锆4合金薄壁导向管部件脉冲氩弧焊焊接工艺制造技术

本发明专利技术公开一种锆４合金薄壁导向管部件脉冲氩弧焊焊接工艺，它包括清洁焊件、焊缝装配、焊缝部分的氩气保护和脉冲氩弧焊等步骤。根据焊件特点从焊接热能输入解决焊缝互熔，利用脉冲氩弧焊在脉冲频率、峰值电流、基值电流、占空比及焊接时间等参数进行优化搭配，解决焊缝表面成形和焊缝熔深，从氩气保护方式解决焊缝氧化。其优点是焊缝表面质量和内在质量好，完全满足大型核电元件技术要求，焊接成本低。适用于锆４合金薄壁管材对接环焊。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种核电站反应堆控制棒导向管的焊接工艺，具体说是一种锆4合金薄壁导向管部件脉冲氩弧焊焊接工艺。锆4合金薄壁导向管是大型核电站燃料组件的支承部件，是反应堆控制棒起控制作用的导向部件。为了能与不锈钢制作的上、下管座联接，锆4合金薄壁导向管的两端需焊上带内螺纹的锆4合金薄壁套管和带外螺纹的端塞，构成锆4合金薄壁导向管部件。由于它是作为大型核电元件的支承部件，所以对其焊缝的表面质量和内在质量均有很高的要求。表面质量要求导向管部件全长直线度要满足0.25mm/300mm，焊接后端塞和套管与导向管的同轴度分别小于0.35和0.25mm的跳动，表面不允许有碰痕、凹坑，表面划伤深度小于0.025mm，焊缝表面平整、光滑，端塞焊缝用φ12.28mm过规可自由通过，焊缝及热影响区不允许有针孔、裂纹或咬边等缺陷。焊缝内在质量要求端塞焊缝100％进行X光检验合格，套管焊缝拉伸试验中能经受拉伸力大于5600N，金相检测时，两端焊缝熔深不小于壁厚的90％，不允许有≥0.25mm的气孔存在和影响熔深的气胀，两端焊缝在360℃、18.7MPa的水中腐蚀72小时，所形成的氧化膜为均匀光亮的黑色，不允许出现棕色或灰白色的产物。但是，由于锆4合金导向管部件管壁很薄，壁厚仅为0.35mm～0.45mm，且两端管径不一致，端塞一侧直径为φ12.05mm，套管一侧直径为φ14.92mm，焊缝的形成和熔深难于达到设计要求。而且锆4合金化学活性很强，在400℃加热时开始吸收空气中的氧、氮和氢等气体，从而引起锆的脆化和耐高温、高压水腐蚀性能的降低。尤其是在焊接过程中，其熔点为1800℃，熔融锆的吸气性更强，焊缝中含氧量增至0.5％时即生成脆性化合物，使焊件接头的塑性降低而强度增高，并使其抗高温，高压水腐蚀性能更大大降低。因此锆4合金薄壁导向管部件的焊接还要解决好焊区的保护，避免焊缝氧化。国内过去一直采用真空电子束焊焊接锆合金薄壁管，但由于本专利技术所涉及的锆4合金薄壁导向管部件，其直径较大，两端直径不一致，壁更薄，致使现有的真空电子束焊无法满足要求。目前法国则采用氦弧焊焊接锆4合金薄壁导向管部件，但是我国氦气价格昂贵，其价格是高纯氩气的8～10倍。因此，用氦弧焊焊接成本高，不适合我国情。本专利技术的目的是提供一种焊缝质量高，焊接成本低的锆4合金薄壁导向管部件脉冲氩弧焊焊接工艺。本专利技术是这样实现的一种锆4合金薄壁导向管部件脉冲氩弧焊焊接工艺，它包括如下步骤(1)清洁锆4合金薄壁导向管、端塞和套管；(2)将清洁好的锆4合金薄壁导向管、端塞和套管在压塞机上分别进行上、下端焊缝装配；(3)将装配好的锆4合金薄壁导向管部件焊缝置于通有常流氩的焊接小室内；(4)在焊接小室内，由焊枪喷咀喷出的焊接氩保护焊区对锆4合金薄壁导向管部件进行脉冲氩弧焊；其中，在步骤(1)中，导向管管口用绸布蘸丙酮擦洗，端塞和套管采用超声波清洗；在步骤(2)中，控制压塞力为2300～2350N，使焊缝接头间隙≤0.1mm；在步骤(3)中，由焊接小室底部小孔通入焊接小室内的常流氩流量为5～7L/min，氩气纯度为99.95％～99.99％，通氩气到焊枪喷咀喷出焊接氩时为止；在步骤(4)中，采用的焊枪喷咀内咀直径为9mm，外咀直径为18mm，由焊枪喷咀喷出的焊接氩流量为23～26L/min，氩气纯度为99.95％～99.99％，焊接氩通入时间在起弧前3秒至熄弧后20秒，选用钨电极直径φ=2.0mm，其锥度为30°±1°，极间距为0.4～0.8mm，钨电极位置偏端塞或套管0.05mm，使用的焊接电压为8～9V，焊接电流频率为24～28Hz，对导向管与端塞焊接峰值电流为55～60A，基值电流为20～22A，对导向管与套管焊接峰值电流为45～50A，基值电流为17～19A，脉冲占空比均为1∶1，焊接时间t2=7～9秒，焊接衰减时间t3=3秒，在焊接时间t2内，满值焊接时间t1=3～4秒，缓慢衰减焊接时间t2-t1=4～5秒，衰减电流为△I=3～5A，焊接速度为6.5mm/s。本专利技术根据锆4合金薄壁导向管部件的特点，从焊接热能输入着手，首先解决薄壁管材对接环焊焊缝难以互相熔合形成焊缝问题，然后利用脉冲氩弧焊，在脉冲频率、峰值电流、基值电流和占空比以及焊接时间等参数进行优化搭配，解决了焊缝表面成形和焊缝熔深问题，最后从氩气纯度，氩气保护方式等解决了锆4合金焊接氧化问题，试验研究获得成功，焊缝表面质量和内在质量不仅完全满足大型核电元件技术要求，而且产品合格率指标也比预计值高出4％。本专利技术的显著优点是焊缝质量高，焊接成本低，为我国锆4合金薄壁管材对接环焊提供一种新的工艺方法。现结合附图和实施例对本专利技术做具体描述附图说明图1为锆4合金薄壁导向管部件外形尺寸示意图；图2为焊接电流曲线示意图；图3为焊枪喷咀结构示意图；图4为防止气流反射装置示意图；图5为反射网俯视图。如图1所示，本专利技术涉及的锆4合金薄壁导向管部件包括导向管1、套管2和端塞3，导向管1壁厚0.35～0.45mm，其两端内径分别为φ11.20mm和φ14.02mm，将导向管1的两端分别与套管2和端塞3对接环焊，形成导向管部件，其全长为3899.9mm。锆4合金薄壁导向管部件采用脉冲氩弧焊，其包括如下工艺步骤(1)对导向管、端塞和套管进行严格清洁处理，导向管管口用绸布蘸丙酮擦洗，端塞和套管采用超声波清洗；(2)将清洁好的导向管、端塞和套管在压塞机上分别进行上、下端焊缝装配，控制压塞力为2300～2350N，使焊缝接头间隙≤0.1mm；(3)将装配好的导向管部件焊缝部位置于通有常流氩的焊接小室内，由小室底部小孔通入小室的常流氩流量为5～7L/min，氩气纯度为99.95％～99.99％，通氩气到焊枪喷咀喷出焊接氩时为止；(4)在焊接小室内，由焊枪喷咀喷出焊接氩保护焊区对导向管部件进行脉冲氩弧焊；这里，采用的焊枪喷咀内咀直径为9mm，外咀直径为18mm，焊枪喷咀喷出的焊接氩流量为23～26L/min，氩气纯度仍为99.95％～99.99％，焊接氩通入时间在起弧前3秒至熄弧后20秒，焊接氩与常流氩通入时间为互锁控制。脉冲氩弧焊选用钨电极直径φ=2.0mm，其锥度为30°±1°，极间距为0.4～0.8mm，钨电极位置偏端塞或套管0.05mm，焊接电压为8～9V，焊接电流频率为24～28Hz，对导向管与端塞焊接峰值电流为55～60A，基值电流为20～22A，对导向管与套管焊接峰值电流为45～50A，基值电流为17～19A，导向管两端焊接峰值电流/基值电流均为2.5～3.1，脉冲占空比均为1∶1。焊接电流控制突破常规控制方法。如图2所示，焊接时间t2=7～9秒，其中满值焊接时间t1=3～4秒，缓慢衰减焊接时间t2-t1=4～5秒，衰减电流值△I=3～5A；焊接衰减时间t3=3秒。焊接速度为6.5mm/s，相当于对导向管与端塞焊接时转速为9～10r/min，对导向管与套管焊接时转速为7.5～8.5r/min。试验研究表明，焊缝不熔合主要表现在薄壁管一端在熔化后收缩，形成翻边，使之不能形成焊缝。其原因是焊件接头清洁度不好和接头装配不够紧密所致。如间隙过大，小能量输入的焊接会使焊缝两边少量被熔化的金属接触不上，不能互熔。加之，在焊接电流上升过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锆４合金薄壁导向管部件脉冲氩弧焊焊接工艺，它包括如下步骤： （１）清洁锆４合金薄壁导向管、端塞和套管； （２）将清洁好的锆４合金薄壁导向管、端塞和套管在压塞机上分别进行上、下端焊缝装配； （３）将装配好的锆４合金薄壁导向管部件焊缝部位置于通有常流氩的焊接小室内； （４）在焊接小室内，由焊枪喷咀喷出的焊接氩保护焊区对锆４合金薄壁导向管部件进行脉冲氩弧焊， 其特征在于：在步骤（１）中，导向管管口用绸布蘸丙酮擦洗，端塞和套管采用超声波清洗；在步骤（２）中，控制压塞力为２３００～２３５０Ｎ，使焊缝接头间隙≤０．１ｍｍ；在步骤（３）中，由焊接小室底部小孔通入焊接小室内的常流氩流量为５～７Ｌ／ｍｉｎ，氩气纯度为９９．９５％～９９．９９％，通氩气到焊枪喷咀喷出焊接氩时为止；在步骤（４）中，采用焊枪喷咀内咀直径为９ｍｍ，外咀直径为１８ｍｍ，由焊枪喷咀喷出的焊接氩流量为２３～２６Ｌ／ｍｉｎ，氩气纯度为９９．９５％～９９．９９％，焊接氩通入时间在起弧前３秒至熄弧后２０秒，选用钨电极直径φ＝２．０ｍｍ，钨电极锥度为３０°±１°，极间距为０．４～０．８ｍｍ，钨电极位置偏端塞或套管０．０５ｍｍ，使用的焊接电压为８～９Ｖ，焊接电流频率为２４～２８Ｈｚ，对导向管与端塞焊接峰值电流为５５～６０Ａ，基值电流为２０～２２Ａ，对导向管与套管焊接峰值电流为４５～５０Ａ，基值电流为１７～１９Ａ，脉冲占空比均为１∶１，焊接时间ｔ↓［２］＝７～９秒，其中满值焊接时间ｔ↓［１］＝３～４秒，缓慢衰减焊接时间ｔ↓［２］－ｔ↓［１］＝４～５秒，衰减电流为ΔＩ＝３～５Ａ，焊接衰减时间ｔ↓［３］＝３秒，焊接速度为６．５ｍｍ／ｓ。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张文水，杨帮琼，徐爱红，
申请(专利权)人：国营建中化工总公司，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]