专利名称：一种核主泵屏蔽套的焊接方法
技术领域：
本发明涉及核电领域中核主泵的制造技术，特别是一种核主泵屏蔽套的焊接方 法。
背景技术：
近年来，核电以安全、高效、节能、环保等优势越来越受到各国的青睐。在核电站 中，核反应堆冷却剂主循环泵，简称核主泵，是核反应堆核岛唯一旋转的设备，是一回路循 环系统的压力边界之一，其长时间稳定安全的运行对冷却堆芯、防止核电站事故的发生及 恶化极为重要，因此核主泵常被喻为核电站的“心脏”。在第三代非能动型压水反应堆中，其 核主泵采用的是一种带有屏蔽电机的屏蔽泵，为了将电机的定子绕组和转子与一回路循环 系统的冷却剂介质完全隔绝开来，设置了两个屏蔽套，即定子屏蔽套和转子屏蔽套。屏蔽式 核主泵属于超长使役核安全一级设备，其中屏蔽套的精密制造和装配是保证其实现使役期 间免维修的重要基础，对于提高核电反应堆系统的安全可靠起到决定性的作用。因此，屏蔽 套的正确设计与精密制造在屏蔽式核主泵制造中至关重要。核主泵屏蔽套选用强度高、耐腐蚀、电阻率高、导热性能好和焊接性能优的非磁性 材料Hastelloy C-276合金，其制造工艺主要包括下料剪切、卷板成形、焊接、矫圆、组装和 试验几个工序。对于焊接工序，由于核主泵屏蔽套的壁厚一般小于1mm、内径约为565mm、 高度不小于3000mm，具有超薄厚度和大长径比的特点，同时，其内径尺寸要求精度高达 士0. 076mm，所以对焊接制造工艺精度要求极高。对这样的超薄大长径比屏蔽套，焊接过程 不仅要求工件无变形小应力、焊缝窄、无缺陷，而且要求对材料原始性能的影响降低到最 小，因此焊接加工装备水平和焊接质量直接决定了屏蔽套的可靠程度，是核主泵制造过程 的难点和关键工序之一。关于Hastelloy C-276合金的焊接以及核主泵屏蔽套的制造工艺， 以下文献均有报道1、美国学者 M. J. CIESLAK, T. J. HEADLEY, and A. D. ROMIG, Jr.“哈氏合金 C-4， C-22和C-276的焊接冶金性”，《冶金处理A》，1986年17A卷。2、巴基斯坦学者M. Ahmad, J. I. Akhter, Μ. Akhtar等“哈氏合金C-276电子束焊 接的微观结构和硬度分析”，《合金和化合物》，2005年390卷。3、挪威学者Casper van der Eijk,Hans Fostervoll，Zuhair K. Sallom等“NiTi 合金和NiTi合金、不锈钢和哈氏合金C-276的等离子体焊接”，美国金属学会2003年材料 熔化会议。4、关锐、高永军“AP1000反应堆主泵屏蔽套制造工艺浅析”，《中国核电》，2008年 第1期。5、张明乾、刘星、李承亮“浅谈压水堆核电站屏蔽式电动主泵”，《水泵技术》，2008
年第4期。从上述文献了解到，Hastelloy C-276合金最常用的焊接手段为钨极氩弧焊接、电 子束焊接以及等离子体焊接。钨极氩弧焊接研究较早，已经形成了比较系统地工业应用体系；而电子束焊接以及等离子体焊接虽然已经开始工业应用，但由于受到焊接条件以及焊 接质量的限制，在精密焊接过程中仍显得力不从心。虽然屏蔽套普遍采用钨极氩弧焊接，但 是将其应用于核主泵屏蔽套的无缺陷精密焊接还存在以下几点不足首先，焊缝热影响区较大，很容易导致工件变形，直径尺寸不易控制，焊后需要矫 正处理，从而大大增加了焊接工序和焊接设备的复杂性，影响了生产效率。其次，焊缝晶粒尺寸较大，导致物理力学性能相对基材都有所下降，同时热影响区 极易产生破坏，而且焊缝尺寸宽大，热变形容易造成残余应力积累，在不经后续热处理的条 件下，可靠性降低十分明显。其三，如采用预留焊缝间距为2mm，焊丝直径为0. 508mm的钨极氩弧填丝焊接工 艺，则不仅焊缝尺寸较宽，而且要在较高的焊接速度下，实现一次焊接成形，因此焊接过程 中对焊接设备的控制和工艺参数的调整将相当复杂甚至十分苛刻。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种核主泵屏蔽套的焊接 方法，不但可以保证核主泵屏蔽套的直径尺寸精度、对材料物理力学性能的影响小、焊缝尺 寸窄，满足核主泵屏蔽套无缺陷精密焊接的基本要求；而且可以简化焊接设备控制和工艺 参数调整的复杂性，提高生产效率。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下一种核主泵屏蔽套的焊接方法，利 用激光焊接机对核主泵屏蔽套进行焊接，所述的激光焊接机包括心轴、背衬板、琴键夹紧机 构、激光焊接头、传输光纤和固体脉冲激光器，所述的心轴上安装有背衬板，激光焊接头安 装在移动头架上，固体脉冲激光器与激光焊接头通过传输光纤连接，激光焊接头的内部设 有聚焦透镜和视频监测系统，且激光束的聚集光斑圆心与视频监测系统中的十字线中心同 轴；具体的焊接方法包括以下步骤A、根据核主泵屏蔽套的尺寸要求，对Hastelloy C-276合金薄板进行精密剪切下 料，将薄板弯卷成圆筒后安装定位在背衬板上，并通过琴键夹紧机构均勻压紧，使对缝间隙 和压紧距离尽量小、且压紧力大小均勻适当，安装好后对焊接区域用丙酮溶液进行彻底清 洗并吹干；B、通过激光焊接机的控制系统和传动机构，对激光焊接头进行精确定位，使激光 焊接头中的视频监测系统的十字线中心与工件对缝保持在同一条线上；C、根据核主泵屏蔽套的规格调整激光焊接机的焊接工艺参数为单脉冲能量为 1. 5-4. 5J、脉冲宽度为2-10ms、脉冲频率为20_45Hz、焊接速度为100-500mm/min、光斑直径 为 0.5-lmm ；D、启动激光焊接机，同时向焊缝正反两面吹高纯惰性气体进行保护，激光焊接头 按照控制系统中预先设定的程序移动自动完成核主泵屏蔽套的纵缝焊接。本发明步骤A所述的尺寸要求如下壁厚为0. 3-lmm、高度为1000-4000mm、内径为 400-600mm。本发明步骤A所述的对缝间隙小于0. 05mm、压紧距离为4-lOmm、压紧力为 40-60kg/cm。本发明所述的惰性气体为氩气，其纯度大于99. 99%、压力为0. 2-0. 4MPa。
本发明所述的固体脉冲激光器采用JK701H型Nd: YAG固体脉冲激光器。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果1、由于本发明采用小功率脉冲激光焊接，具有功率密度高、能量集中、热输入小、 焊缝热影响区小和变形小等优点，而且激光束聚焦后可获得很小的光斑，有利于保证定位 精度，同时结合琴键夹紧机构实现对缝间隙、压紧距离、压紧力大小和均勻性的要求，所以 本发明不但可以保证核主泵屏蔽套的直径尺寸精度，焊后无需矫正处理，而且可以得到较 细密的焊接组织，对材料物理力学性能的影响小，可以实现核主泵屏蔽套的无缺陷精密焊 接。2、本发明在焊接过程中不需要预留焊缝间距和填加焊丝，焊缝尺寸窄，省去了专 门的送丝机构和控制系统，而且简化了焊接设备控制和工艺参数调整的复杂性，提高了生
产效率。
本发明共有附图2张，其中图1是一种核主泵屏蔽套的脉冲激光焊接装置示意图。图2是图1中A处的局部放大图。图中1、核主泵屏蔽套，2、心轴，3、背衬板，4、琴键夹紧机构，5、激光束，6、移动头 架，7、聚焦透镜，8、激光焊接头，9、视频监测系统，10、传输光纤，11、固体脉冲激光器。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行进一步地描述。如图1和图2所示，一种核 主泵屏蔽套的焊接方法，利用激光焊接机对核主泵屏蔽套1进行焊接，所述的激光焊接机 包括心轴2、背衬板3、琴键夹紧机构4、激光焊接头8、传输光纤10和固体脉冲激光器11，所 述的心轴2上安装有背衬板3，激光焊接头8安装在移动头架6上，固体脉冲激光器11与 激光焊接头8通过传输光纤10连接，激光焊接头8的内部设有聚焦透镜7和视频监测系统 9，且激光束5的聚集光斑圆心与视频监测系统9中的十字线中心同轴；具体的焊接方法包 括以下步骤A、根据核主泵屏蔽套1的尺寸要求，对Hastelloy C-276合金薄板进行精密剪切 下料，将薄板弯卷成圆筒后安装定位在背衬板3上，并通过琴键夹紧机构4均勻压紧，使对 缝间隙和压紧距离尽量小、且压紧力大小均勻适当，安装好后对焊接区域用丙酮溶液进行 彻底清洗并吹干；B、通过激光焊接机的控制系统和传动机构，对激光焊接头8进行精确定位，使激 光焊接头8中的视频监测系统9的十字线中心与工件对缝保持在同一条线上；C、根据核主泵屏蔽套1的规格调整激光焊接机的焊接工艺参数为单脉冲能量为 1. 5-4. 5J、脉冲宽度为2-10ms、脉冲频率为20_45Hz、焊接速度为100-500mm/min、光斑直径 为 0.5-lmm ；D、启动激光焊接机，同时向焊缝正反面吹高纯惰性气体进行保护，激光焊接头8 按照控制系统中预先设定的程序移动自动完成核主泵屏蔽套1的纵缝焊接。以下应用图1所示装置，对脉冲激光焊接在制造核主泵屏蔽套1中的应用做进
5一步的说明。本发明的实施例要求核主泵屏蔽套1壁厚为0. 5mm、直径为565mm、高度为 3000mm，采用JK701H型Nd: YAG固体脉冲激光器11对核主泵屏蔽套1进行纵缝焊接，具体 焊接步骤如下A、按核主泵屏蔽套1的直径和高度要求下料剪切，然后弯卷成筒形。将弯卷成 筒的核主泵屏蔽套1安装在在激光焊接机的的背衬板3上进行精确对缝，对缝间隙小于
0.2mm,并采用琴键夹紧机构4进行均勻压紧，压紧距离L为4mm、压紧力为50kg/cm，安装好 后对焊接区域用丙酮溶液进行彻底清洗并吹干。B、通过控制移动头架6调整激光焊接头8进行精确定位，使视频监测系统9中的 十字线中心与工件对接缝在同一条线上。C、根据核主泵屏蔽套1的规格调整激光焊接机的焊接工艺参数为单脉冲能量为
1.5J、脉冲宽度为6ms、脉冲频率为30Hz、焊接速度为lOOmm/min、光斑直径为0. 6mm。D、启动激光焊接机，同时通过激光焊接头8内部的导气管路向焊缝上表面吹保护 气体氩气，压力为0. 3MPa ；通过背衬板3内部的导气孔向焊缝下表面进行氩气保护，压力为 0. 2MPa，通过激光焊接头8的移动自动完成核主泵屏蔽套1的纵缝焊接。
权利要求
1.一种核主泵屏蔽套的焊接方法，其特征在于利用激光焊接机对核主泵屏蔽套(1) 进行焊接，所述的激光焊接机包括心轴O)、背衬板(3)、琴键夹紧机构G)、激光焊接头 (8)、传输光纤(10)和固体脉冲激光器(11)，所述的心轴( 上安装有背衬板(3)，激光焊 接头⑶安装在移动头架(6)上，固体脉冲激光器(11)与激光焊接头(8)通过传输光纤 (10)连接，激光焊接头⑶的内部设有聚焦透镜(7)和视频监测系统(9)，且激光束(5)的 聚集光斑圆心与视频监测系统(9)中的十字线中心同轴；具体的焊接方法包括以下步骤A、根据核主泵屏蔽套(1)的尺寸要求，对HastelloyC-276合金薄板进行精密剪切下 料，将薄板弯卷成圆筒后安装定位在背衬板C3)上，并通过琴键夹紧机构(4)均勻压紧，使 对缝间隙和压紧距离尽量小、且压紧力大小均勻适当，安装好后对焊接区域用丙酮溶液进 行彻底清洗并吹干；B、通过激光焊接机的控制系统和传动机构，对激光焊接头(8)进行精确定位，使激光 焊接头(8)中的视频监测系统(9)的十字线中心与工件对缝保持在同一条线上；C、根据核主泵屏蔽套(1)的规格调整激光焊接机的焊接工艺参数为单脉冲能量为 1. 5-4. 5J、脉冲宽度为2-10ms、脉冲频率为20_45Hz、焊接速度为100-500mm/min、光斑直径 为 0. 5-lmm ；D、启动激光焊接机，同时向焊缝正反两面吹高纯惰性气体进行保护，激光焊接头(8) 按照控制系统中预先设定的程序移动自动完成核主泵屏蔽套(1)的纵缝焊接。
2.根据权利要求1所述的一种核主泵屏蔽套的焊接方法，其特征在于步骤A所述的 尺寸要求如下壁厚为0. 3-lmm、高度为1000-4000mm、内径为400-600mm。
3.根据权利要求1所述的一种核主泵屏蔽套的焊接方法，其特征在于步骤A所述的 对缝间隙小于0. 05mm、压紧距离为4_10mm、压紧力为40_60kg/cm。
4.根据权利要求1所述的一种核主泵屏蔽套的焊接方法，其特征在于所述的惰性气 体为氩气，其纯度大于99. 99%、压力为0. 2-0. 4MPa。
5.根据权利要求1所述的一种核主泵屏蔽套的焊接方法，其特征在于所述的固体脉 冲激光器(11)采用JK701H型Nd:YAG固体脉冲激光器。
全文摘要
本发明公开了一种核主泵屏蔽套的焊接方法，利用激光焊接机对核主泵屏蔽套进行脉冲激光焊接，具体步骤是将Hastelloy C-276合金薄板弯卷成圆筒后，安装到专用焊接工装中，焊缝正反面用惰性气体保护，激光焊接头与Nd:YAG固体脉冲激光器通过传输光纤连接，并通过控制激光焊接头的精确定位和连续移动，实现核主泵屏蔽套的纵缝焊接。本发明一方面可以保证核主泵屏蔽套的焊缝热影响区小、工件无变形、直径尺寸精度高、焊后无需矫正处理，而且可以将对材料物理力学性能的影响降低到最小；另一方面，在焊接过程中不需要填加焊丝，焊缝尺寸较窄，而且简化了焊接设备控制和工艺参数调整的复杂性，提高了生产效率。
文档编号B23K26/02GK102091867SQ20111000194
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月6日 优先权日2011年1月6日
发明者吴东江, 郭东明, 郭玉泉, 马广义 申请人:大连理工大学