核岛堆内构件锁紧焊缺陷机理研究

摘 要：堆内构件设备质量是核电站安全运行的重要保障。巴基斯坦恰希玛核电3期堆内构件出现了锁紧焊焊接质量事件，通过对焊接裂纹形貌及裂纹位置对其所产生的原因进行金属学和焊接工艺的研究，发现母材和防松销材料熔点和共晶点特征以及焊缝镍铬含量造成焊接热裂纹倾向主要原因，提出了控制母材和焊材中杂质、加入细化晶粒元素，以及修改焊接工艺等改进方案，为后续项目提供借鉴。

关键词：堆内构件 锁紧焊 缺陷 机理

中图分类号：TG457 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（a）-0050-04

中原公司质量监督人员和安装公司检验人员在例行检查过程中发现巴基斯坦恰希玛3期（简称C3）堆内构件吊篮组件157.5°及202.5°方向用于固定吊篮底板的两个螺钉锁紧焊上有裂纹。发现该问题后，中原公司组织设计单位、安装公司及制造厂进行讨论；并对吊篮筒体内、外部锁紧焊焊缝的检查，检查中先后在吊篮组件外圆、围板内腔及压紧部件顶部发现焊接裂纹缺陷29处。针对检查中发现的目视可检区域的缺陷，开启了NCR流程进行处理。

该文将对上述堆内构件吊篮筒体锁紧焊缺陷进行分析，通过对其裂纹形貌及裂纹位置对其所产生的原因进行金属学和焊接工艺两方面的研究，试图找出造成该缺陷的真实原因，并提出改进方案，为后续项目提供借鉴。

1 焊接缺陷及工况介绍

1.1 焊接工况环境

防松销锁紧焊使用的焊接方法为GTAW，选用焊接电源直流正接，对焊缝施加多层多道焊。母材螺钉材料为Inconel 718镍基合金，防松销及吊篮筒体材料为321奥氏体不锈钢[1]，焊丝为ER347不锈钢焊丝。

对于防松销的焊接，除了筒体中极少数特殊位置的定位销与防松销装配的锁紧焊是由导向筒车间焊接之外，其余均是由装配车间完成。

组件状态下焊接防松销操作空间较大，容易操作；可视度较高，不会影响焊工及检验员的判断。但在总装部件状态下的部分锁紧焊，由于操作空间小，操作位置差以及需要登高作业，对于焊工施焊以及检验有一定难度。

1.2 吊篮筒体外部锁紧焊焊缝缺陷

如表1所示1#至9#以及16#缺陷，共10处裂纹缺陷均位于吊篮筒体外侧，为吊篮筒体和下栅格板组件、围辐板组件连接的PC8-IN-2-8螺钉与PC8-IN-2-25防松销焊接位置，结构形式详见图1，图2。

1.3 吊篮筒体内部锁紧焊焊缝缺陷

如表2所示1#、4#～7#、14#、16#、18#、21#、25#，共10处裂纹缺陷，其中1#、6#、7#、14#、16#、18#、25#共7处缺陷为筒体内腔1/4围板组件和相配的围板Ⅶ连接的PC8-IN-2-2-3螺钉与PC8-IN-2-26防松销焊接位置；5#缺陷位于围板Ⅶ与辐板连接的PC8-IN-2-2-4螺钉与PC8-IN-2-26防松销焊接位置；4#及21#缺陷位于围板与围板相连接PC8-IN-2-2-1-9螺钉与PC8-IN-2-26防松销焊接位置，10处裂纹缺陷结构形式详见图3。

2 裂纹机理分析

根据上述对焊接工艺的描述和焊接工况的介绍，该文判断其断裂机理符合焊接热裂纹断裂，该文将从材料金属学角度及对上述堆内构件吊篮筒体内外侧销紧焊焊接缺陷产生机理进行分析。

从金属学角度来分析又可以分为两部分：首先，由于螺钉材料为Inconel 718镍基合金，防松销及吊篮筒体材料为321奥氏体不锈钢，其两者本身所的镍铬含量就比较高，通过对铁-铬-镍合金相图观察如图4。

获得单质镍固-液转变温度及镍铬共晶转变温度，镍基合金的熔点温度为1 453 ℃，而铁-镍-铬共晶转变温度在1 326 ℃左右，即镍基合金的熔点明显高于镍铬合金共晶转变温度，所以根据热裂纹发生机理可推测上述裂纹属于结晶裂纹，结晶裂纹的主要产生原因主要是：（1）液态薄膜；（2）拉伸应力。其中液态薄膜是根本原因，拉伸应力为必要条件。在吊篮筒体锁紧焊的焊缝处在焊后冷却过程中在固-液凝固阶段，熔化区内的单质镍在1 450 ℃左右即开始发生结晶，在温度持续下降的过程中单质镍晶粒不断长大，晶间距离不断减少，但镍铬合金仍未到达其共晶转变温度，所以在晶间产生了金属液态薄膜，在这种情况下，由于液态薄膜量很少，而在焊接和焊缝冷却的过程中都会不断产生并累计拉伸应力，在拉伸应力的作用下所产生的微笑的空隙都无法填充，继而产生了热裂纹的萌生和扩展。

另一方面，可以考虑造成该裂纹的原因为异种材料接触所产生的热裂纹中的液化裂纹。螺钉材料为Inconel 718镍基合金，防松销及吊篮筒体材料为321奥氏体不锈钢，焊材为ER347不锈钢焊丝。

这种锁紧焊是吊篮部件状态下在厂内装配台位上完成焊接的，缺陷位于第1层、第3层、第4层、第5层螺孔外侧位置，由于装配台位每层层高及操作空间的影响，而这4层位置正处于每层装配台位偏上或偏下位置，焊工在操作时必须下蹲或垫高才能达到焊接位置。部分位置间隙小，焊接角度有难度，沉孔到螺钉的间隙只有不到2 mm，在缝隙中点焊，起弧后容易碰到螺钉。

根据该螺钉材料化学成分表3可知，在实际焊接工艺操作过程中，如果融化焊丝接触到螺钉Inconel 718材料则焊缝中镍和铬的含量相对的会有明显上升。

在焊接热的作用下，镍铬合金将会和S、P形成共晶化合物，而这些化合物的熔点特变低（Ni-Ni2S2：645 ℃，Ni-Ni3P：880 ℃），在焊缝熔合区以及邻近的母材或者焊缝层间金属中产生沿晶界的融化，在随后冷却收缩时引起沿晶界液化层的开裂倾向增大，从而焊缝的热裂纹敏感性增加，更易发生裂纹的萌生和扩展。

另外从焊接工艺角度来分析，防松销规定的焊接次序见图5。

由图5可知防松销的焊接仅规定了单一端点的焊接顺序，而锁紧焊两端的焊接为分次焊接，并且焊接过程中对防松销并无夹具固定。因此在防松销一端焊接结束后另一端的焊接在无夹具的固定下进行，从而相对地即会产生较大的焊接残余拉伸应力，造成裂纹的萌生和扩展。

在对上述焊接裂纹从金属学和工艺两方面进行分析的基础上，该文从理论角度提出了以下几点优化思路。

冶金方面如下所述。

（1）对母材、防松销以及焊丝中杂质如硫、磷、碳等含量严格检查和控制；提高对焊件和坡口表面的清理和检查标准。杂质的增加不仅能够形成低熔共晶，而且还能促使合金成分和组织的偏析，因此这些元素将会大大增加热裂纹的敏感性。

（2）向锁紧焊焊缝中加入有细化晶粒作用的元素（如Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al和稀土等），即在焊缝冷却的过程中可以抑制晶粒的长大和粗化，从而降低了焊接残余应力的累积和热裂纹的敏感性。

工艺方面如下所述。

（1）在现有锁紧焊焊接工艺基础上，适当地增加焊接线能量即提高焊接电流、电压，放慢焊接速度以及适当地提高预热温度，可减小焊缝金属的应变率，从而降低结晶热裂纹的倾向。但相对的锁紧焊焊接热输入量以及预热温度过高时，会增大焊缝处金属过热以及恶化劳动条件，所以对锁紧焊接工艺参数的修改一定要小幅地逐步进行修改，从而获得改良后的最优工艺参数。

（2）焊前对母材螺钉、防松销以及焊材的干燥和清理十分重要，由于材料本身具有较高的镍铬含量，如果焊接表面未清理干净，则容易产生低熔点化合物，增加焊接热裂纹可能性。

（3）要对焊接次序进行修改，在每端的焊接时尽量保持对称性，如图5（A），另外，从整体角度看，在焊接过程中应加装夹具。可以选择同时对防松销两端进行施焊，从而降低之前所产生的某一端焊接残余应力过大造成的裂纹萌生。

从另一角度看，焊接人员在实际焊接操作过程中部分不规范的行为和粗心大意也可能会是造成部分焊接起弧时碰到螺钉的部分原因之一。其根本原因是施焊焊工操作不当，操作不规范，自我要求不严格，为了抢进度而忽视了质量，没有严格执行自检程序；检验员在焊后未仔细观察，导致缺陷没有及时发现；焊工及检验员严重缺乏责任心。

3 结论

（1）防松销锁紧焊接工艺中母材与防松销材料的本身由于其熔点以及共晶点的特征使得其本身就具有较大的焊接热裂纹倾向。

（2）焊接工艺过程中焊接人员的不规范操作以及疏忽大意造成的焊缝处起弧打到螺钉造成焊缝处镍铬含量增大，从而增大了其焊缝的焊接热裂纹倾向。

（3）通过对母材和焊材中杂质的控制以及细化晶粒元素的加入来降低融敷金属中低熔共晶化合物含量和焊缝处热裂纹敏感度。

（4）通过对焊接工艺的修改如安装夹具和焊接次序来降低焊后累积残余应力过大造成的焊缝发生的可能性。

（5）制造厂需要对焊接人员进行细致的培训，提高工作人员的实操技术以及工作责任心。

参考文献

[1] 欧阳予.秦山核电工程[M].北京：原子能出版社，2000.

[2] 张彩放.压水堆核电厂堆内构件安装加工件控制[J].中国核电，2010（4）：323-330.

[3] 周新华，刘世辉，刘孟杰，等.压水堆核电站堆内构件制造典型问题分析与监理措施[J].设备监理，2015（4）：54-59.