钩爪组件小孔钴基合金堆焊技术研制

罗 斌 郑继雷

(成都瑞迪机械实业有限公司 610207)

1 钩爪组件小孔钴基合金堆焊技术研制中的主要内容分析

在核反应堆控制棒驱动系统当中，钩爪组件可以说承担着动作部件的重要工作任务，与此同时，在与连杆堆焊机械加工相配合的过程当中，有关钩爪组件的机械加工技术的研制难度始终维持在较高水平。对于本文所研究钴基合金堆焊技术而言，在技术研制之前，钩爪设计与连杆堆焊设计均已处于定型状态。从这一角度上来说，在整个钩爪组件小孔钴基合金堆焊技术的研制过程当中，需要重点关注的研制内容包括下述几个方面：①.首先，需要通过对钩爪以及连杆堆焊毛坯结构的优化设计方式，剔除因整体过烧问题而对钩爪组件后续运行产生的质量隐患；②.其次，需要通过对氧—乙炔专用焊炬设备的优化设计方式，防止传统氧-乙炔焊炬过程当中可能出现的碳增及焰型无法控制问题；③.再次，需要通过对自动温控系统，也就是专用焊接工装的优化设计方式，确保堆焊作业状态下整个焊接工况的有效性；④.最后，需要通过对堆焊层体积检验方法进行优化设计的方式，确保钩爪齿面能够在各种工况作用下保障其使用性能的稳定性。现针对上述几点问题做进一步的分析与说明。

1.钩爪以及连杆堆焊毛坯结构的优化设计方式分析：考虑到在整个核反应堆控制棒驱动系统当中，钩爪部件以及连杆部件均属于超低碳奥氏体不锈钢工业部件，同时也有着结构尺寸较小的共性，这一特性导致堆焊作业使用氧-乙炔焊接工作模式的过程当中，所焊接生成的钩爪部件以及连杆部件组织晶粒直径过大，甚至可能出现部件整体过烧的问题，上述问题若无法在堆焊过程当中得到有效控制，势必会对钩爪组件的后续运行产生极为不利的影响。从这一角度上来说，对于堆焊毛坯结构的设计无疑有着重要意义。在这一过程当中，齿根倒圆区域作为整个钩爪结构设计中的应力集中区域，在堆焊过程当中无法避免出现一定程度上的疲劳性裂纹，从而在钩爪毛坯结构的优化设计过程当中，将传统意义上的齿根倒圆方式改变为倒椭圆方式，一方面能够实现对集中应力的有效减少，另一方面能够提高齿厚参数，强化整个钩爪组件的耐磨性能。优化设计前后钩爪毛坯结构所对应的基本示意图如下图所示（见图1）。

图1 钩爪堆焊毛坯结构示意图

（a）优化设计前毛坯结构 （b）优化设计后毛坯结构

2.氧—乙炔专用焊炬设备的优化设计方式分析：在现阶段的技术条件支持下，适用于钩爪组件小孔钴基合金堆焊技术研制与应用的氧-乙炔焊炬按照焊炬方式的差异性可以分为两种类型：其一是等压式焊炬；其二是射吸式焊炬。在上述两种焊炬方式当中，又以第二种，即射吸式焊炬的使用更为频繁。相关实践研究同时证实：相对于一般意义上的结构性焊接作业以及工件加热处理而言，射吸式状态下的氧-乙炔焊炬方式能够基本保障应用性能的稳定性。然而不容忽视的一点在于：在应用于1级核电零部件进行焊接加工处理的过程当中，无论是对于射吸式焊炬还是对于等压式焊炬而言，均不同程度上的存在定量增碳以及焰型控制的问题。从而在钩爪组件小孔钴基合金堆焊技术的研制过程当中，应当设计专用型的氧-乙炔焊炬设备，即氧气气体与乙炔在软管作用下传送至焊炬当中，并经由火嘴部件喷出，在燃烧过程当中迅速产生高热热量，从而实现熔切目的。

3.自动温控系统即专用焊接工装的优化设计方式分析：考虑到在钴基合金堆焊过程当中，钩爪结构的特殊性以及堆焊材料的特殊性，要想保障整个堆焊过程当中空间操作位置的有效以及基体母材预热性能的稳定，首要应当保障的即为钩爪部件以及连杆小孔部件堆焊质量能够得到稳定发挥。从这一角度上来说，在整个钩爪组件小孔钴基合金堆焊过程当中，需要通过对专用工装及试验进行设计的方式，剔除传统意义上工件可能在堆焊作业前所出现的自动预热不足问题、过程温度控制失效问题以及焊接位置控制不足等问题，在此过程当中也就能够确保焊接工况的良好性与可靠性。

4.堆焊层体积检验方法优化设计的方式分析：在整个钩爪组件小孔钴基合金堆焊作业的过程当中，机械加工难度最大的工作环节为有关钩爪小孔的堆焊处理。与此同时，从整个核反应堆控制棒驱动系统的实践应用角度上来说，钩爪齿面所对应的使用工况有着极为严格的要求。其中最为突出的一点即在于：钩爪齿面能够在高压及高温环境下，承受来自于驱动棒控制系统所引发的摩擦作用力以及剪切作用力，同时保障整个堆焊层整体质量的稳定性。在当前技术条件支持下，针对各类堆焊层进行体积检验的方式包括两种类型：其一为目视检验方法；其二为渗透检验方法。然而无论是对于上述何种检验方法而言，其检验仅能够局限在对堆焊层表面质量的检验当中，有关堆焊层内部质量的反应并不全面与有效。

2 钩爪组件小孔钴基合金堆焊技术研制过程中的创新点分析

核反应堆控制棒驱动机构中所涉及到的钩爪部件以及连杆部件无疑是整个驱动控制系统中的核心与关键所在。然而在当前技术条件支持下，有关钩爪部件与连杆部件的生产还无法实现真正意义上的国产化。特别是在本文有关钩爪组件小孔钴基合金堆焊技术的研制过程当中，钩爪焊接工艺攻关所面临的最主要难点即体现为钩爪自身所表现出的结构性特点。在钴基合金堆焊技术焊接试验的过程当中，如何最大限度的保障钩爪部件所对应的设计使用结构尺寸能够始终维持在稳定水平下，是整个技术研制的重要内容。从技术研制的角度上来说，钩爪部件小孔焊接是在基本尺寸参数为Φ15.8/Φ12.7×27的小孔中进行厚度参数在1.5～2.5mm单位范围内的钴基合金材料的堆焊处理，与此同时，还需要针对钴基合金材料堆焊过程中的硬度指标予以合理控制，借助于此种方式可有效保障堆焊层表面耐磨性能的稳定发挥，从而使得钴基合金所对应的耐磨性优势以及抗冲击性韧性优势能够得到最为充分的融合。可以说，在钩爪组件小孔钴基合金堆焊技术的研制与应用背景之下，整个国际市场对于核反应堆控制棒驱动机构下属钩爪部件以及连杆部件生产的市场垄断性将得到彻底打破，此项技术的成功研制与应用一方面能够实现对核电厂建造成本的有效控制，提高核电厂设备的国产率，另一方面还能够为国家节约大量的外汇储备开支，同时赢得更为坚实的国际地位。

3 结束语

在当前技术条件支持下，钴基合金所表现出的抗高温、抗腐蚀特性，使其成为了作为理想的耐磨堆焊材料，从而广泛应用于核反应堆控制棒驱动系统钩爪组件与连杆组件的焊接过程当中。然而传统意义上采取奥氏体不锈钢作为堆焊材料的堆焊方式，表现出了较低水平的焊接性能，同时也证实了有关钩爪组件与连杆组件堆焊处理的工作难度。总而言之，本文针对有关钩爪组件小孔钴基合金堆焊技术在研制过程中所涉及到的相关问题做出了简要分析与说明，希望能够为今后相关研究与实践工作的开展提供一定的参考与帮助。

[1] 周芳,侯清宇.等离子电弧熔覆Y2O3/钴基合金的组织结构及耐磨性能[J].稀有金属材料与工程,2008,37(2):294-298.