鋯合金棒端塞焊電弧痕對焊接質(zhì)量的影響分析

前言

在核燃料元件制造中，端塞焊是最關(guān)鍵的工藝之一，因?yàn)槿剂闲緣K是在這個(gè)過程中被密封在包殼管內(nèi)，從而形成完整的、保證反應(yīng)堆安全的第一道屏障。端塞焊工藝屬于壓力焊中的電阻對焊，它將端塞與包殼管裝配成對接接頭（圖1），使其端面緊密接觸并通過電流，利用電流流經(jīng)工件接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱將其加熱到塑性狀態(tài)，同時(shí)迅速施加頂鍛力，接頭部分在壓力和熱量聯(lián)合作用下，通過再結(jié)晶、擴(kuò)散作用而達(dá)到原子間的連接，形成金屬結(jié)合。

通過對產(chǎn)生焊接缺陷的鋯合金棒進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，存在“電弧痕”的鋯合金棒占比約50％。鋯合金棒端塞焊后，在其焊縫或其附近區(qū)域出現(xiàn)被電弧灼燒過的痕跡，稱之為“電弧痕”，其形貌如圖2所示。“電弧痕”是否能對焊縫內(nèi)部質(zhì)量造成影響，是否是內(nèi)部質(zhì)量不良而在外觀體現(xiàn)出的特征信號，這些并不明確。本文對產(chǎn)生“電弧痕”的鋯合金棒進(jìn)行各種性能試驗(yàn)，對“電弧痕”與焊縫內(nèi)在質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行研究，以期采取措施，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1、試驗(yàn)方法

將100根直徑為準(zhǔn)10mm存在“電弧痕”的Zr-4合金棒作為試驗(yàn)樣品，然后根據(jù)“電弧痕”的長度和在鋯合金棒上出現(xiàn)的位置對其進(jìn)行定性分類。對樣品進(jìn)行外觀檢查、內(nèi)在質(zhì)量檢查（金相解剖）、強(qiáng)度檢查（拉伸和爆破試驗(yàn)）以及抗腐蝕性檢查（腐蝕試驗(yàn)），以確定“電弧痕”對焊接質(zhì)量的影響程度。

1.1樣品定性分類

將長度>2mm的電弧痕定義為“較大電弧痕”，長度在1～2mm之間的定義為“中等電弧痕”，長度<1mm的定義為“較小電弧痕”。然后根據(jù)電弧痕是否與焊縫相連對試驗(yàn)樣品進(jìn)行分類試驗(yàn)，具體分類情況與數(shù)量見表1，電弧痕的宏觀照片分別如圖3～圖8所示。

將分類后的試驗(yàn)樣品先使用丙酮進(jìn)行擦拭，然后在電弧痕出現(xiàn)的附近用箭頭進(jìn)行標(biāo)識，并在樣品上寫明樣品編號。最后按電弧痕分類和試驗(yàn)項(xiàng)目將樣品分別裝入樣品袋，在樣品袋上寫明樣品名稱、編號和檢測項(xiàng)目，送往檢測中心進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)。

1.2金相試樣的制備與檢驗(yàn)

接頭金相試樣取樣的主要原則是：保證取樣過程不能有任何變形、受熱和使接頭內(nèi)部缺陷擴(kuò)展和失真的情況，這是確保金相分析結(jié)果準(zhǔn)確、可靠的重要條件［1］。制備與檢驗(yàn)的主要流程為：內(nèi)表面宏觀取樣→切割鋸切割→磨制→化學(xué)拋光→金相試樣檢驗(yàn)。最后用金相顯微鏡觀察接頭各部分金相組織的變化情況以及內(nèi)部缺陷情況，將獲得的照片和數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)。

1.3拉伸試驗(yàn)

使用100kN萬能材料試驗(yàn)機(jī)在室溫下進(jìn)行試驗(yàn)，制造專用工裝夾持端塞和包殼管。

1.4爆破試驗(yàn)

使用200MPa爆破試驗(yàn)機(jī)在室溫下進(jìn)行試驗(yàn)，壓力介質(zhì)為去離子水。

1.5腐蝕試驗(yàn)

在（360±10）℃，（19±1）MPa的高壓釜中進(jìn)行72h的水腐試驗(yàn)。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1微觀金相檢測結(jié)果

鋯合金棒端塞焊接頭解剖后經(jīng)過微觀金相檢測，所有金相樣品均未發(fā)現(xiàn)未焊透、裂紋、夾雜等內(nèi)部缺陷，金相檢測全部合格，其金相照片如圖9所示。

2.2拉伸試驗(yàn)檢測結(jié)果

鋯合金棒拉伸試驗(yàn)合格判定的標(biāo)準(zhǔn)為：在端塞焊縫區(qū)發(fā)生斷裂判為不合格，在其他部位發(fā)生斷裂判為合格。試驗(yàn)結(jié)果顯示：所有試驗(yàn)樣品均在非焊縫區(qū)發(fā)生了斷裂，拉伸試驗(yàn)全部合格，經(jīng)過拉伸試驗(yàn)后樣品的宏觀形貌如圖10所示。

2.3爆破試驗(yàn)檢測結(jié)果

鋯合金棒爆破試驗(yàn)合格判定的標(biāo)準(zhǔn)為：在端塞焊縫區(qū)發(fā)生破裂判為不合格，在其他部位發(fā)生破裂判為合格。試驗(yàn)結(jié)果顯示：所有試驗(yàn)樣品均在非焊縫區(qū)產(chǎn)生了破裂，爆破試驗(yàn)全部合格，經(jīng)過爆破試驗(yàn)后樣品的宏觀形貌如圖11所示。

2.4腐蝕試驗(yàn)檢測結(jié)果

鋯合金棒腐蝕試驗(yàn)合格判定的標(biāo)準(zhǔn)為：焊縫區(qū)表面呈均勻、致密、連續(xù)的灰黑色氧化膜判為合格。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：所有試驗(yàn)樣品均在焊縫區(qū)表面產(chǎn)生了均勻、致密、連續(xù)的灰黑色氧化膜，腐蝕試驗(yàn)全部合格。經(jīng)過腐蝕試驗(yàn)后樣品的宏觀形貌如圖12所示，圖12中上面的樣品是沒有電弧痕的，下面的樣品是有電弧痕的。從圖12可看出，有電弧痕和無電弧痕的樣品焊縫區(qū)外觀形貌相同。

由以上各項(xiàng)試驗(yàn)檢測結(jié)果可以看出，“電弧痕”沒有對焊縫內(nèi)部組織產(chǎn)生影響，也沒有明顯降低焊縫的強(qiáng)度，表面耐腐蝕性也滿足要求。

2.5原因分析

本試驗(yàn)中焊接方法采用的是壓力焊中的電阻對焊，電阻焊的熱源是電阻熱。由電工學(xué)可知，電流通過導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體將吸熱，其溫度會升高，這是因?yàn)閷?dǎo)體電阻吸收電能轉(zhuǎn)換為熱能的緣故，這種現(xiàn)象成為電流的熱效應(yīng)。同樣，電阻焊時(shí)，當(dāng)焊接電流通過兩極間的金屬區(qū)域焊接區(qū)時(shí)，由于焊接區(qū)具有電阻亦會吸熱，并在焊件內(nèi)部形成內(nèi)部熱源。根據(jù)焦耳定律，焊接區(qū)的總吸熱量［2］：

Q＝I²Rt，（1）

式中：I為焊接電流的有效值；R為焊接區(qū)總電阻的平均值；t為通過焊接電流的時(shí)間。

由于在電阻焊過程中，焊接電流和焊接區(qū)電阻并非保持不變，因此焊接熱源總吸熱量Q的確切表達(dá)式為：

式中：i為焊接電流的瞬時(shí)值，是時(shí)間的函數(shù)；r為焊接區(qū)總電阻的動(dòng)態(tài)電阻值，是時(shí)間的函數(shù)；t為通過焊接電流的時(shí)間。

對于對焊，由于夾鉗電極對焊件的夾緊力很大，所以電極與焊件間的接觸電阻很小，可忽略不計(jì)。

焊接熱源總吸熱量Q還可以寫成：

式中：r_c為焊件間接觸電阻的動(dòng)態(tài)電阻值，是時(shí)間的函數(shù)；r_w為焊件內(nèi)部電阻的動(dòng)態(tài)電阻值，是時(shí)間的函數(shù)。

由此可知，電阻焊的熱源是電阻熱。產(chǎn)生電阻熱的內(nèi)在因素是電阻，外部因素是電流和時(shí)間，他們的變化對焊縫的成形起決定性作用。焊接時(shí)，由于焊件即包殼管的坡口清潔程度不夠或幾何尺寸達(dá)不到要求，導(dǎo)致他們與端塞之間即工件間的接觸電阻r_c發(fā)生了變化。另外，電極的氧化膜清理不夠或幾何尺寸隨著磨損而變化導(dǎo)致焊接電流i發(fā)生了變化，而工件本身和焊接設(shè)定時(shí)間沒有發(fā)生變化即t和r_w沒有影響。由此可以判定，接觸電阻r_c和焊接電流i是影響焊接熱源的主要因素，即影響焊接成形質(zhì)量的主要因素，二者可以單獨(dú)作用也可以交互作用。

該鋯合金棒制造多年，焊接工藝成熟穩(wěn)定，均進(jìn)行了工藝合格性鑒定。焊接工藝一經(jīng)合格性鑒定，將保持相對穩(wěn)定，不會隨意改動(dòng)工藝參數(shù)。由于套爪（電極）與包殼管坡口表面存在異物、包殼管坡口存在損傷或夾持包殼管的套爪接觸部位發(fā)生磨損變形，導(dǎo)致電極和焊接件間不能夠完全貼緊即產(chǎn)生了間隙，從而引起接觸電阻r_c發(fā)生了變化。焊接時(shí)熱量分布不均勻，產(chǎn)生局部過熱、過燒現(xiàn)象，這樣在焊縫的外表面或其附近區(qū)域就形成了灼傷的電弧印記，即“電弧痕”。所以，套爪與包殼管坡口表面存在異物、包殼管坡口存在損傷及套爪磨損變形是導(dǎo)致鋯合金棒端塞焊產(chǎn)生“電弧痕”的主要因素。

經(jīng)試驗(yàn)和分析，為了防止“電弧痕”的產(chǎn)生，焊接人員應(yīng)采取以下質(zhì)量控制措施：①在施焊前仔細(xì)檢查包殼管的坡口質(zhì)量，是否存在異物和損傷，如發(fā)現(xiàn)異物，則返回到清洗工位進(jìn)行重新清洗；如發(fā)現(xiàn)有損傷，需進(jìn)行隔離報(bào)廢，更換質(zhì)量合格的包殼管進(jìn)行焊接；②對套爪定期進(jìn)行清理、更換。

3、結(jié)論

（1）“電弧痕”不是焊縫內(nèi)部質(zhì)量不良的外部表征，是焊接區(qū)外表面的損傷，對焊接質(zhì)量尤其是焊縫強(qiáng)度和耐腐蝕性基本上沒有影響。

（2）套爪與包殼管坡口表面存在異物、包殼管坡口存在損傷以及套爪磨損變形是產(chǎn)生“電弧痕”

的主要因素。

參考文獻(xiàn)：

［1］趙熹華.焊接檢驗(yàn)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［2］趙熹華.壓力焊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

作者簡介：田紅雨（1980—），男，內(nèi)蒙古包頭市人，碩士，工程師，從事核燃料元件焊接工藝研究與質(zhì)量管理工作.