一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法

摘要

本发明公开了一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法，所述密封筒包括非导磁管和磁性管，磁性管是由形状一致的导磁棒和非导磁棒交替焊接而成的圆环状焊接件，导磁棒和非导磁棒的截面均呈梯形；所述非导磁管和磁性管中的非导磁棒的材质均为1Cr18Ni10Ti，磁性管中导磁棒的材质为0Cr13，将焊接而成的密封筒毛坯连同位于密封筒毛坯芯部的工装一同置于热处理炉中进行热处理，其热处理工艺为：先升温至300~500℃保温0.5~1h进行均温处理，再升温至600~720℃并保温1~4h，随后冷却至室温，取出工装并加工后即得到消除应力的密封筒。将密封筒毛坯连同工装一同进行热处理，有利于保持密封筒整体的平直度和同轴度。该方法了不仅保证非导磁棒的低磁性，且接头和母材的力学性能良好。

权利要求

1.一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法，所述密封筒包括非导磁管(1)以及与非导磁管(1)的端部固定连接的磁性管(2)，所述磁性管(2)是由形状一致的导磁棒(202)和非导磁棒(201)交替焊接而成的圆环状焊接件，导磁棒(202)和非导磁棒(201)的截面均呈梯形；所述非导磁管(1)和磁性管(2)中的非导磁棒的材质均为固溶态1Cr18Ni10Ti，所述磁性管(2)中导磁棒的材质为0Cr13，其特征在于：将焊接而成的密封筒毛坯连同位于密封筒毛坯芯部的工装一同置于热处理炉中进行热处理，其热处理工艺为：先升温至300 500℃~保温0.5 1h进行均温处理，再升温至600 720℃并保温1 4h，随后冷却至室温，取出工装并~ ~ ~

加工后即得到消除应力的密封筒。

2.根据权利要求1所述的一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法，其特征在于，热处理工艺中的升温速率≤400℃/h。

3.根据权利要求1所述的一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法，其特征在于，热处理工艺中冷却至室温的过程为：先将密封筒毛坯连同工装随炉冷却至200℃，再出炉冷却至室温。

4.根据权利要求3所述的一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法，其特征在于，密封筒毛坯连同工装随炉冷却的降温速率≤100℃/h。

5.根据权利要求1所述的一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法，其特征在于，在密封筒毛坯连同工装进行热处理前先进行预热处理，预热温度≤300℃，然后进行均温处理。

6.根据权利要求1所述的一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法，其特征在于，密封筒毛坯的制作过程为：磁性管(2)焊接成形所用坯料包括材质为0Cr13的导磁条状坯料和材质为固溶态1Cr18Ni10Ti的非导磁条状坯料，导磁条状坯料不仅包括与非导磁条状坯料形状一致的截面呈梯形的主体部，还包括与主体部平行两边中的短边固定连接的截面呈矩形的辅助部；工装呈与密封筒内径相匹配的圆柱体，与磁性管(2)内径相匹配的工装表面环状对称分布有多个凹槽，凹槽的数量及延伸方向均与导磁条状坯料一致，凹槽与导磁条状坯料的辅助部相匹配，将导磁条状坯料的辅助部置于工装的凹槽内以实现导磁条状坯料的定位，非导磁条状坯料的尺寸与相邻两根导磁条状坯料之间的空间相匹配，将非导磁条状坯料置于相邻两根导磁条状坯料之间，再将非导磁管(1)套装在坯料端部的工装上，将导磁条状坯料、非导磁条状坯料和非导磁管(1)焊接成一个整体，得到密封筒毛坯。

7.根据权利要求6所述的一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法，其特征在于，所述工装的材质为碳素钢。

说明书

一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及金属热处理领域，尤其是涉及一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法。

背景技术

[0002] 某新型核反应堆堆内密封筒（以下简称密封筒，如图1所示）包括非导磁管以及与非导磁管固定连接的磁性管，磁性管由8根导磁棒和8根非导磁棒交替焊接制造而成。考虑到核反应堆堆内密封筒使用的特殊性，现有技术中非导磁管和磁性管中的8根非导磁棒的材质均为固溶态1Cr18Ni10Ti（固溶态的1Cr18Ni10Ti在密封筒应用于核反应堆的过程中，满足密封筒的力学性能要求），1Cr18Ni10Ti为奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢具有弱磁性；磁性管中的8根导磁棒的材质为0Cr13，0Cr13属于能够导磁的不锈钢（根据其制备过程最终为铁素体不锈钢或马氏体不锈钢）。密封筒通过导磁棒与非导磁棒交替焊接实现驱动电机磁路设计，控制核反应堆燃料棒启动及停堆，但由于焊后残余应力较大致使密封筒在使用过程中出现变形、发热等问题，对核反应堆服役过程造成极大的安全隐患，为保证密封筒质量，需要采取措施降低密封筒结构的残余应力。

[0003] 焊接接头残余应力消除的办法主要包括随焊碾压、振动时效、局部加热和整体热处理等。受环形结构形式所限，难以使用随焊碾压和振动时效的方法消除焊接残余应力；因密封筒中有环缝和纵缝，结构较复杂，且各焊缝距离较小，因此采用局部加热消应力的方法操作难度大。焊后整体热处理可大幅度减小焊接残余应力，是密封筒消应力的可行方法，但消应力热处理的实际效果取决于材料类型、保温温度和保温时间等，而且消应力热处理可能会对材料的使用性能造成影响，特别是可能会造成非导磁棒导磁性的升高，因此需制定出合理有效的消应力热处理方法，在保证不会明显改变非导磁棒的弱磁性的前提下，消除异种钢密封筒结构的焊接接头应力和基体残余应力。

[0004] 一般而言，奥氏体不锈钢材料消除焊接残余应力的最佳热处理工艺通常为850℃~1050℃保温后缓冷，但在此温度区间奥氏体不锈钢的磁导率将严重升高，即会明显提高非导磁棒的导磁性，影响密封筒的使用效果；另外由于0Cr13钢通常为900℃以下退火态供货，在850℃ 1050℃温度区间内消除残余应力将严重影响0Cr13钢的常规性能。为了兼顾~
1Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢及其接头的力学性能，可采用中温回火热处理，但该方法不能保证1Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢的磁导率和1Cr18Ni10Ti+0Cr13异种钢接头的力学性能，应力消除效果也不一定能得到保证。

[0005] 因此，有必要寻找一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法，在消除应力的同时还能够保证非导磁棒的弱磁性，保证密封筒的使用效果。

发明内容

[0006] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法，其在消除密封筒中残余应力的同时，还能保证非导磁棒的弱磁性。

[0007] 本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：

[0008] 一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法，所述密封筒包括非导磁管以及与非导磁管的端部固定连接的磁性管，所述磁性管是由形状一致的导磁棒和非导磁棒交替焊接而成的圆环状焊接件，导磁棒和非导磁棒的截面均呈梯形；所述非导磁管和磁性管中的非导磁棒的材质均为固溶态1Cr18Ni10Ti，所述磁性管中导磁棒的材质为0Cr13，将焊接而成的密封筒毛坯连同位于密封筒毛坯芯部的工装一同置于热处理炉中进行热处理，其热处理工艺为：先升温至300 500℃保温0.5 1h进行均温处理，再升温至600 720℃并保温1 4h，~ ~ ~ ~随后冷却至室温，取出工装并加工后即得到消除应力的密封筒。

[0009] 进一步地，热处理工艺中的升温速率≤400℃/h。

[0010] 进一步地，热处理工艺中冷却至室温的过程为：先将密封筒毛坯连同工装随炉冷却至200℃，再出炉冷却至室温。

[0011] 进一步地，密封筒毛坯连同工装随炉冷却的降温速率≤100℃/h。

[0012] 进一步地，在密封筒毛坯连同工装进行热处理前先进行预热处理，预热温度≤300℃，然后进行均温处理。

[0013] 进一步地，密封筒毛坯的制作过程为：先将非导磁管、磁性管焊接成形用导磁条状坯料和非导磁条状坯料置于工装的相应位置，再将其焊接成整体，即得到密封筒毛坯，其中，导磁条状坯料的材质为0Cr13，非导磁条状坯料的材质为固溶态1Cr18Ni10Ti。

[0014] 进一步地，导磁条状坯料不仅包括与非导磁条状坯料形状一致的截面呈梯形的主体部，还包括与主体部平行两边中的短边固定连接的截面呈矩形的辅助部；工装呈与密封筒内径相匹配的圆柱体，与磁性管内径相匹配的工装表面环状对称分布有凹槽，凹槽的数量及延伸方向均与导磁条状坯料一致，凹槽与导磁条状坯料的辅助部相匹配，将导磁条状坯料的辅助部置于工装的凹槽内以实现导磁条状坯料的定位，非导磁条状坯料的尺寸与相邻两根导磁条状坯料之间的空间相匹配，将非导磁条状坯料置于相邻两根导磁条状坯料之间；再将非导磁管套装在工装的相应位置，将导磁条状坯料、非导磁条状坯料和非导磁管焊接成一个整体，得到密封筒毛坯。

[0015] 进一步地，所述工装的材质为碳素钢。

[0016] 热处理工艺设计的首要原则是要获得良好的接头应力消除效果和非导磁棒稳定的弱磁性能，在此前提下还应尽可能保证接头及母材力学性能不显著恶化。

[0017] 热处理工装设计的首要原则是要适配密封筒尺寸并使密封筒的平直度和同轴度在各工序中都能得到保证。

[0018] 有益效果：

[0019] 如上所述，本发明的一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法，具有以下有益效果：

[0020] 1、将密封筒毛坯连同工装一同置于热处理炉中进行热处理，有利于保持密封筒整体的平直度和同轴度。热处理过程不仅有利于保证1Cr18Ni10Ti钢的低磁性，可获得90%以上的应力松弛效果，且接头和母材的力学性能良好。

[0021] 2、热处理过程中消应力处理的温度区间和保温时间为(600 720)℃×(1 4)h，在~ ~该温度区间和保温时间范围内热处理对1Cr18Ni10Ti中铁素体的分解有一定的促进作用，且奥氏体晶界不至于发生强烈敏化，有利于保证低磁性，可获得90%以上的应力松弛效果，接头和母材的力学性能良好。如保温时间和保温温度不够则消应力效果很差，而保温温度过高或/和保温时间过长，接头的消应力效果不会明显提高，且会增加奥氏体晶界敏化的风险并浪费能源；

[0022] 3、热处理过程中均温过程为(300 500)℃×(0.5 1)h，在该温度范围内构件内部~ ~累积的温度应力不大，且经过(0.5 1)h保温后这种应力能够较好的消除，材料的组织稳定，~
使用性能不会向不好的方向转变。

[0023] 4、热处理过程中升温速度≤400℃/h，降温速度≤100℃/h。其中升温速度是综合考虑热处理炉实际加热能力和材料导热系数确定的，降温速度是为保证焊接接头良好的消应力效果。

[0024] 5、0Cr13钢的导热性能优于1Cr18Ni10Ti钢的导热性能，以0Cr13为材质的导磁条状坯料的厚度明显厚于以1Cr18Ni10Ti为材质的非导磁条状坯料，在能够与工装适配的基础上，还能够减小热处理过程中非导磁条状坯料和导磁条状坯料的温度差异。

[0025] 6、工装材质为碳素钢，由于碳素钢的高温强度低于1Cr18Ni10Ti和0Cr13，因此工装既能提供必要的刚度又不会对密封筒产生附加应力，工装成本低，加工容易且可反复使用。

[0026] 下面结合实施例附图和具体实施例对本发明做进一步具体详细的说明。

附图说明

[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0028] 图1是本发明中密封筒加工至设计尺寸后的示意图。

[0029] 图2是本发明中工装的示意图。

[0030] 图3是导磁条状坯料、非导磁条状坯料与工装装配后的示意图。

[0031] 图4是热处理前后密封筒的残余应力测量结果。

[0032] 图5是热处理前后密封筒的力学性能测量结果。

[0033] 图示标记，1、非导磁管，2、磁性管，201、非导磁棒，202、导磁棒。

具体实施方式

[0034] 本发明的核心是提供一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法，其在消除密封筒中残余应力的同时，还能保证非导磁棒的弱磁性。

[0035] 请参考图1，图1为本发明所提供密封筒加工至设计尺寸后的示意图。密封筒包括非导磁管1以及与非导磁管的端部固定连接的磁性管2，磁性管2的数量为一个或者两个。所述磁性管2是由形状一致的导磁棒202和非导磁棒201交替焊接而成的圆环状焊接件，导磁棒202和非导磁棒201的截面均呈梯形。所述非导磁管1和磁性管2中的非导磁棒的材质均为固溶态1Cr18Ni10Ti；所述磁性管2中导磁棒的材质为0Cr13。

[0036] 需要说明的是，密封筒2中不仅包括异种材料（导磁棒和非导磁棒）的焊接，还包括同种材料（非导磁棒与非导磁管）的焊接。

[0037] 该消除应力的方法是借助于工装实现的，请参考图2，图2是本发明中工装的示意图。工装的长度与密封筒的长度一致，工装包括两部分，一部分是与磁性管2的内径相匹配的表面带凹槽的圆柱体，另一部分是与非导磁管1的内径相匹配的圆柱体（与非导磁管相匹配的圆柱体空心实心均可）。

[0038] 工装的材质为碳素钢，由于碳素钢的高温强度低于1Cr18Ni10Ti和0Cr13，因此工装既能提供必要的刚度又不会对密封筒产生附加应力，工装成本低，加工容易且可反复使用。

[0039] 请参考图3，图3为本发明所提供的导磁条状坯料和非导磁条状坯料与工装装配后的示意图。磁性管成形用的导磁条状坯料不仅包括与非导磁条状坯料形状一致的截面呈梯形的主体部，还包括与主体部平行两边中的短边固定连接的截面呈矩形的辅助部；导磁条状坯料和非导磁条状坯料平行两边中的长边端部均设有方便焊接的台阶。

[0040] 工装呈与密封筒内径相匹配的圆柱体，与磁性管内径相匹配的圆柱体表面环状对称分布有凹槽，凹槽的数量及延伸方向均与导磁条状坯料一致，凹槽与导磁条状坯料的辅助部相适配，将导磁条状坯料的辅助部置于工装的凹槽内，非导磁条状坯料的尺寸与相邻两根导磁条状坯料之间的空间相匹配，将非导磁条状坯料置于相邻两根导磁条状坯料之间；将导磁条状坯料和非导磁条状坯料焊接成一个整体，得到密封筒毛坯。需要说明的是，导磁条状坯料的材质为0Cr13，非导磁条状坯料的材质为固溶态1Cr18Ni10Ti。

[0041] 将密封筒毛坯连同工装一同置于热处理炉中进行热处理以消除密封筒毛坯内的应力；其热处理工艺为：先以≤400℃/h的升温速率升温至300 500℃保温0.5 1h进行均温~ ~处理，再以≤400℃/h的升温速率升温至600 720℃并保温1 4h，然后以≤100℃/h的降温速~ ~
率随炉冷却至200℃，再出炉冷却至室温，得到待加工密封筒。

[0042] 可选的，将密封筒毛坯连同工装一同置于箱式空气电炉中进行热处理，底部用不低于50mm高的垫块垫平，以保证密封筒毛坯受热均匀完全。

[0043] 再将工装从待加工密封筒中取出，再将待加工密封筒加工至设计尺寸，得到消除应力的密封筒。

[0044] 可选地，在密封筒毛坯连同工装进行热处理前先进行预热处理，预热温度≤300℃，然后进行均温处理。

[0045] 实施例1

[0046] 将非导磁管1、磁性管2焊接成形用导磁条状坯料和非导磁条状坯料安装于工装的相应位置，再将其焊接成一个整体，得到密封筒毛坯；再将密封筒毛坯连同工装一同置于热处理炉中进行热处理以消除密封筒毛坯内的应力；其热处理工艺为：将密封筒毛坯连同工装置于热处理炉中，先以≤400℃/h的升温速率升温至300 500℃保温0.5 1h进行均温处~ ~理，再以≤400℃/h的升温速率升温至650℃并保温1h，再以≤100℃/h的降温速率随炉冷却至200℃，再出炉冷却至室温，得到待加工密封筒；最后将工装从待加工密封筒中取出，待加工密封筒加工至设计尺寸即得到消除应力的密封筒。

[0047] 实施例2

[0048] 实施例2与实施例1的不同之处在于其热处理工艺：再以≤400℃/h的升温速率升温至650℃并保温4h。其他均与实施例1相同。

[0049] 补充例

[0050] 补充例的密封筒是只采用非导磁棒制成的（是为了验证该消除应力的方法的效果），其是采用非导磁棒焊接成密封筒毛坯；再将密封筒毛坯连同工装一同置于热处理炉中进行热处理以消除毛坯内的应力；其热处理工艺为：将密封筒毛坯连同工装置于热处理炉中，先以≤400℃/h的升温速率升温至300 500℃保温0.5 1h进行均温处理，再以≤400℃/h~ ~的升温速率升温至650℃并保温1h，再以≤100℃/h的降温速率随炉冷却至200℃，再出炉冷却至室温；最后将工装从密封筒毛坯中取出。

[0051] 效果实施例

[0052] (1)、实施例1-2和补充例的残余应力测试

[0053] 需要说明的是，由于焊缝宽度较窄，本发明中测试的残余应力为临近焊接接头处基体的残余应力。在进行热处理前先测量密封筒毛坯临近焊接接头处基体的残余应力，热处理后测量相同位置的残余应力，测量结果如图4所示。

[0054] 由图4可知，与热处理前所测得的密封筒的残余应力相比，热处理后密封筒的残余应力明显降低。实施例1-2说明进行同种材料（非导磁棒和非导磁管进行焊接）或异种材料（导磁棒与非导磁棒/非导磁管进行焊接）焊接时，此消除应力的方法均有很好的消除应力的效果，且补充例也说明（非导磁棒和非导磁棒进行焊接）进行同种材料焊接时，此消除应力的方法也能够很好的消除应力。

[0055] (2)、实施例1-2和补充例的非导磁棒侧（即1Cr18Ni10Ti侧）基体的导磁率测试、实施例1-2中导磁棒和非导磁棒两侧的力学性能测试

[0056] 在进行热处理前先测量非导磁棒侧基体的导磁率、导磁棒和非导磁棒两侧的力学性能，热处理后再测量相同位置的导磁率和力学性能，测量结果如图5所示。

[0057] 由图5可知，实施例1-2中热处理前和热处理后的非导磁棒侧基体的磁导率变化不大。且基体热处理后的力学性能不低于热处理前的力学性能，符合密封筒焊件的使用要求。且补充例也说明非导磁棒与非导磁棒（1Cr18Ni10Ti和1Cr18Ni10Ti进行焊接）进行焊接后的到此林基本不变，此消除应力的方法也能够保证该材料的弱磁性能。

[0058] 因此，采用该消除应力的方法进行密封筒残余应力的消除时，热处理后接头残余应力低，可以满足使用要求。且在消除密封筒中残余应力的同时，还能保证非导磁棒的弱磁性和密封筒的力学性能。

[0059] 需要说明的是，本发明中的消除应力的方法不仅适用于密封筒，也适用于与密封筒结构类似的焊接件。

[0060] 本说明书中各个实施例采取递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

[0061] 以上对本发明所提供的一种消除核反应堆堆内密封筒焊接应力的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理和具体实施方式进行了阐述，上述实施例仅用来帮助理解本发明的方法和核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。