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CN113458594A - 核主泵定心块激光熔敷钴基合金粉末焊接方法 - Google Patents

核主泵定心块激光熔敷钴基合金粉末焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种核主泵定心块激光熔敷钴基合金粉末焊接方法，定心块基材为马氏体不锈钢欧标牌号EN10088‑31.4313+QT780，该马氏体经过淬火、回火调质，进行激光熔敷前需将堆焊层表面使用丙酮或酒精进行擦拭、去油去锈；采用的激光熔敷钴基合金粉末满足AWS 5.21ERCoCr‑A标准要求，除此之外，Fe含量应满足0～2.5％。本发明有效的实现了定心块钴基合金粉末堆焊，有效的克服了传统手工钨极惰性气体保护电弧焊堆焊时效率低、熔深浅、稀释率大、热输入量大、工件变形量大、焊接质量稳定性差、容易出现气孔等焊接缺陷。本发明整个堆焊过程不需要焊接操作者进行操作，只需观察熔池即可，极大改善了焊接操作者的工作环境，同时也很容易实现自动化焊接。激光熔敷在满足同样的性能要求条件下，减少熔敷厚度，节约成本，提高堆焊效率。

Description

核主泵定心块激光熔敷钴基合金粉末焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种核主泵定心块激光熔敷钴基合金粉末焊接方法。
背景技术：
核反应堆冷却剂泵(简称主泵)是核电站反应堆的“心脏”设备，也是反应堆冷却系统中唯一的回转机械设备，对其基本要求之一是：能够长期在无人维护条件下安全可靠地工作。而定心块作为主泵的关键部件，又是下导轴承和轴承导环的连接部件，需要定心块具有良好的耐磨、抗疲劳等性能要求，所以对定心块的堆焊质量有很高的要求。故激光熔敷钴基合金粉末堆焊定心块是一项非常必要且极具实践意义的技术。
定心块基材为马氏体不锈钢欧标牌号EN10088-31.4313+QT780，该马氏体经过淬火、回火调质，具有较高强度、较好耐磨性，但焊接时容易产生冷裂纹。
目前国际上堆焊定心块通常使用手工钨极惰性气体保护电弧焊，该方法焊接效率低、熔深浅、稀释率大、热输入量大、工件变形量大、焊接质量稳定性差、容易出现气孔等焊接缺陷，同时焊工操作环境比较恶劣等缺点，所以对定心块堆焊焊接方法的改进具有重大意义。
激光熔敷具有热输入低、变形小，效率高、焊接质量好等技术特点。如使用激光熔敷钴基合金粉末堆焊定心块，形成具有自主制造能力的激光熔敷工艺技术，将极大提高定心块的质量，使得激光熔敷在轴封主泵项目领域得到应用，提高我国核电行业核心部件的焊接质量和技术革新。
发明内容：
本发明的目的是提供一种核主泵定心块激光熔敷钴基合金粉末焊接方法，采用激光熔敷热输入低、变形小，效率高、焊接质量好，提高定心块的焊接质量和成品率，使得定心块在服役过程中，能够长期在无人维护条件下更加安全可靠地工作。
本发明的技术方案为：一种核主泵定心块激光熔敷钴基合金粉末焊接方法：
(1)定心块基材为马氏体不锈钢欧标牌号EN10088-31.4313+QT780，该马氏体经过淬火、回火调质，进行激光熔敷前需将堆焊层表面使用丙酮或酒精进行擦拭、去油去锈；
(2)采用的激光熔敷钴基合金粉末满足AWS 5.21ERCoCr-A标准要求，除此之外，Fe含量应满足0～2.5％；
(3)采用激光熔敷堆焊基材表面：堆焊厚度：1.5mm～2.5mm，焊接参数如下：定心块预热温度：310℃，碟片式激光器设备功率：2.3KW～3.0KW，光斑直径：35mm～40mm，堆焊速度：580mm/min～630mm/min，保护气体流量(Ar)：5L/min～7L/min，送粉气流量(He)：3L/min～5L/min，搭接量：1mm～2mm，堆焊层数：1～2层，堆焊位置为定心块中相平行的两个平面；在激光熔敷过程中，使用小转台夹持定心块，并根据程序设定，在堆焊过程中每堆焊完一层，通过小转台翻面，配合激光熔敷焊机机头灵活、精准地堆焊定心块；
(4)堆焊完成后，堆焊件放入电阻加热炉，在460℃时保温1h，然后随炉冷却至室温，冷却速率：30℃/h；
(5)焊接完成后，对焊缝进行目视检查：表面无裂纹、无弧坑、无气孔有害缺陷；加工堆焊面后进行液体渗透检测探伤：不得有大于2mm的圆形显示，不得有3个或3个以上排成一条直线的显示且其间距边到边小于3mm；
(6)采用激光熔敷堆焊方法将钴基合金粉末堆焊在经过调质处理的马氏体不锈钢上，堆焊层表面成型良好，堆焊层表面及其内部无气孔、裂纹缺陷；堆焊层微观组织：靠近母材的平面晶、平面晶上分布的细小的胞状晶区、堆焊层内面积最大的树枝晶区以及分布在堆焊层顶端的轴晶区，从微观组织上可以看出，晶粒细小且密集；堆焊层的化学成分与未经母材稀释的填充粉末主要成分基本一致，稀释率低；堆焊层洛氏硬度：≥45HRC。
本发明技术效果：
由于定心块基材为马氏体不锈钢，且需堆焊相平行的2个平面，如图1所示，故在以往的手工钨极惰性气体保护电弧焊堆焊时，容易产生气孔、裂纹、因堆焊变形导致不够加工等问题。本发明采用核主泵定心块激光熔敷钴基合金粉末焊接方法，实现了高质量、高效、稳定的堆焊定心块：
为避免堆焊时产生冷裂纹，在堆焊前对定心块进行预热，最小预热温度为310℃，由于预热温度很高，以往手工堆焊时，焊接操作者的工作环境比较恶劣；在激光熔敷过程中，使用小转台夹持定心块，并根据程序设定，在堆焊过程中每堆焊完一层，通过小转台翻面，配合激光熔敷焊机机头灵活、精准地堆焊定心块。整个堆焊过程不需要焊接操作者进行操作，只需观察熔池即可，极大改善焊接操作者的工作环境，同时也很容易实现自动化焊接。
本发明以成熟稳定的激光熔敷工艺参数作为基础，焊接参数如下：定心块预热温度：310℃，碟片式激光器设备功率：2.3KW～3.0KW，光斑直径：35mm～40mm，堆焊速度：580mm/min～630mm/min，保护气体流量(Ar)：5L/min～7L/min，送粉气流量(He)：3L/min～5L/min，搭接量：1mm～2mm，堆焊层数：1～2层；在激光熔敷过程中，使用小转台夹持定心块，并根据程序设定，在堆焊过程中每堆焊完一层，通过小转台翻面，配合激光熔敷焊机机头灵活、精准地堆焊定心块。
本发明有效的实现了定心块激光熔敷钴基合金粉末堆焊，有效的克服了传统手工钨极惰性气体保护电弧焊堆焊时效率低、熔深浅、稀释率大、热输入量大、工件变形量大、焊接质量稳定性差、容易出现气孔等焊接缺陷。整个堆焊过程不需要焊接操作者进行操作，只需观察熔池即可，极大改善了焊接操作者的工作环境，同时也很容易实现自动化焊接。激光熔敷在满足同样的性能要求条件下，减少熔敷厚度，节约成本，提高堆焊效率。目前激光熔敷工艺参数已成功应用于定心块钴基合金粉末堆焊，焊后工件变形量小，稀释率低、堆焊效率高、堆焊层硬度高且均匀、无裂纹、无气孔、晶粒细化、具有良好的耐磨性、抗疲劳性等优点，成功通过焊缝质量检测，满足设计要求。经实践证明该激光熔敷焊接方法在核主泵定心块上具有很高的应用价值、经济效益和社会效益。
附图说明：
图1为定心块主视图
图2为定心块侧视图
具体实施方式：
一种核主泵定心块激光熔敷钴基合金粉末焊接方法：
(1)如图1所示，定心块基材①为马氏体不锈钢欧标牌号EN10088-31.4313+QT780，该马氏体经过淬火、回火调质，进行激光熔敷前需将堆焊层表面使用丙酮或酒精进行擦拭、去油去锈；
(2)采用的激光熔敷钴基合金粉末满足AWS 5.21ERCoCr-A标准要求，除此之外，Fe含量应满足0～2.5％；
(3)如图2所示，采用激光熔敷堆焊基材表面：堆焊②厚度：1.5mm～2.5mm，焊接参数如下：定心块预热温度：310℃，碟片式激光器设备功率：2.3KW～3.0KW，光斑直径：35mm～40mm，堆焊速度：580mm/min～630mm/min，保护气体流量(Ar)：5L/min～7L/min，送粉气流量(He)：3L/min～5L/min，搭接量：1mm～2mm，堆焊层数：1～2层，堆焊位置为定心块中相平行的两个平面；在激光熔敷过程中，使用小转台夹持定心块，根据程序设定，在堆焊过程中每堆焊完一层，通过小转台翻面，配合激光熔敷焊机机头灵活、精准地堆焊定心块；
(4)堆焊完成后，堆焊件放入电阻加热炉，在460℃时保温1h，然后随炉冷却至室温，冷却速率：30℃/h；
(5)焊接完成后，对焊缝进行目视检查：表面无裂纹、无弧坑、无气孔有害缺陷；加工堆焊面后进行液体渗透检测探伤：不得有大于2mm的圆形显示，不得有3个或3个以上排成一条直线的显示且其间距边到边小于3mm；
(6)采用激光熔敷堆焊方法将钴基合金粉末堆焊在经过调质处理的马氏体不锈钢上，堆焊层表面成型良好，堆焊层表面及其内部无气孔、裂纹缺陷；堆焊层微观组织：靠近母材的平面晶、平面晶上分布的细小的胞状晶区、堆焊层内面积最大的树枝晶区以及分布在堆焊层顶端的轴晶区，从微观组织上可以看出，晶粒细小且密集；堆焊层的化学成分与未经母材稀释的填充粉末主要成分基本一致，稀释率低；堆焊层洛氏硬度：≥45HRC。
本发明在实施例中运用激光熔敷堆焊了2种不同厚度堆焊层，分别为2.5mm(堆焊2层)、1.5mm(堆焊1层)，同以往手工堆焊进行对比(手工堆焊厚度为2.5mm，堆焊2层)；在比较液体渗透检验、堆焊层宏观金相检验、堆焊层化学分析检验、堆焊层微观组织检验、堆焊层洛氏硬度检验后，发现激光熔敷堆焊1.5mm厚度时的使用性能几乎与手工堆焊2.5mm厚度一致，同时激光熔敷堆焊层硬度更加均匀、质量更佳；而激光熔敷堆焊2.5mm厚度的堆焊层在各方面性能均优于其他激光熔敷堆焊厚度及手工堆焊。
本发明整个堆焊过程不需要焊接操作者进行操作，只需观察熔池即可，极大改善了焊接操作者的工作环境，同时也很容易实现自动化焊接。激光熔敷在满足同样的性能要求条件下，减少熔敷厚度，节约成本，提高堆焊效率。目前激光熔敷工艺参数已成功应用于定心块钴基合金粉末堆焊，焊后工件变形量小，稀释率低、堆焊效率高、堆焊层硬度高且均匀、无裂纹、无气孔、晶粒细化、具有良好的耐磨性、抗疲劳性等优点，成功通过焊缝质量检测，满足设计要求。经实践证明该激光熔敷焊接方法在核主泵定心块上具有很高的应用价值、经济效益和社会效益。

Claims (1)

1.一种核主泵定心块激光熔敷钴基合金粉末焊接方法，其特征是：
(1)定心块基材为马氏体不锈钢欧标牌号EN10088-31.4313+QT780，该马氏体经过淬火、回火调质，进行激光熔敷前需将堆焊层表面使用丙酮或酒精进行擦拭、去油去锈；
(2)采用的激光熔敷钴基合金粉末满足AWS 5.21ERCoCr-A标准要求，除此之外，Fe含量应满足0～2.5％；
(3)采用激光熔敷堆焊基材表面：堆焊厚度：1.5mm～2.5mm，焊接参数如下：定心块预热温度：310℃，碟片式激光器设备功率：2.3KW～3.0KW，光斑直径：35mm～40mm，堆焊速度：580mm/min～630mm/min，保护气体流量(Ar)：5L/min～7L/min，送粉气流量(He)：3L/min～5L/min，搭接量：1mm～2mm，堆焊层数：1～2层，堆焊位置为定心块中相平行的两个平面；在激光熔敷过程中，使用小转台夹持定心块，根据程序设定，在堆焊过程中每堆焊完一层，通过小转台翻面，配合激光熔敷焊机机头灵活、精准地堆焊定心块；
(4)堆焊完成后，堆焊件放入电阻加热炉，在460℃时保温1h，然后随炉冷却至室温，冷却速率：30℃/h；
(5)焊接完成后，对焊缝进行目视检查：表面无裂纹、无弧坑、无气孔有害缺陷；加工堆焊面后进行液体渗透检测探伤：不得有大于2mm的圆形显示，不得有3个或3个以上排成一条直线的显示且其间距边到边小于3mm；
(6)采用激光熔敷堆焊方法将钴基合金粉末堆焊在经过调质处理的马氏体不锈钢上，堆焊层表面成型良好，堆焊层表面及其内部无气孔、裂纹缺陷；堆焊层微观组织：靠近母材的平面晶、平面晶上分布的细小的胞状晶区、堆焊层内面积最大的树枝晶区以及分布在堆焊层顶端的轴晶区，从微观组织上可以看出，晶粒细小且密集；堆焊层的化学成分与未经母材稀释的填充粉末主要成分基本一致，稀释率低；堆焊层洛氏硬度：≥45HRC。
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