CN105880833B - 一种核主泵屏蔽套的激光填丝焊接方法 - Google Patents

一种核主泵屏蔽套的激光填丝焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核主泵屏蔽套的激光填丝焊接方法，属核电领域。利用激光填丝焊接系统对屏蔽套进行脉冲激光填丝焊接，将薄板下料精剪、卷筒并装夹在专用焊接工装上，保证对接间隙为0～0.55mm，选择前置送丝方式，精确调整焊丝送进位置，保证一定的焊丝高度和光丝间距，选择优化的焊接工艺参数，通过控制脉冲激光焊接头和送丝嘴的精确自动连续移动，实现核主泵屏蔽套的纵缝激光填丝焊接。本发明不仅可以保证屏蔽套焊接变形小、直径尺寸精度高，焊缝晶粒明显细化、对材料物理力学性能影响小；焊接过程添加焊丝降低了对薄板下料剪切的精度要求，保证焊缝具有一定正余高，强化焊缝强度，提高屏蔽套使用寿命。

Description

一种核主泵屏蔽套的激光填丝焊接方法
技术领域
本发明属于核电领域，涉及一种核主泵屏蔽套的激光填丝焊接方法。
背景技术
目前，核电与水电、火电一起构成了世界能源的三大支柱，在世界能源结构中占有重要的地位。在核电站反应堆冷却剂系统的主要设备中，核主泵是一回路系统中唯一旋转部件，它的可靠性直接影响到核反应堆的安全运行，属于核安全一级设备，被称为核电站的“心脏”。为了将核主泵定子绕组和转子与一回路循环系统的冷却介质完全隔离，设置了定子和转子两个屏蔽套。其中，屏蔽套的精密制造是保证核主泵甚至核反应堆系统长时间免维护可靠使役的重要基础，因此，屏蔽套的精密制造至关重要。
核主泵屏蔽套选用耐腐蚀性能较强、焊接性能较优的固熔强化镍基合金材料Hastelloy C-276，其制造工艺包含了屏蔽套的焊接加工。第三代核电站主泵屏蔽套的板厚为0.5～0.7mm，直径大于600mm，具有大径厚比特点，直径精度要求较高，套体长度甚至超过4000mm，对屏蔽套的焊接加工工艺精度和保证焊接接头性能提出了更高的要求。关于Hastelloy C-276的焊接以及核主泵屏蔽套制造工艺，以下文献均有报道：
1.巴基斯坦学者M.Ahmad，J.I.Akhter，M.Akhtar等：“Hastelloy C-276电子束焊接的微观结构和硬度分析(Microstructure and hardness studies of the electronbeam welded zone of Hastelloy C-276)”，《合金和化合物(Journal of Alloys andCompounds)》，2005年390卷。
2.M.Manikandan，N.Arivazhagan，M.Nageswara Rao等：“连续和脉冲电流钨极氩弧焊C-276微观结构及机械性能分析(Microstructure and mechanical properties ofalloy C-276weldments fabricated by continuous and pulsed current gas tungstenarc welding techniques)”，《加工工艺(Journal of Manufacturing Processes)》，2014年16卷。
3.吴东江，郭玉泉，郭东明等：“一种核主泵屏蔽套的焊接方法”，中国发明专利，专利号ZL201110001945.1。
从以上文献了解到，Hastelloy C-276最常用的焊接方法有钨极氩弧焊接、电子束焊接和激光自熔焊接。目前，钨极氩弧焊接和激光自熔焊接技术研究较为深入，目前已形成了工业化生产体系；电子束焊接由于需要真空环境，对于大尺寸工件的焊接还存在较多不便之处，使其工业化的应用受到一定的限制。目前，针对屏蔽套的焊接主要是采用钨极氩弧焊接和激光自熔焊接，但是针对核主泵屏蔽套的高精度近无缺陷焊接仍存在以下不足之处：
(1)钨极氩弧焊接热输入较大，焊缝尺寸较宽，接头热影响区较大，接头晶粒尺寸较大，相对比母材，接头性能明显降低，可靠性降低。
(2)激光自熔焊接受到光斑直径的影响，对板材装夹精度要求较高，因此对焊缝前期裁剪、打磨精度要求较高，增加了加工成本。
(3)激光自熔焊接的间隙容错能力较差，焊缝前期加工精度和设备精度问题易导致焊缝成形较差，大幅度降低焊接接头的力学性能。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明提供一种核主泵屏蔽套的激光填丝焊接方法。
通过在激光焊接平台上增加送丝环节组成激光填丝焊接系统，进行核主泵屏蔽套的激光填丝焊接；所述的激光焊接平台中光纤将固体脉冲激光器与激光焊接头连接，激光焊接头安装在移动架上，激光焊接头上安装有CCD在线监测系统，CCD在线监测系统十字标线中心与激光焊接头输出激光中心重合，导气喷嘴固定在移动架上。
本发明的技术方案：
一种核主泵屏蔽套的激光填丝焊接方法，基于激光填丝焊接系统完成；通过在激光焊接平台上增加送丝系统组成激光填丝焊接系统；所述的激光焊接平台中光纤将固体脉冲激光器与激光焊接头连接，激光焊接头安装在移动架上，激光焊接头上安装有CCD在线监测系统，CCD在线监测系统十字标线中心与激光焊接头输出激光中心重合，导气喷嘴固定在移动架上；
利用激光填丝焊接系统对核主泵屏蔽套进行焊接，所述的激光填丝焊接系统中送丝嘴固定在送丝嘴调整机构上，送丝嘴调整机构安装在移动架上，实现与激光焊接头的同步运动。步骤如下：
1)根据核主泵屏蔽套的尺寸要求，对核主泵屏蔽套薄板进行下料精剪、弯卷成筒并固定在专用夹具上，保证核主泵屏蔽套薄板对接间隙为0～0.55mm；
2)选择直径为0.5～0.6mm的ERNiCrMo-4焊丝，装入送丝机，同时选择0.55～0.75mm内径的送丝嘴；
3)调整移动架使CCD在线监测系统十字标线中心与薄板对接中心线在同一直线上，保证可以在线观察光丝相对位置；
4)选择合适的送丝方式，调整送丝嘴调整机构，保证一定的焊丝伸出长度、焊丝高度和光丝间距；
5)调整激光填丝焊接系统的焊接工艺参数：脉冲频率60～100Hz、平均功率45～135W、激光重叠率80～90％、送丝速度300～450mm/min、焊接速度与送丝速度比值0.5～1.5、导气喷嘴距离熔池25～35mm；
6)同时启动激光器和送丝机，使移动架带动激光焊接头和送丝嘴按设定程序自动进行核主泵屏蔽套填丝焊接。
本发明步骤A中所述的核主泵屏蔽套的尺寸要求：壁厚0.5～0.7mm、长度1000～4500mm、直径500～700mm。
本发明步骤D中所述的送丝方式为前置送丝。
本发明步骤D中所述的焊丝伸出长度为2～4mm，焊丝高度即焊丝端部与薄板对缝上表面距离为0～0.05mm，光丝间距为0.2～0.6mm。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用激光填丝焊接，间隙容错能力强，降低了薄板下料精剪的精度要求。
(2)本发明采用激光填丝焊接，保证了焊缝具有一定的正余高，强化了焊缝强度，有利于保证屏蔽套的设计寿命。
(3)本发明采用焊接热源为脉冲激光，相比于其他热源，具有能量集中、热输入小等特点，可以获得近无热影响区、晶粒较为细密的焊接接头，对材料的力学、腐蚀性能影响较小，并且获得的焊接接头变形较小，可以实现核主泵屏蔽套的近无缺陷高精度焊接成形。
附图说明
图1为本发明方法所用装置示意图。
图中：1脉冲激光器；2光纤；3CCD在线监测系统；4激光焊接头；5移动架；6导气喷嘴；7保护气；8激光束；9焊缝；10核主泵屏蔽套；11专用夹具、12送丝嘴；13送丝嘴调整机构；14送丝机；15送丝软管。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种核主泵屏蔽套的激光填丝焊接方法，利用激光填丝焊接系统对核主泵屏蔽套10进行焊接，所述的激光填丝焊接系统包括固体脉冲激光器1、光纤2、CCD在线监测系统3、激光焊接头4、移动架5、导气喷嘴6、专用夹具11、送丝嘴12、送丝嘴调整机构13、送丝机14。所述的光纤2将固体脉冲激光器1与激光焊接头4连接，激光焊接头4安装在移动架5上，激光焊接头4上安装有CCD在线监测系统3，CCD在线监测系统3十字标线中心与激光焊接头4输出激光中心重合，送丝嘴12固定在送丝嘴调整机构13上，送丝嘴调整机构13安装在移动架5上，实现与激光焊接头的同步运动。
本发明实施例要求：核主泵屏蔽套10壁厚0.5mm、长度4000mm、直径600mm，焊丝直径0.5mm，送丝嘴内径0.55mm，采用Nd：YAG固体脉冲激光器1进行核主泵屏蔽套10的激光填丝焊接，具体的填丝焊接步骤如下：
A.根据核主泵屏蔽套10的尺寸要求，对Hastelloy C-276薄板进行下料精剪、弯卷成筒并固定在专用夹具11上，保证对接间隙在0～0.55mm范围内、夹紧距离为4mm、夹紧力为50kg/cm，装夹好后用丙酮溶液对被焊区域进行清洗并吹干残留溶液；
B.将所选ERNiCrMo-4焊丝装入送丝机14；
C.调整移动架5使CCD在线监测系统3十字标线中心与薄板对缝中心线在同一直线上；
D.选择前置送丝方式，调整送丝嘴调整机构13，使焊丝伸出长度为3mm，焊丝高度为0，光丝间距为0.3mm；
E.选择激光填丝焊接系统的焊接工艺参数：脉冲频率60Hz、平均功率75W、光斑直径0.6mm、激光重叠率84.7％、送丝速度350mm/min、焊接速度与送丝速度比值为1、单位长度焊丝获得激光能量12.9J/mm、送丝角度35°；
F.使用纯度为99.99％氩气作为保护气对焊缝正反面进行保护，焊缝上表面采用侧吹方式，导气喷嘴6距离熔池30mm，气压为0.06MPa，焊缝下表面通过专用焊接工装进行保护，气压为0.03MPa。
G.同时启动激光器1和送丝机14，利用移动架5带动激光焊接头4和送丝嘴12按设定路径自动进行核主泵屏蔽套10填丝焊接。

Claims (2)

1.一种核主泵屏蔽套的激光填丝焊接方法，基于激光填丝焊接系统完成，其特征在于，在激光焊接平台上增加送丝系统组成激光填丝焊接系统，所述的激光焊接平台中光纤将固体脉冲激光器与激光焊接头连接，激光焊接头安装在移动架上，激光焊接头上安装有CCD在线监测系统，CCD在线监测系统十字标线中心与激光焊接头输出激光中心重合，导气喷嘴固定在移动架上；
利用激光填丝焊接系统对核主泵屏蔽套进行焊接，所述的激光填丝焊接系统中送丝嘴固定在送丝嘴调整机构上，送丝嘴调整机构安装在移动架上，实现与激光焊接头的同步运动；步骤如下：
1)根据核主泵屏蔽套的尺寸要求，对核主泵屏蔽套薄板进行下料精剪、弯卷成筒并固定在夹具上，保证核主泵屏蔽套薄板对接间隙为0～0.55mm；
2)选择直径为0.5～0.6mm的焊丝，装入送丝机，同时选择0.55～0.75mm内径的送丝嘴；
3)调整移动架使CCD在线监测系统十字标线中心与薄板对接中心线在同一直线上，保证在线观察光丝相对位置；
4)选择前置送丝的送丝方式，调整送丝嘴调整机构，保证焊丝伸出长度为2～4mm，焊丝高度即焊丝端部与薄板对缝上表面距离为0～0.05mm，光丝间距为0.2～0.6mm；
5)调整激光填丝焊接系统的焊接工艺参数：脉冲频率60～100Hz、平均功率45～135W、激光重叠率80～90％、送丝速度300～450mm/min、焊接速度与送丝速度比值0.5～1.5、导气喷嘴距离熔池25～35mm；
6)同时启动激光器和送丝机，使移动架带动激光焊接头和送丝嘴按设定程序自动进行核主泵屏蔽套填丝焊接。
2.根据权利要求1所述的激光填丝焊接方法，其特征在于，所述的核主泵屏蔽套的壁厚0.5～0.7mm、长度1000～4500mm、直径500～700mm。
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