控制棒驱动机构钩爪及连杆自动氩弧堆焊关键技术及装置研发——学习体会

一、文献概况与工程背景

本文发表于2017年《制造业自动化》第39卷第1期，作者王德斌等来自上海核工程研究设计院，研究受国家科技重大专项资助。控制棒驱动机构（CRDM）是核反应堆控制系统的关键部件，其钩爪和连杆直接参与控制棒的插入与提升，对耐磨性、尺寸精度和运行可靠性要求极高。本文重点介绍了自动氩弧堆焊技术在钩爪和连杆制造中的应用，通过专用自动化堆焊装置和配套工艺，实现了小孔、齿面弧形多层自动化堆焊，样件通过1000万次耐磨性能试验验证。

二、控制棒驱动机构钩爪及连杆的功能与性能要求

控制棒驱动机构钩爪及连杆在反应堆运行中承受频繁的热力循环和机械摩擦，其关键性能要求包括：

钩爪的齿面为弧形结构，且存在小孔等复杂几何特征，传统手工堆焊难以保证质量和一致性。自动化氩弧堆焊技术通过精确的轨迹控制和参数调节，有效解决了这一难题。

三、自动氩弧堆焊关键技术解析

本文所述自动氩弧堆焊技术的核心突破包括以下方面：

1. 专用自动化堆焊装置：针对钩爪及连杆的几何特征，开发了专用的自动化焊接装置，能够实现多轴联动，适应齿面弧形路径和多层堆焊的轨迹需求。
2. 小孔区域堆焊工艺：钩爪上的小孔区域堆焊空间受限，需采用小直径焊丝、低电流参数，同时保证熔池稳定和保护气效果。
3. 齿面弧形多层堆焊：齿面为弧形曲面，多层堆焊需精确控制每层的起弧点、收弧点和层间过渡，避免错层和咬边。
4. 工艺参数优化：通过正交试验或响应面法优化电流、电压、焊接速度、送丝速度、保护气流量等参数组合，确保堆焊层质量。

四、耐磨性能验证与结果分析

样件通过1000万次耐磨性能试验，这一验证结果具有重大工程意义。耐磨试验通常模拟实际运行工况，通过往复摩擦或旋转摩擦模拟控制棒的插入与提升过程。1000万次循环对应核电站全寿命周期内的运行次数，验证了堆焊钩爪及连杆满足设计寿命要求。

试验结果表明，自动氩弧堆焊制备的钩爪及连杆在以下方面表现优异：

• 堆焊层硬度均匀，无软带或硬点异常。
• 堆焊层与基体结合牢固，无分层或剥离现象。
• 齿面尺寸精度满足设计要求，堆焊变形可控。
• 表面质量良好，无可见裂纹或气孔缺陷。

五、工程实践启示

该研究的成功实施，体现了核电关键部件制造中"设计—工艺—装备—验证"全链条协同的重要性。自动化堆焊技术不仅提高了生产效率和一致性，更重要的是通过专用装置的开发，实现了传统手工焊接难以完成的复杂几何特征堆焊。对于核电装备制造行业而言，推动关键部件制造工艺的自动化、智能化，是提升产品质量和竞争力的必由之路。

从FMEA（失效模式与影响分析）角度思考，钩爪及连杆堆焊的潜在失效模式包括堆焊层开裂、剥落、尺寸超差等。通过自动化堆焊工艺参数的精确控制和过程监控，可有效降低这些失效模式的发生概率，提升部件的可靠性裕度。