鋯合金棒端塞焊電弧痕對焊接質量的影響分析

前言

在核燃料元件制造中，端塞焊是最關鍵的工藝之一，因為燃料芯塊是在這個過程中被密封在包殼管內，從而形成完整的、保證反應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，利用電流流經工件接觸面及鄰近區域產生的電阻熱將其加熱到塑性狀態，同時迅速施加頂鍛力，接頭部分在壓力和熱量聯合作用下，通過再結晶、擴散作用而達到原子間的連接，形成金屬結合。

通過對產生焊接缺陷的鋯合金棒進行分類統計，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域出現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”是否能對焊縫內部質量造成影響，是否是內部質量不良而在外觀體現出的特征信號，這些并不明確。本文對產生“電弧痕”的鋯合金棒進行各種性能試驗，對“電弧痕”與焊縫內在質量的關系進行研究，以期采取措施，提高產品質量。

1、試驗方法

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

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”。然后根據電弧痕是否與焊縫相連對試驗樣品進行分類試驗，具體分類情況與數量見表1，電弧痕的宏觀照片分別如圖3～圖8所示。

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

1.2金相試樣的制備與檢驗

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、受熱和使接頭內部缺陷擴展和失真的情況，這是確保金相分析結果準確、可靠的重要條件［1］。制備與檢驗的主要流程為：內表面宏觀取樣→切割鋸切割→磨制→化學拋光→金相試樣檢驗。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部缺陷情況，將獲得的照片和數據進行記錄和統計。

1.3拉伸試驗

使用100kN萬能材料試驗機在室溫下進行試驗，制造專用工裝夾持端塞和包殼管。

1.4爆破試驗

使用200MPa爆破試驗機在室溫下進行試驗，壓力介質為去離子水。

1.5腐蝕試驗

在（360±10）℃，（19±1）MPa的高壓釜中進行72h的水腐試驗。

2、試驗結果與分析

2.1微觀金相檢測結果

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

2.2拉伸試驗檢測結果

鋯合金棒拉伸試驗合格判定的標準為：在端塞焊縫區發生斷裂判為不合格，在其他部位發生斷裂判為合格。試驗結果顯示：所有試驗樣品均在非焊縫區發生了斷裂，拉伸試驗全部合格，經過拉伸試驗后樣品的宏觀形貌如圖10所示。

2.3爆破試驗檢測結果

鋯合金棒爆破試驗合格判定的標準為：在端塞焊縫區發生破裂判為不合格，在其他部位發生破裂判為合格。試驗結果顯示：所有試驗樣品均在非焊縫區產生了破裂，爆破試驗全部合格，經過爆破試驗后樣品的宏觀形貌如圖11所示。

2.4腐蝕試驗檢測結果

鋯合金棒腐蝕試驗合格判定的標準為：焊縫區表面呈均勻、致密、連續的灰黑色氧化膜判為合格。

試驗結果顯示：所有試驗樣品均在焊縫區表面產生了均勻、致密、連續的灰黑色氧化膜，腐蝕試驗全部合格。經過腐蝕試驗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外觀形貌相同。

由以上各項試驗檢測結果可以看出，“電弧痕”沒有對焊縫內部組織產生影響，也沒有明顯降低焊縫的強度，表面耐腐蝕性也滿足要求。

2.5原因分析

本試驗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。由電工學可知，電流通過導體時，導體將吸熱，其溫度會升高，這是因為導體電阻吸收電能轉換為熱能的緣故，這種現象成為電流的熱效應。同樣，電阻焊時，當焊接電流通過兩極間的金屬區域焊接區時，由于焊接區具有電阻亦會吸熱，并在焊件內部形成內部熱源。根據焦耳定律，焊接區的總吸熱量［2］：

Q＝I²Rt，（1）

式中：I為焊接電流的有效值；R為焊接區總電阻的平均值；t為通過焊接電流的時間。

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

式中：i為焊接電流的瞬時值，是時間的函數；r為焊接區總電阻的動態電阻值，是時間的函數；t為通過焊接電流的時間。

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。

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態電阻值，是時間的函數；r_w為焊件內部電阻的動態電阻值，是時間的函數。

由此可知，電阻焊的熱源是電阻熱。產生電阻熱的內在因素是電阻，外部因素是電流和時間，他們的變化對焊縫的成形起決定性作用。焊接時，由于焊件即包殼管的坡口清潔程度不夠或幾何尺寸達不到要求，導致他們與端塞之間即工件間的接觸電阻r_c發生了變化。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致焊接電流i發生了變化，而工件本身和焊接設定時間沒有發生變化即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，即影響焊接成形質量的主要因素，二者可以單獨作用也可以交互作用。

該鋯合金棒制造多年，焊接工藝成熟穩定，均進行了工藝合格性鑒定。焊接工藝一經合格性鑒定，將保持相對穩定，不會隨意改動工藝參數。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生磨損變形，導致電極和焊接件間不能夠完全貼緊即產生了間隙，從而引起接觸電阻r_c發生了變化。焊接時熱量分布不均勻，產生局部過熱、過燒現象，這樣在焊縫的外表面或其附近區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致鋯合金棒端塞焊產生“電弧痕”的主要因素。

經試驗和分析，為了防止“電弧痕”的產生，焊接人員應采取以下質量控制措施：①在施焊前仔細檢查包殼管的坡口質量，是否存在異物和損傷，如發現異物，則返回到清洗工位進行重新清洗；如發現有損傷，需進行隔離報廢，更換質量合格的包殼管進行焊接；②對套爪定期進行清理、更換。

3、結論

（1）“電弧痕”不是焊縫內部質量不良的外部表征，是焊接區外表面的損傷，對焊接質量尤其是焊縫強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生“電弧痕”

的主要因素。

參考文獻：

［1］趙熹華.焊接檢驗［M］.北京：機械工業出版社，1993.

［2］趙熹華.壓力焊［M］.北京：機械工業出版社，1990.

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