專利名稱:鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件脈沖氬弧焊焊接工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種核電站反應(yīng)堆控制棒導(dǎo)向管的焊接工藝,具體說(shuō)是一種鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件脈沖氬弧焊焊接工藝。
鋯4合金薄壁導(dǎo)向管是大型核電站燃料組件的支承部件,是反應(yīng)堆控制棒起控制作用的導(dǎo)向部件。為了能與不銹鋼制作的上、下管座聯(lián)接,鋯4合金薄壁導(dǎo)向管的兩端需焊上帶內(nèi)螺紋的鋯4合金薄壁套管和帶外螺紋的端塞,構(gòu)成鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件。由于它是作為大型核電元件的支承部件,所以對(duì)其焊縫的表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量均有很高的要求。表面質(zhì)量要求導(dǎo)向管部件全長(zhǎng)直線度要滿足0.25mm/300mm,焊接后端塞和套管與導(dǎo)向管的同軸度分別小于0.35和0.25mm的跳動(dòng),表面不允許有碰痕、凹坑,表面劃傷深度小于0.025mm,焊縫表面平整、光滑,端塞焊縫用φ12.28mm過(guò)規(guī)可自由通過(guò),焊縫及熱影響區(qū)不允許有針孔、裂紋或咬邊等缺陷。焊縫內(nèi)在質(zhì)量要求端塞焊縫100%進(jìn)行X光檢驗(yàn)合格,套管焊縫拉伸試驗(yàn)中能經(jīng)受拉伸力大于5600N,金相檢測(cè)時(shí),兩端焊縫熔深不小于壁厚的90%,不允許有≥0.25mm的氣孔存在和影響熔深的氣脹,兩端焊縫在360℃、18.7MPa的水中腐蝕72小時(shí),所形成的氧化膜為均勻光亮的黑色,不允許出現(xiàn)棕色或灰白色的產(chǎn)物。但是,由于鋯4合金導(dǎo)向管部件管壁很薄,壁厚僅為0.35mm~0.45mm,且兩端管徑不一致,端塞一側(cè)直徑為φ12.05mm,套管一側(cè)直徑為φ14.92mm,焊縫的形成和熔深難于達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而且鋯4合金化學(xué)活性很強(qiáng),在400℃加熱時(shí)開(kāi)始吸收空氣中的氧、氮和氫等氣體,從而引起鋯的脆化和耐高溫、高壓水腐蝕性能的降低。尤其是在焊接過(guò)程中,其熔點(diǎn)為1800℃,熔融鋯的吸氣性更強(qiáng),焊縫中含氧量增至0.5%時(shí)即生成脆性化合物,使焊件接頭的塑性降低而強(qiáng)度增高,并使其抗高溫,高壓水腐蝕性能更大大降低。因此鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件的焊接還要解決好焊區(qū)的保護(hù),避免焊縫氧化。國(guó)內(nèi)過(guò)去一直采用真空電子束焊焊接鋯合金薄壁管,但由于本發(fā)明所涉及的鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件,其直徑較大,兩端直徑不一致,壁更薄,致使現(xiàn)有的真空電子束焊無(wú)法滿足要求。目前法國(guó)則采用氦弧焊焊接鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件,但是我國(guó)氦氣價(jià)格昂貴,其價(jià)格是高純氬氣的8~10倍。因此,用氦弧焊焊接成本高,不適合我國(guó)情。
本發(fā)明的目的是提供一種焊縫質(zhì)量高,焊接成本低的鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件脈沖氬弧焊焊接工藝。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件脈沖氬弧焊焊接工藝,它包括如下步驟(1)清潔鋯4合金薄壁導(dǎo)向管、端塞和套管;(2)將清潔好的鋯4合金薄壁導(dǎo)向管、端塞和套管在壓塞機(jī)上分別進(jìn)行上、下端焊縫裝配;(3)將裝配好的鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件焊縫置于通有常流氬的焊接小室內(nèi);(4)在焊接小室內(nèi),由焊槍噴咀噴出的焊接氬保護(hù)焊區(qū)對(duì)鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件進(jìn)行脈沖氬弧焊;其中,在步驟(1)中,導(dǎo)向管管口用綢布蘸丙酮擦洗,端塞和套管采用超聲波清洗;在步驟(2)中,控制壓塞力為2300~2350N,使焊縫接頭間隙≤0.1mm;在步驟(3)中,由焊接小室底部小孔通入焊接小室內(nèi)的常流氬流量為5~7L/min,氬氣純度為99.95%~99.99%,通氬氣到焊槍噴咀噴出焊接氬時(shí)為止;在步驟(4)中,采用的焊槍噴咀內(nèi)咀直徑為9mm,外咀直徑為18mm,由焊槍噴咀噴出的焊接氬流量為23~26L/min,氬氣純度為99.95%~99.99%,焊接氬通入時(shí)間在起弧前3秒至熄弧后20秒,選用鎢電極直徑φ=2.0mm,其錐度為30°±1°,極間距為0.4~0.8mm,鎢電極位置偏端塞或套管0.05mm,使用的焊接電壓為8~9V,焊接電流頻率為24~28Hz,對(duì)導(dǎo)向管與端塞焊接峰值電流為55~60A,基值電流為20~22A,對(duì)導(dǎo)向管與套管焊接峰值電流為45~50A,基值電流為17~19A,脈沖占空比均為1∶1,焊接時(shí)間t2=7~9秒,焊接衰減時(shí)間t3=3秒,在焊接時(shí)間t2內(nèi),滿值焊接時(shí)間t1=3~4秒,緩慢衰減焊接時(shí)間t2-t1=4~5秒,衰減電流為△I=3~5A,焊接速度為6.5mm/s。
本發(fā)明根據(jù)鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件的特點(diǎn),從焊接熱能輸入著手,首先解決薄壁管材對(duì)接環(huán)焊焊縫難以互相熔合形成焊縫問(wèn)題,然后利用脈沖氬弧焊,在脈沖頻率、峰值電流、基值電流和占空比以及焊接時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化搭配,解決了焊縫表面成形和焊縫熔深問(wèn)題,最后從氬氣純度,氬氣保護(hù)方式等解決了鋯4合金焊接氧化問(wèn)題,試驗(yàn)研究獲得成功,焊縫表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量不僅完全滿足大型核電元件技術(shù)要求,而且產(chǎn)品合格率指標(biāo)也比預(yù)計(jì)值高出4%。本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)是焊縫質(zhì)量高,焊接成本低,為我國(guó)鋯4合金薄壁管材對(duì)接環(huán)焊提供一種新的工藝方法。
現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做具體描述
圖1為鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件外形尺寸示意圖;圖2為焊接電流曲線示意圖;圖3為焊槍噴咀結(jié)構(gòu)示意圖;圖4為防止氣流反射裝置示意圖;圖5為反射網(wǎng)俯視圖。
如圖1所示,本發(fā)明涉及的鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件包括導(dǎo)向管1、套管2和端塞3,導(dǎo)向管1壁厚0.35~0.45mm,其兩端內(nèi)徑分別為φ11.20mm和φ14.02mm,將導(dǎo)向管1的兩端分別與套管2和端塞3對(duì)接環(huán)焊,形成導(dǎo)向管部件,其全長(zhǎng)為3899.9mm。
鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件采用脈沖氬弧焊,其包括如下工藝步驟(1)對(duì)導(dǎo)向管、端塞和套管進(jìn)行嚴(yán)格清潔處理,導(dǎo)向管管口用綢布蘸丙酮擦洗,端塞和套管采用超聲波清洗;(2)將清潔好的導(dǎo)向管、端塞和套管在壓塞機(jī)上分別進(jìn)行上、下端焊縫裝配,控制壓塞力為2300~2350N,使焊縫接頭間隙≤0.1mm;(3)將裝配好的導(dǎo)向管部件焊縫部位置于通有常流氬的焊接小室內(nèi),由小室底部小孔通入小室的常流氬流量為5~7L/min,氬氣純度為99.95%~99.99%,通氬氣到焊槍噴咀噴出焊接氬時(shí)為止;(4)在焊接小室內(nèi),由焊槍噴咀噴出焊接氬保護(hù)焊區(qū)對(duì)導(dǎo)向管部件進(jìn)行脈沖氬弧焊;這里,采用的焊槍噴咀內(nèi)咀直徑為9mm,外咀直徑為18mm,焊槍噴咀噴出的焊接氬流量為23~26L/min,氬氣純度仍為99.95%~99.99%,焊接氬通入時(shí)間在起弧前3秒至熄弧后20秒,焊接氬與常流氬通入時(shí)間為互鎖控制。脈沖氬弧焊選用鎢電極直徑φ=2.0mm,其錐度為30°±1°,極間距為0.4~0.8mm,鎢電極位置偏端塞或套管0.05mm,焊接電壓為8~9V,焊接電流頻率為24~28Hz,對(duì)導(dǎo)向管與端塞焊接峰值電流為55~60A,基值電流為20~22A,對(duì)導(dǎo)向管與套管焊接峰值電流為45~50A,基值電流為17~19A,導(dǎo)向管兩端焊接峰值電流/基值電流均為2.5~3.1,脈沖占空比均為1∶1。焊接電流控制突破常規(guī)控制方法。如圖2所示,焊接時(shí)間t2=7~9秒,其中滿值焊接時(shí)間t1=3~4秒,緩慢衰減焊接時(shí)間t2-t1=4~5秒,衰減電流值△I=3~5A;焊接衰減時(shí)間t3=3秒。焊接速度為6.5mm/s,相當(dāng)于對(duì)導(dǎo)向管與端塞焊接時(shí)轉(zhuǎn)速為9~10r/min,對(duì)導(dǎo)向管與套管焊接時(shí)轉(zhuǎn)速為7.5~8.5r/min。
試驗(yàn)研究表明,焊縫不熔合主要表現(xiàn)在薄壁管一端在熔化后收縮,形成翻邊,使之不能形成焊縫。其原因是焊件接頭清潔度不好和接頭裝配不夠緊密所致。如間隙過(guò)大,小能量輸入的焊接會(huì)使焊縫兩邊少量被熔化的金屬接觸不上,不能互熔。加之,在焊接電流上升過(guò)程中,焊件亦在轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)電流升到某一值剛好能熔化焊縫尖角部位時(shí)卻因焊件轉(zhuǎn)動(dòng)使焊縫冷卻造成極少量金屬熔化后又收縮,使接頭間隙加大,更難以形成焊縫。因此在進(jìn)行脈沖氬弧焊前首先要對(duì)導(dǎo)向管部件進(jìn)行嚴(yán)格清潔,清潔后的導(dǎo)向管部件在壓塞機(jī)上進(jìn)行焊縫裝配,使焊縫接頭間隙盡可能小,而且將裝配好的導(dǎo)向管部件焊縫部位置于通有常流氬的焊接小室內(nèi),以保持焊縫部位的清潔度。同時(shí),在焊接時(shí)使焊接電流上升曲線的斜率為90度,使焊件兩側(cè)很快熔化搭接,形成焊縫。
熔化的焊縫表面可能出現(xiàn)魚(yú)鱗紋和焊縫寬窄不均勻缺陷。產(chǎn)生魚(yú)鱗紋主要是因脈沖頻率選擇不當(dāng)造成。頻率太高則與直流焊接差不多,不利于小電流焊接熱能輸入控制。經(jīng)試驗(yàn)采用脈沖頻率為24~28Hz,焊接效果好,肉眼不易看出焊縫魚(yú)鱗紋,焊縫表面光滑。焊縫寬窄不均勻則是由于熱量積累所致。如果用相同電流使電弧產(chǎn)生的熱能要使焊縫從室溫加熱到金屬熔點(diǎn),開(kāi)始焊接時(shí),焊件處于冷態(tài),而且金屬熱傳導(dǎo)快,損失熱量多,因而起焊點(diǎn)金屬熔化少,焊縫窄,越轉(zhuǎn)動(dòng)焊件,后面焊縫漸寬。如將環(huán)形焊縫分成四個(gè)區(qū),必然是第二區(qū)最窄,第三區(qū)其次,第四區(qū)較寬,第一區(qū)因是重疊焊區(qū),焊縫最寬。所以在焊接時(shí)間t2=7~9秒內(nèi),要控制焊接電流曲線,使峰值電流在起弧后有一滿值焊接時(shí)間t1,控制在3~4秒,然后緩慢衰減焊接,緩慢衰減焊接時(shí)間t2-t1控制在4~5秒,衰減電流值控制在△I=3~5A,以便環(huán)形焊縫四個(gè)區(qū)所獲的熱量大致相同,保證焊縫寬窄均勻。按這樣的焊接電流曲線控制焊接焊縫寬窄差僅0.1mm左右。
焊接電流大小直接影響焊縫熔深大小,當(dāng)焊接電流過(guò)小時(shí),不僅熔深達(dá)不到要求,而且焊縫不熔合。但是焊接電流過(guò)大時(shí)總體熱能輸入太多,焊縫成型難以保證,會(huì)出現(xiàn)焊縫凹凸,而且焊縫氧化嚴(yán)重。所以焊接電流的確定,必須從能量輸入著手,包括與焊接速度的搭配綜合考慮。根據(jù)薄壁鋯4合金管材特點(diǎn),選擇了脈沖焊接方式,即采用基值電流保證焊接電弧的穩(wěn)定,改善焊縫成型,基值電流太小,焊縫魚(yú)鱗明顯,相同頻率下基值電流太大,則影響整體能量輸入過(guò)多。采用峰值電流造成合格的熔深,形成熔池,克服薄壁鋯4合金管材焊接時(shí)易收縮翻邊問(wèn)題,經(jīng)焊接試驗(yàn)研究比較,確定如下脈沖焊接基本參數(shù)焊接電流脈沖頻率為24~28Hz,其中,脈沖頻率為25Hz時(shí),焊接效果最好。占空比即在一個(gè)脈沖周波內(nèi)峰值電流所占用時(shí)間與基值電流所占用的時(shí)間之比值,該比值為1∶1;從焊縫成型與熔深考慮,峰值電流與基值電流比為2.5~3.1;相應(yīng)的焊接速度為6.5mm/s。對(duì)導(dǎo)向管與端塞焊接,峰值電流為55~60A,基值電為20~22A,根據(jù)管徑,相應(yīng)的焊接速度為9~10r/min。最佳值,峰值電流為56A,基值電流為22A,焊接速度為10r/min。對(duì)于導(dǎo)向管與套管焊接,峰值電流為45~50A,基值電流為17~19A,根據(jù)管徑相應(yīng)的焊接速度為7.5~8.5r/min。最佳值峰值電流為48A,基值電為18A,焊接速度為8r/min。
脈沖氬弧焊采用ZR-4全自動(dòng)焊管機(jī)。其主要性能指標(biāo)電流形式直流、脈沖;輸入容量10KVA;輸入電壓380V,50Hz三相;焊接電流0~60A;脈沖頻率1~800Hz;脈沖占空比0.1~1;焊接速度2~20r/min;焊接形式手動(dòng)、單獨(dú)自動(dòng)或全自動(dòng);電流衰減形式均勻衰減、階梯衰減或二次衰減;焊件直徑9-16mm;生產(chǎn)能力30個(gè)接頭/小時(shí)。
鋯4合金的焊接氧化除了吸收氧氣外,還包括氮、氫等氣體對(duì)焊縫的污染,均稱焊縫氧化。為防止焊縫氧化,在焊接過(guò)程中采用氬氣保護(hù)。氬氣純度直接影響焊縫氧化的后果。本發(fā)明中采用的氬氣純度為99.95%~99.99%。由焊槍噴咀噴出的焊接氬,其作用一是電離形成電??;二是保護(hù)熾熱焊縫不受有害氣體污染;三是熄弧后冷卻焊縫。焊接氬流量為23~26L/min。為了防止焊接小室底部噴出的常流氬攪混從焊槍噴咀噴出的焊接氬保護(hù)層,需要控制常流氬和焊接氬的噴放時(shí)間,即常流氬噴到焊接氬噴出時(shí)為止,兩者相互自鎖控制。焊接氬從起弧前3秒至熄弧后20秒。焊槍噴咀的形狀和尺寸對(duì)保護(hù)焊縫的作用很明顯,當(dāng)噴咀直徑為9mm時(shí),氬氣對(duì)熔化區(qū)的保護(hù)作用優(yōu)于熱影響區(qū),而且熔化區(qū)受氬氣的冷卻作用優(yōu)于熱影響區(qū),熱影響區(qū)相對(duì)熔化區(qū)而言氬氣保護(hù)和冷卻效果也差。因此,需要加大噴咀直徑,使其直徑改為18mm,并在噴咀內(nèi)加安一氬氣整流環(huán),如圖3所示。圖3中,4為噴咀,5為安在噴咀4內(nèi)的整流環(huán),6為鎢極尖頭。整流環(huán)5上開(kāi)有均布的φ2mm的縱向孔。這樣使所采用的噴咀內(nèi)咀直徑為9mm,外咀直徑為18mm。利用這種噴咀在相同焊接氬流量下可以擴(kuò)大氬氣保護(hù)范圍,改善熱影響區(qū)的保護(hù)作用和冷卻作用。另外,考慮到焊接氬在焊接小室底部被反射,也會(huì)攪亂保護(hù)層,需在焊接小室底部增安一防氣流反射網(wǎng),如圖4和圖5所示。圖4和圖5中,4為加整流環(huán)的噴咀,8為工件,9為防氣流反射網(wǎng),10為焊接小室底板,11為充常流氬小孔。利用防氣流反射網(wǎng)使焊接氬經(jīng)反射網(wǎng)后沿兩側(cè)45°方向反射,以保證噴出的焊接氬形成穩(wěn)定的保護(hù)層。
綜上所述,焊接參數(shù)附表1。
為防止在導(dǎo)向管與端塞焊接時(shí)焊縫產(chǎn)生氣脹,可以加大焊接規(guī)范,使焊縫變寬,使氣隙熔化于熔池中,冷卻再結(jié)晶,微量氣體被金屬吸收或形成個(gè)別可允許的氣孔。也可以在焊接過(guò)程中對(duì)導(dǎo)向管內(nèi)部抽真空,保證管內(nèi)負(fù)壓,使焊縫熔池正(外)向受壓,消除熔池根部氣脹缺陷。兩種方法比較,管內(nèi)抽真空效果更佳。導(dǎo)向管內(nèi)抽真空到8Pa左右即可。
利用本發(fā)明所提供的焊接工藝,焊接導(dǎo)向管與端塞20支,焊接導(dǎo)向管與套管26支,按照大型核電元件要求,檢驗(yàn)結(jié)果均符合技術(shù)條件要求。檢驗(yàn)項(xiàng)目和結(jié)果如附表2所示。正式批量生產(chǎn)共投入導(dǎo)向管部件1514支,焊接合格率為99.4%。本發(fā)明不僅成功地解決了國(guó)產(chǎn)化大型核電站燃料組件導(dǎo)向管部件的焊接問(wèn)題,而且為我國(guó)鋯4合金薄壁管材對(duì)接環(huán)焊和燃料棒的密封環(huán)焊提供一種新的工藝方法。
附表1焊接參數(shù)
附表2檢驗(yàn)項(xiàng)目及檢驗(yàn)結(jié)果
注①檢驗(yàn)項(xiàng)目和樣品數(shù)量都是按大型核電元件導(dǎo)向管部件焊接技術(shù)要求執(zhí)行;②腐蝕試驗(yàn)條件溫度360℃;壓力18.7MPa;時(shí)間72小時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件脈沖氬弧焊焊接工藝,它包括如下步驟(1)清潔鋯4合金薄壁導(dǎo)向管、端塞和套管;(2)將清潔好的鋯4合金薄壁導(dǎo)向管、端塞和套管在壓塞機(jī)上分別進(jìn)行上、下端焊縫裝配;(3)將裝配好的鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件焊縫部位置于通有常流氬的焊接小室內(nèi);(4)在焊接小室內(nèi),由焊槍噴咀噴出的焊接氬保護(hù)焊區(qū)對(duì)鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件進(jìn)行脈沖氬弧焊,其特征在于在步驟(1)中,導(dǎo)向管管口用綢布蘸丙酮擦洗,端塞和套管采用超聲波清洗;在步驟(2)中,控制壓塞力為2300~2350N,使焊縫接頭間隙≤0.1mm;在步驟(3)中,由焊接小室底部小孔通入焊接小室內(nèi)的常流氬流量為5~7L/min,氬氣純度為99.95%~99.99%,通氬氣到焊槍噴咀噴出焊接氬時(shí)為止;在步驟(4)中,采用焊槍噴咀內(nèi)咀直徑為9mm,外咀直徑為18mm,由焊槍噴咀噴出的焊接氬流量為23~26L/min,氬氣純度為99.95%~99.99%,焊接氬通入時(shí)間在起弧前3秒至熄弧后20秒,選用鎢電極直徑φ=2.0mm,鎢電極錐度為30°±1°,極間距為0.4~0.8mm,鎢電極位置偏端塞或套管0.05mm,使用的焊接電壓為8~9V,焊接電流頻率為24~28Hz,對(duì)導(dǎo)向管與端塞焊接峰值電流為55~60A,基值電流為20~22A,對(duì)導(dǎo)向管與套管焊接峰值電流為45~50A,基值電流為17~19A,脈沖占空比均為1∶1,焊接時(shí)間t2=7~9秒,其中滿值焊接時(shí)間t1=3~4秒,緩慢衰減焊接時(shí)間t2-t1=4~5秒,衰減電流為△I=3~5A,焊接衰減時(shí)間t3=3秒,焊接速度為6.5mm/s。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件脈沖氬弧焊焊接工藝,其特征在于在焊接導(dǎo)向管與端塞時(shí),峰值電流為56A,基值電流為22A,相應(yīng)的焊接速度為10r/min,在焊接導(dǎo)向管與套管時(shí),峰值電流為48A,基值電流為18A,相應(yīng)的焊接速度為8r/min,兩者所用的焊接電流頻率均為25Hz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所說(shuō)的一種鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件脈沖氬弧焊焊接工藝,其特征在于在焊接導(dǎo)向管與端塞時(shí),在步驟(4)中,對(duì)導(dǎo)向管內(nèi)抽真空到8Pa。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種鋯4合金薄壁導(dǎo)向管部件脈沖氬弧焊焊接工藝,它包括清潔焊件、焊縫裝配、焊縫部分的氬氣保護(hù)和脈沖氬弧焊等步驟。根據(jù)焊件特點(diǎn)從焊接熱能輸入解決焊縫互熔,利用脈沖氬弧焊在脈沖頻率、峰值電流、基值電流、占空比及焊接時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化搭配,解決焊縫表面成形和焊縫熔深,從氬氣保護(hù)方式解決焊縫氧化。其優(yōu)點(diǎn)是焊縫表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量好,完全滿足大型核電元件技術(shù)要求,焊接成本低。適用于鋯4合金薄壁管材對(duì)接環(huán)焊。
文檔編號(hào)B23K9/167GK1223189SQ98100129
公開(kāi)日1999年7月21日 申請(qǐng)日期1998年1月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月14日
發(fā)明者張文水, 楊幫瓊, 徐愛(ài)紅 申請(qǐng)人:國(guó)營(yíng)建中化工總公司