CN102500864A - 核电站控制棒驱动机构钩爪的钴基合金堆焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核电站控制棒驱动机构钩爪的钴基合金堆焊方法，包括以下步骤：S1:堆焊前预处理；S2:对堆焊前的钩爪进行预热；S3:采用氧乙炔焰焊，并调节气焊火焰为碳化焰来对钩爪的待堆焊表面进行加热；当钩爪的待堆焊表面出现润湿现象时，将钴基合金焊丝插入气焊火焰中，熔化后滴入呈润湿状态的待堆焊表面上；S4:对经过步骤S3处理的钩爪进行后处理。本发明通过堆焊前的预热处理，并采用氧乙炔焰焊的方式，调节火焰为碳化焰进行钴基合金堆焊，从而在钩爪的待堆焊表面形成钴基合金堆焊层，特别是有效地解决了钩爪销孔的钴基合金堆焊，显著地提高了钩爪的耐磨、耐热、耐蚀等性能，制造出适合核电站使用的钩爪，提升了核电站控制棒驱动机构的使用寿命。

Description

核电站控制棒驱动机构钩爪的钴基合金堆焊方法

技术领域

本发明涉及焊接工艺，更具体地说，涉及用于核电站控制棒驱动机构钩爪的钴基合金堆焊方法。

背景技术

控制棒驱动机构是核电站反应堆一回路系统的关键设备之一，是反应堆本体上唯一的动设备，钩爪组件作为其动作部件，依靠两组钩爪按时序运动的摆进摆出，从而完成驱动杆带动堆芯控制棒提升、下插动作，实现反应堆启动、功率调节、功率保持、正常停堆和事故停堆等功能。

钩爪耐磨、耐热、耐蚀等特性直接决定整个控制棒驱动机构的使用寿命。目前的驱动机构的钩爪表面和销孔等，国内还未有公开的钩爪销孔堆焊相关技术，使得钩爪的耐磨、耐热、耐蚀等特性表现并不突出，从而影响了整个控制棒驱动机构的使用寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种对钩爪进行合金堆焊、提高钩爪耐磨、耐热、耐蚀等性能的核电站控制棒驱动机构钩爪的合金堆焊方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种核电站控制棒驱动机构钩爪的钴基合金堆焊方法，包括以下步骤：

S1:堆焊前预处理；

S2:对堆焊前的所述钩爪进行预热；

S3:采用氧乙炔焰焊，并调节气焊火焰为碳化焰来对所述钩爪的待堆焊表面进行加热；当所述钩爪的待堆焊表面出现润湿现象时，将钴基合金焊丝插入所述气焊火焰中，熔化后滴入呈润湿状态的待堆焊表面上；

S4:对经过所述步骤S3处理的所述钩爪进行后处理。

在本发明的合金堆焊方法中，所述钩爪为奥氏体不锈钢锻棒，并且，所述钩爪的齿面部位及销孔部位加工成所述待堆焊表面；

所述合金焊丝为钴基合金焊丝。

在本发明的合金堆焊方法中，所述钩爪为Z2CN19-10+N₂奥氏体不锈钢锻棒；所述合金焊丝为Stellite-6钴基合金焊丝。

在本发明的合金堆焊方法中，所述待堆焊表面为所述钩爪的销孔内壁面，在所述步骤S3操作过程中，保持所述销孔形成一个通气孔。

在本发明的合金堆焊方法的所述步骤S1中，包括以下步骤：

S1-1:加工所述钩爪的待堆焊表面，消除气孔、去除毛刺，并清洁所述待堆焊表面；

S1-2:对所述待堆焊表面及靠近所述待堆焊表面的位置进行液体渗透检查；

S1-3:选择所述待堆焊表面处于平焊位置，或者，通过转动装置带动所述钩爪转动而使所述待堆焊表面处于平焊位置。

在本发明的合金堆焊方法的所述步骤S2中，将所述钩爪放入加热炉中，并逐渐升温，均匀对所述钩爪进行预热处理，预热温度高于200℃。

在本发明的合金堆焊方法的所述步骤S3中，包括以下步骤：

S3-1：选用氧乙炔焰焊，调节所述氧乙炔焰焊的火焰为碳化焰，保持火焰的外焰长为焰心长的1.5-3.5倍，利用焰心对准所述钩爪的待堆焊表面进行加热；

S3-2:当所述待堆焊表面加热至润湿状态的瞬间，将火焰的焰心提高与所述待堆焊表面保持一定距离，并将所述合金焊丝插入火焰的焰心与内焰的交接处，使熔化后的合金焊丝的金属熔滴进入呈现润湿状态的待堆焊表面上，同时使之均匀扩展。

在本发明的合金堆焊方法的步骤S3-2中，当熔化后的合金焊丝熔滴均匀分布到润湿状态的待堆焊表面时，开始旋转所述钩爪使火焰一分为二，一部分保护熔池，一部分加热所述钩爪的相邻待堆焊表面，使之呈现润湿状态实施连续堆焊。

在本发明的合金堆焊方法的所述步骤S3中，还包括步骤S3-3：当所述待堆焊表面完成堆焊时，移动所述火焰在熔池上方划圆圈或者继续向前移动一段距离，使得火焰逐渐缓慢离开熔池。

在本发明的合金堆焊方法的所述步骤S4中，将经步骤S3处理的所述钩爪放入热处理炉内缓慢冷却，并保持在与步骤S2的预热温度相同的温度下一段时间。

实施本发明具有以下有益效果：本发明通过堆焊前的预热处理，并采用碳化焰进行合金堆焊，从而在钩爪的待堆焊表面形成合金堆焊层，显著地提高了钩爪的耐磨、耐热、耐蚀等性能，制造出适合核电站使用的钩爪，提升了核电站控制棒驱动机构的使用寿命。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明合金堆焊方法应用的一个实施例的钩爪的结构示意图；

图2是图1中A-A剖视示意图；

图3是图1中B-B剖视示意图。

具体实施方式

在本发明的合金堆焊方法的一个实施例中，可用于核电站控制棒驱动机构钩爪10的待堆焊表面12进行堆焊处理。在本实施例中，该钩爪10的待堆焊表面12为钩爪10销孔11的内壁面；当然，该合金堆焊方法也可以用于钩爪10的其他待堆焊表面，如钩爪10齿面部位等。该合金堆焊方法包括以下步骤：

a、堆焊前的预处理；

b、对堆焊前的钩爪10进行预热；

c、堆焊的实施；

d、对堆焊后的后处理；

e、堆焊后的检查。

下面以钩爪10的销孔11的内壁面为待堆焊表面12进行说明，如图1-3所示，是该钩爪10的销孔11堆焊前的结构示意图。钩爪10母材选用Z2CN19-10+N₂奥氏体不锈钢锻棒，当然，也可以选用其他符合要求的奥氏体不锈钢锻棒或其他材质做成。

a、堆焊前的预处理

在堆焊前，将钩爪10加工成如图1-3所示的待堆焊表面12，并消除待堆焊表面12及其附近10-20mm范围内的气孔、去除毛刺或其他可能影响堆焊层质量的缺陷，并清洁待堆焊表面12，去除油脂、油滴或其他可能影响堆焊层质量的杂质。

另外，对待堆焊表面12及靠近待堆焊表面12的位置（如10-20mm附近）进行液体渗透检查，不允许有任何缺陷显示。

然后，将待堆焊表面12放置处于平焊位置，或者，通过转动装置带动钩爪10转动而使待堆焊表面12处于平焊位置，准备进行堆焊操作。

当然，在堆焊前，还应检查合金焊丝的表面质量，保证合金焊丝表面应光洁、无氧化物、无油脂等影响焊接质量的杂质。

b、对堆焊前的钩爪10进行预热

将经步骤a处理好的钩爪10放入加热炉（如电加热炉）内，使炉内逐渐升温，均匀地对钩爪10进行预热处理，预热温度高于200℃。

c、堆焊的实施；

在本实施例中，选用Stellite-6钴基合金焊丝作为焊接填充材料，焊炬选用改进型射吸式焊炬，采用氧乙炔焊焰进行加热堆焊。

本实施例采用Stellite-6钴基合金焊丝在钩爪10齿面部位及与连杆连接的销孔11部位堆焊，可充分减少钩爪10在工作过程中的磨损。同时，氧乙炔焰焊单层堆焊稀释率仅为1～10%，熔深可控制在0.1mm以内，可在很小面积上堆焊，得到薄而光滑的堆焊层；氧乙炔碳化焰的渗碳作用，可充分保证钩爪10特殊的增碳要求和耐磨性能。

c1）、在堆焊过程中选用氧乙炔焰焊，调节并保持氧乙炔焰焊的火焰为碳化焰，保持火焰的外焰长为焰心长的1.5-3.5倍，利用焰心对准钩爪10的待堆焊表面12进行加热，当钩爪10的待堆焊表面12开始熔化，出现润湿现象时，便立即进行堆焊。

本实施例采用氧乙炔焰焊，可避免以下问题：

——采用焊条电弧堆焊的问题：①焊条母材性能无法满足工件的使用要求；②焊条电弧焊无法满足熔敷金属的增碳要求；③焊条电弧焊的加热温度过高；④孔内操作焊条电弧焊，焊条弧柱区将拉长，弧柱刚性难以控制。

——采用钨极氩弧焊的问题：①焊接温度过高，容易造成某些元素烧损；②孔内熔合性差；③操作性不好，焊接缺陷严重，易造成夹钨。

c2）、当待堆焊表面12加热至润湿状态的瞬间，将焊炬的焊嘴略微提高，将火焰的焰心提高与待堆焊表面12保持一定距离，如2-3mm，并将处于销孔11外面的合金焊丝插入火焰的焰心与内焰的交接处，使熔化后的合金焊丝的金属熔滴进入呈现润湿状态的待堆焊表面12上，同时使之均匀扩展。

堆焊开始后，尽量避免焊嘴出现前后晃动的现象，保持焊嘴与堆焊位置的相对性。当熔化后的合金焊丝熔滴均匀分布到润湿状态的待堆焊表面12时，开始旋转钩爪10使火焰一分为二，一部分保护熔池，一部分加热钩爪10的相邻待堆焊表面12，使之呈现润湿状态实施连续堆焊，完成产品的焊接。

c3）、堆焊过程中，堆焊熔池及熔化的合金焊丝头必须始终处于火焰保护当中，不得将合金焊丝插入焰心部位或将焰心与熔池接触以免造成过度渗碳或“爆枪”。

c4）、在堆焊收尾时，即当待堆焊表面12完成堆焊时，不得急速将焊炬从堆焊区域拿开，应适当在移动焊炬，使火焰在熔池上方划圆圈或者继续向前移动一段距离，使得火焰逐渐缓慢离开熔池，减小温度梯度，以免造成堆焊层金属疏松、缩孔、龟裂等缺陷。

c5）、在堆焊过程中，操作者应始终保持在堆焊销孔11形成一个Φ2~Φ3mm的通气孔，以免在焊接过程中形成气体回流现象，造成“爆枪”和密集性体积缺陷。

d、对堆焊后的后处理

将堆焊完成后的整个钩爪10放入热处理炉内缓慢冷却，并保持在与预热温度相同的温度下至少一段时间，如10-20分钟。经此处理的钩爪10不需要进行尺寸稳定化处理或消除应力热处理，堆焊表面既不需要酸洗，也不需要钝化，大大简化了钩爪10的制作。

e、堆焊后的检查

堆焊后销孔11内部采用目视检验和渗透检验。

堆焊层表面应无明显差异和稀释痕迹，不允许有任何的开裂、裂纹、未熔合、夹渣和夹钨。

液体渗透检查，不允许在堆焊层或熔合区有任何线性显示（长为宽的3倍）；不允许有大于1.5mm圆形显示，如果最终机加工后要求的最小厚度小于1.5mm，圆形显示的最大允许尺寸为该厚度；允许有一个液体渗透显示。

经上述处理的钩爪10可完全满足核电站控制棒驱动机构钩爪10的使用要求，通过焊后检验，未发现任何超标缺陷，硬度在合格范围内，形成的堆焊层与钩爪10母材结合紧密，堆焊层有一定的韧性，硬度分布均匀；并使钩爪10在保证基材具有良好综合机械性能的前提下，在钩爪10的待堆焊表面12形成合金堆焊层，显著地提高了钩爪10的耐磨、耐热、耐蚀等性能，制造出适合核电站使用的钩爪10，提升了核电站控制棒驱动机构的使用寿命。

Claims (10)

1.一种核电站控制棒驱动机构钩爪的钴基合金堆焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:堆焊前预处理；

S2:对堆焊前的所述钩爪进行预热；

S3:采用氧乙炔焰焊，并调节气焊火焰为碳化焰来对所述钩爪的待堆焊表面进行加热；当所述钩爪的待堆焊表面出现润湿现象时，将钴基合金焊丝插入所述气焊火焰中，熔化后滴入呈润湿状态的待堆焊表面上；

S4:对经过所述步骤S3处理的所述钩爪进行后处理。

2.根据权利要求1所述的合金堆焊方法，其特征在于，所述钩爪为奥氏体不锈钢锻棒，并且，所述钩爪的齿面部位及销孔部位加工成所述待堆焊表面；

所述合金焊丝为钴基合金焊丝。

3.根据权利要求2所述的合金堆焊方法，其特征在于，所述钩爪为Z2CN19-10+N₂奥氏体不锈钢锻棒；所述合金焊丝为Stellite-6钴基合金焊丝。

4.根据权利要求1所述的合金堆焊方法，其特征在于，所述待堆焊表面为所述钩爪的销孔内壁面，在所述步骤S3操作过程中，保持所述销孔形成一个通气孔。

5.根据权利要求1-4任一项所述的合金堆焊方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S1-1:加工所述钩爪的待堆焊表面，消除气孔、去除毛刺，并清洁所述待堆焊表面；

S1-2:对所述待堆焊表面及靠近所述待堆焊表面的位置进行液体渗透检查；

S1-3:选择所述待堆焊表面处于平焊位置，或者，通过转动装置带动所述钩爪转动而使所述待堆焊表面处于平焊位置。

6.根据权利要求5所述的合金堆焊方法，其特征在于，在所述步骤S2中，将所述钩爪放入加热炉中，并逐渐升温，均匀对所述钩爪进行预热处理，预热温度高于200℃。

7.根据权利要求5所述的合金堆焊方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S3-1：选用氧乙炔焰焊，调节所述氧乙炔焰焊的火焰为碳化焰，保持火焰的外焰长为焰心长的1.5-3.5倍，利用焰心对准所述钩爪的待堆焊表面进行加热；

S3-2:当所述待堆焊表面加热至润湿状态的瞬间，将火焰的焰心提高与所述待堆焊表面保持一定距离，并将所述合金焊丝插入火焰的焰心与内焰的交接处，使熔化后的合金焊丝的金属熔滴进入呈现润湿状态的待堆焊表面上，同时使之均匀扩展。

8.根据权利要求7所述的合金堆焊方法，其特征在于，在步骤S3-2中，当熔化后的合金焊丝熔滴均匀分布到润湿状态的待堆焊表面时，开始旋转所述钩爪使火焰一分为二，一部分保护熔池，一部分加热所述钩爪的相邻待堆焊表面，使之呈现润湿状态实施连续堆焊。

9.根据权利要求8所述的合金堆焊方法，其特征在于，所述步骤S3还包括步骤S3-3：当所述待堆焊表面完成堆焊时，移动所述火焰在熔池上方划圆圈或者继续向前移动一段距离，使得火焰逐渐缓慢离开熔池。

10.根据权利要求9所述的合金堆焊方法，其特征在于，在所述步骤S4中，将经步骤S3处理的所述钩爪放入热处理炉内缓慢冷却，并保持在与步骤S2的预热温度相同的温度下一段时间。

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