一种上管座电子束扫描搅拌焊接工艺的制作方法

本发明属于核燃料制造技术，具体涉及一种上管座电子束扫描搅拌焊接工艺。

背景技术：

cf2、cf3上管座是华龙1号核燃料组件的关键组成部分之一，具有定位燃料组件堆芯位置，约束定位骨架，吊装组件接口等不可替代的功能。因为上管座连接板与框板焊缝要承载组件堆内预紧抗力、箱型内腔流体冲刷剪力、热循环内应力以及堆芯辐照蠕变应力，所以技术条件对上管座焊缝的强度、抗晶间腐蚀、抗应力腐蚀及辐照蠕变性能要求都很高。连接板与框板焊缝接头厚度不一，且不允许焊穿，熔深尺寸公差要求控制在0.3mm左右，焊接纵向、横向变形量要求控制在0.5mm以内，焊接难度非常大。

现有技术中，只能小心焊接，然后在成品中选择质量较好的作为合格产品，不但费时费工，还浪费了大量的时间和金钱。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种上管座电子束扫描搅拌焊接工艺，可有效减小焊接变形和焊接气孔、偏移缺陷，提高焊接质量，实现产品一次焊接合格。

本发明的技术方案如下：

一种上管座电子束扫描搅拌焊接工艺，包括下述步骤：

步骤一、焊件表面质量和清洁度检查；

步骤二、将上管座中的框板、连接板通过定位焊接夹具进行定位；

步骤三、利用tig定位点焊对上管座四周的4条焊缝进行焊接；

步骤四、点焊后检查，如果有缺陷，则将焊点缺陷清除后重焊直到没有缺陷；

步骤五、电子束焊接件刚性限位，解除定位焊接夹具，上管座焊接件框板和连接板通过电子束焊接夹具进行刚性限位；

步骤六、采用电子束轰击管座留下可识别标记，标记焊缝起点；

步骤七、电子束固定焊接；

对上管座四周的4条焊缝进行电子束固定焊接；

步骤八、电子束焊接

对上管座四周的4条焊缝进行电子束焊接；

步骤九、解除焊接件刚性限位。

所述的步骤三中，对上管座四周的4条焊缝进行tig点焊，每条焊缝处3～5点均布点焊，在上管座每一侧面沿焊缝顺序焊接，先焊接一组对应侧面，沿逆时针顺序焊接，再焊接另一组对应侧面，同样沿逆时针焊接。

所述步骤四中的检查是指焊点应无气孔、裂纹、夹钨、夹渣缺陷，焊后框板、连接板之间的间隙不大于0.08毫米～0.15毫米。

所述的步骤六中，光学或电子观察系统视场中焊缝的位置，二者偏差不应大于0.05毫米；光学或电子观察系统视场中电子束焦点的位置，二者偏差不应大于0.05毫米。

所述的步骤七中，每条焊缝4段焊缝均布3～5个焊点，焊点尺寸10毫米～30毫米。

所述的步骤八中，对四角圆孔处为不等厚焊接接头位置，焊接起束、收束段采用为平滑过渡方式焊接。

步骤二中用于将框板和连接板定位的定位焊接夹具，其包括底板安装在底板上的支腿，起到支撑作用，底板上设有内六角圆柱头螺钉，其与固定销或者定位销柱连接，定位销柱穿过框板和连接板，上端安装压板，再通过拧紧螺母紧固。

步骤五中用于将框板和连接板定位的电子束焊接夹具，其包括底板，底板上设有内六角圆柱头螺钉，其与固定销或者定位销柱连接，定位销柱穿过框板和连接板，上端安装压板，再通过拧紧螺母紧固，在底板侧部安装内六角平端紧定螺钉。

所述的tig定位点焊中，电流为45a～55a，电流衰减时间为1～2秒，钨极为直径2.0毫米～3.0毫米的铈钨或纯钨钨极，电源极性为直流正接，焊接位置为水平或横焊位置，保护气体流量为6～9升每分钟，喷嘴直径为8毫米～12毫米，焊丝直径为φ0.8～φ1.6毫米；

所述的步骤七的电子束固定焊接中，加速电压为50kv～55kv，束流电流为12ma～20ma，聚焦电流为2.2a～2.8a，焊接速度为0.8m/min～1.9m/min，焊枪与工件距离为120mm～125mm，焊接位置为水平；

所述的步骤八中的电子束焊接采用扫描搅拌电子束焊接方法对所有焊缝进行电子束焊接，加速电压为50kv～55kv，起束、收束段束流电流为28～33ma，其余焊缝为35ma～45ma，2.2a～2.8a，焊接速度为0.8m/min～1.9m/min，焊枪与工件距离为120mm～125mm，焊接位置为水平。束流扫描为横向扫描，采用双余弦波形，相位角80度～90度，频率150hz～220hz，x、y方向振幅均为2～5个标准单位。

所述的步骤九之后若存在缺陷进行电子束补焊和tig加丝补焊操作；

所述的电子束补焊为电子束扫描搅拌焊接，加速电压为50kv～55kv，起束、收束段束流电流为28～33ma，其余焊缝为35ma～45ma，2.2a～2.8a，焊接速度为0.8m/min～1.9m/min，焊枪与工件距离为120mm～125mm，焊接位置为水平。束流扫描为横向扫描，采用双余弦波形，相位角80度～90度，频率150hz～220hz，x、y方向振幅均为2～5个标准单位；

所述的tig加丝补焊，电流为55a～100a，电流衰减时间为1～2秒，钨极为直径2.0毫米～3.0毫米的铈钨或纯钨钨极，电源极性为直流正接，焊接位置为水平或横焊位置，保护气体流量为6～9升每分钟，喷嘴直径为8毫米～12毫米，焊丝直径为φ0.8～φ1.6毫米。

本发明的显著效果如下：本发明中的焊接方法，基础工艺为真空电子束焊接工艺，在此基础上增加下列涉及及相应效果。

增加电子束固定焊接层次，在正式电子束焊接前先对焊缝进行小能量电子束点焊，焊缝经过二次装订加固，可有效避免焊接接头错边、开口、扭曲等问题产生。

在正常电子束焊接过程中增加扫描搅拌过程，使电子束流整体前进的过程中还伴随有规律的摆动或拟合曲线运动。本发明采用双余弦加相位角的数学模型，是电子束流对焊缝熔池金属产生搅拌作用，可有效延迟电子束焊缝冷却时间、消除气孔、飞溅、咬边等缺陷。

焊缝及电子束焦点位置校准，接起束、收束段采用为平滑过渡方式焊接有效控制焊缝形状，避免电子束焊缝偏移缺陷的产生。

通过检查试样焊缝外观和熔透深度，快速高效验证焊接设备状态及参数稳定适应性，保证产品焊接质量。

本焊接方法的焊接分了几个层次，

层次一、tig定位点焊：通过小电流tig点焊定位零件相对位置，固定焊接结构。

层次二、焊缝电子束固定焊：使用中小能量电子束焊，加固焊缝，减小焊接变形。

层次三、焊缝电子束焊：采用扫描搅拌电子束焊接方法对所有焊缝进行电子束焊接。

层次四、必要时电子束补焊：针对气孔、中断、偏移、裂纹等缺陷进行电子束补焊。

层次五、必要时tig加丝补焊，针对凹坑、气孔、裂纹、机械损伤等缺陷，小范围补焊。

其中层次二，电子束固定焊，为本发明特有焊接层次。

附图说明

图1为上管座定位点焊方向及顺序；

图2为上管座电子束焊方向及顺序；

图3为上管座电子束焊接上管座焊缝减薄区示意图；

图4为定位焊接夹具示意图；

图5为电子束焊接夹具示意图；

图中：1.底板；2.定位销柱；3.固定销；4.压板；5.拧紧螺母；6.支腿；7.内六角圆柱头螺钉；8.内六角评断紧定螺钉；9.框板；10.连接板。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

包含下列步骤：

步骤一：焊件表面质量和清洁度检查

检查框板、连接板的焊接接头表面清洁度，检查零件表面应无油渍、锈迹、污渍、水分、灰尘及其他异物。若没有则进行后续步骤。

步骤二：焊接件定位组装和刚性限位

将上管座中的框板、连接板通过定位焊接夹具进行定位组装和刚性限位。

步骤三：tig定位点焊

对上管座四周的4条焊缝进行tig点焊，每条焊缝处3～5点均布点焊，点焊后的上管座焊接件应无需夹具即可固定连接为一体。焊接顺序如图1和图2，图中所示黑色方块为焊点位置示意，图示数字表示焊接顺序，即在上管座每一侧面沿焊缝顺序焊接，先焊接一组对应侧面，沿逆时针顺序焊接，再焊接另一组对应侧面，同样沿逆时针焊接。

步骤四：点焊后检查

对焊点外观进行检查，焊点应无气孔、裂纹、夹钨、夹渣缺陷，如果有，则将焊点缺陷清除后重焊直到没有缺陷；

焊后2个零件框板、连接板之间的间隙不大于0.08毫米～0.15毫米；

点焊后的上管座焊接件无需夹具即可固定连接为一体。

步骤五：电子束焊接件刚性限位

先解除定位焊接夹具的刚性限位，然后将定位点焊好的上管座焊接件框板和连接板通过电子束焊接夹具进行刚性限位。

步骤六：焊缝及电子束焦点位置校准

利用将焊缝置于光学系统或者电子观察系统中。

首先调整光学或电子观察系统的焦距以保证观察视场中焊缝的图像清晰度；然后校准灯光环境下和阴极加热环境(电子束具备发射的工作环境)下光学或电子观察系统视场中焊缝的位置，二者偏差不应大于0.05毫米；之后校准灯光环境下和阴极加热环境(电子束具备发射的工作环境)下光学或电子观察系统视场中电子束焦点的位置，二者偏差不应大于0.05毫米；最后在上管座侧面不影响焊接接头的位置采用电子束轰击管座留下可识别标记，标记焊缝起点。

步骤七：电子束固定焊接

对上管座四周的4条焊缝进行电子束固定焊接，每条焊缝4段焊缝均布3～5个焊点，焊点尺寸10毫米～30毫米。焊点和焊接顺序如步骤三。

步骤八：电子束扫描焊接

对上管座四周的4条焊缝进行电子束焊接，焊接顺序如步骤三，如图2。图中所示箭头所指方向为焊接方向，图示数字表示焊接顺序。对四角圆孔处表示不等厚焊接接头位置。

如图3所示，s1、s2为抽象显示作为上管座截面的对角线上的两个角的焊接区域，焊接起束、收束段采用为平滑过渡方式焊接。

步骤九：必要时缺陷的电子束补焊

正常焊缝焊接完成后，检查焊缝有无位置偏移、中断、气孔缺陷。如存在上述缺陷可进行电子束补焊操作，焊接参数与正常焊缝相同，补焊焊缝必须覆盖缺陷焊缝。

步骤十：解除焊接件刚性限位

松开焊接夹具，解除焊接件的刚性限位，并进行焊接质量检查。

步骤十一：必要时缺陷的tig加丝补焊

检查焊缝有无凹坑、气孔、裂纹、机械损伤缺陷。如存在上述缺陷在彻底清除缺陷后可进行tig加丝补焊操作，补焊焊缝必须覆盖缺陷焊缝。

定位焊接夹具

如图4所示，步骤二中用于将框板9和连接板10定位的焊接夹具。包括底板1安装在底板1上的支腿6，起到支撑作用，底板1上安装内六角圆柱头螺钉7，其与固定销3或者定位销柱2连接，定位销柱2穿过框板9和连接板10，上端安装压板4，再通过拧紧螺母5。

电子束焊接夹具

如图5所示，步骤五中用于将框板9和连接板10定位的电子束焊接夹具，与定位焊接夹具不同的是，底板1下方没有支腿6，在底板1侧部安装内六角平端紧定螺钉8。

焊接参数如下：

tig定位点焊：电流为45a～55a，电流衰减时间为1～2秒，钨极为直径2.0毫米～3.0毫米的铈钨或纯钨钨极，电源极性为直流正接，焊接位置为水平或横焊位置，保护气体流量为6～9升每分钟，喷嘴直径为8毫米～12毫米，焊丝直径为φ0.8～φ1.6毫米。

电子束固定焊接：加速电压为50kv～55kv，束流电流为12ma～20ma，聚焦电流为2.2a～2.8a，焊接速度为0.8m/min～1.9m/min，焊枪与工件距离为120mm～125mm，焊接位置为水平。

电子束扫描搅拌焊接与补焊：加速电压为50kv～55kv，起束、收束段束流电流为28～33ma，其余焊缝为35ma～45ma，2.2a～2.8a，焊接速度为0.8m/min～1.9m/min，焊枪与工件距离为120mm～125mm，焊接位置为水平。束流扫描为横向扫描，采用双余弦波形，相位角80度～90度，频率150hz～220hz，x、y方向振幅均为2～5个标准单位。

tig加丝补焊：电流为55a～100a，电流衰减时间为1～2秒，钨极为直径2.0毫米～3.0毫米的铈钨或纯钨钨极，电源极性为直流正接，焊接位置为水平或横焊位置，保护气体流量为6～9升每分钟，喷嘴直径为8毫米～12毫米，焊丝直径为φ0.8～φ1.6毫米。

电子束扫描搅拌方式为：电子束焊的扫描参数包括波形、振幅、频率、扫描方向、相位角等。以tig焊缝熔池流动模型为依据，常规tig焊接线能量轨迹一般有直线、“z”形摆动、“8”形摆动等。电子束焊接设备的波形发生器可以产生两组独立的方波、三角波、余弦波，通过波形叠加、相位角差数、振幅变化，可以生产方形、三角形、菱形、正弦、余弦、方形锯齿、三角形锯齿、纺锤形、双菱形、圆形、椭圆形、“8”形等电子束束流轨迹。经过大量试验，本方法采用双余弦曲线+90°相位角模拟出的圆形平面扫描轨迹，焊缝无气孔且焊缝整体形状过渡也更加圆滑。