汪為慶

摘要：某核電站控制棒導(dǎo)向筒組件半方管采用真空電子束焊接，焊縫經(jīng)超聲檢測發(fā)現(xiàn)存在熔深不足的問題，通過對不同交貨態(tài)及批次的原材料進(jìn)行焊接對比試驗(yàn)，以及對影響焊縫熔深檢測的可能因素進(jìn)行研究分析，從降低半方管原材料中非金屬氧化物形成的孔洞和釘尖缺陷對焊縫熔深的影響出發(fā)，采用電子束焊接重熔的方式，延長焊縫熔敷金屬的高溫停留時間，提高電子束流進(jìn)行焊接修復(fù)和工藝改進(jìn)，經(jīng)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，有效地解決了焊縫熔深的問題，并在后續(xù)項(xiàng)目中成功推廣運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：電子束焊接;熔深;重熔

中圖分類號：TG456.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）11-0104-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.19

0 前言

核電站控制棒有61件導(dǎo)向筒，為控制棒組件提供定位和導(dǎo)向功能，上部導(dǎo)向筒是一個圓筒結(jié)構(gòu)，下部導(dǎo)向筒是一個方筒結(jié)構(gòu)，控制棒導(dǎo)向筒和下部導(dǎo)向筒組件結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示[1]。下部導(dǎo)向筒外層為半方管包殼，由一對形狀和結(jié)構(gòu)相同的半方管采用真空電子束焊接而成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

某大型核電制造企業(yè)承接某項(xiàng)目機(jī)組控制棒制造任務(wù)，對導(dǎo)向筒組件某批次半方管采用真空電子束焊接完成后，經(jīng)水浸法超聲波檢測發(fā)現(xiàn)焊縫熔深小于3.5 mm，不滿足技術(shù)要求。本文對該起質(zhì)量問題進(jìn)行調(diào)查及分析，并對影響焊縫熔深檢測的可能因素進(jìn)行研究，找出產(chǎn)生問題的原因，從而針對性地進(jìn)行修復(fù)和工藝改進(jìn)，成功解決了焊縫熔深不足的問題。

1 設(shè)備與工藝介紹

1.1 半方管

半方管為厚度6.35 mm，材質(zhì)Z2CN19-10不銹鋼，將兩片半方管折彎后，采用真空電子束焊接工藝，利用其焊接變形小的優(yōu)勢，保證焊后導(dǎo)向筒組件尺寸鏈不被破壞進(jìn)而影響后續(xù)摩擦力試驗(yàn)，焊后進(jìn)行超聲波檢測焊縫熔深，以確保達(dá)到足夠的焊縫深寬比[2]。

1.2 真空電子束焊接

真空電子束焊接是電子在真空室中被定向加速，向待焊工件沖擊，利用轉(zhuǎn)化的熱能將待焊工件熔化，再冷卻凝固形成焊縫的焊接工藝。由于電子束能量極高、密度大，真空電子束焊縫具有較高的深寬比[3]。制造廠采用真空電子束焊接控制棒導(dǎo)向筒組件半方管，焊接接頭如圖4所示，工藝參數(shù)為：真空度不大于4×10-2 Pa，加速電壓48 kV，電子束流45 mA，焊后進(jìn)行焊縫100%目視及超聲波檢測。

2 質(zhì)量問題的產(chǎn)生

制造廠對導(dǎo)向筒組件某批次半方管進(jìn)行真空電子束焊接，焊后使用深度為3.5 mm人工反射體的對比試塊，進(jìn)行水浸法超聲檢測焊縫熔深，發(fā)現(xiàn)焊縫批量性存在分布不均勻的點(diǎn)狀超標(biāo)顯示，即熔深小于3.5 mm，不滿足技術(shù)要求。

3 調(diào)查與分析

3.1 對比試驗(yàn)

經(jīng)調(diào)查，制造廠前期批次的半方管電子束焊縫并沒有出現(xiàn)此類問題，為找出問題產(chǎn)生的原因，通過比對原材料、焊接參數(shù)等差異，篩選出導(dǎo)致問題發(fā)生的主要變量：材料供應(yīng)商、軋制狀態(tài)、原材料批號、焊接參數(shù)及焊接設(shè)備，并進(jìn)行對比試驗(yàn)，如表1所示。

表1中試驗(yàn)a、b、c顯示，國內(nèi)供應(yīng)商對供貨狀態(tài)為熱軋和冷軋狀態(tài)的原材料均具備合格的供貨能力，采用真空電子束焊接，使用相同的焊接設(shè)備及焊接參數(shù)能夠獲得足夠的焊縫熔深。試驗(yàn)c、d顯示，國內(nèi)供應(yīng)商原材料板材在批號改變后，焊縫出現(xiàn)熔深不足問題。因此，原材料批次是導(dǎo)致問題產(chǎn)生的主要因素。

3.2 原材料及焊接過程調(diào)查

對問題發(fā)生批次的原材料的熔煉和成品分析進(jìn)行檢查，見表2，并對機(jī)械性能，晶間腐蝕等工序的過程及記錄進(jìn)行核查，沒有發(fā)現(xiàn)問題。原材料厚度為6.35 mm，按采購技術(shù)要求不需要進(jìn)行超聲檢測，為排除原材料中存在夾雜物等影響到真空電子束焊縫熔深檢測，對剩余同批次板材進(jìn)行了超聲波檢查，未發(fā)現(xiàn)異常顯示。

對表1中國內(nèi)供應(yīng)商熱軋和冷軋?jiān)牧线M(jìn)行金相檢查，經(jīng)比對其微觀組織照片，發(fā)現(xiàn)冷軋態(tài)與熱軋態(tài)的原材料中鐵素體的分布有較明顯差異，出現(xiàn)熔深不足問題的原材料板材的晶粒更細(xì)，鐵素體呈帶狀分布，如圖5所示。進(jìn)一步通過磁性法測量鐵素體含量，鐵素體FN平均數(shù)為0.62，出現(xiàn)熔深問題原材料板材中鐵素體含量略高，這與微觀組織顯示的結(jié)果相同。對此，將國內(nèi)供應(yīng)商原材料分組進(jìn)行非金屬夾雜物檢測，硫化物、氧化鋁、硅酸鹽和氧化物類的粗系和細(xì)系均小于1.5，檢測結(jié)果沒有明顯差異。

對半方管電子束焊縫進(jìn)行檢查，表面成型好，沒有出現(xiàn)焊縫弧坑，裂紋等表面缺陷。且焊接機(jī)頭行進(jìn)路線由電腦控制，焊工每隔一定的距離確認(rèn)焊縫的中心，不存在焊縫偏離的情況。

3.3 原因分析

在鋼的軋制過程中，帶狀鐵素體的形成是以非金屬夾雜物為結(jié)晶核心并沿著其變形方向生長而形成[4]。在本起質(zhì)量事件中，國內(nèi)供應(yīng)商冷扎態(tài)原材料中鐵素體含量相對偏高，呈帶狀分布，且真空電子束焊縫熔深不足的情況在焊縫長度上占一定比例，分布不均勻，同時熔深小于3.5 mm的情況是點(diǎn)狀分布，并無規(guī)律。

因此，可以判斷出母材中存在細(xì)小且分布不均勻、但滿足原材料驗(yàn)收要求的非金屬夾雜物，位于焊縫區(qū)域的非金屬夾雜經(jīng)焊接冶金的熱過程，在高溫下容易汽化形成一些不規(guī)則孔洞，并在焊縫熔池凝固的過程中保留下來。這些孔洞有不規(guī)則的邊界，即使尺寸很小也可能直接影響焊縫超聲檢測時的聲波反射，進(jìn)而影響熔深檢測。

3.4 釘尖缺陷對焊縫熔深檢測的影響

釘尖缺陷是真空電子束焊接工藝特有的一種缺陷形式，屬于類氣孔缺陷，電子束焊接在熔池根部形成一個封閉的空隙，金屬蒸汽被阻隔在空隙中而不能逸出，從而形成釘尖類缺陷。釘尖缺陷形成示意如圖6所示[5-6]。

真空電子束焊縫呈釘子形，深寬比大，但焊接時會形成小孔效應(yīng)[5]。在小孔底部是一個氣相、液相、固相相結(jié)合的區(qū)域，具有能量密度大和不穩(wěn)定性，因此容易產(chǎn)生各類缺陷。其對焊縫的影響，不僅會直接減小焊縫的平均深度，還會造成焊縫根部釘尖部位出現(xiàn)微小的縮孔等，這些缺陷與母材和焊縫存在邊界，將對超聲波反射造成影響。結(jié)合焊縫熔深小于3.5 mm的不規(guī)律和點(diǎn)狀分布情況，半方管焊縫中存在一定量釘尖缺陷，其一定程度影響了焊縫熔深的檢測。

4 問題處理及改進(jìn)措施

4.1 重熔工藝改進(jìn)

按上述分析，為降低或消除非金屬夾雜物和釘尖缺陷導(dǎo)致的焊縫根部不規(guī)則孔洞和微小縮孔等缺陷對熔深檢測的影響，通過焊接重熔的方式，延長焊縫熔敷金屬的高溫停留時間，消除缺陷，以降低其對熔深的不利影響。同時重熔焊道為正常、成熟的返修工藝，且在原焊接工藝評定中各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求，通過焊接重熔能夠獲得滿足要求的焊縫。

釘尖是電子束小孔模式的固有產(chǎn)物，很難通過調(diào)整焊接參數(shù)來徹底消除“釘尖”[5]，影響熔深的參數(shù)中電子束流的影響最大，影響熔寬的參數(shù)中加速電壓的影響最大[7]。因此，在改進(jìn)中對電子束流進(jìn)行小范圍的調(diào)整。

在原焊接工藝基礎(chǔ)上，通過焊接重熔的方式，通過適當(dāng)調(diào)整電子束流，讓熔池在高溫下停留時間延長，以消除或降低非金屬夾雜物導(dǎo)致的汽化孔洞和釘尖缺陷的影響，進(jìn)行試驗(yàn)，測量焊縫熔深。

4.2 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

將電子束流作為重要變素，進(jìn)行小范圍的調(diào)整，以探索其影響及重熔工藝改進(jìn)效果。采用焊接速度70 cm/min，經(jīng)多次試驗(yàn)，遴選出3組典型工藝試驗(yàn)，采用水浸法超聲檢測熔深，以3.5 mm、4.0 mm的對比試塊進(jìn)行水浸法超聲檢測測量焊縫熔深，見表3。

由表3中試驗(yàn)A、B可知，電子束流適當(dāng)增大，可有效改善焊縫熔深問題;而試驗(yàn)A經(jīng)焊接重熔后，焊縫熔深獲得了實(shí)質(zhì)的改善，僅有少量熔深3.5～4.0 mm的情況;試驗(yàn)B、C顯示，采用增大的電子束流能夠改善焊縫熔深情況，但結(jié)果不夠穩(wěn)定，存在波動，經(jīng)歷焊接重熔后完全消除了熔深在小于3.5 mm的情況。

結(jié)果顯示，通過小范圍提高焊接電子束流，延長焊縫液態(tài)過程，成功降低了非金屬夾雜物形成的汽化孔洞以及釘尖缺陷釘尖部位對超聲檢測的影響，對最終焊縫熔深起到改善作用，通過增加重熔焊道，消除了熔深小于3.5 mm的情況，獲得合格焊縫。由于真空電子束能量集中，試樣焊縫表面熔寬較小，集中在3～4 mm，對重熔后焊縫進(jìn)行10倍宏觀金相觀察，測量焊縫熔深在4～5.5 mm，某試樣焊縫宏觀金相如圖7所示。

5 結(jié)論

通過對控制棒導(dǎo)向筒組件半方管電子束焊縫熔深問題進(jìn)行調(diào)查，并對影響焊縫熔深檢測的可能因素進(jìn)行研究分析，降低或消除原材料中非金屬氧化物形成的孔洞缺陷和釘尖缺陷對熔深檢測的影響，采用焊接重熔的方式，延長焊縫熔敷金屬的高溫停留時間，小范圍提高電子束流進(jìn)行焊接修復(fù)和工藝改進(jìn)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，成功解決了焊縫熔深不足的問題。

采用重熔工藝進(jìn)行控制棒導(dǎo)向筒組件半方管的真空電子束焊接，已成功運(yùn)用于產(chǎn)品制造，經(jīng)實(shí)踐證明，焊縫經(jīng)超聲檢測熔深滿足技術(shù)要求，焊縫成型質(zhì)量美觀，成功解決和避免了類似問題的再次發(fā)生。目前已在制造廠內(nèi)推廣使用，確保了設(shè)備質(zhì)量。

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