核电用304不锈钢扫描激光微连接工艺研究

梁晓梅 黄瑞生 刘金湘 杨义成 邹吉鹏 王猛

摘要：分别采用激光“○”扫描焊、激光“|”扫描焊及激光“8”扫描焊方法焊接核电用控制棒导向筒304不锈钢，并與常规激光焊进行对比，分析扫描幅度、扫描频率等主要工艺参数对焊缝成形、焊接气孔的影响规律，对导向筒模拟件焊接接头进行综合质量评估。结果表明，三种扫描焊方法在焊缝成形、焊接气孔控制等方面均优于常规焊，且不同光斑扫描路径对焊接气孔的抑制程度存在差异，“○”扫描焊最优;若要发挥扫描焊抑制气孔的作用，扫描幅度、扫描频率均须达到阈值，且超出阈值后，适当增大扫描幅度或扫描频率均可增强抑制气孔的效果，当扫描幅度为2 mm、扫描频率为50 Hz 时，未检测到焊接气孔;“○”扫描焊焊接接头具有良好的耐腐蚀性能，变形量可控制在0.3 mm以内。

关键词：导向筒;不锈钢;激光扫描焊;光斑扫描路径;焊接气孔

中图分类号：TG456.7 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）07-0053-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.08

0 前言

随着我国核电技术的快速发展和转型升级的迫切要求，百万千瓦级核反应堆关键设备制造技术的国产化亟待解决[1-2]。控制棒导向筒是核岛主设备堆内构件的关键部件，百万千瓦级压水堆核电站每个机组有61套控制棒导向筒组件，安装在倒帽形的上部性堆内构件上[3]，其主要功能是为控制棒组件提供保护和导向，减小冷却剂横向作用力对落棒时间的影响[4]，因此，焊接过程及焊后去应力过程都必须严格控制变形[5]。而在满足较低的焊接变形前提下，尽可能实现大熔深焊接无疑是对焊接技术的一大挑战。

目前，304 奥氏体不锈钢因其优良的抗腐蚀、耐高温和综合力学性能[6]，被广泛用作百万千瓦级控制棒导向筒材料，目前主要采用真空电子束焊接方法。电子束焊接具有功率密度高、能量密度高、加热速度快、热影响区较窄等特点，但由于必须在真空状态下进行焊接，大大增加了加工成本[7-8]。

激光焊接具有热输入低、焊接变形小的特点，适用于各种材料和零件的微焊接，已广泛应用于电子、医疗设备、仪器仪表、汽车、航空航天等领域，而针对核反应堆控制棒导向筒的激光扫描焊接工艺研究鲜有报道[9-12]。因此，文中以304奥氏体不锈钢为试验材料，采用激光扫描焊接方法，分析主要工艺参数对焊缝成形、焊接气孔、焊接变形的影响规律，通过工艺优化获得成形美观、变形低、质量高的微连接或全熔透性焊缝。

1 试验材料及方法

试验用母材为304奥氏体不锈钢，其化学成分如表1所示。试验前用角磨机清除表面毛边、氧化皮等，然后利用酒精擦拭焊接区域，去除表面油污及附着物。扫描焊和常规焊接工艺参数如表2所示。

焊接试验用激光器为德国阿帕奇（IPG）公司生产的YLS-30000-SS4连续型输出光纤激光器，其最大输出功率为30 kW，BIMO万瓦级多功能激光焊接头，激光束倾角10°。激光“|”扫描焊、激光“○”扫描焊及激光“8”形扫描焊三种扫描激光光斑扫描路径示意如图1所示。

2 试验结果及分析

2.1 激光扫描焊接工艺研究

2.1.1 扫描轨迹对焊缝成形及气孔的影响

常规激光焊、激光“|”扫描焊、激光“○”扫描焊及激光“8”形扫描焊焊缝形貌如图2所示，焊接工艺参数见表2，除扫描方式变化外，其余焊接参数均相同。

对比发现，常规激光焊焊缝成形最差，焊缝表面凹凸不平，存在较明显的咬边、飞溅等缺陷，焊缝截面呈“长钉形”，符合高能束焊缝截面形状，上表面也存在对称凹陷，这是由于焊接过程中部分液态金属以飞溅形式损失造成的;激光“|”扫描焊焊缝成形得到了明显改善，但焊接飞溅明显增加，原因可能是“|”扫描焊锯齿形的光斑扫描路径使焊接过程稳定性变差造成的，且焊缝宽度明显增加，熔深明显减小，焊缝截面形状由“长钉形”转变为“胖头钉形”;“8”形扫描焊焊缝成形及焊接飞溅得到了进一步改善，焊缝截面形状变为“酒杯形”，但存在明显的焊接气孔，这与“8”形扫描焊过于复杂的光斑扫描路径可能使液态金属在凝固过程中产生了空隙有关;“○”与“8”形扫描焊焊缝截面形状相近，且“○”扫描焊焊缝在表面平整度、成形均匀性、焊接缺陷等方面均优于其他三种焊接方法，这归因于“○”扫描焊简单又圆滑的光斑扫描路径对液态金属有益的搅拌作用。总体而言，与常规焊相比，三种扫描焊接方法均可以美化焊缝表面形貌，但由于光斑扫描路径的不同，效果不同，后续将会详细分析。

为了更全面地对比四种焊接方法，对整条焊缝进行了X射线气孔检测，结果如图3所示。可以看出，常规焊焊接气孔最多，“8”形扫描焊缝有少量气孔，“○”与“|”扫描焊焊缝未发现焊接气孔。这表明，无论哪种扫描方式，扫描焊对熔池的搅拌作用均可有效抑制焊接气孔，不同光斑扫描路径对气孔的抑制程度有所差异。

综上所述，与常规激光焊、激光“|”扫描焊及激光“8”形扫描焊相比，“○”扫描焊焊缝成形最好、焊接气孔最少，因此后续试验均采取激光“○”扫描焊接方法。

2.1.2 “○”扫描焊关键工艺参数对焊缝尺寸、气孔的影响

扫描幅度、扫描频率和激光功率是激光扫描焊接中的关键焊接参数，扫描幅度和扫描频率分别反映了激光束扫描的区域变化和快慢程度，进而影响熔池面积、焊接过程中小孔以及等离子体的稳定性，影响结果会直接反映在焊缝尺寸与焊接气孔率的变化上;而对于核电用控制棒导向筒的微连接来说，能够在满足使用要求前提下实现熔深最大化极为重要，因此，研究恒定焊接速度下的激光功率的变化对熔深、气孔的影响是必要的，试验结果分别如图4、图5所示。

由图4可知，扫描幅度和扫描频率对焊缝熔深、熔宽影响较大，在一定范围内，熔深和熔宽变化趋势相反，熔宽增加时，熔深下降，反之亦然;两个扫描参数对焊缝余高的影响不大，结果符合能量守恒定律。

由图5可知，焊接气孔率随扫描幅度和扫描频率的变化曲线均会出现一个转折点且变化趋势相反。随着扫描幅度的增加，深宽比基本呈线性下降，焊縫形状逐渐趋于浅而宽的状态。气孔率曲线在扫描幅度为1 mm处为转折点，且此时气孔率达到最大值;扫描幅度小于1 mm时，焊接气孔逐渐增加;大于1 mm时，焊接气孔逐渐减少;当扫描幅度增加到2 mm时，未检测到焊接气孔。随着扫描频率的增加，焊缝深宽比曲线与气孔率曲线都不是呈线性变化的，焊缝深宽比曲线在扫描频率为50 Hz时出现转折点并在转折点处达到最低值，此时焊接气孔率曲线也达到最低点，气孔率为0。综上所述，无论扫描幅度和扫描频率如何变化，焊接气孔率最低值均出现在深宽比最小位置，这与浅而宽的焊缝形状有益于焊接气孔的溢出相吻合。此外，分析认为，若要发挥扫描焊抑制气孔的作用，扫描幅度、扫描频率均须超出阈值范围，扫描幅度不能太小，扫描频率不能太大，且当两者达到阈值后，适当增大扫描幅度或扫描频率都可以增强抑制气孔的效果，这是因为扫描焊对熔池规律性的搅拌作用既会促进焊接气孔的溢出，也会影响焊接过程的稳定性而使焊接气孔增多，当扫描对焊接过程的干扰作用大于对气孔的抑制作用时，气孔率呈上升趋势，反之，呈下降趋势。

研究表明，增加激光功率是增加焊缝熔深最有效的途径，焊缝尺寸及焊接气孔随激光功率增加的变化趋势如图6所示。可以看出，随着激光功率的增加，焊缝熔深显著增加，焊缝熔宽与余高基本不变，且激光功率小于等于4.5 kW时的几组焊缝均未检测到焊接气孔，当激光功率增至5.0 kW时，焊缝检测到少量气孔，但仍满足使用要求。

2.2 激光“○”扫描焊对接接头质量评价

2.2.1 焊接接头宏观质量评价

针对导向筒7 mm厚模拟件进行了对接焊接试验，对接焊缝表面及X射线照片分别如图7、图8所示。可以看出，焊缝成形美观、尺寸均匀、波纹连续、色泽接近金属色，且经X射线检测，整条焊缝未发现焊接气孔。

2.2.2 焊接变形测量

对于控制棒导向筒的焊接，焊接变形是评价是否达到使用要求的关键指标，针对板厚7 mm的未熔透、5 mm全熔透焊缝进行了焊接变形测量。

测量装置示意如图9所示。测量装置由高度测量装置和支撑块组成，支撑块上包含简易固定装置，测量时保证每次能将板固定在固定位置，保证测量的精确性并使测量具有重复性，以两端为基准，测量薄板各点高度，获得薄板的形状和弯曲变形，假设测得的距端面距离为L处的高度为He，则

ΔH1=He-Hz-h（1）

式中 He为实际测量高度;Hz支撑块高度;h为板厚。在板未发生弯曲变形时，板足够平整且无变形，理想情况下ΔH1应为零。发生弯曲后，ΔH1为负值，表示钢板向下凹，ΔH1为正值，表示钢板向上凸。

焊接变形测量结果如图10所示，焊接变形量均在0.3 mm以内，满足使用要求。

2.2.3 接头晶间腐蚀实验结果

晶间腐蚀试样尺寸为70 mm×10 mm×5 mm，压头直径20 mm，腐蚀液为铜屑+硫酸铜+硫酸，腐蚀时间24 h，晶间腐蚀结果如图11所示。可以看出，焊接接头无晶间腐蚀现象，具有较好的耐晶间腐蚀性能。

3 结论

（1）综合对比焊缝成形、焊缝熔深、焊接气孔等方面，三种激光扫描焊均优于常规激光焊，不同光斑扫描路径对焊接气孔的抑制程度存在差异，综合而言，激光”○”扫描焊焊接方法最优。

（2）对于激光”○”扫描焊，扫描幅度和扫描频率对焊接气孔的影响都不是呈线性变化的，且变化趋势相反。扫描幅度增加，焊接气孔率先增加后减小;扫描频率增加，焊接气孔率先减小后增加。若要发挥扫描焊抑制气孔的作用，扫描幅度、扫描频率均须超出阈值范围，扫描幅度不能太小，扫描频率不能太大，且当两者达到阈值后，适当增大扫描幅度或扫描频率均可增强抑制气孔的效果，且扫描幅度为1 mm、扫描频率为50 Hz时，焊缝均未检测到焊接气孔。

（3）采用激光”○”扫描焊接方法，通过工艺优化，能够获得成形美观、均匀、连续的优质焊缝，接头无晶间腐蚀，焊接变形量可以控制在0.3 mm以内，均满足核电用304不锈钢导向筒的焊接接头性能要求。

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