一盘当季的西瓜切片，上面安稳摆着牙签，西瓜与牙签，成为视觉上巧妙的对比。

氧乙炔进行钴基堆焊时，碳化焰温度为2 700～3 000℃，由于碳化焰中有过剩的乙炔，它可以分解为氢气和碳，在焊接时火焰中游离状态的碳会渗入熔池，增加焊缝含碳量，使焊缝金属的强度、硬度提高而塑韧性下降；氧乙炔堆焊时喷嘴直径对于渗碳现象的影响也将影响其堆焊层的化学成分，如表4所示。由表4可知，喷嘴直径φ1.5～2.0 mm时堆焊层的碳含量大于喷嘴直径φ1.0～1.2 mm时的含碳量，含碳量高时会与W、Cr、Fe等元素形成硬度较高的硬质相碳化物，如：WC、W2C、（Cr、Fe）3C7、Cr23C6等，这些硬质相对钴基基体α-Co起到固溶强化，提高堆焊层的强度、硬度，降低塑、韧性；同时随着碳含量的提高，堆焊层的组织由近共晶组织向过共晶组织转变。

3.2.2 喷嘴直径对组织的影响

表4 不同喷嘴直径焊后堆焊层化学成分 %

喷嘴直径φ1.5～2.0 mm φ1.0～1.2 mm w（C）1.22 1.14 w（W）3.77 3.80 w（Mn）0.14 0.15 w（Si）1.13 1.16 w（Co）61.04 60.9 w（Cr）27.78 28.04 w（Ni）2.32 2.12 w（Mo）0.094 0.11 w（Fe）2.51 2.58

喷嘴直径影响堆焊层的化学成分，堆焊层碳含量随着喷嘴直径的变大而升高，堆焊层组织可能由近共晶组织向过共晶组织转变，同时碳化物也可能由M7C3向Cr23C6转变，硬质相的改变使强度硬度提高，塑韧性下降。

不同喷嘴直径堆焊层的微观组织如图4所示。

由图4可知，堆焊层为典型的凝固组织，堆焊层中未出现孔穴、固体夹杂等缺陷。晶粒的生长方向取决于择优生长方向，堆焊层中主要为树枝晶。与图4b相比较，图4a树枝晶较多、且一次枝晶较大；与图4d相比较，图4c的柱状枝晶较多，且二次枝晶较大，这是在由于喷嘴直径较大时加热温度较高，使得熔池的温度升高，而晶界的平均迁移率m与e-Qm/(RT)成正比（Qm为晶界迁移的激活能），因此当温度上升时，晶界的平均迁移率m越大，从而晶粒的长大速率越快，树枝晶越多，形成的二次枝晶的几率越大，进而影响堆焊层性能。

未来，银川经开区将以服务业核心区为重点，着力打造信息技术、生物技术、知识产权转化、科技、媒体、通信等6大业态集聚。银川市副市长、银川经开区管委会主任高言杰告诉《中国经济周刊》，力争到2020年科技贡献率由2017年的67%达到70%以上、高新技术企业由2017年的44家增至50家左右，企业创新中心数由2017年的72家增至100家以上。

3.2.3 喷嘴直径对硬度的影响

氧乙炔堆焊时火焰中游离的状态的碳会渗透到熔池中，增加焊缝中的碳含量，增加堆焊层硬度。不同喷嘴堆焊母材、HAZ堆焊层硬度如图5所示，不同喷嘴堆焊层硬度如图6所示。

由图5和图6可知，从母材、HAZ到堆焊层硬度逐渐增加，且φ1.5～2.0 mm喷嘴直径的硬度比φ1.0～1.2 mm喷嘴直径的高，喷嘴直径越大，堆焊时渗碳现象越严重，其焊缝含碳量升高，强度、硬度提高，塑韧性下降。

图4 不同喷嘴直径的堆焊层组织

图5 不同喷嘴堆焊母材、HAZ堆焊层硬度

3.3 预热温度对堆焊层质量的影响

钩爪堆焊是在奥氏体不锈钢基体上堆焊钴基合金，堆焊时由于焊件受到不均匀的局部加热和冷却，焊缝金属中残留较大焊接应力，且母材奥氏体不锈钢与堆焊钴基合金的热膨胀系数不同，焊缝产生热应力，这些都会影响堆焊层质量。为了避免钩爪堆焊后产生缺陷，主要通过焊前预热减小焊件温差，降低焊接应力，避免堆焊层出现裂纹。

图6 不同喷嘴堆焊层硬度

3.3.1 预热温度对堆焊层组织的影响

不同预热温度的堆焊层组织如图7所示。

由图7可知，在预热25℃和 260℃时，堆焊层组织主要为树枝晶且生长方向明显，图7b比图7a的晶粒较粗大，且晶粒内出现较多的颗粒状析出相，这是因为随着预热温度的升高，堆焊时热循环的起始温度上升，冷却速率下降，这延长了熔池在高温下的停留时间，进而增加了晶粒中各元素的扩散时间，使晶粒内的析出相增加。

图7 不同预热温度的堆焊层组织

3.3.2 预热对堆焊层表面质量的影响

不同预热温度下堆焊母材、HAZ堆焊层硬度如图8所示，不同预热温度下堆焊层硬度如图9所示。

图8 不同预热温度下堆焊母材、HAZ堆焊层硬度

由图8和图9可知，当预热温度为260℃时，其堆焊层平均硬度为494.8 HV、预热温度为25℃时，其堆焊层平均硬度为500 HV，预热温度为260℃的堆焊层的平均硬度比预热温度为25℃略大，这是因为在预热260℃时，堆焊层晶粒内有明显的颗粒状析出相，使其堆焊层的强度硬度提高；但是预热260℃时，堆焊层的冷却速率下降会使晶粒长大，对硬度有所影响，因此其维氏硬度才会略有上升。

图9 不同预热温度下堆焊层硬度

4 结论

（1）钴基焊材以及奥氏体不锈钢堆焊时焊接性较差，堆焊采用氧乙炔堆焊。

第二，经济支持。(1)税收支持。泰国政府通过低息贷款或减税等政策，支持购买昂贵的医疗技术等；印度政府降低进口医疗器械的关税，以外汇方式支付的医疗服务“视同出口”，享受同样的出口激励。(2)财政补贴。泰国政府投资数百万美元补贴“医疗中心项目”。

（2）钴基堆焊层组织主要为树枝晶，且喷嘴直径变大，树枝晶越多，形成的二次枝晶的几率越大。

（3）喷嘴直径越大，堆焊时渗碳现象越严重，其焊缝含碳量越高，强度、硬度提高，塑韧性下降。

所采用的仪器操作条件如表1。各元素测定同位素为56Fe、68Zn、75As、118Sn、121Sb、208Pb、209Bi。

（4）增加预热温度，堆焊层晶粒变粗，晶粒内析出相增加，预热260℃比25℃表面硬度略微增加。

参考文献：

[1]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]Menon R.New developments in hardfacing alloys[J].Weld J.，1996，75（2）：43-9.

[3]周振丰，张文钺.焊接冶金与金属焊接性[M].北京：机械工业出版社，1987.

[4]郭火明，王文健，郭俊，等.轮轨试样Co基合金激光熔覆层组织及磨损性能[J].材料科学与工艺，2015（01）：69-74.

[5]丁彰雄，佟树善.氧—乙炔火焰喷涂与喷焊[J].武汉造船，1985（05）：42-48.

[6]张扬健，陈德胜.我国核电现状及发展趋势分析[J].节能与环保，2017（01）：52-55.

[7]陈思普.铁基、镍基、钴基合金熔点计算方法和经验公式[J].特殊钢，1992，13（2）：28-30.

Study on hard facing process of the latch with cobalt alloys about the third-generation nuclear power control rod drive mechanism

YANG Yatao，XUE Song，GUO Baochao，QI Danhong，MI Dawei
（Shanghai No.1 Machine Tool Works Co.，Ltd.，Shanghai 201306，China）

Abstract：The hardfacing procedure of the latch with cobalt-base alloys about the third-generation nuclear power control rod drive mechanism is mainly studied from the aspects of the material weldability，oxyacetylene welding method，welding flame type，welding nozzle size and preheat.And the chemical composition，metallographic microstructure and surface hardness of the hardfacing layer are analyzed.The results show that the oxyacetylene surfacing are adopted as the welding method of hardfacing with cobalt-base alloys.The different nozzle diameters and preheating temperatures have an effect on the chemical composition，hardness and microstructure of the hardfacing layer.The main microstructure of the hardfacing layer is dendritic crystal.The larger nozzle diameters，the more dendritic crystal，the greater probability of secondary dendritic crystal formation.The grain size of hardfacing layer grows up and intragranular precipitation phase increases when the preheating temperature increases.

Key words：drive mechanism；latch；cobalt-base alloys；oxyacetylene welding；hardfacing

中图分类号：TG455

文献标志码：A

文章编号：1001－2303（2019）09－0055-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2019.09.10

本文参考文献引用格式：杨亚涛，薛松，郭宝超，等.三代核电控制棒驱动机构钩爪钴基堆焊工艺研究[J].电焊机，2019，49（09）：55-59.

收稿日期：2019-06-05

基金项目：上海市战略新兴产业重大项目（SH-LG-ZX-2013-002）

作者简介：杨亚涛（1988—），男，硕士，工程师，主要从事核电堆内构件、驱动机构等焊接工艺的开发与研究。E-mail：[e-mail]。