鄭建能 劉玉平 李厚彬 朱永有 何宏宇 徐常順

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

1 泵殼

在核島設(shè)備中，冷卻劑泵殼作為核島的“心臟”，推動(dòng)冷卻劑在核島一回路中不斷循環(huán)，將熱量通過管道帶入蒸發(fā)器，將反應(yīng)堆裂變產(chǎn)生的熱量傳遞給二回路產(chǎn)生高溫飽和蒸汽用于發(fā)電。泵殼一方面能夠?qū)崃總鬟f給二回路，另一方面能夠防止燃料部件燒毀。泵殼是主泵的機(jī)體，為長(zhǎng)時(shí)間輸送高溫高壓的冷卻劑的核電主泵提供有力支撐與安全保障，泵殼作為承壓容器，受到高頻交變動(dòng)載荷、溫度場(chǎng)的作用，同時(shí)也承受冷卻劑流體沖刷，工況條件極為苛刻，綜合性能要求高。

1.1 泵殼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

泵殼的設(shè)計(jì)壓力為17.23 MPa，設(shè)計(jì)溫度343℃，由泵殼本體、底腳、安全端組成，其中泵殼的本體需要堆焊。泵殼本體外形大致為八方結(jié)構(gòu)，底座為平面，進(jìn)/出水口外壁為不規(guī)則的回轉(zhuǎn)面；泵殼本體的內(nèi)腔不規(guī)則，為一個(gè)球面與兩個(gè)接管相貫，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 泵殼本體結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of pump shell body structure

1.2 堆焊要求

泵殼本體的母材材質(zhì)牌號(hào)為SA508.Gr3.Cl1，由于該材料為合金鋼，不耐腐蝕，因此需要在泵殼本體內(nèi)腔堆焊不銹鋼以防止在泵殼運(yùn)行過程中母材被腐蝕。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，堆焊材料為309L(一層)+308L(其余層)，堆焊厚度≥5 mm，309L、308L堆焊層化學(xué)成分要求見表1。

表1 309L、308L焊絲和熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 309L, 308L welding wire and deposited metal (mass fraction, %)

1.3 泵殼項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該型號(hào)泵殼為國(guó)內(nèi)外首次使用，并無相關(guān)制造經(jīng)驗(yàn)，與該泵殼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)最為類似的核電主泵結(jié)構(gòu)見圖2。針對(duì)前期型號(hào)的泵殼，目前制造廠家采用的堆焊技術(shù)方案為：規(guī)則區(qū)域采用帶極堆焊，非規(guī)則區(qū)域使用SMAW堆焊。

圖2 前期型號(hào)的泵殼示意圖Figure 2 Schematic diagram of the previous modelof pump shell

對(duì)比前期泵殼的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：前期型號(hào)的泵殼內(nèi)腔面積較小，規(guī)則的區(qū)域多，底座密封面、進(jìn)水口、出水口沒有變徑區(qū)域，內(nèi)腔為圓柱體和平面組成。對(duì)于規(guī)則區(qū)域可以采用帶極堆焊，不規(guī)則區(qū)域只能采用SMAW進(jìn)行堆焊。由于堆焊需預(yù)熱≥150℃，帶極堆焊、SMAW堆焊均需要操作人員進(jìn)入泵殼內(nèi)壁操作，操作環(huán)境惡劣，焊接操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度高，焊接質(zhì)量控制難度大，且堆焊層的表面容易在水壓試驗(yàn)后的PT檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)點(diǎn)狀顯示缺陷。

對(duì)于圖1的泵殼，其內(nèi)壁待堆焊面由球面、錐面和球面錐面形成的相貫面組成，泵殼內(nèi)腔極不規(guī)則，若采用上述堆焊方案，帶極堆焊區(qū)域非常小，SMAW堆焊區(qū)域非常大，焊工勞動(dòng)強(qiáng)度大，且大面積SMAW堆焊的堆焊層質(zhì)量也難以保證。

為了解決勞動(dòng)強(qiáng)度大、堆焊層質(zhì)量難以控制的問題，結(jié)合現(xiàn)有的堆焊技術(shù)，最終確定采用全自動(dòng)雙鎢極氬弧焊堆焊方案，實(shí)現(xiàn)泵殼內(nèi)壁全自動(dòng)堆焊。

2 制造關(guān)鍵技術(shù)分析

將圖1所示的泵殼分解來看，可近似地將泵殼內(nèi)壁曲面看成由多個(gè)回轉(zhuǎn)面相貫組成的幾何曲面，因此在焊接時(shí)，泵殼或焊炬需要不斷旋轉(zhuǎn)以達(dá)到自動(dòng)連續(xù)施焊的目的。

泵殼本體重達(dá)32 t，外形不規(guī)則，若采用泵殼旋轉(zhuǎn)、焊炬固定的方式進(jìn)行堆焊，則泵殼需要裝配至變位器上，整個(gè)過程中需多次起吊泵殼，裝配找正難度大、周期長(zhǎng)，且存在安全風(fēng)險(xiǎn)。為解決上述問題，采用泵殼固定的方式進(jìn)行內(nèi)壁堆焊。為了實(shí)現(xiàn)泵殼在固定不動(dòng)的情況下進(jìn)行連續(xù)、自動(dòng)、高效的堆焊，需要解決以下三個(gè)問題：

(1)焊炬的無限回轉(zhuǎn)；

(2)采用多軸聯(lián)動(dòng)控制焊接軌跡以實(shí)現(xiàn)泵殼內(nèi)壁全自動(dòng)的堆焊；

(3)選取高效的堆焊工藝。

2.1 焊炬無限回轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)

為了使焊槍進(jìn)行無限制的回轉(zhuǎn)以進(jìn)行連續(xù)的堆焊操作。在焊槍的回轉(zhuǎn)軸部位，增加了無限回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。無限回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由上下蓋板組成，上下蓋板的不同直徑分別負(fù)責(zé)電刷、電機(jī)、進(jìn)水回路、出水回路等功能，具有焊接電流、熱絲電流、系統(tǒng)接地、焊炬冷卻水進(jìn)出、焊炬保護(hù)氣的無限制旋轉(zhuǎn)過程的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)連接和密封能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電流、電弧電壓、系統(tǒng)工作邏輯信號(hào)、送絲控制信號(hào)和焊接視頻信號(hào)等的無限制旋轉(zhuǎn)過程的穩(wěn)定連接，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖3。該機(jī)構(gòu)的應(yīng)用徹底解決焊槍連續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中的線束纏繞問題，簡(jiǎn)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)和降低了操作難度。

圖3 無限回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of infinite rotary mechanism

2.2 多軸聯(lián)動(dòng)控制焊接軌跡

由于泵殼設(shè)備內(nèi)表面為復(fù)雜曲面，焊接時(shí)焊炬的運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，需采用不同的軸聯(lián)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)泵殼所有位置的自動(dòng)焊接。

按照?qǐng)D4，泵殼在以下兩種擺放方式下分別建立坐標(biāo)系：左圖為以泵殼球心為原點(diǎn)的三維坐標(biāo)系并增加一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸R；右圖為以出口接管的母線和進(jìn)口、底座母線相交點(diǎn)為原點(diǎn)的三維坐標(biāo)系并增加一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸R。

圖4 泵殼坐標(biāo)系建立方式Figure 4 The establishment mode of pump shellcoordinate system

2.2.1 圓柱面軌跡設(shè)置

要焊接內(nèi)圓柱面，需要使用Z軸和R軸聯(lián)合控制焊炬。R軸旋轉(zhuǎn)一周后，將Z軸提高一個(gè)變道量。

2.2.2 球面軌跡設(shè)置

使用圖4中左側(cè)的坐標(biāo)系，將焊炬的回轉(zhuǎn)中心定為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0，0)。配合設(shè)備角度的α軸，當(dāng)R軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，α軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)Δα。為了保持焊接速度恒定，每一次α軸變換后，R軸的角速度也會(huì)相應(yīng)變換。

當(dāng)堆焊至帶缺口的球面時(shí)，根據(jù)程序設(shè)置啟?；〉奈恢?，能在預(yù)定的位置自動(dòng)啟、?；　?/p>

2.2.3 錐面軌跡的設(shè)置

使用圖4中右側(cè)的坐標(biāo)系，將焊炬的回轉(zhuǎn)中心定為坐標(biāo)(0，0，Z0)。使用旋轉(zhuǎn)軸R和高度方向的Z軸聯(lián)動(dòng)，R軸旋轉(zhuǎn)一周后Z提高一個(gè)ΔZ，角速度也相應(yīng)降低。

根據(jù)2.2.1～2.2.3條設(shè)置的曲線，能夠堆焊泵殼大面積的區(qū)域，但圖5中的區(qū)域A為錐面與球面相貫后倒R200 mm倒角組成，該面的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，難以通過簡(jiǎn)單曲線來設(shè)置堆焊軌跡，因此需要借助于弧壓跟蹤(AVC)系統(tǒng)來進(jìn)行該部位堆焊。弧壓跟蹤系統(tǒng)的工作方式為：通過不斷監(jiān)測(cè)焊接時(shí)的電壓大小，利用伺服電機(jī)和蝸桿來控制機(jī)頭，保證焊接時(shí)焊接電壓一致即保證焊接時(shí)電弧長(zhǎng)度始終一致。

圖5 相貫R角部位示意圖Figure 5 Schematic diagram of intersecting angle R

借助于該系統(tǒng)，可以將焊炬的軌跡簡(jiǎn)單化，從而進(jìn)行區(qū)域A的堆焊。

2.3 高效的堆焊工藝

使用了2.1和2.2的技術(shù)方案后，為了能夠在保證質(zhì)量的情況下提高生產(chǎn)效率，對(duì)比目前各種焊接工藝，最終確定選擇雙鎢極堆焊工藝進(jìn)行泵殼內(nèi)壁的堆焊。

雙鎢極焊槍頭由互成一定夾角的主、從兩個(gè)鎢極組成，參見圖6。為了徹底掌握該焊接工藝，在產(chǎn)品焊接前，進(jìn)行了系列試驗(yàn)，以徹底掌握該焊接工藝。

圖6 雙鎢極機(jī)頭Figure 6 Double-tungsten electrode machine head圖7 復(fù)合電弧原理Figure 7 Principle of composite arc

2.3.1 形成復(fù)合電弧

如圖7所示，復(fù)合電弧原理如下：電弧1和電弧2分別為單電弧，電弧吹力直接垂直于工件表面，但中間1+2電弧為復(fù)合電弧，由于兩個(gè)電弧各自產(chǎn)生磁感線后，兩個(gè)電弧分別會(huì)受到磁場(chǎng)的作用，導(dǎo)致兩個(gè)電弧會(huì)復(fù)合形成一個(gè)電弧。形成復(fù)合電弧前的兩個(gè)電弧的電磁吹力會(huì)和工件表面形成一定夾角，且兩個(gè)電弧的電弧吹力在平行于待焊工件的表面的分力方向相反，這樣會(huì)降低垂直于工件方向的電弧吹力，減小熔深，降低堆焊層的稀釋率。

2.3.2 鎢極間距對(duì)焊縫的影響

在焊接試驗(yàn)階段發(fā)現(xiàn)，通過在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)鎢極間距能夠控制堆焊層的熔深。其電弧間距越大，兩個(gè)電弧的電弧吹力在平行于待焊工件的表面方向的分力越大，垂直方向的電弧吹力越小，熔池的熔深越小。

2.3.3 熔深對(duì)比

為了對(duì)比雙鎢極工藝的熔深，在保持焊接速度、電源極性、焊接電壓一致的情況下，按照單鎢極電流300A和雙鎢極電流150A+150A的情況下進(jìn)行了熔深測(cè)量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)單鎢極的熔深較大達(dá)到了2.98 mm，而雙鎢極的熔深僅為1.44 mm。

2.3.4 鎢極連線的方向與焊接方向的夾角對(duì)堆焊層的影響

在焊接過程中，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)鎢極的連接線與焊接方向的夾角能夠控制焊縫的寬度，當(dāng)鎢極連線平行于焊接方向時(shí)焊縫寬度較大，且焊縫的焊接質(zhì)量良好，未出現(xiàn)咬邊等情況，焊縫邊緣圓滑，焊縫潤(rùn)濕角較?。蝗舨捎面u極連線垂直于焊接方向的方式進(jìn)行焊接，則焊道較窄，焊道成型質(zhì)量較差，出現(xiàn)咬邊，焊縫潤(rùn)濕角較大，焊接質(zhì)量差。

2.3.5 堆焊效率

在理想的工況下，平焊位置焊接時(shí)，不銹鋼焊絲(規(guī)格?1.2 mm)的送絲量可高達(dá)12 m/min，其效率可與MIG焊媲美。

3 焊接規(guī)范評(píng)定

由于傳統(tǒng)的GTAW(單鎢極)的工藝性較好，焊接質(zhì)量、對(duì)母材性能影響均能滿足要求，因此分別進(jìn)行了單鎢極和雙鎢極不銹鋼堆焊的評(píng)定。通過工藝評(píng)定試驗(yàn)，得到了在SA508.Gr3.Cl1鋼上，使用ER309L(第一層，規(guī)格?1.2 mm)和ER308L(其余層，規(guī)格?1.2 mm)的單、雙鎢極的焊接規(guī)范，規(guī)范見表2和3。

表2 單鎢極不銹鋼堆焊規(guī)范Table 2 Specification for build-up welding of stainless steel with single tungsten pole

從表2和表3中熱輸入量來看，雙鎢極的熱輸入量大概為單鎢極的40%。

表3 雙鎢極不銹鋼堆焊規(guī)范Table 3 Specification for build-up welding of stainless steel with double tungsten poles

3.1 評(píng)定件無損檢測(cè)

為了驗(yàn)證評(píng)定試驗(yàn)試板的堆焊層質(zhì)量，使用上游設(shè)計(jì)院的無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)堆焊后的堆焊層進(jìn)行目視、PT、UT檢測(cè)，結(jié)果均合格。

3.2 評(píng)定件有損檢測(cè)

為了驗(yàn)證評(píng)定件試板的理化性能，分別采用單、雙鎢極的焊接方法，使用ER309L和ER308L焊絲(規(guī)格?1.2 mm)，在材料為SA508.Gr3.Cl1的試板上進(jìn)行了堆焊，對(duì)比單鎢極堆焊焊道，雙鎢極堆焊焊道表面飽滿，焊縫上下邊緣整齊，潤(rùn)濕角較小。

焊接結(jié)束后，對(duì)單、雙鎢極堆焊評(píng)定試板解剖后進(jìn)行理化性能檢驗(yàn)，結(jié)果表4～表8。

表4 評(píng)定試件化學(xué)分析及鐵素體計(jì)算結(jié)果Table 4 The results of chemical analysis and ferrite of evaluated specimens

表5 評(píng)定試件彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 5 The bending test results of evaluated specimens

從表4～表8中可以看出，單鎢極、雙鎢極堆焊的堆焊層、熱影響區(qū)性能沒有明顯差別，均能滿足相關(guān)要求。在表6的母材熱影響區(qū)的沖擊試驗(yàn)中，雙鎢極18個(gè)沖擊試樣沖擊平均值為229.6 J，單鎢極18個(gè)沖擊試樣沖擊平均值為178.2 J，兩者數(shù)據(jù)均合格，但由于雙鎢極堆焊相比于單鎢極堆焊，其熱輸入量更小，對(duì)母材的影響也更小，所以雙鎢極堆焊母材熱影響區(qū)的沖擊試樣的平均值略高。

表6 評(píng)定試件低合金母材熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 6 The impact test results of the heat affected zone of low alloy base metal of evaluated specimens

表7 評(píng)定試件晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 7 The test results of intergranular corrosion of evaluated specimens

表8 評(píng)定試件金相檢驗(yàn)結(jié)果Table 8 The metallographic test results of evaluated specimens

3.3 堆焊層微觀組織

為了觀察單、雙鎢極的堆焊層、母材、熱區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)是否有區(qū)別，將堆焊層的三區(qū)部位解剖后，分別在放大200倍的顯微鏡下觀察，結(jié)果見圖8。

圖8 堆焊層及母材、熱影響區(qū)顯微組織(200×)Figure 8 Microstructure of build-up welding layer and base material and heat affected area(200×)

通過圖8發(fā)現(xiàn)，母材和熱影響區(qū)的組織均為回火貝氏體；堆焊層組織均為奧氏體+鐵素體。

放大觀察未發(fā)現(xiàn)微裂紋和沉淀物。兩種堆焊方法獲得的試樣在放大情況下，無明顯區(qū)別。

3.4 小結(jié)

(1)通過使用PLC數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置合理的焊接軌跡配合無限回轉(zhuǎn)技術(shù)和弧壓跟蹤技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)泵殼復(fù)雜內(nèi)腔的全自動(dòng)堆焊。

(2)單、雙鎢極堆焊的試板，其性能無明顯差別，但由于雙鎢極熱輸入量較小，其母材熱影響區(qū)的沖擊試樣平均值略高于單鎢極堆焊的母材熱影響區(qū)的沖擊平均值。

(3)單、雙鎢極堆焊的試板，取試后，在放大情況下觀察，無明顯區(qū)別。

(4)雙鎢極的堆焊效率遠(yuǎn)高于單鎢極的堆焊效率。

4 生產(chǎn)應(yīng)用

按照?qǐng)D9所示，堆焊過程將泵殼分三個(gè)狀態(tài)進(jìn)行擺放。每一個(gè)擺放方向分別在預(yù)熱150℃下依靠程序設(shè)定的軌跡自動(dòng)地完成對(duì)應(yīng)區(qū)域的堆焊工作，最終堆焊完成整個(gè)泵殼內(nèi)腔。整個(gè)堆焊過程，操作人員僅需通過攝像頭觀察焊縫，無需進(jìn)入泵殼內(nèi)部，自動(dòng)化程度高，能夠極大地降低工作強(qiáng)度。對(duì)于能夠連續(xù)堆焊的區(qū)域，利用無限回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)不?；〉亩押?。通過無限回轉(zhuǎn)的精確啟停功能控制堆焊邊緣焊道飽滿，成型美觀。

圖9 泵殼三個(gè)堆焊狀態(tài)示意圖Figure 9 Schematic diagram of three surfacing status of pump shell

5 結(jié)語

(1)單鎢極和雙鎢極堆焊得到的堆焊層質(zhì)量、性能、微觀組織沒有明顯區(qū)別。

(2)雙鎢極堆焊時(shí)實(shí)際送絲速度約為5 m/min，單鎢極堆焊時(shí)實(shí)際送絲速度約為1.2 m/min，因此雙鎢極熔覆效率約為單鎢極的4倍。

(3)利用上述技術(shù)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)泵殼復(fù)雜曲面的全自動(dòng)堆焊，目前承制的6臺(tái)產(chǎn)品泵殼和1臺(tái)試驗(yàn)泵殼的不銹鋼堆焊工作均順利完成。

(4)采用全自動(dòng)堆焊，人員通過顯示器觀察進(jìn)行操作，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、可靠；人員無需進(jìn)入加熱的泵殼內(nèi)部進(jìn)行焊接操作，減少了焊接操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了人員的操作環(huán)境。

(5)全自動(dòng)雙鎢極氬弧焊能夠運(yùn)用于其它復(fù)雜回轉(zhuǎn)曲面工件的堆焊，適應(yīng)性較好。