CN108581159A - 一种热中子屏蔽用不锈钢板的焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种热中子屏蔽用不锈钢板的焊接方法，包括以下步骤：(1)将高硼不锈钢板和无硼不锈钢板叠放，然后用上电极杆和下电极杆压紧；上电极杆和下电极杆的压紧力方向与高硼不锈钢板和无硼不锈钢板垂直；(2)采用电阻点焊方式进行焊接，焊接时焊点通过冷却水降温；获得热中子屏蔽用不锈钢板。本发明的方法便于操作，生产效率高，产量大，易实现自动化；不需要填充金属及焊剂，不需保护气体；工作环境好，污染少。

Description

一种热中子屏蔽用不锈钢板的焊接方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种热中子屏蔽用不锈钢板的焊接方法。

背景技术

目前随着核工业的发展，为了确保乏燃料处理的安全性，对热中子吸收材料的需求在迅速地增加；高硼不锈钢具有优良的热中子吸收性能、出色的耐蚀性能和力学性能、低廉的成本，所以高硼不锈钢现在已在反应堆控制棒、乏燃料湿式和干式贮存格架、乏燃料运输和贮存容器等核领域得到了广泛地应用；且在核电工业中，高硼不锈钢板一般是和无硼不锈钢板焊接在一起作为乏燃料贮存格架、运输和贮存容器等来使用。

硼元素添加到不锈钢中制备成高硼不锈钢(含硼质量分数大于0.1％)具备良好的热中子屏蔽性，且随着钢中硼含量增加，其热中子吸收能力会随之增强。但是硼含量超过在奥氏体中的溶解度时，会形成低熔点的硼化物共晶，从而显著降低钢的热加工性。添加过量的硼会导致大量B与Fe和Cr结合，沿晶界形成连续网状、硬而脆的(Fe，Cr)₂B型硼化物，割开了奥氏体基体组织，导致不锈钢变得脆且硬，热延性降低，且低熔点共晶硼化物的存在使形成高强度的焊接接头变得比较困难，因此高硼不锈钢板的连接问题限制了其在乏燃料贮存格架等领域的发展。

住友金属工业公司曾在SUS304钢基础上，分别添加0.60％和l.0％的B元素，制备出NAR-304BNI和NAR-304BN3两种不锈钢的热轧带钢后，采用埋弧焊接方法生产圆形焊管，后经冷拔方法制成方形焊管，且通过后续加工满足了核燃料贮存要求；美国Robino等人使用钨极氩弧焊(GTAW)和电子束焊接(EBW)方法评价了304B4A的焊接性能和加工性能，焊缝组织为枝晶状初晶奥氏体和共晶奥氏体/硼化物共晶组织，部分熔融区组织为奥氏体/硼化物共晶组织包围着未熔化的奥氏体岛，电子束焊接接头显微组织比氩弧焊焊接接头组织更加细小，同时在两种焊接工艺的热影响区中未发现硼化物的粗化；两种焊接工艺焊态下的冲击功相对较低，平均值均小于10J；使用埋弧焊和钨极氩弧焊等焊接工艺加工高硼不锈钢的难度较大，难以获得细小弥散硼化物组织，钢中硼化物分布不均，且硼化物易沿奥氏体晶界产生裂纹，对其后续加工以及其热中子屏蔽性能均存在较大的影响。

目前对高硼不锈钢焊接的主要方法有钨极氩弧焊和埋弧焊等；使用埋弧焊对高硼不锈钢焊接时使用的辅助装置较多，如焊剂的输送和回收装置，焊接衬垫、引弧板和引出板等；且对焊剂的要求也较高，生产成本较大；埋弧焊电弧的电场强度较大，电流小于100A时电弧不稳，因而不适于焊接厚度小于1mm的薄板；使用钨极氩弧焊来焊接高硼不锈钢时，焊缝熔深较浅，熔敷速度小，生产率较低；惰性气体氩气较贵，生产成本较高；钨极承载电流的能力较差，且过大的电流会引起钨极熔化和蒸发，污染高硼不锈钢熔池。

发明内容

针对现有热中子屏蔽用不锈钢板在焊接技术上存在的上述问题，本发明提供一种热中子屏蔽用不锈钢板的焊接方法，通过选择电极材料并采用电阻点焊的方法，调整控制焊接参数，解决高硼不锈钢焊接时工艺复杂、生产成本高、冶金过程复杂、焊接时需要焊剂和保护气体等问题，同时可以获得细小、弥散的硼化物组织。

本发明的方法按包括以下步骤：

1、将高硼不锈钢板和无硼不锈钢板叠放，然后用上电极杆和下电极杆压紧；上电极杆和下电极杆的压紧力方向与高硼不锈钢板和无硼不锈钢板垂直；所述的高硼不锈钢的成分按质量百分比为Cr 16.00～19.00％，Ni 9.00～14.50％，Mn 0.20～2.00％，Si 0.20～2.00％，B 0.50～2.25％，其余的为Fe和不可避免杂质；所述的无硼不锈钢的成分按质量百分比为Cr 16.00～19.00％，Ni 9.00～14.50％，Mn 0.20～2.00％，Si 0.20～2.00％，其余的为Fe和不可避免杂质；

2、采用电阻点焊方式进行焊接，焊接时焊点通过冷却水降温；其中焊接时间为0.14～0.22s，焊接电流为7.0～8.0kA；焊接完成后获得热中子屏蔽用不锈钢板。

上述的上电极杆和下电极杆的材质为铬锆铜合金，上电极杆和下电极杆的端面直径为6～10mm。

上述的高硼不锈钢板和无硼不锈钢板的厚度为1～3mm。

上述方法中，上电极杆和下电极杆对高硼不锈钢板和无硼不锈钢板的压力为4.5～5.5kN。

上述方法中，进行焊接时电压为380V，冷却水流量为2～6L/min。

上述方法中，完成焊接后形成的电阻点焊接头的熔核直径为4.5～8.5mm，最大拉剪力为3.2～5.2kN，压痕率为6～15％。

本发明利用无硼不锈钢塑的优良韧性，将其与高硼不锈钢板焊接在一起使用，有利于改善热中子屏蔽用不锈钢板的加工性能；与现有技术相比，本发明具有以下的优点：(1)原理简单，便于操作，可以获得较好的焊接表面质量；(2)焊接的热量集中，完成一个焊接接头的时间极短，焊接变形小；(3)生产效率高，产量大，易实现自动化；(4)冶金过程简单，焊接时不需要填充金属及焊剂，不需保护气体；(5)工作环境好，污染少。

本发明中，电阻点焊接头在凝固过程中形成母材区、热影响区和熔核区，各区显微组织有明显的差别。通过控制电极压力、焊接时间、焊接电流等参数，最终得到无缩孔、无飞溅且表面质量优异的点焊接头。

附图说明

图1为本发明的热中子屏蔽用不锈钢板的焊接方法的电阻点焊示意图，图中：1、无硼不锈钢，2、高硼不锈钢，3、上电极杆，4、下电极杆，5、熔核；

图2为本发明实施例1中的电阻点焊接头形貌图；

图3为本发明实施例2中的电阻点焊接头形貌图；

图4为本发明对比例1中的电阻点焊接头形貌图；

图5为本发明对比例2中的电阻点焊接头形貌图；

图6为本发明实施例1的热中子屏蔽用不锈钢板的显微组织图；

图7为本发明实施例2的热中子屏蔽用不锈钢板的显微组织图；

图8为本发明对比例1的成品板的显微组织图；

图9为本发明对比例2的成品板的显微组织图；

图10为本发明所有实施例与对比例所焊接板材的力-位移曲线图。

具体实施方式

本发明的电阻点焊工作时的结构如图1所示；在压力F条件下将无硼不锈钢1和高硼不锈钢2压紧上电极杆3和下电极杆4之间；利用电流直接流过产生的电阻热使两个钢板的局部加热到熔化或高塑性状态，断电后冷却形成包括熔核5的焊点，从而使接触面连接起来制成热中子屏蔽用不锈钢板。

本发明实施例中压痕率C的计算方法为：

C＝(c’/t)×100％；式中，c’为表面压痕深度，单位mm；t为压痕所在板材的厚度，单位mm。

本发明实施例中采用BX53M型金相显微镜进行显微组织的观察与分析。

本发明实施例中采用WDW-50万能试验机进行拉剪强度的计算和分析。

本发明实施例中的高硼不锈钢板和无硼不锈钢板为热轧酸洗板，除硼、铁和杂质外其他元素成分含量相同。

本发明实施例中采用厚度相同的高硼不锈钢板和无硼不锈钢板进行电阻点焊。

本发明实施例中的铬锆铜合金按质量百分比含Cr 0.1～0.8％，Zr 0.3～0.6％，其余为铜。

本发明实施例中采用的电阻点焊设备为Panasonic的YR-500S型单相电阻点焊机。

实施例1

高硼不锈钢的成分按质量百分比为Cr 16.00％，Ni 14.50％，Mn 0.20％，Si2.00％，B 0.50％，其余的为Fe和不可避免杂质；所述的无硼不锈钢的成分按质量百分比为Cr 16.00％，Ni 14.50％，Mn 0.20％，Si 2.00％，其余的为Fe和不可避免杂质；两者厚度均为2mm；

将高硼不锈钢板和无硼不锈钢板叠放，然后用上电极杆和下电极杆压紧；上电极杆和下电极杆的压紧力方向与高硼不锈钢板和无硼不锈钢板垂直；采用电阻点焊方式进行焊接，焊接时焊点通过冷却水降温；其中焊接时间为0.16s，焊接电流为7.5kA；电压为380V，冷却水流量为3L/min；焊接完成后获得热中子屏蔽用不锈钢板；

上电极杆和下电极杆的材质为铬锆铜合金，上电极杆和下电极杆的端面直径为6mm；

上电极杆和下电极杆对高硼不锈钢板和无硼不锈钢板的压力为4.85kN；

完成焊接后形成的电阻点焊接头的熔核直径为5.18mm，最大拉剪力为3.8kN，压痕率为11％；电阻点焊接头的点焊压痕平整均匀、无裂纹而且压痕深度适中，接头表面和内部无飞溅，无缩孔缺陷，接头断裂形式为熔核剥离；外观形貌如图2所示，显微组织如图6所示，力-位移曲线如图10所示。

实施例2

方法同实施例1，不同点在于：

(1)高硼不锈钢的成分按质量百分比为Cr 19.00％，Ni 9.00％，Mn 2.00％，Si0.20％，B 2.25％，其余的为Fe和不可避免杂质；所述的无硼不锈钢的成分按质量百分比为Cr 19.00％，Ni 9.00％，Mn 2.00％，Si 0.20％，其余的为Fe和不可避免杂质；两者厚度均为2.5mm；

(2)焊接时间为0.18s，焊接电流为7.0kA；冷却水流量为4L/min；

(3)电阻点焊接头的熔核直径为4.8mm，最大拉剪力为3.32kN，压痕率为9％；电阻点焊接头的点焊压痕平整均匀、无裂纹且压痕深度适中，接头表面和内部无飞溅，无缩孔缺陷，接头断裂形式为熔核剥离；外观形貌如图3所示，显微组织如图7所示，力-位移曲线如图10所示。

电极压力为4.85kN，焊接时间为0.18s，焊接电流为7.0kA，冷却水流量为4L/min。最终成品板焊接效果如表1所示。电阻点焊接头熔核直径为4.80mm，压痕率为9％，最大拉剪力为3.32kN。

实施例3

方法同实施例1，不同点在于：

(1)高硼不锈钢的成分按质量百分比为Cr 17.00％，Ni 10.50％，Mn 1.0％，Si1.00％，B 1.25％，其余的为Fe和不可避免杂质；所述的无硼不锈钢的成分按质量百分比为Cr 17.00％，Ni 10.50％，Mn 1.0％，Si 1.00％，其余的为Fe和不可避免杂质；两者厚度均为1mm；

(2)焊接时间为0.14s，焊接电流为8.0kA；冷却水流量为2L/min；

(3)上电极杆和下电极杆的端面直径为8mm；

(4)上电极杆和下电极杆对高硼不锈钢板和无硼不锈钢板的压力为4.5kN；

(5)电阻点焊接头的熔核直径为4.5mm，最大拉剪力为3.2kN，压痕率为6％；电阻点焊接头的点焊压痕平整均匀、无裂纹且压痕深度适中，接头表面和内部无飞溅，无缩孔缺陷，接头断裂形式为熔核剥离。

实施例4

方法同实施例1，不同点在于：

(1)高硼不锈钢的成分按质量百分比为Cr 18.00％，Ni 12.0％，Mn 0.8％，Si1.40％，B 0.85％，其余的为Fe和不可避免杂质；所述的无硼不锈钢的成分按质量百分比为Cr 18.00％，Ni 12.0％，Mn 0.8％，Si 1.40％，其余的为Fe和不可避免杂质；两者厚度均为3mm；

(2)焊接时间为0.22s，焊接电流为7.0kA；冷却水流量为6L/min；

(3)上电极杆和下电极杆的端面直径为10mm；

(4)上电极杆和下电极杆对高硼不锈钢板和无硼不锈钢板的压力为5.5kN；

(5)电阻点焊接头的熔核直径为8.5mm，最大拉剪力为5.2kN，压痕率为15％；电阻点焊接头的点焊压痕平整均匀、无裂纹且压痕深度适中，接头表面和内部无飞溅，无缩孔缺陷，接头断裂形式为熔核剥离。

对比例1

采用不同条件进行对比试验，方法同实施例1，不同点在于：

增大焊接电流为8.5kA；最终成品板的接头断裂形式为熔核剥离，熔核直径为4.01mm，压痕率为16.5％，最大拉剪力为3.18kN；电阻点焊接头的点焊压痕平整均匀、无裂纹但压痕较深，接头的内部有严重飞溅，接头断裂形式为熔核剥离；外观形貌如图4所示，显微组织如图8所示，力-位移曲线如图10所示。

对比例2

采用不同条件进行对比试验，方法同实施例1，不同点在于：

降低压紧压力为4.20kN，降低焊接电流为5.5kA；最终成品板的接头断裂形式为熔核剥离，熔核直径为3.98mm，压痕率为5％，最大拉剪力为2.91kN；电阻点焊接头的点焊压痕平整均匀、无裂纹，但压痕深度较浅，表面及内部无飞溅，但是只有高硼钢一侧出现熔核，而且存在缩孔缺陷，接头断裂形式为界面断裂；外观形貌如图5所示，显微组织如图9所示，力-位移曲线如图10所示。

Claims (6)

1.一种热中子屏蔽用不锈钢板的焊接方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将高硼不锈钢板和无硼不锈钢板叠放，然后用上电极杆和下电极杆压紧；上电极杆和下电极杆的压紧力方向与高硼不锈钢板和无硼不锈钢板垂直；所述的高硼不锈钢的成分按质量百分比为Cr 16.00～19.00％，Ni 9.00～14.50％，Mn 0.20～2.00％，Si 0.20～2.00％，B 0.50～2.25％，其余的为Fe和不可避免杂质；所述的无硼不锈钢的成分按质量百分比为Cr 16.00～19.00％，Ni 9.00～14.50％，Mn 0.20～2.00％，Si 0.20～2.00％，其余的为Fe和不可避免杂质；

(2)采用电阻点焊方式进行焊接，焊接时焊点通过冷却水降温；其中焊接时间为0.14～0.22s，焊接电流为7.0～8.0kA；焊接完成后获得热中子屏蔽用不锈钢板。

2.根据权利要求1所述的一种热中子屏蔽用不锈钢板的焊接方法，其特征在于所述的上电极杆和下电极杆的材质为铬锆铜合金，上电极杆和下电极杆的端面直径为6～10mm。

3.根据权利要求1所述的一种热中子屏蔽用不锈钢板的焊接方法，其特征在于所述的高硼不锈钢板和无硼不锈钢板的厚度为1～3mm。

4.根据权利要求1所述的一种热中子屏蔽用不锈钢板的焊接方法，其特征在于所述的上电极杆和下电极杆对高硼不锈钢板和无硼不锈钢板的压力为4.5～5.5kN。

5.根据权利要求1所述的一种热中子屏蔽用不锈钢板的焊接方法，其特征在于步骤(2)中进行焊接时电压为380V，冷却水流量为2～6L/min。

6.据权利要求1所述的一种热中子屏蔽用不锈钢板的焊接方法，其特征在于完成焊接后形成的电阻点焊接头的熔核直径为4.5～8.5mm，最大拉剪力为3.2～5.2kN，压痕率为6～15％。