控制棒驱动机构异种金属厚壁对接焊缝一次成型焊接工艺

摘要

本发明公开了控制棒驱动机构异种金属厚壁对接焊缝一次成型焊接工艺，包括以下步骤：1)、将密封壳体和压力容器贯穿件进行组装点焊，密封壳体和压力容器贯穿件连接形成密封壳组件；2)、将点焊后的密封壳组件放置在真空室，密封壳体和压力容器贯穿件之间的焊缝采用真空电子束焊机进行电子束焊接直至焊接完成。本发明所述工艺采用高能量密度的真空电子束焊接，实现了镍基合金与奥氏体不锈钢异种金属厚壁对接焊缝一次成型焊接，与原有制造手段相比，焊缝质量稳定、焊接变形小、材料利用率高、生产效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及控制棒驱动机构异种金属厚壁对接焊缝一次成型焊接工艺。

背景技术

控制棒驱动机构是核电站反应堆控制系统和安全保护系统的一种伺服机构。控制棒驱动机构具有实现反应堆启动、调节反应堆功率、维持功率、停止反应堆和事故情况下的快速停堆等作用，它是核反应堆的重要动作部件，也是直接影响核反应堆正常运行和安全可靠的关键设备之一。

三代核电站控制棒驱动机构制造过程中，涉及一条密封壳体与反应堆压力容器贯穿件的异种金属对接焊，该焊缝是由三代核电站控制棒驱动机构结构优化设计而产生的，是三代控制棒驱动机构制造的关键技术难点之一。该焊缝为镍基合金和奥氏体不锈钢的异种金属对接，位于反应堆冷却剂系统压力边界，其腔体内充满高温高压下的反应堆冷却剂，对焊缝密封性和可靠性要求很高。密封壳体与反应堆压力容器贯穿件的异种金属对接焊缝为全熔透焊缝，焊缝结构如图1所示，其管壁厚，有效熔深大(为17.5mm)。

目前，控制棒驱动机构制造过程中，该焊缝通常是采用手工氩弧焊进行焊接的，基本实现了该类焊缝的焊接。但是采用手工氩弧焊的焊接方式，焊接变形大，为满足焊缝熔深要求，预留加工量大，管壁厚度约为30mm，从而导致焊接填充量大；焊接接头反复承受了100余道焊接的热循环作用，存在较大的焊接应力，对焊接接头质量存在不利影响；另外，由于材料的冶金特性，焊接过程中易产生裂纹等缺陷，产品一次合格率低，对操作人员技能水平要求较高，焊缝质量很大程度依赖焊工的技能水平。鉴于该焊缝填充量大且焊接技能要求较高，产品生产效率低，一定程度上有碍高效、优质批量生产制造需求。

发明内容

本发明的目的在于提供控制棒驱动机构异种金属厚壁对接焊缝一次成型焊接工艺，解决现有焊缝采用手工氩弧焊进行焊接导致的焊接难度大、生产效率低的问题，本发明所述工艺具有焊缝质量稳定、焊接变形小、材料利用率高的优点。

本发明通过下述技术方案实现：

控制棒驱动机构异种金属厚壁对接焊缝一次成型焊接工艺，包括以下步骤：

1)、将密封壳体和压力容器贯穿件进行组装点焊，密封壳体和压力容器贯穿件连接形成密封壳组件；

2)、将点焊后的密封壳组件放置在真空室，密封壳体和压力容器贯穿件之间的焊缝采用真空电子束焊机进行电子束焊接直至焊接完成。

在现有技术中，控制棒驱动机构的密封壳体和压力容器贯穿件的焊接通常是采用手工氩弧焊进行焊接，虽然基本上能够实现焊缝的焊接，但是采用手工氩弧焊的焊接方式，易导致焊接变形大、焊接填充量大、对焊接接头质量存在不利影响、焊接过程中易产生裂纹等缺陷、产品一次合格率低，对操作人员技能水平要求较高、且焊接效率低的问题。虽然目前也有对激光焊接技术研究，拟采用不开坡口进行一次成型对接焊，但只能一次性焊透约16mm，其余约10mm需采用焊条填充，未能达到不开坡口进行一次焊接成型的效果。而采用真空电子束进行控制棒驱动机构异种金属厚壁对接焊缝一次成型焊接，国内尚属空白。

在控制棒驱动机构，对焊缝的焊接质量要求较高，不同异种金属之间的焊接工艺不能相互覆盖(例如用于镍基合金和马氏体之间的焊接工艺不能用于镍基合金和奥氏体之间的焊接)。

本发明所述工艺是针对控制棒驱动机构的使用环境的要求，针对镍基合金和奥氏体不锈钢之间形成的异种金属厚壁对接的特殊结构，而设置的焊接工艺，该焊接工艺首先采用点焊将密封壳体和压力容器贯穿件连接到一起，然后采用电子束焊接技术进行焊缝的焊接，本工艺采用高能量密度的真空电子束焊接，实现了镍基合金与奥氏体不锈钢异种金属厚壁对接焊缝一次成型焊接，与原有制造手段相比，焊缝质量稳定、焊接变形小、材料利用率高(焊接区域原材料节约34％左右)、生产效率高(单条焊缝焊接周期由5～7天缩短至1小时左右)。实现了镍基合金与奥氏体不锈钢异种金属厚壁对接焊缝一次焊接成型，满足了第三代核电新型控制棒驱动机构相关焊缝高效稳定生产需求，提高三代新型控制棒驱动机构生产制造技术水平。

进一步地，步骤1)中所述点焊采用手工氩弧焊，周向点焊6～10点。

所述周向点焊具体是指周向均匀点焊，周向点焊可以实现密封壳体和压力容器贯穿件连接件的稳定性。

进一步地，步骤2)中所述电子束焊接的具体过程为：先在周向进行4～5段点固焊，再进行深熔焊接；焊接位置为平焊，工件旋转、电子焊枪不动垂直下束，进行焊接。

采用电子束焊接方法进行新型控制棒驱动机构镍基合金与奥氏体不锈钢异种金属厚壁对接焊缝的焊接，大大减少了焊缝整体热输入量，焊接变形小，材料利用率高，焊缝质量稳定，生产效率高。

进一步地，点焊后将点焊合格的密封壳组件装配到专用焊接工装上，将专用焊接工装固定在电子束焊机工作平台上，将工作平台送入真空室。

进一步地，密封壳体内壁环设有衬底，所述衬底的厚度大于等于4mm，所述衬底凸出于密封壳体的端部，所述衬底在焊接完成后采用机加工去除。

通过设置衬底，将焊缝底部因电子束脉冲造成的质量波动的区域转移到衬底上，通过实验确定，该区域约为深度约为2～3mm，在此基础上预留1mm余量，充分保证目标焊缝区域的质量。

进一步地，衬底凸出于密封壳体端部3-5mm。

进一步地，所述电子束焊接过程中以高压、束流和焊接速度控制焊接热输入，通过聚焦电流限定能量集中方式，通过二者的结合，达到焊接熔深和焊缝质量要求。

进一步地，电子束焊接的深熔焊接过程采用变电流，起弧阶段束流上升至最大值75mA后，全功率焊接起始180°采用最大电流75mA焊接，之后181°束流逐渐减小至最小束流70mA，收弧阶段束流下降至0mA，焊接速度为120mm/min。

进一步地，在步骤1)之前，将密封壳体和压力容器贯穿件焊接坡口区域清洗烘干；在步骤1)之前，将密封壳体和压力容器贯穿件的焊接坡口紧密装配在一起。

进一步地，在步骤2)后，将密封壳组件移出真空室，对密封壳组件的内外表面进行机加工，以保证焊缝内外径满足设计要求。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明所述工艺采用高能量密度的真空电子束焊接，实现了镍基合金与奥氏体不锈钢异种金属厚壁对接焊缝一次成型焊接，与原有制造手段相比，焊缝质量稳定、焊接变形小、材料利用率高(焊接区域原材料节约34％左右)、生产效率高(焊接周期由5～7天缩短至1小时左右)。实现了镍基合金与奥氏体不锈钢异种金属厚壁对接焊缝一次焊接成型，满足了第三代核电新型控制棒驱动机构相关焊缝高效稳定生产需求，提高三代新型控制棒驱动机构生产制造技术水平。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是密封壳体与贯穿件焊缝结构示意图；

图2是设置有衬底的焊缝结构示意图；

图3是电子束束流随旋转度数的变化曲线。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-密封壳体，2-压力容器贯穿件，3-焊缝，4-衬底。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1至图3所示，控制棒驱动机构异种金属厚壁对接焊缝一次成型焊接工艺，包括以下步骤：

1)、将密封壳体1和压力容器贯穿件2进行组装点焊，密封壳体1和压力容器贯穿件2连接形成密封壳组件，所述点焊采用手工氩弧焊，周向点焊6～10点；

2)、点焊后将点焊合格的密封壳组件装配到专用焊接工装上，将专用焊接工装固定在电子束焊机工作平台上，将工作平台送入真空室，在真空室中，密封壳体1和压力容器贯穿件2之间的焊缝3采用真空电子束焊机进行电子束焊接直至焊接完成，所述电子束焊接的具体过程为：先在周向进行4～5段点固焊，再进行深熔焊接；焊接位置为平焊，工件旋转、电子焊枪不动垂直下束，进行焊接，所述电子束焊接过程中以高压、束流和焊接速度控制焊接热输入，通过聚焦电流限定能量集中方式，通过二者的结合，达到焊接熔深合质量要求，所述电子束焊接的深熔焊接过程采用变电流，起弧阶段束流上升至最大值75mA后，全功率焊接起始180°采用最大电流75mA焊接，之后181°束流逐渐减小至最小束流70mA，收弧阶段束流下降至0mA，焊接速度为120mm/min；

在步骤1)之前，将密封壳体1和压力容器贯穿件2焊接坡口区域清洗烘干；在步骤1)之前，将密封壳体1和压力容器贯穿件2的焊接坡口紧密装配在一起，在步骤2)后，将密封壳组件移出真空室，对密封壳组件的内外表面进行机加工，以保证焊缝3内外径满足设计要求。

采用本实施例所述工艺焊接的密封壳体1与压力容器贯穿件2的焊缝3达到如表2所示的性能指标：

表2焊缝3的性能指标

实施例2：

如图1至图3所示，本实施例基于实施例1，所述密封壳体1内壁环设有衬底4，所述衬底4的厚度大于等于4mm，所述衬底4凸出于密封壳体1的端部，所述衬底4在焊接完成后采用机加工去除；所述衬底4凸出于密封壳体1端部3-5mm。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。