CPR1000反应堆堆内构件钴基合金堆焊的质量控制

■ 王官龙

1.概述

堆内构件是CPR1000反应堆的主要设备之一，安装于反应堆压力容器内部，为燃料组件提供支承和固定作用。堆内构件通过键槽方式进行径向限位并防止设备周向旋转，从而实现对燃料组件的精确定位。为实现设备整个寿期保持定位的精确性，要求配合面具有良好的耐磨性及耐腐蚀性能，配合部件同时应有足够的韧性。钴基合金具有良好的耐磨性及耐腐蚀性能，但韧性不佳，在不锈钢基材表面进行钴基合金堆焊，既可满足配合部件的整体韧性，同时确保配合面良好的耐磨效果。钴基合金堆焊难度大，容易出现焊接缺陷，是堆内构件制造的难点之一。

表1 Z2CN19-10控氮不锈钢化学成分（质量分数） （%）

表2 钴基合金ERCoCr-A化学成分（质量分数） （%）

2.焊接性分析

需要进行钴基合金堆焊的部件基材为Z2CN19-10控氮不锈钢，化学成分如表1所示，用于堆焊的钴基合金焊材为ERCoCr-A，其化学成分如表2所示。钴基合金含C量较高，在P、S等有害杂质作用下，容易形成低熔化合物FeS、Fe3P或共晶体FeS-Fe、Fe3P-Fe，裂纹倾向高。在不锈钢基材上堆焊钴基合金，属于异种钢堆焊，母材与堆焊层的线膨胀系数差异大，焊接过程中，加热和冷却存在不均匀性，存在较大的焊接应力，将加重裂纹倾向。钴基合金流动性及浸润效果不佳，容易出现未熔合、咬边、气孔及夹杂物等缺陷。综上，钴基合金堆焊焊接性差，需要通过合适的工艺及严格的过程控制，方可获得满足要求的焊接产品。

3.钴基合金堆焊检测要求

钴基合金堆焊前，对基材待焊面应按照RCC-M MC4000进行PT检测，待焊面不得有任何显示。钴基合金堆焊完成后，应对堆焊面进行PT检测，焊缝不得有任何开裂、裂纹、未熔合、夹渣和夹钨，不得有任何线性显示，不得有＞1.5mm的圆形显示。对堆焊层最终机加后，需要再次对堆焊区域进行PT检测，不得有任何线性显示及＞3mm的圆形显示。虽然对钴基合金堆焊焊缝无需进行UT、RT等检测，但最终机加工后的PT检测，将可能导致内部缺陷表面化，而出现PT检测不合格。如果最终机加后PT检测发现缺陷，将增大缺陷处理难度。图1为最终机加工后PT发现的堆焊层缺陷。

图1 机加工后PT发现堆焊层缺陷

为了验证产品堆焊层硬度及内部质量是否满足要求，在产品焊接时，需同步设置产品焊接见证件，焊接见证件的焊工及焊接工艺应与产品焊缝完全一致。除了进行与产品焊缝相同的检验外，还需要在见证件堆焊层样进行硬度检测及宏观金相检测，硬度平均值要求为39～47HRC，宏观金相检测不允许有裂纹、未熔合及其他线性缺陷。一旦出现见证件不合格，则需要对整批产品进行报废处理。

4.钴基合金堆焊工艺

堆内构件需要进行钴基合金堆焊的堆焊面小，质量要求高，而钨极氩弧堆焊具有可见度好、电弧稳定、飞溅少等优点，同时手工钨极氩弧堆焊熔深浅、稀释率低，操作灵活方便，堆焊层容易控制。堆内构件的钴基堆焊一般采用手工钨极氩弧焊，具体焊接工艺必须提前按照RCC-M S3000完成焊接工艺评定。表3为钴基合金堆焊参数。

在焊接过程中，起弧、收弧位置出现缺陷的几率较高，特别是收弧位置极易出现弧坑裂纹。所以应设置引熄弧板，焊接完成后将引熄弧板去除，可以有效提高产品质量。引熄弧板材料应选择与母材相同的材质。

表3 钴基合金堆焊参数

5.钴基合金堆焊的质量控制

由于钴基合金堆焊难度大，质量要求高，为了保证钴基合金堆焊的质量，应对焊接的全过程进行严格控制。主要包括：人员控制、环境控制、焊前准备及焊接过程控制等。

（1）人员控制 钴基合金堆焊采用手工钨极氩弧焊，焊接质量对焊工的技能依赖度高，需要挑选技能优异的焊工，提前进行培训、练习，并按照HAF-603完成焊工考试后才可以实施产品焊接工作。

（2）环境控制 钨极氩弧堆焊属于气体保护焊，需要在焊接过程中严格防风，应选择相对封闭的场所，且不能开启风扇，以免影响气体保护效果。施焊场所还需要保持足够清洁，不能有粉尘、打磨飞溅等，以免产生焊接夹杂物。

（3）焊前准备 焊接前应确保母材待焊面加工平整，表面粗糙度满足Ra3.2μm要求，PT检测无任何显示，所有异物清理干净。焊接设备处于正常的工作状态，且各项参数设置在规范要求内。焊丝牌号及规格应与规范要求一致，且无油污、水分及其他可能影响焊接质量的杂质。

（4）焊接过程控制 钴基合金堆焊的裂纹倾向极高，为了有效避免焊接裂纹，需要较高的预热温度（350～420℃）。严格控制预热温度及层间温度对保证焊接质量至关重要，具体执行方式为：焊前采用炉内整体预热，可以使工件预热充分，同时保持工件温度的均匀性。施焊过程中，设置电加热器便于随时为工件进行加热升温；为了尽可能减少热量散失及热辐射对焊工的影响，可用石棉将工件包裹，仅保持待焊面外露（见图2）；每焊一道检查工件温度，一旦发现温度低于370℃，则需启动电加热器进行加热升温。焊接工作完成后，立即进炉进行后热处理，后热温度为350～420℃，保温60min，出炉后用云母石掩埋实现缓慢冷却。

图2 钴基合金堆焊工件布置

钴基合金流动性差，浸润效果不佳，容易出现焊接未熔合。钴基合金硬度极高，焊道清理难度大，加之较高的预热温度也增加了焊道清理的难度。如果焊道清理不彻底将增大未熔合的几率。 因此每道焊接前，需要将焊瘤、飞溅、咬边等容易导致未熔合的因素彻底清理排除，以减少产生未熔合的几率。

在施焊过程中，在保证充分熔合的情况下，应尽量减少母材熔化深度，以减少稀释率，避免堆焊层表面硬度不合格。

6.结语

堆内构件的钴基合金堆焊属于异种金属堆焊，由于钴基合金的焊接性能差，堆焊难度大，所以是堆内构件制造过程中的难点之一。本文针对钴基合金堆焊的工艺特性，分析了影响焊接质量的因素，并提出了控制焊接质量的措施，可减少焊接缺陷产生的几率，对提高钴基合金堆焊质量具有一定的指导作用。