燃料棒壓力電阻塑形焊接工藝常見缺陷研究1)

(中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜賓 644000)

燃料棒壓力電阻塑形焊是一種先進(jìn)的焊接技術(shù)，屬于非熔化焊的范疇。相比EB、TIG等融化焊工藝，該工藝焊接的焊縫具有熱影響區(qū)小，焊接缺陷少，對(duì)焊接保護(hù)氣氛不敏感等諸多優(yōu)點(diǎn)。中核建中核燃料元件有限公司于2013年引進(jìn)燃料棒壓力電阻塑形焊接工藝，截至2020年，共生產(chǎn)燃料棒60萬余支，一次焊接成品率高于99.5%，產(chǎn)品涉及的理化控制試樣100%合格。

當(dāng)前燃料棒壓力電阻塑形焊縫存在的主要缺陷為氧化色和成型不良兩大類。經(jīng)分析,可能造成氧化色的原因主要有焊接參數(shù)異常、原材料沾污、焊接氣氛沾污等；可能造成成型不良的原因主要有母材狀態(tài)不佳(如管口毛刺、配合面損傷)、端塞與包殼管對(duì)中不良等。為加深對(duì)壓力電阻塑形焊接工藝的認(rèn)識(shí)，模擬了多種生產(chǎn)線上可能出現(xiàn)的異常狀態(tài)，研究各類異常對(duì)焊縫性能的影響。

1 工藝參數(shù)對(duì)焊縫的影響研究

1.1 電流

前期試驗(yàn)證明,焊接電流與焊縫尺寸有明確的正比關(guān)系。本研究通過在小/大能量條件下大范圍小步距拓展焊接電流，研究電流對(duì)焊縫焊縫外觀/性能的影響，結(jié)論為：

1)焊縫尺寸/外觀：在設(shè)定參數(shù)范圍內(nèi)，焊縫寬度與焊接電流呈正比關(guān)系，焊縫高度始終恒定，電流在某閾值之上時(shí)焊縫均勻性下降，端塞與焊縫處有明顯的氧化色。閾值之下的試樣焊縫外觀未見異常，見圖1。

2)機(jī)械性能：當(dāng)電流低于某閾值時(shí)，部分焊縫爆破后斷裂于焊縫(見圖2)，閾值之上的試樣未見異常。

3)微觀結(jié)構(gòu)：當(dāng)電流在某閾值之下，部分焊縫存在V型槽缺陷(見圖3)，深度均未超過技術(shù)條件要求，V型槽的成因是由于焊接能量不足以造成焊區(qū)內(nèi)的鋯材進(jìn)行均勻的相變，造成局部阻力增大，形成不規(guī)則的焊縫。

4)腐蝕性能：未見異常。

圖2 爆破斷裂于焊縫的試樣Fig.2 Sample bursted on the weld

圖3 典型V型槽缺陷Fig.3 Typical“V”shape defect on the weld

小結(jié)：1)當(dāng)焊接電流小于某閾值時(shí)，可能產(chǎn)生V型槽焊接缺陷。當(dāng)焊接電流小于某閾值時(shí)，可能出現(xiàn)結(jié)合線不連續(xù)的缺陷;

2)某閾值之上的電流易在焊縫表面產(chǎn)生氧化色、局部融化現(xiàn)象，但對(duì)焊縫的理化性能沒有明顯的影響。

1.2 焊接壓力

焊接壓力對(duì)焊接的影響主要體現(xiàn)在兩方面：一是壓力影響對(duì)端塞與包殼之間的接觸電阻，但壓力達(dá)到閾值時(shí)，接觸面電阻相對(duì)于壓力的變化將不再敏感；二是壓力是接頭受熱后的鍛造力，壓力過小將導(dǎo)致鍛造不充分，影響焊縫性能。本研究通過在大/小能量條件下大范圍小步距拓展焊接壓力，研究焊接壓力對(duì)焊縫外觀/性能的影響，結(jié)論為：

1)焊縫外觀/尺寸：小能量條件下，焊縫尺寸總體恒定，但在某閾值之下，焊縫寬度周向極差較大，焊縫成型不均勻，詳見圖4。

2)焊縫機(jī)械/微觀/腐蝕：未見異常。

小結(jié)：1)壓力在某閾值之下時(shí)，焊縫尺寸均勻性變差，說明已經(jīng)出現(xiàn)了因焊接壓力不足鍛造不充分的現(xiàn)象，但焊縫性能未見明顯下降;

2)該閾值之上為穩(wěn)定區(qū)段，焊縫性能對(duì)焊接壓力的變化不敏感。

圖4 壓力與焊縫尺寸對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 Relationship betweenpressure and weld dimension

1.3 管口伸出量

前期試驗(yàn)表明，管口伸出量與焊縫寬度在在用參數(shù)區(qū)間內(nèi)為正比關(guān)系。在后期生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)管口伸出量較大時(shí)易出現(xiàn)焊縫成型不良、局部融化、飛濺等缺陷。本研究通過在正常能量條件下大范圍小步距拓展管口伸出量，研究管口伸出量與焊縫外觀/性能的關(guān)系，結(jié)論為：

1)焊縫外觀/尺寸：在試驗(yàn)涉及參數(shù)范圍內(nèi)，焊縫寬度與管口伸出量成正比關(guān)系，詳見圖5。隨著管口伸出量的增加，包殼管的變形區(qū)與端塞側(cè)擠出物同步增加，這與電流增加時(shí)增寬的只是端塞側(cè)擠出物有所區(qū)別。當(dāng)管口伸出量超過某閾值時(shí)，焊縫的高度開始變得不均勻。典型焊縫形態(tài)見圖6。

圖5 管口伸出量與焊縫尺寸對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.5 Relationship between tubeextension and weld dimension

圖6 不同管口伸出量下的焊縫外觀Fig.6 Welds prepared by different tube extension

2)微觀性能：所有試樣焊縫內(nèi)部無缺陷，結(jié)合線完整，小管口伸出量部分試樣有存在不超標(biāo)的V型槽缺陷，詳見圖7。

3)機(jī)械/腐蝕性能：未見異常。

小結(jié)：1)管口伸出量與焊縫寬呈正比關(guān)系，管口伸出量增加，包殼管變形區(qū)與端塞側(cè)擠出物的寬度同步增加。

2)管口伸出量在某閾值之上時(shí)，焊縫的高度均勻性變差；在某閾值之下時(shí)，易引起V型槽缺陷。

圖7 不同管口伸出量下焊縫金相照片F(xiàn)ig.7 Metallographic photo of weldswelded by different tube extension

2 沾污類缺陷研究

造成焊縫氧化色的主要原因?yàn)楦黝愋驼次郏次鄢鸷缚p氧化外，還可能影響接觸面電阻，從而影響焊縫成型。本研究通過模擬各種可能的沾污，研究沾污對(duì)焊縫性能的影響。

2.1 氣氛沾污

在現(xiàn)有保護(hù)氣體管道上增加旁路，用瓶裝壓空通過減壓閥調(diào)節(jié)至合適壓力后接入焊接設(shè)備，采用現(xiàn)行焊接參數(shù)中值進(jìn)行焊接，結(jié)果如下:

1)焊縫尺寸：所有試樣成型正常，均勻性好。

2)焊縫外觀：所有焊縫及周圍存在淡黃色氧化色。

3)機(jī)械/微觀性能：未見異常。

4)腐蝕性能：所有試樣在進(jìn)行了72 h水腐蝕后，焊縫及周圍未見異常腐蝕產(chǎn)物(見圖8a)。當(dāng)腐蝕加深到336 h，部分試樣焊縫中心處出現(xiàn)了輕微的白色腐蝕產(chǎn)物(見圖8b)。

圖8 空氣中焊接試樣腐蝕照片F(xiàn)ig.8 Corrosion samples weld in the air

小結(jié)：空氣中焊接的樣品相比正常樣品除腐蝕性能有下降外，其余性能未見明顯異常。

2.2 液體沾污

分別使用生產(chǎn)過程中可能的各種液體沾污物對(duì)零部件進(jìn)行處理，采用現(xiàn)行焊接參數(shù)的中值進(jìn)行焊接試驗(yàn)，結(jié)果如下：

1)焊縫尺寸/外觀：所有試樣焊縫有不同程度的變形并帶有氧化色，局部沾污的焊縫在沾污處存在局部變形，整體沾污的焊縫在周向全長均存在不規(guī)則變形。易揮發(fā)液體(丙酮)沾污影響小于不易揮發(fā)的液體(水、油),典型照片見圖9。

2)爆破/機(jī)械/腐蝕性能：未見異常。

小結(jié)：各種液體沾污均對(duì)焊縫性能有影響，尤其是水、潤滑油等難于揮發(fā)且會(huì)改變接觸面電阻的液體。

圖9 不同液體沾污試樣照片F(xiàn)ig.9 Sample welded with different liquids

3 成型不良類缺陷研究

造成焊縫成型不良的原因通常有：包殼管與端塞的對(duì)中性不好、母材上存在缺陷(如管端面毛刺，配合面劃傷等)。

3.1 對(duì)中性

燃料棒壓力電阻塑形焊接時(shí)，高壓力、反復(fù)地沖擊容易使包殼管與端塞同軸度變差。為便于調(diào)節(jié)兩者間的同軸度，焊機(jī)上自帶了同軸度調(diào)節(jié)裝置。本研究通過定量調(diào)節(jié)定位螺栓，觀察焊縫性能的變化，找出了端塞/包殼管同軸度與焊縫尺寸的相對(duì)關(guān)系。

試驗(yàn)方案如下：首先人為將對(duì)中性調(diào)節(jié)到良好狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)為焊縫寬度周向極差小于0.1 mm，高度周向極差小于0.002 mm。再以此時(shí)的位置為基準(zhǔn)，單向定量調(diào)節(jié)定位螺栓端，采用現(xiàn)行焊接參數(shù)的中值進(jìn)行焊接試驗(yàn)，結(jié)論如下：

1)焊縫外觀、尺寸：隨著同軸度的惡化，焊縫寬度增加，同時(shí)焊縫均勻度變差。當(dāng)順時(shí)針調(diào)節(jié)到一定程度時(shí)，焊縫局部擠出物接觸到端塞的上沿，寬度/高度均超差(見圖10)。再反向?qū)⒄{(diào)節(jié)工裝調(diào)回初始位，焊縫尺寸變化的幅度與正向調(diào)節(jié)基本相當(dāng)。

2)焊縫機(jī)械/微觀結(jié)構(gòu)/腐蝕性能：未見異常。

小結(jié)：1)對(duì)于現(xiàn)有焊機(jī)，同軸度調(diào)節(jié)量在一定范圍內(nèi)與焊縫尺寸正相關(guān)；

2)單次調(diào)節(jié)幅度不宜大于某閾值；

3) 單純因同軸度惡化造成的不均勻焊縫，相比正常焊縫理化性能未見明顯差異。

圖10 對(duì)中性試驗(yàn)試樣照片F(xiàn)ig.10 Alignment test samples

3.2 母材狀況

由于壓力電阻塑形焊接方式的焊接力較大，在焊接過程中能夠兼容較淺的缺陷，但是當(dāng)缺陷達(dá)到一定的深度與面積時(shí)，將造成局部電阻增加現(xiàn)象，產(chǎn)生未融合、成型不良等問題。

(1)管口毛刺

管口毛刺可能造成端面與端塞接觸不完全，從而影響接觸阻、造成電流分布不均勻。為驗(yàn)證管口毛刺對(duì)焊縫的影響，人為制備了帶有不同高度毛刺的試樣管，使用在用參數(shù)焊接試樣，結(jié)論如下：

1)焊縫外觀/尺寸：當(dāng)管口毛刺高度小于某閾值時(shí)，焊縫外觀及尺寸未見異常。當(dāng)管口毛刺高度大于某閾值時(shí)，毛刺處附近的焊縫出現(xiàn)了局部變形現(xiàn)象，同時(shí)伴有黃色或藍(lán)色氧化色，焊縫附近的包殼/端塞上存在沾銅的飛濺物。

2)機(jī)械/微觀性能：未見異常。

3)腐蝕性能：焊縫上未見異常腐蝕產(chǎn)物，包殼管上飛濺處有銅色的腐蝕產(chǎn)物。

小結(jié)：管口毛刺易引起焊縫附近包殼管上沾銅，毛刺高度大于某閾值時(shí)會(huì)影響到焊縫的成型并造成飛濺。

(2)管口/端塞配合面劃傷

在管口/端塞焊接面上的劃傷，可能改變接觸電阻，影響焊縫質(zhì)量。為驗(yàn)證配合面劃傷對(duì)焊縫的影響，人為制備了不同程度劃傷的端塞/包殼管，使用在用參數(shù)焊接試樣，結(jié)論如下：

1)焊縫外觀/尺寸：在劃傷處焊縫有輕微變形，同時(shí)伴有輕微氧化色，其余部分焊縫形狀與外觀正常。

2)爆破/微觀結(jié)構(gòu)/腐蝕性能：未見異常。

小結(jié)：配合面劃傷劃可能造成焊縫局部變形，影響焊縫外觀。

4 結(jié) 論

通過認(rèn)為模擬各種異常情況，進(jìn)行了大量試驗(yàn)，得出了一系列有效結(jié)論，填補(bǔ)了相關(guān)焊接理論的盲區(qū)，本研究成果已應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，為保證后續(xù)燃料棒焊接質(zhì)量，提高壓力電阻塑形焊接水平有重要的指導(dǎo)意義。