核电站控制棒驱动机构Canopy焊缝焊接温度场和应力-应变场模拟

目的研究机加工和拉拔2种成形方式下得到的填充环对Canopy焊缝的影响,获取焊接焊缝成形、焊接残余应力和变形的相关数据,以指导Canopy焊缝焊接工艺。方法采用数值模拟的方法,建立Canopy焊缝焊接数值分析模型,模拟焊接温度场、焊接残余应力和焊接残余变形。结果拉拔成形环焊接熔池高度为9 mm,机加工成形环焊接熔池高度为8.3 mm;机加工成形环焊接最大残余应力为255.6 MPa,而拉拔成形环焊接最大残余应力为277.8 MPa,均出现在管座紧贴焊缝的位置;机加工成形环焊接残余变形为0.19 mm,拉拔成形环焊接残余变形为0.186 mm,最大残余变形均出现在焊接起始位置附近,在焊缝与管座交接的位置。结论熔池形貌直接影响了热影响区域的大小,拉拔Y型环焊接熔池高度更大,焊接的热影响区域更大;拉拔Y型环焊接残余应力略大于机加工Y型环焊接残余应力;机加工成形环和拉拔成形环焊接残余变形相近。

大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接变形和应力分析

目的研究大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接,优化结构设计和工艺设计。方法建立大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接数值分析模型,通过数值模拟的方法,定量分析大厚度奥氏体不锈钢筒体焊接变形和应力。结果零件下部38 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.2 mm;零件下部60 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为2.0 mm;零件中部60 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.9 mm;零件上部60 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.8 mm。填丝激光焊接轴向收缩量为0.55 mm。焊接残余应力最大值在450 MPa左右,应力主要分布在焊缝附近。热处理后,焊接残余应力都有明显降低,最大残余应力从450 MPa左右降低到200 MPa左右,焊接残余应力范围存在一定程度减小;焊接残余变形变化较小,热处理后某些位置的变形略微有所增大。结论模拟结果表明,大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接变形和应力在可接受范围内,焊后热处理对释放残余应力有重要作用。

核电站控制棒驱动机构Canopy焊缝组织和性能研究

试验采用专用自动TIG焊机焊接核电站控制棒驱动机构Canopy焊缝,选用机械加工Y形环作为填充材料,研究Canopy焊缝组织和性能。结果表明:通过自动TIG焊,机械加工Y形环熔成的Canopy焊缝,成形良好,宽度适中,焊缝与母材冶金熔合良好;焊缝组织主要由板条状或骨架状铁素体与快速凝固的柱状奥氏体组成;经23.1~23.3MPa水压试验,Canopy焊缝表面无渗漏,无可见变形;维氏硬度结果表明:焊缝硬度在210HV左右,焊缝硬度分布均匀。该研究为核电站控制棒驱动机构Canopy焊缝用机械加工Y形环提供了宝贵的经验。

不同Y形环应用于核电站控制棒驱动机构Canopy焊缝焊接工艺及焊缝性能的研究

试验采用两种机械加工Y形环和一种拉拔Y形环应用于核电站控制棒驱动机构Canopy焊缝,研究不同Y形环对Canopy焊缝焊接工艺及焊缝性能的影响。结果表明:机械加工Y形环为整圈环,相比拉拔Y形环,更有利于定位焊;机械加工Y形环(控公差)与拉拔Y形环装配间隙范围相当,比机械加工Y形环装配间隙范围大,更有利于工程应用;3种Y形环熔成的Canopy焊缝组织主要由铁素体和柱状奥氏体组成,无明显差异;3种Y形环熔成的Canopy焊缝经23.1~23.3MPa水压试验,焊缝表面均无渗漏,无可见变形。该研究为机械加工Y形环应用于核电站控制棒驱动机构Canopy焊缝提供了宝贵的经验。

CRDM钩爪不同工艺钴基合金堆焊层组织表征及性能研究

控制棒驱动机构(Control Rod Drive Mechanism,简称CRDM)钩爪部件形状复杂精密,是压水堆一回路的运动执行部件,其销轴孔与齿部钴基合金堆焊层组织与性能要求极高。通过激光熔敷、氧乙炔焊两种工艺试验,获得了满足设计要求的工艺参数。对两种工艺获得的钴基合金堆焊熔敷层进行组织表征与分析,比较两种工艺熔敷层的宏观与微观形貌差异,测试与对比分析熔敷层显微硬度,对熔敷层界面处的Co、Cr、Fe等元素进行了线扫描,通过Fe元素的分布分析两种不同熔敷层稀释率与硬度差异的关系。两种堆焊层均未观察到微裂纹、夹杂、气孔、未熔合等缺陷,激光熔敷钴基堆焊层晶粒最细,因细晶强化作用,其显微硬度也最高。

“华龙一号”核电厂堆内构件钴基合金堆焊优化设计

核反应堆堆内构件的左、右嵌入件与导向销以及径向支承键与U形嵌入件需进行钴基合金堆焊以保证耐磨性能。前期核电项目采用手工钨极氩弧堆焊,堆焊层会出现不同程度的气孔、夹杂甚至裂纹,导致较多不符合项的产生。在大量吸取前期核电厂堆焊经验教训的基础上,本文对堆内构件钴基合金堆焊从设计和工艺方面进行了优化改进,改进后的检验结果显示,堆焊层质量大大提高,表层硬度均匀,硬度线过渡柔和,堆焊层缺陷大大减少。

压水堆导向鞘激光焊接技术研究及数值模拟

以压水堆控制棒导向筒(Control Rod Guide Tube,简称CRGT)导向鞘部件激光对接焊为研究对象,针对激光焊热源、导向鞘激光焊焊缝收缩量和激光焊焊接变形进行建模和分析。建立了压水堆导向鞘激光焊变形模拟技术,为控制棒导向筒产品激光焊接制造提供理论指导。具体内容包括:激光焊试验和热循环测试、宏观焊缝成形、残余应力测试、热源模型建立及参数确定、激光焊焊缝收缩模型的建立及焊接变形预测。最终获得了稳定的导向鞘激光焊工艺参数,经激光焊接的导向筒使用φ10.26 mm的落棒规以4～5 m/min的速度,可在0°、90°、180°、270°四个位置自由通过,摩擦力小于等于9.07 kg。

压水堆驱动机构钩爪激光与GTAW钴基合金堆焊层组织分析及性能表征

控制棒驱动机构( Control rod drive mechanism,CRDM)是压水堆反应堆本体中唯一的能动设备,是集结构力学、电磁学、流体力学、传热学、自动控制等于一体的设备。钩爪部件形状复杂、结构精密,是压水堆( PWR)一回路的运动执行部件,其销轴孔与齿部钴基合金堆焊层组织与性能要求极高。本工作通过氩弧焊( GTAW)、激光焊( LBW)两种工艺试验,获得了满足设计要求的工艺参数。对两种工艺获得的钴基合金堆焊熔敷层进行了组织表征与分析,比较了两种工艺熔敷层的宏观与微观形貌差异,对熔敷层显微硬度进行了测试与对比分析,对熔敷层界面处的Co、Cr、Fe 等元素进行了线扫描,通过Fe 元素的分布分析了两种不同熔敷层稀释率与硬度差异的关系。两种堆焊层均未观察到微裂纹、夹杂、气孔、未熔合等缺陷,激光熔敷钴基堆焊层晶粒最细,因细晶强化作用,其显微硬度也最高。

304LN不锈钢与Inconel 690合金厚板光纤激光超窄间隙焊接的研究

厚壁构件焊接是核电制造中的关键技术问题。针对应用于核电构件的304LN不锈钢和Inconel 690合金厚板展开光纤激光焊接工艺研究,获得了30mm厚度的对接接头,并通过金相观察和力学测试分析了焊缝成形、焊缝金相组织、拉伸性能及晶间腐蚀性能。测试表明,焊缝具有良好的成形性能,并保持4mm左右的焊缝宽度,体现出窄间隙焊接的特征,由此确认了304LN不锈钢与Inconel 690合金厚板光纤激光超窄间隙焊接的有效性,对于光纤激光超窄间隙焊接工艺在核电制造中的应用具有参考作用。

核电设备用钴基合金耐磨层多工艺熔敷性能比较分析

为表征氧乙炔焊、激光熔敷钴基Stellite 6合金耐磨层组织性能的差异,采用成熟的焊接工艺参数完成激光熔敷及氧乙炔焊接Stellite 6合金耐磨层制备。基于耐磨层试板,通过试验研究不同工艺对Stellite 6合金涂层成分、硬度、组织及腐蚀性能的影响。研究发现,针对氧乙炔焊、激光熔敷工艺,Stellite 6合金涂层硬度平均值均满足验收要求,金相试验未发现异常组织。EDS能谱分析发现,氧乙炔焊接工艺条件下耐磨层成分偏析明显,尤其是C、W等硬质颗粒形成元素。特定工况下,电化学腐蚀试验显示,激光熔敷条件下耐磨层钝化效应更加明显。

堆内构件钴基合金堆焊工艺研究

通过改变不同焊接参数，使用手工钨极氩弧焊在奥氏体不锈钢304H表面进行司太立6钴基合金堆焊，并对所得的堆焊层熔敷金属进行化学成分、截面显微硬度、洛氏硬度、晶间腐蚀和显微组织等测试分析．结果表明：电特性参数及焊接热循环对堆焊层成分、硬度和显微组织等有明显影响；使用176℃预热温度、145～190A电流参数和8～12cm／min焊接速度，可达97％以上堆焊合格率；在奥氏体不锈钢304H表面先用ER308L焊丝堆焊3mm厚隔离层，再采用400℃的预热温度和400℃的道间温度进行钴基合金堆焊，可以进一步降低堆焊层熔敷金属开裂的风险．

三代核电控制棒驱动机构钩爪钴基堆焊工艺研究

对三代核电驱动机构钩爪钴基堆焊焊接工艺进行研究,从材料可焊性、氧乙炔焊接方法、焊接火焰类型、焊接喷嘴尺寸、焊前预热等方面研究钩爪钴基堆焊焊接工艺,对堆焊层进行化学成分、金相组织、表面硬度等分析。结果显示:钴基堆焊采用氧乙炔堆焊,不同喷嘴直径和预热温度对堆焊层化学成分、硬度、金相组织均有影响;堆焊层组织主要是树枝晶,喷嘴直径越大,树枝晶越多,形成二次枝晶的几率越大;增加预热温度,堆焊层晶粒变粗,晶粒内析出相增加。

12Cr13与304L异种不锈钢焊接工艺研究

核反应堆控制棒驱动机构用材料12Cr13与304L异种不锈钢的焊接质量对驱动机构的安全性有重要影响。为了得到综合性能较好的焊接接头,根据不同的热处理制度和接头设计确定两个不同的实验方案,均选用ERNiCrFe-7A镍基焊丝,采用钨极氩弧焊工艺,通过在12Cr13上堆焊不同厚度的隔离层、经不同热处理后再坡口对接。采用光学显微镜观察焊接接头的显微组织并进行拉伸试验、弯曲试验以及硬度试验,对12Cr13热影响区进行0℃冲击试验。结果表明,采用堆焊4 mm隔离层+调质处理的方案能获得质量较好的焊接接头,足够的隔离层厚度能减少最终焊接热循环对焊接性较差的母材的影响,调质处理有效降低了12Cr13热影响区的硬度,对接焊缝与304L母材硬度较为均匀,热影响区为均匀回火索氏体组织,0℃冲击功达到了平均152 J。

基于有限元分析的第三代压水堆支承柱组件激光焊接工艺研究

支承柱组件位于压水堆上部堆内构件上支承组件与上堆芯板之间,为位于驱动线上的导向筒组件提供支撑与连接作用。支承柱组件的全焊接结构使其焊接精度要求很高。本课题以支承柱组件的筒体激光对接焊为研究对象,对激光焊热源、激光焊焊缝收缩量和激光焊焊接变形进行建模和分析,建立CAP1400支承柱组件激光焊变形模拟技术,为制造技术研究提供理论指导。具体研究内容包括:激光焊试验和温度、宏观焊缝成形、残余应力测试;热源模型建立及参数确定;激光焊焊缝收缩模型及焊接变形预测。

堆内构件钴基合金熔覆层组织及性能研究

目的确保堆内构件的限位精度,防止由于磨损而造成关键间隙超差,在键与槽、销与键之间的配合面熔覆钴基合金层,以提高耐磨性。方法分别通过激光堆焊、氩弧焊堆焊、氧乙炔堆焊等方法制备钴基合金熔覆层,研究熔覆层的显微组织结构、力学性能、耐腐性能等。结果激光堆焊熔覆层、氩弧焊堆焊熔覆层、氧乙炔堆焊熔覆层的枝晶臂直径测量值分别为15.28、20.09、21.91μm。激光堆焊熔覆层、氩弧焊堆焊熔覆层、氧乙炔堆焊熔覆层平均摩擦因数分别为0.183598、0.461085、0.625683。激光堆焊熔覆层、氩弧焊堆焊熔覆层、氧乙炔堆焊熔覆层平均磨损量分别为0.54、0.90、1.43 g。结论氩弧焊堆焊熔覆层的稀释率大于激光熔覆堆焊熔覆层、氧乙炔堆焊熔覆层的稀释率。EDS线扫结果表明,氩弧焊堆焊熔覆层的Fe含量随着层数的增加而阶梯性下降。在B含量为1200 mg/kg、Li含量为3.4 mg/kg的H3BO3和LiOH混合溶液中,氩弧焊堆焊熔覆层的耐蚀性最弱,激光堆焊熔覆层、氧乙炔堆焊熔覆层的耐蚀性相近。激光堆焊熔覆层综合力学性能最优,氩弧焊堆焊熔覆层的次之,氧乙炔堆焊熔覆层的最差。激光堆焊熔覆层的耐磨性能最优,氩弧焊堆焊熔覆层的次之,氧乙炔堆焊熔覆层的最差。通过激光熔覆技术可以获得优质的钴基合金熔覆层,有望确保堆内构件的限位精度,防止由于磨损而造成关键间隙超差。