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1、控制棒环焊缝的脉冲钨极氩弧焊胡万伦(宜宾核燃料元件厂,四川宜宾,644000)摘要介绍了巴基斯坦恰希玛核电站(PC)控制棒环焊所采用的脉冲钨极氩弧焊(以下简称脉冲TIG焊)的工艺特点以及对0Cr18Ni11Ti冷作奥氏体不锈钢材料的适用性,分析总结了焊接缺陷产生的原因和采取的措施。关键词控制棒脉冲钨极氩弧焊裂纹引言控制棒是控制棒组件的重要部件。由于控制棒组件在堆内的设计运行时间为10至15年,它的质量(主要是环焊缝质量)对反应堆的安全性和经济性都至关重要。在秦山首炉控制棒制造中,宜宾核燃料元件厂采用了直流钨极氩弧焊(TIG)焊接方法,而在巴基斯坦恰希玛核电站(
2、PC)控制棒制造中采用脉冲TIG焊接方法,使产品质量和生产效率在秦山首炉控制棒制造的基础上有了较大提高。本文对PC控制棒环焊接中产生裂纹和未焊透的原因以及控制措施进行了分析。等组成(见图1)。控制棒包壳管0Cr18Ni11Ti是一种单相奥氏体不锈钢,其导热系数小,线膨胀系数大,在焊接接头内有较大的残余应力,故焊接接头可能产生热裂纹;在热影响区发生铬和钼的碳化物沉淀,降低耐蚀性和耐热性,可能产生晶间腐蚀;在铁素体含量较高时,可能出现475℃脆性或σ相脆化现象。另外控制棒包壳管为冷作薄壁管,其制造工艺不同于普通奥氏体不锈钢管,它是经固溶处理后进行冷拉至最终尺寸,而
3、冷作变形量为10%左右,这样使奥氏体基体中存在少量的片状马氏体组织从而提高了材料的强度和耐磨性。据有关资料报道1,此种冷作不锈钢材料在焊接时若焊接工艺选择不当,其中的片状马氏体有可能转变为σ脆性相(碳化物12焊接特点控制棒由上、下端塞、不锈钢包壳、芯体图1控制棒结构简图1999年1月4日收到初稿,1999年5月17日收到修改稿。胡万伦:控制棒环焊缝的脉冲钨极氩弧焊179沉淀相),而对焊缝的应力腐蚀产生不良影响;并且,管壁厚度为015mm的薄壁管也对焊接工艺提出了很高的要求。3脉冲TIG焊对控制棒的适用性及其主要参数311脉冲TIG焊对控制棒的适用性脉冲TIG焊
4、作为TIG焊的一种特殊类型,图2直流脉冲氩弧焊电流波形Ib———基值电流,A;Ip———脉冲电流,A;tp———脉冲电流持续时间,s;tb———基值电流持续时间,s;T———脉冲周期,s。2具有以下突出的优点:①可以精确控制对工件的热输入和熔池尺寸,易获得均匀的熔深,特别适合于薄件;②脉冲电流能以较低的热输入而获得较大的熔深,故同样条件下能减小焊接热影响区和焊接变形;③焊接过程中熔池冷却快,高温停留时间短,可减少热敏感材料焊接时产生热裂纹的倾向。现将直流TIG和脉冲TIG两种焊接方法对控制棒环焊的适用性进行比较(见表1)。312脉冲TIG焊的主要参数直流脉冲氩
5、弧焊电流波形见图2。脉冲电流是决定焊缝成形尺寸的主要因素,一般随着电流的增大,焊缝的熔深和熔宽都增大。脉冲电流的选择主要取决于焊接材料性质(尤其是导热系数)与厚度。为了充分发挥脉冲焊的特点,通常选用的基值电流都较小,一般根据脉冲电流选定(Ip/Ib比值约为3∶1),但在其它参数不及熔池的冷却速度。脉冲占空比k(脉冲电流持续时间与脉冲周期的比率即k=tp/(tp+tb))的大小反映了脉冲焊特征的强弱,当k过小,将影响电弧的稳定性,k过大,则接近直流,失去了脉冲焊的特点,在PC控制棒环焊中选用k=50%,即熔化周期等于冷却周期。频率高低反映焊点间距的大小,可见脉冲
6、频率影响焊缝外观。如果频率超过某一极限时,脉冲作用就会随之消失。焊接裂纹产生的原因及其控制在控制棒环焊缝的试验过程中部分金相样品出现裂纹。在AMRAY1845FE场发射电镜下对发现裂纹的试样进行剖面观察,发现裂纹沿管与端塞结合线方向在熔区内呈分叉和拐弯状4变的情况下,改变基值电流可调节焊件的预热表1适用性比较注:①表中Ip代表脉冲电流,Ib代表基值电流,f代表脉冲频率,k代表脉冲占空比。©1994-2015ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnk
7、i.net180核动力工程Vol1211No1212000图3焊缝结合处的裂纹(500倍)图4裂纹中的撕裂痕迹(2000倍)的穿晶扩展(见图3)。观察裂纹断面发现部分位置出现撕裂痕迹(见图4)。从裂纹形态及断口特征可以判定该裂纹属冷裂纹的一类(即结合线裂纹)。411裂纹产生原因分析焊接参数的影响不锈钢薄壁管焊接参41111数的选择对接头的致密性和耐晶间腐蚀性至关重要,而线能量是焊接参数的综合反映指标,表2给出了试验中3种工艺参数对控制棒环焊的影响。由表2分析可知:在输入合适的线能量(E)下,脉冲电流与焊接速度的合理设置至关重要。焊缝凝固时,热量通过向管子外和端
8、塞与管子间缝中传递进行冷却,因而焊缝根
