控制棒驱动机构钩爪及连杆自动氩弧堆焊关键技术及装置研发

2017-02-10王德斌史骁辰

制造业自动化 2017年1期

关键词：控制棒堆焊连杆

王德斌，刘刚，王丰，史骁辰，周文

（1.上海核工程研究设计院，上海 200233；2.北京雷蒙赛博机电技术有限公司，北京 101407）

控制棒驱动机构钩爪及连杆自动氩弧堆焊关键技术及装置研发

王德斌1，刘刚1，王丰1，史骁辰1，周文2

（1.上海核工程研究设计院，上海 200233；2.北京雷蒙赛博机电技术有限公司，北京 101407）

以控制棒驱动机构钩爪和连杆的自动氩弧堆焊技术为主要对象，在对钩爪及连杆的功能和性能要求以及成型工艺分析的基础上，通过研制专用的自动氩弧堆焊装置及配套堆焊制造工艺，采用自动氩弧堆焊技术制造钩爪，样件通过1000万次的耐磨性能试验，验证了堆焊钩爪及连杆满足性能要求，从而确保控制棒驱动机构安全可靠运行。该研究开发了小孔、齿面弧形多层自动化堆焊工艺技术和适用于钩爪及连杆堆焊的专用自动化焊接装置，实现自动化堆焊，焊接质量稳定、效率高、经济性好。

控制棒驱动机构；钩爪及连杆；自动氩弧堆焊技术；耐磨性能试验

0 引言

在压水堆中，控制棒驱动机构（CRDM）的作用是在垂直方向定位控制棒组件。通过CRDM改变或保持控制棒组件的位置，实现反应堆的启停、反应堆正常运行中调节或维持堆芯的功率水平以及在事故工况下的快速停堆。控制棒驱动机构简图如图1所示，每台驱动机构有2组钩爪，每组钩爪由三套钩爪、销轴和连杆组成。上面一组钩爪为可动钩爪，即该组钩爪除了能通过摆动进出驱动杆齿槽，还可以做上下升降一步的步跃运动；下面一组钩爪为固定钩爪，固定钩爪只能做进出驱动杆环齿槽的动作，并可略有上下间隙窜动。钩爪与驱动杆的齿槽啮合设计是不自锁的，当所有电磁工作线圈供电切断时，驱动杆连带控制棒组件便能在重力作用下快速脱开钩爪而下落。钩爪的寿命直接影响驱动机构的寿命。

图1 控制棒驱动机构结构简图

本研究来源于国家重大专项课题“AP1000核岛重大设备设计技术研究”（课题编号：2010ZX06001-002），通过研制专用的自动氩弧堆焊装置及配套堆焊制造工艺，采用机械性能优良的304LN作为钩爪基体，并在钩爪齿面及销孔等摩擦部位自动氩弧堆焊钴基合金，使钩爪兼顾良好的韧性和耐磨性，确保控制棒驱动机构安全可靠运行；同时通过大大减少活化材料的使用，进而大大降低二次激发辐射剂量。采用自动氩弧堆焊，工艺稳定可靠，堆焊层化学成分稳定，整体热输入低，热变形和热应力小，易实现自动化批量生产。

1 产品性能及成型工艺分析

CRDM运行可靠性、步跃寿命提升很大程度依赖于钩爪部件，同时先进堆型的电厂负荷跟踪的需求，对钩爪部件寿命提出更高要求；此外CRDM性能指标显著提升，这对钩爪部件可靠性提出更为严苛要求。

钩爪及连杆做为钩爪部件的关键零部件，其性能对机构的寿命和运行可靠性至关重要。每套驱动机构有两组钩爪组成，每组钩爪由3套钩爪、销轴和连杆组成。综合分析功能要求和运行环境，钩爪应具备良好的耐磨性和一定的冲击性能。

现阶段钩爪的成型工艺，主要有两种方式：整体铸造钩爪和氧乙炔堆焊钩爪。整体铸造钩爪是采用Stellite6合金整体铸造，其优点为成型工艺较为简单，可控性强，易于批量生产；缺点为钴合金耐冲击性能较差；且整体为钴合金，增加了堆内钴元素的含量。氧乙炔堆焊钩爪是在奥氏体不锈钢基体（304LN）表面堆焊钴基合金。其优点实减少了钴元素在整个产品中的成分占比，在保障表面耐磨性能的前提下，兼顾了韧性。缺点是氧乙炔堆焊手工操作，工艺可控性弱，产品一致性差，难以实现自动化，人为不可控因素较多，具有成品率较低的技术缺陷；易导入C、H等化学元素，使得堆焊层的化学成分难以控制；对母材的预热温度和预热均匀性要求非常高。

面对目前的技术现状，很有必要创新性开发一种新的技术、新的工艺。即研发适用于小孔堆焊、工艺稳定可控、易于检测、可实现钩爪及连杆自动化批量生产的堆焊工艺及装置，该新技术需具有可靠性和经济性、整体寿命提高等优势。经大量试验和摸索，创新性的提出自动氩弧堆焊（TIG）钩爪及连杆。

2 自动氩弧堆焊技术研究

2.1 自动氩弧堆焊技术方案

采用机械性能优良的304LN控氮不锈钢作为钩爪基体，使用专用装置在钩爪齿面及销孔等摩擦部位自动氩弧堆焊硬度高的Stellite6钴基合金，使钩爪兼顾良好的韧性和耐磨性。针对上述技术方案，需对钩爪及连杆的结构进行创新设计。图2和图3为适用于自动氩弧堆焊新技术新工艺的创新结构设计，图中黑色部分为堆焊部位。

图2 堆焊钩爪结构设计

图3 堆焊连杆结构设计

钩爪结构设计上创造性地采用了母材嵌入堆焊层钩齿的结构。母材与堆焊层的接触面积增大，两种材料的结合强度提高。由于齿面堆焊层厚度更均匀，齿面堆焊层的工艺稳定性和机械性能都进一步提高。

堆焊主要的技术难度在于小孔的小电流自动化堆焊。分析堆焊的钩爪的结构特点，如图4所示，其一大难点就是小孔的堆焊可实施性和可达性。此小孔堆焊层宽度2.25mm，深度25mm，堆焊后的小孔直径仅有9.5mm。需开发定型的小孔小电流自动化堆焊技术、多层堆焊工艺，保证堆焊层化学成分的稳定性和质量的可靠性。此外采用自动氩弧堆焊技术研制的钩爪及连杆的具体参数及指标应满足相关技术要求。研制完成的堆焊专用自动化焊接装置应满足焊接工艺规范中对焊接参数的要求。其中较重要的技术指标为：堆焊材料推荐使用ERCoCr-A或Stellite6，硬度值应达到HRC42～45；堆焊后最终机加工前表面硬度值需达到HRC42～45。

图4 小孔堆焊示意图

2.2 Stellite6焊丝的焊接性能分析

用Stellite6焊丝熔敷的堆焊层金属的特征是一个由大约13%共晶碳化铬以网状分布在Co-Cr-W固溶基体中的超共晶结构。该结构使材料具有抵抗低应力磨损和抗某种程度冲击所需的综合性能。其也具有良好的抵抗金属对金属磨损的能力。基体的高合金含量也提供了良好的抗腐蚀、抗氧化和在最高为650℃工作温度下的红硬性。这些合金不发生同素异形转变，因此对基体进行热处理，不会失去他们的性能。根据ASME SFA-5.13 得到Stellite6焊丝的AWS类别为：ECoCr-A。ECoCr-A焊丝堆焊的典型硬度值为：HRC23-47。因此，为了获得HRC42-45这个的硬度范围，必须合理控制焊接电流、焊接速度、预热温度、层间温度、保温温度、保温时间等各者之间的关系。

2.3 堆焊层硬度研究

根据304L控氮不锈钢和Stellite6焊丝的化学成分和力学性能，进行了试件的单层堆焊。从硬度分布结果来看，单层堆焊的堆焊层硬度值不均匀，且平均硬度值低，稳定性差，无法满足堆焊层的硬度要求。分析原因主要是母材基体为304LN不锈钢，硬度值较低；焊材为Stellite6合金，硬度值较高。母材密度低于焊材密度，由于母材稀释的原因，单层堆焊的硬度值低。后采用减小焊接电流和焊丝直径的多层堆焊工艺堆焊，均值满足HRC42-45的要求，且硬度分布均匀，如图5所示。

图5 多层堆焊硬度分布图

2.4 防止堆焊层产生裂纹的研究

钴基合金属于硬质合金，堆焊时易产生裂纹。应采取焊前预热，焊后保温缓冷，合理的焊接工艺参数等措施，避免产生裂纹。若预热温度过低，将使堆焊初期堆焊层冷却速度过快，易产生裂纹。层间温度过高会引起热影响区晶粒粗大，使304L控氮不锈钢基体的冲击韧性下降，若层间温度低于预热温度则可能在堆焊过程中产生裂纹，因此层间温度需稍高于预热温度。堆焊后的冷却速度过快，堆焊层将会因为温度骤降产生裂纹。降低堆焊层的冷却速度，使工件能均匀缓慢冷却下来，从而减少产生裂纹的倾向。

经过分析、计算、实验，制定了在304L控氮不锈钢基体上堆焊Stellite6合金的堆焊工艺规范，并研制了堆焊专用自动化装备，由小孔堆焊装置和齿面堆焊装置两套装备组成。最终堆焊样件实际性能指标满足所有技术指标要求，堆焊层机加工后液体渗透检验均未发现技术文件规定的缺陷存在。图6为堆焊钩爪结构示意图。