核反应堆压力容器驱动管座密封焊焊接质量及变形控制

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1、核反应堆压力容器驱动管座密封焊焊接质量及变形控制　　摘要：管座与顶盖组件的密封焊作为百万千瓦级压水堆反应器制造过程中的重要环节，在焊接时主要存在两个问题。一方面，由于J形坡口的非对称性和结构件的高精度要求，使得控制变形是焊接过程中重要且困难的问题；另一方面，由于密封焊时的母材和填充金属均为焊接性较差的镍基合金，因此保证焊接质量是焊接过程中面临的又一问题。在产品制造过程中，通过采用反变形工具、水冷、合理的制定焊接工艺及过程控制等方法，解决了以上生产过程中遇到的实际问题，为实现反应堆压力容器批量化生产扫清又一障碍。　　关键词：反应堆压力容器；密封焊；焊接变形　　前言　　目

2、前，国内外核电事业迅速发展，国内核电堆型种类繁多，有以法国核电技术为主的CPR1000堆型，也有以美国核电技术为主的AP1000堆型，到现在已经形成我国自己核心技术的华龙一号[1]。其中堆型结构、尺寸有所不同，但其反应堆压力容器中顶盖组件上驱动管座的焊接始终是其焊接难点，本文以CPR1000堆型为主，从控制焊接变形和焊接质量两个方面所采用的措施进行论述，并揭示管座位置与焊接变形量之间的关系。　　1采用设备　　在管座与顶盖法兰密封焊的过程中，主要采用的设备包括如下所示：6　　1.1焊接设备　　驱动管座密封焊时采用的焊接方法包括手工电弧焊和钨极氩弧焊两种方式：　　手工电弧

3、焊设备：威特立手工电弧焊设备　　钨极氩弧焊设备：威特力WSM-400D全数字直流脉冲氩弧焊机。　　与氩弧焊抢配套的冷却水循环装置为FNL-35。　　1.2水冷设备　　在焊接过程中需要对管座内部加载水冷设施，采用的水冷设备为松下YX-09KGC1。　　1.3其他设备　　在焊接过程中还需要由不锈钢材料制作的防变形附具、铝基无铁砂轮、风铣及吸尘器等。　　2制造过程中的问题　　2.1焊接变形　　由于J型坡口的焊缝是承力焊缝，且在管座与封头密封焊后不进行热处理，因此J型坡口的设计在反应堆压力容器结构设计中是个关键问题，同时由于管座与封头密封焊后具有较高的位置度的要求，因此要求焊

4、缝中的残余应力和变形要尽可能的小，针对以上情况，J型坡口的设计应满足规范要求的最小的截面积，使焊接填充金属尽可能的少，同时焊缝的上侧面积和下侧面积尽可能相等[2]。　　2.2焊接缺陷6　　管座贯穿件为镍基材料，考虑到材料本身的特性，选择与其相匹配的镍基690焊材进行施焊。镍基材料在焊接时，容易产生热裂纹、夹杂、未熔合和气孔等缺陷，由于镍及镍基合金焊缝金属表面张力大，流动性差，粘性大不易成形和易产生氧化等因素，自然成形的焊缝一般为凸状，如果焊缝是平坦或下凹状就会由于应力的作用产生裂纹。基于以上焊接特点，镍基材料在焊接时需要制定合理且严格的焊接工艺，以减少焊接过程中出现缺

5、陷的概率[3]。　　3制造方案　　3.1控制焊接变形　　在产品制造过程中，主要通过选择合理的装配方案、焊接工艺及适当防变形措施等来控制管座的最终变形量，以满足产品的使用要求。　　3.1.1冷装。CPR1000的管座与顶盖组件装配时，应保证有0.08mm-0.10mm的过盈量。在装配时，对管座采用液氮的冷却方式冷却30Min左右，使之产生0.2mm左右的间隙量，在装配完成30Min后方可移除工装。　　3.1.2合理的焊接方法及焊接规范。CPR1000管座与顶盖组件密封焊时，用到的焊接方法共有两种：手工焊条电弧焊和手工TIG焊。在进行前三层焊接时，采用Φ3.2mm的镍基焊

6、条，以给定电流规范的下限进行焊接，尽可能的降低焊接过程中的线能量，从而减小焊接过程中的热变形。　　3.1.3焊接顺序和焊接方向。在管座与顶盖组件密封焊时，焊接过程中要求尽可能对称施焊，每个管座的施焊焊道也要求对称分布，最大程度上减少焊接变形。　　3.1.46固定和水冷措施。管座密封焊开始前，首先用千分尺测量每个管座距离芯棒的实际尺寸，在不加工装的情况下进行首层密封焊的焊接，首层焊接结束后对每个管座距离芯棒的尺寸重新测量，通过分析得出，根据管座位置的不同，其发生焊接变形的范围在0～0.3mm之间，变形方向为背心方向。在其后的焊接过程中，需要将对称管座加以刚性固定并根据之

7、前变形量的不同施加0～0.25mm的反变形，同时，必须严格保证对称管座两人同时施焊，并应注意焊接过程中两人的焊接顺序及位置的一致性。　　3.2保证焊缝的焊接质量　　镍基材料在焊接时，由于液态熔池金属的流动性较差，熔深较浅；材料中合金元素比较复杂，亲氧元素的存在易导致焊接热裂纹、夹渣等问题产生，因此，控制焊缝质量是镍基材料焊接过程中面临的最大问题。　　3.2.1焊前准备。焊前准备对于镍基材料密封焊是非常重要的工艺步骤，保证待焊表面的清洁是获得镍基合金优良接头的重要条件。在密封焊开始之前，应用干净的布蘸丙酮来清理待焊接表面，保证待焊接表面无水、无油脂、无