一种奥氏体不锈钢铸造核泵壳体的补焊方法与流程

本发明涉及一种核泵铸造壳体的缺陷修复，主要是将铸造壳体的表面缺陷部位进行补救的一种焊接工艺。

背景技术：

核泵是核电站运行的“心脏”，它体积庞大、结构复杂，如图1所示，一般由铸造来完成。通常，铸造会产生裂纹、砂眼、夹杂、缩孔、疏松等缺陷，铸后对缺陷的补焊是不可避免的，但铸造奥氏体不锈钢核用泵体积庞大、结构复杂，补焊的过程及方式也多变。本发明中涉及的是以SA-351 CF8A奥氏体不锈钢铸造而成的核一级泵壳体缺陷的补焊修复。SA-351 CF8A奥氏体不锈钢是ASME标准下的一种奥氏体种类，又称为304奥氏体不锈钢，其中含Cr约18％、Ni约8％～10％、C约0.1％时，具有稳定的奥氏体组织，是典型的18-8型奥氏体不锈钢。本发明针对这种奥氏体不锈钢铸造核泵的缺陷，介绍一种科学合理，有效实用的补焊方法，从而解决焊接应力方向及分布，杂质元素的控制，补焊区偏析、未熔合、焊不透、微裂纹等焊接缺陷的预防，以及核泵补焊区奥氏体的抗晶间腐蚀性能不合格等问题，增加了核泵铸钢件补焊的效率和可靠性，确保核泵的安全、稳定和持久。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种奥氏体不锈钢铸造核泵壳体的补焊方法，可以改善焊接应力的方向和分布不均匀，控制杂质元素，预防补焊区有气孔、偏析、未熔合、焊不透、微裂纹等焊接缺陷，以及提高核泵补焊区奥氏体的抗晶间腐蚀性能。

为达到上述目的，本发明提供了一种奥氏体不锈钢铸造核泵壳体的补焊方法，所述步骤为：

S1、缺陷检测及处理：检测待补焊泵体，查找缺陷、初步打磨去除处理，应用无损检测法再次检测，确保再无隐藏的缺陷后进入下一步骤；

S2、焊槽处理：将去除缺陷后泵体的焊槽进行精细打磨，打磨成圆或椭圆，所述焊槽内部为圆弧型，弧度小于等于120度；将打磨后的待焊区用丙酮清洗干净；

焊槽的弧度应按铸造奥氏体不锈钢焊接易于润湿填充且合理分布残余应力为准；打磨的粗糙度不宜过大，以保证表面无明显毛刺，不至于引入其他杂质元素，最后将打磨后的待焊区用丙酮清洗干净，去除可能残留的油污、打磨的金属颗粒等。

待焊区清理后必须保持清洁，严禁沾上油污及其他污物，并且要求清理后立即施焊，如不能立即施焊，要在施焊前再次清洗。

S3、焊条处理：补焊前将要使用的焊条在150℃下烘烤1～3h，将烘干的焊条置于100℃保温备用；

此处将烘干后的焊条放置于保温筒内保温100℃左右即可。

S4、待焊区预热：对泵体待焊区及外围13cm内的区域进行预热处理，预热后待焊区温度在200～300℃之间；

本发明通过预热处理降低冷却速度，降低焊层之间的温度差。

S5、待焊区补焊：对待焊区进行补焊，补焊按照逐层逐道进行，以填充最浅部位为原则，后一层焊道沿着前一层的方向进行；当椭圆形焊槽短轴大于等于15cm时采用交叉的多层多道焊，后一层焊道垂直于前一层的方向进行，直至完成全部焊接；

本发明补焊时形成多层交叉焊道，使得焊接应力得以较均匀分布，避免焊缝裂纹，可以预防补焊区有气孔、偏析、未熔合、焊不透、微裂纹等焊接缺陷。

在每层焊完后需将焊渣、焊缝表面的氧化皮、飞溅彻底去除，并去除不规则的焊缝，保证焊接平滑过渡，优选方式下，所述焊道之间的层间温度小于等于150℃。

S6、补焊效果确认：对泵体补焊区用射线探伤，确认补焊效果，确保无焊接缺陷。

S7、固溶处理：对补焊后的工件进行固溶处理，固溶处理温度为1065℃，时间为1h；

此步骤处理可以消除焊接的残余应力，重新溶解Cr元素，提高奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀性能。

进一步的，步骤S1中，打磨材料采用金刚砂、氧化铝或金刚石，打磨过程要逐层磨切，确保缺陷去除干净；。

进一步的，步骤S1中，所述无损检测选择渗透检测(PT)。

进一步的，步骤S2中，焊槽打磨深度大于等于1.5mm，深度小于等于椭圆型焊槽短轴半径的或圆形焊槽半径的

进一步的，步骤S5中，焊接为手工电弧焊，采用短弧焊接并控制收弧，杜绝弧坑，首层和最后层选用直径为3.2mm焊条，焊接电流120～130A，焊接电压21～22V，焊接速度为22.5cm/min；中间各层选用直径为4.0mm的焊条，焊接电流140～150A、焊接电压22～24V；焊接速度20.8cm/min。

这样设计可以进一步预防补焊区有气孔、偏析、未熔合、焊不透、微裂纹等焊接缺陷。

本发明的优点在于：对铸造奥氏体不锈钢核泵壳体补焊的全面把控，确保补焊性能达到预定目标。本发明对核泵壳体中缺陷的确定及清除确保无遗漏的缺陷；对称的弧形焊槽及焊前预热焊后热处理确保试样不会产生较大的焊接变形，对焊槽形状及弧度及焊前热处理的一些要求确保补焊后应力大小及分布合理；对焊槽表面粗糙度的控制及清洁、以及对焊条的烘烤处理可以控制杂质元素含量，确保焊缝无明显缺陷；对核泵泵体相应区域进行焊后固溶处理可以提高核泵补焊区奥氏体的抗晶间腐蚀性能。

附图说明

图1为核泵的结构示意图；

图2为奥氏体不锈钢铸造核泵壳体补焊区局部示意图；

图3为对比例1与实施例1样品焊接效果对比图；

图4为对比例2样品的焊接效果图；

图5为实施例1样品与对比例3样品晶间腐蚀性能检测结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式及工作原理作进一步的详细说明。实验时选择同种材质同种铸造工艺的13mm厚板来模拟核泵壳体的补焊，将上述厚板分为四份，分别按照本发明方法进行焊接，其中一份不进行焊槽处理，作为对比例1，一份不进行待焊区预热作为对比例2，一份不进行固溶处理，作为对比例3；每批含有若干样品，随机选取焊接工艺参数与本发明不同的各对比例样品与本发明实施例1的样品对比。

实施例1

第一步：缺陷检测及处理：将试样中可能的缺陷进行初步打磨去除处理，打磨材料只允许金刚砂、氧化铝、金刚石等且以前用于不锈钢或镍基材料上的打磨材料，并用渗透检测(PT)法检测，以确保再无可能及隐藏缺陷。

第二步：焊槽处理：将试样分两批，一批将去除缺陷后试样的补焊坑槽处进行精细打磨为椭圆形，保证焊槽对称、圆弧弧度适中不大于120度、粗糙度小于12.5，槽深不大于椭圆短轴半径的然后将打磨区用丙酮清洗干净，避免引入其他杂质，另一批不做处理，作为对比例1。

第三步：焊条处理：焊前将焊条在150℃下烘焙2h，然后放置于保温筒内备用；

第四步：待焊区预热：将上一步合格的试样分为两部分，一部分焊前对待焊区及其附近13cm内进行预热处理，预热温度在200～300℃之间，另一部分不作处理，作为对比例2。

第五步：待焊区补焊：利用手工电弧焊对打磨成椭球形的待焊区进行补焊，一般补焊方向按照椭球长轴方向进行，首先选择3.2mm焊条与其相应的焊接参数打底焊，之后用锤子将焊道的焊渣敲掉，然后采用4.0mm焊条与其相应的焊接参数沿着原来焊道方向覆盖焊接，这样逐层逐道进行，以填充最浅部位为原则，后一层焊道沿着前一层的方向进行，且每层都要将前一道的焊渣清除，当焊层累积的最高处高于基体平面，选择3.2mm焊条与其相应的焊接参数进行覆盖焊，直到焊层最高处余高2cm为止。

首层焊时，间隙较小且为了定位采用小直径3.2mm的焊条，焊接参数为焊接电流120A，焊接电压21.5V，焊接速度为22.5cm/min；最后层为了填充焊道与焊道之间的边界同样采用小直径3.2mm的焊条和与首层相同的焊接参数；而中间层为了使焊缝金属填充更充分采用大直径4.0mm，焊接参数为焊接电流150A、焊接电压23.5V，焊接速度为20.8cm/min。

当椭圆形焊槽短径大于15cm时采用交叉的多层多道焊，方法如上，只是后一层焊道垂直于前一层的方向进行，直至完成全部焊接；补焊区局部情况如图2所示。

在每层焊完后需将焊渣、焊缝表面的氧化皮、飞溅彻底去除，并去除不规则的焊缝，保证焊接平滑过渡，焊道之间的层间温度不超过150℃。焊接工艺参数如表1所示。

表1奥氏体不锈钢铸造核泵壳体各补焊层工艺参数

第六步：补焊效果确认：焊缝外观良好，对泵体补焊区用射线探伤，未发现焊接缺陷，焊接合格。

第七步：固溶处理：将余下合格的试样分两批，一批是对补焊后的工件在1065℃下进行固溶处理1h，消除焊接的残余应力，重新溶解Cr元素，提高奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀性能，另一批不作处理，作为对比例3。

随机选取的实施例1样品与对比例1样品的焊接效果对比如图3所示，其中a为对比例1样品，b为实施例1样品。对比例1样品没有经过清理的焊缝产生了很多气孔，焊缝质量很差；而实施例1的样品经过仔细清理的焊缝表面干净质量较好，焊缝均匀、效果优良。

对比例2样品的焊接效果如图4a和b所示，可以发现对比例2两个样品焊前不作处理的试样焊后发生很大的变形，产生严重的翘曲现象，而按照实施例进行的试样焊后基本无变形如图4c所示，如果是在核泵上补焊会产生很大的内应力，严重时可能影响核泵的外形尺寸。

对焊接的奥氏体不锈钢晶间腐蚀性能检测，利用奥氏体不锈钢焊接接口的抗晶间腐蚀性能检测标准ASTM—A262-02检测实施例1及对比例3的样品，检测结果如图5所示，其中a为对比例3样品，b为实施例1样品，可以看出，a有晶间腐蚀，b无晶间腐蚀；焊后经过固溶热处理的试样抗晶间腐蚀性能良好，焊后无固溶处理的试样抗晶间腐蚀性能较差。

从本实施例试验结果看，对核泵壳体中缺陷科学严格的检查确保无遗漏的缺陷；对称的弧形焊槽及焊前预热焊后热处理确保试样不会产生较大的焊接变形，补焊后应力大小及分布合理；对焊槽表面清洁及焊条的烘烤以控制杂质元素含量确保无明显焊接缺陷；对试样焊后热处理以提高核泵补焊区奥氏体的抗晶间腐蚀性能。

上述不同的补焊工艺方式的结果如表2所示：

表1不同处理方式下的焊接结果

上述结果依据是否在宏观观察和扫描下发现有气孔或杂质元素存在，是否有宏观观察发现较大的残余应力导致焊后工件变形，是否在ASTM—A262-02标准测试下发现晶间腐蚀做出。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。