CN110465728A - 大功率屏蔽式核主泵c型密封结构部件重复焊接工艺 - Google Patents

Abstract

一种大功率屏蔽式核主泵C型密封结构部件重复焊接工艺，属于核电装备制造及维修领域。通过超声冲击预处理，为热影响区经历重复焊接热循环时发生再结晶提供驱动力，保证了热影响区优先发生再结晶而不是原有晶粒继续长大；小电流、大焊速、多道焊工艺使再结晶热影响区组织构成为奥氏体+铁素体双相，Cr在铁素体中扩散速度比在奥氏体中快，因此，铬较快地扩散至铁素体相周围，减轻了奥氏体晶界贫铬现象；超声冲击去应力后处理可有效降低C型密封大尺寸环形角焊缝结构应力和焊接残余应力；该焊接工艺提及的塑性变形预处理和去应力后处理均利用便携式超声冲击设备完成，非常适合大功率屏蔽式核主泵C型密封结构部件焊接现场操作。

Description

大功率屏蔽式核主泵C型密封结构部件重复焊接工艺

技术领域

本发明涉及一种大功率屏蔽式核主泵C型密封结构部件重复焊接工艺，属于核电装备制造及维修领域。

技术背景

AP1000大功率屏蔽式核主泵的泵壳和屏蔽电机是分体式结构，即泵壳和电机分别在工厂制造，然后运至核电站现场进行安装。在现场安装过程中，泵壳和屏蔽电机法兰通过高强螺栓连接，同时为了防止冷却剂泄露，在泵壳和屏蔽电机法兰连接处采用C型密封环结构来密封连接边界。密封边界对于核反应堆的安全、可靠地运行起着至关重要的作用。C型密封环分别与泵壳和电机法兰形成上下两条直径约为1160 mm环形角焊缝，焊脚尺寸约6.2mm，C型密封环结构部件材质为奥氏体不锈钢304N。核岛内的大功率屏蔽式核主泵功能是循环泵送高温高压高辐射冷却介质，满足60年设计服役期，极端工况服役，高可靠性等诸多要求，运行过程中核主泵必要的检修、维护是不可或缺的，这就要求C型密封环结构部件可以重新打开和能够重复焊接，打开次数依据检查周期和维修需要决定。

C型密封环结构部件经历重复焊接热循环热影响区奥氏体晶粒长大粗化，过饱和的碳向晶粒晶界扩散，在晶界附近与铬结合成(Cr,Fe)₂₃C₆碳化物，并在晶界沉淀析出，形成晶粒边界附近的贫铬现象，部件材料强度、应力腐蚀、晶间腐蚀、蠕变和疲劳等综合性能会因焊缝热影响区微观组织改变而发生恶化。因为泵壳整体的不可更换性，所以抑制C型密封环结构部件焊接热影响区微观组织有害转变，从而保证性能满足设计规范要求是重复焊接得以实施的基本条件。

消除奥氏体不锈钢焊接热影响区危害的传统做法有:降低母材碳元素含量，母材中加入Ti、Nb等与碳的亲和力比铬强的元素抑制贫铬现象（工程科学学报，2019年，第41卷，第7期，第889页），采取小规范（小电流、大焊速）、多道焊工艺措施抑制晶粒长大（上海交通大学学报，2012年，第16卷，第9期，第113页）。304N奥氏体不锈钢以其优异的耐蚀性、良好的力学性能及加工成型性成为AP1000大功率屏蔽式核主泵C型密封环结构部件所采用材料，其化学成分有严格的ASTM标准限定，且结构部件成品由供应商提供，改变化学成分做法不适用。仅仅采用小规范、多道焊的焊接工艺亦不能消除多次重复焊接对热影响区带来的晶粒长大驱动累积效应。因此，设计满足大功率屏蔽式核主泵C型密封环结构部件工程实践要求的重复焊接工艺是十分必要的。

发明内容

鉴于大功率屏蔽式核主泵C型密封环结构部件重复焊接存在的技术难题，本发明提供一种大功率屏蔽式核主泵C型密封结构部件重复焊接工艺，该焊接工艺对C型密封环结构部件待焊接部位及焊后焊缝通过超声冲击后处理，有效抑制了C型密封环结构部件焊接热影响区微观组织有害转变，消除大型角焊缝固有的结构应力及残余应力，从而保证了重复焊接性能满足设计规范要求。

本发明采用的技术方案是：一种大功率屏蔽式核主泵C型密封结构部件重复焊接工艺采用的步骤如下：

（a）在待焊接部位表面，打磨去除泵壳、电机法兰及C型密封环已有熔覆金属；

（b）对待焊接部位表面去脂、去污清洁后，使用的超声冲击枪为内藏19针式，冲击头尺寸为φ19mm，基于DSP的数字方式控制，在待焊接部位表面超声冲击塑性变形预处理和超声冲击去应力处理；超声冲击枪电源为220V/50Hz，电流2.64-3.80A，振幅45.0-75.5µm，频率为18.7-18.8kHz，沿着加工环形面移动速度为15.5-28.5 mm/min，冲击头加工轨迹形成闭合环后，垂直于移动方向横向进给7mm，重新开始，直至完成待焊接环形面部位全覆盖；

（c）将泵壳、电机法兰及C型密封环吊装安放于装配位置并固定，利用自动钨极氩弧焊机系统采用焊接电流220-280 A，焊接速度80-120 mm/min，分7道次实施环形角焊缝焊接；

（d）焊接完毕，对焊缝实施超声冲击去应力处理；超声冲击枪电源为220V/50Hz，电流2.20-2.80A，振幅35.0-55.5µm，频率为18.7-18.8kHz，沿着角焊缝环向移动速度为160.5-172.5 mm/min，冲击头加工轨迹形成闭合环后，垂直于移动方向横向进给7mm，重新开始，直至完成角焊缝整体覆盖。

本发明的有益效果是：通过超声冲击预处理在泵壳、电机法兰及C型密封环待重复焊接表面产生与热影响区深度相当的塑性变形区，为热影响区经历重复焊接热循环时发生再结晶提供驱动力，保证了热影响区优先发生再结晶而不是原有晶粒继续长大；小电流、大焊速、多道焊工艺使再结晶热影响区组织构成为奥氏体+铁素体双相，Cr在铁素体中扩散速度比在奥氏体中快，因此，铬较快地扩散至铁素体相周围，减轻了奥氏体晶界贫铬现象；超声冲击去应力后处理可有效降低C型密封大尺寸环形角焊缝结构应力和焊接残余应力；该焊接工艺提及的塑性变形预处理和去应力后处理均利用便携式超声冲击设备完成，非常适合大功率屏蔽式核主泵C型密封结构部件焊接现场操作。

附图说明

图1为核主泵C型密封结构示意图。

图2为核主泵C型密封结构部件待焊接部位超声冲击微观组织照片。

图3为核主泵C型密封结构部件热影响区7道次焊接热循环温度曲线

图4为核主泵C型密封结构部件重复焊接热影响区电镜照片。

具体实施方式

下面实施例结合附图，对大功率屏蔽式核主泵C型密封环结构部件重复焊接工艺进行阐述。

图1是C型密封结构示意图，大功率屏蔽式核主泵C型密封环结构部件重复焊接3次，每次重复焊接前均利用角磨机切开C型密封结构焊缝，打磨去除泵壳、电机法兰及C型密封环连接面上的熔覆金属，拆卸过程避免伤及母材。

对待焊接部位表面作常规的清洁处理，去除表面的油污和杂质。

待焊接部位施加超声冲击预处理，优选的参数为振幅45.0-75.5 µm，电流2.64-3.80A，频率为18.7-18.8kHz，沿着加工环形面移动速度15.5-28.5 mm/min，冲击头加工轨迹形成闭合环后，垂直于移动方向横向进给7mm，重新开始，直至完成待焊接环形面部位全覆盖。图2是核主泵C型密封结构部件待焊接部位有无超声冲击微观组织对比照片,可以明显看到经过超声冲击处理后表面晶粒内部存在大量超声冲击塑性变形产生的孪晶和滑移线。

超声冲击处理后，将泵壳、电机法兰及C型密封环吊装安放于装配位置并固定。利用自动钨极氩弧焊机系统采用电流220-280 A，焊接速度80-120 mm/min，分7道次实施环形角焊缝焊接。图3是核主泵C型密封结构部件热影响区7道次焊接热循环温度曲线，从图中可以看到，不同焊接道次热影响区峰值温度分别是1314 ℃，1290 ℃, 945 ℃, 843 ℃, 768℃, 695 ℃ 和677 ℃，规律是随着焊接道次增加，峰值温度逐渐降低。图4为核主泵C型密封结构部件重复焊接热影响区电镜照片,其中，（a）为初次焊接，（b）为第一次重复焊接，（c）和（d）分别为第二次重复焊接和第三次重复焊接。可以发现热影响区晶粒尺寸和微观组织形貌基本保持一致，晶粒尺寸约45.5 μm，相组成是奥氏体+少量铁素体。

焊接完毕，对焊缝实施超声冲击消除大环形焊缝结构应力和残余应力，优选的参数为振幅35.0-55.5µm，电流2.20-2.80A，频率为18.7-18.8kHz，沿着角焊缝环向移动速度160.5-172.5 mm/min，冲击头加工轨迹形成闭合环后，垂直于移动方向横向进给7mm，重新开始，直至完成角焊缝整体覆盖。力学性能检测发现初次焊接和第一、二、三次重复焊接焊缝抗拉强度分别为550MPa、580MPa、575 MPa、575MPa，屈服强度分别是235MPa、235MPa、265MPa、240 MPa，延伸率分别是32.5%、31.9%、31.2%、29.7%。

Claims (1)

1.一种大功率屏蔽式核主泵C型密封结构部件重复焊接工艺，其特征是：采用的步骤如下：

（a）在待焊接部位表面，打磨去除泵壳、电机法兰及C型密封环已有熔覆金属；

（b）对待焊接部位表面去脂、去污清洁后，使用的超声冲击枪为内藏19针式，冲击头尺寸为φ19mm，基于DSP的数字方式控制，在待焊接部位表面超声冲击塑性变形预处理和超声冲击去应力处理；超声冲击枪电源为220V/50Hz，电流2.64-3.80A，振幅45.0-75.5µm，频率为18.7-18.8kHz，沿着加工环形面移动速度为15.5-28.5 mm/min，冲击头加工轨迹形成闭合环后，垂直于移动方向横向进给7mm，重新开始，直至完成待焊接环形面部位全覆盖；

（c）将泵壳、电机法兰及C型密封环吊装安放于装配位置并固定，利用自动钨极氩弧焊机系统采用焊接电流220-280 A，焊接速度80-120 mm/min，分7道次实施环形角焊缝焊接；

（d）焊接完毕，对焊缝实施超声冲击去应力处理；超声冲击枪电源为220V/50Hz，电流2.20-2.80A，振幅35.0-55.5µm，频率为18.7-18.8kHz，沿着角焊缝环向移动速度为160.5-172.5 mm/min，冲击头加工轨迹形成闭合环后，垂直于移动方向横向进给7mm，重新开始，直至完成角焊缝整体覆盖。