鋯合金板材焊接惰性氣體保護(hù)裝置的改進(jìn)和應(yīng)用

供稿|胡旭坤，馬安國，張鵬飛，徐濱 / HU Xu-kun , MA An-guo , ZHANG Peng-fei ,XU Bin

內(nèi)容導(dǎo)讀

在核級(jí)鋯材加工產(chǎn)業(yè)鏈中，鋯合金帶材作為三代核電機(jī)組燃料元件定位格架材料，是核反應(yīng)堆中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。在加工生產(chǎn)過程中，需將鋯合金板材拼焊成卷后進(jìn)行軋制，因此對(duì)焊縫質(zhì)量提出了很高的要求。鋯及鋯合金本身對(duì)于氧、氮、氫等的氣體雜質(zhì)非常敏感，受熱很容易與空氣中的氫、氧、氮發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，為減少焊縫表面氧化以及焊縫變形等缺陷，選用便于進(jìn)行焊縫氣體保護(hù)的無填絲自動(dòng)鎢極氬弧焊，利用較大口徑的焊槍噴嘴和焊縫上表面保護(hù)托罩及下表面充氬氣的方式進(jìn)行空氣隔離。文章主要介紹了國核寶鈦鋯業(yè)股份公司改進(jìn)連續(xù)焊接機(jī)組的焊機(jī)氣體保護(hù)裝置，以達(dá)到焊縫不被氧化目的，為鋯合金帶材工業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)能源的需求急劇增加，這就迫使核反應(yīng)堆技術(shù)朝著高燃耗燃料、高反應(yīng)堆熱效率以及安全可靠的方向發(fā)展，于是對(duì)燃料元件用鋯合金提出了更高的要求[1]。鋯合金帶材作為三代核電機(jī)組燃料元件定位格架材料，是核反應(yīng)堆中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，是核電安全運(yùn)行的重要保證。核用鋯合金帶材生產(chǎn)過程中，需將板材拼焊成卷后進(jìn)行軋制，這對(duì)焊縫質(zhì)量提出了很高的要求。本文主要介紹了國核寶鈦鋯業(yè)股份公司通過改進(jìn)連續(xù)焊接機(jī)組的焊機(jī)氣體保護(hù)裝置，從而有效減少焊縫表面氧化以及焊縫變形等缺陷。

實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料

本文選用的鋯合金化學(xué)成分如表1所示。采用真空自耗電爐冶煉成鑄錠，并經(jīng)鍛造、熱軋、冷軋成厚度約為1.0 mm的板材。

表1 鋯合金板材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

實(shí)驗(yàn)方法

選用某公司生產(chǎn)的便于進(jìn)行焊縫氣體保護(hù)的無填絲自動(dòng)鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接；利用較大口徑的焊槍噴嘴和焊縫上表面保護(hù)托罩及下表面充氬氣的方式進(jìn)行空氣隔離，以達(dá)到焊縫不被氧化目的。焊接參數(shù)如表2所示。

表2 鋯合金板材焊接工藝參數(shù)

原有裝置存在的缺點(diǎn)

焊縫表面氧化嚴(yán)重

由于焊接機(jī)頭保護(hù)氣體裝置(結(jié)構(gòu)如圖1所示)的上拖罩與焊槍連接固定，在焊槍行走過程中，上拖罩距離母材焊縫距離過遠(yuǎn)，導(dǎo)致氬氣不能有效的保護(hù)焊縫周圍區(qū)域，且上拖罩內(nèi)表面形狀為方形，易出現(xiàn)氣體滯留在死角，不利于氣體完全有效的保護(hù)焊縫。下表面出現(xiàn)氧化則是由于下拖罩氣槽較窄，焊接連接處與下拖罩氣槽形成半封閉空間，導(dǎo)致焊接時(shí)氬氣只能沿帶材寬度方向運(yùn)動(dòng)，很難保護(hù)到焊縫周圍的區(qū)域。焊縫氧化照片如圖2所示。

焊縫表面存在凹陷

焊縫下表面的凹陷是由于保護(hù)氣流量過大，焊接中焊縫背面熔池在成形時(shí)無法形成平面或凸面。

改造方案及結(jié)果

改造方案

改進(jìn)后上表面焊縫保護(hù)裝置如圖3所示。上拖罩與焊槍分離，使上拖罩的運(yùn)動(dòng)不受焊槍運(yùn)動(dòng)限制，能夠更有效的防止氧化；其次，將上拖罩的上殼形狀改為圓弧過渡，減少氣體滯留死角，改變進(jìn)氣方式，氣體從尾部進(jìn)入(之前是從上部中間進(jìn)氣，進(jìn)氣嘴附近易出現(xiàn)死角)，如圖3所示，在進(jìn)氣管上面開孔，使氣體能夠均勻有效的覆蓋保護(hù)焊縫。

圖1 焊接保護(hù)裝置示意圖

圖2 焊縫氧化照片

改進(jìn)后下表面焊縫保護(hù)裝置如圖4所示，下托罩銅板進(jìn)行改造，在銅板的氣槽長度方向兩側(cè)各加工兩道V形或U形槽，并將槽子連接起來，增加背部保護(hù)氣的保護(hù)面積，從而使氬氣完全覆蓋焊接熱影響區(qū)。

改造結(jié)果

焊接完成以后，通過目測(cè)檢查，鋯合金板材上下焊縫及熱影響區(qū)成型良好，均呈銀白色，無氧化現(xiàn)象(如圖5所示)，說明針對(duì)鋯及鋯合金的高溫化學(xué)活性采用的保護(hù)措施是可行的。

另外對(duì)焊接后焊縫進(jìn)行了滲透探傷及力學(xué)性能檢測(cè)，滲透探傷結(jié)果表明焊縫正反表面無裂紋。對(duì)厚度為1.0 mm焊接板材做室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到580～630 MPa、斷后延伸率為5.5%～10%，與母材性能接近。在對(duì)焊縫進(jìn)行真空退火后，做室溫拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，焊縫的抗拉強(qiáng)度優(yōu)于母材，斷裂處均出現(xiàn)在母材部位，見圖6，具體數(shù)據(jù)見表3。

圖3 焊縫上表面焊接保護(hù)裝置示意圖

圖4 焊縫下表面焊接保護(hù)裝置示意圖

圖5 焊縫照片

圖6 退火態(tài)焊縫拉伸實(shí)驗(yàn)圖片

表3 焊縫力學(xué)性能

結(jié)束語

研究和探索鋯及鋯合金的焊接特性，制定嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮附庸に嚕龊煤附舆^程中的高純氬保護(hù)工作，是保證鋯及鋯合金板材焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在施焊過程中，根據(jù)設(shè)備狀況，合理調(diào)解和改善氣流量，嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)操作規(guī)程，按照工藝要求的步驟逐項(xiàng)落實(shí)，是保證鋯及鋯合金焊接質(zhì)量的前提和基礎(chǔ)。