核反应堆控制棒焊接裂纹的形成机理及工艺控制

摘要

控制棒组件是核电站反应堆内的核心构件，通过驱动机构调节控制棒插入燃料组件的不同深度来控制反应堆的链式反应剧烈程度，从而控制反应堆的输出功率。控制棒是将银铟镉芯体装入薄壁不锈钢包壳管（0Cr18Ni10Ti）中，通过上下端塞环缝焊接而成。由于控制棒组件在堆内的设计运行时间为10至15年，其质量对反应堆的安全性和经济性至关重要。在控制棒组件制造过程中，薄壁不锈钢管与端塞焊接极易出现裂纹缺陷，给控制棒在核电站反应堆内的稳定运行带来重大安全隐患，导致意外停堆或反应堆内燃料组件大面积破损，带来极其严重的后果。因此，在控制棒技术条件中明确规定焊缝中不允许存在裂纹缺陷。
　　为了保证控制棒组件的制造质量，本文采用氩气流动保护 TIG焊接设备，通过对奥氏体不锈钢焊接接头宏观形貌观察、金相组织和扫描电镜微观组织分析，系统分析了包壳管与端塞配合、焊接设备特性、焊前焊后热处理、焊接工艺参数、焊缝氧化物及杂质、焊缝成形系数等对焊接裂纹的影响，对焊接裂纹，尤其是液化裂纹和结晶裂纹的形成机理进行了探讨，采取焊接工艺综合控制措施，有效避免了焊接裂纹的产生。
　　研究表明，改变包壳管与端塞的配合尺寸，使包壳管与端塞处于间隙配合状态，可在一定程度上减少焊接裂纹的产生，改变焊接热输入可以减少焊接裂纹的产生，采用焊前预热并焊后保温的方式不能减少裂纹产生。
　　通过对包壳管管口进行打磨处理，增加焊接电流峰值、减小焊接电流基值，增大焊接转速，减小电极锥度、对电极尖端进行打磨去除变为锥台形，改变包壳管与端塞配合间隙的大小，采用不同焊接设备等等进行焊接工艺试验，结果表明，这些常规的焊接工艺改进措施可降低裂纹产生概率，但不能从根本上解决焊缝裂纹问题。综合分析结果表明，焊接裂纹产生的根源在于焊缝熔深过大，熔化区突破了端塞配合面，该配合面的焊缝金属在包壳管及端塞的相互应力作用下，由于界面层的脆性在该配合面形成启裂点（热裂纹），引发冷裂纹并扩展而形成的。
　　基于对焊接裂纹形成机理的分析结果，提出了焊缝裂纹的综合控制方法：合理控制焊接电流的大小，并与电极锥度及锥台尺寸进行合理搭配，同时包壳管与端塞采用间隙配合，有效控制了焊接熔合区的深度，避免启裂点的产生，从而有效防止了焊缝裂纹的产生，并成功应用于控制棒批量生产。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题背景和意义

1.2研究现状及不足

1.3研究内容及意义

第2章 零件结构及焊接技术要求

2.1零件结构

2.2材料及制造工艺

2.3焊接技术要求

2.4小结

第3章 焊接方法及设备

3.1焊接方法

3.2焊接方法选择

3.3焊接设备

3.4小结

第4章 焊接工艺试验及焊缝裂纹形成机理分析

4.1 焊缝裂纹形成机理初探

4.2液化裂纹形成机理分析

4.3 结晶裂纹形成机理分析

4.4 焊缝裂纹定性分析

4.5小结

第5章 焊接工艺改进与验证

5.1焊接工艺分析

5.2焊接工艺改进

5.3 焊接工艺验证

5.4小结

第6章 结论及下一步研究方向

6.1结论

6.2下一步研究方向

参考文献