壓水堆組件骨架點焊的金相檢驗方法改進(jìn)研究

胡學(xué)良 李海濤 李 濤 余國維

（中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 陽江 529900）

骨架是燃料組件的重要組成部分，起到對組件整體的支撐作用。壓水堆燃料組件骨架的導(dǎo)向管與格架焊舌之間是通過壓力電阻點焊焊接而成的。該焊接方式中，電極壓力和電流是影響焊接性能的重要因素[1]。有相關(guān)研究表明，焊接電流對熔核尺寸影響較大，隨著電流增加熔核尺寸會增加；適當(dāng)提高焊接壓力有利于熔核的穩(wěn)定性，隨著壓力增加會導(dǎo)致焊點的熔核尺寸減少[2-3]。對焊點的金相檢驗是評定焊接質(zhì)量的方式之一，理想情況下熔核處于焊點的中心位置，其形狀為圓形或橢圓形，熔核直徑為重點關(guān)注的參數(shù)。本文研究了燃料組件點焊金相檢驗的方法，得出常規(guī)的金相檢驗不能完全反映焊點熔核真實尺寸的結(jié)論，會對工藝參數(shù)的確定造成誤導(dǎo)。以此為依據(jù)，對點焊的金相檢驗方法進(jìn)行改進(jìn)，并應(yīng)用于實際檢測中。

1 骨架的壓力電阻點焊的金相檢驗

1.1 金相檢驗技術(shù)原理

金相檢驗采用定量金相學(xué)原理，通過試樣二維磨面的組織結(jié)構(gòu)，確定其與性能間的關(guān)系，是將金屬或焊接內(nèi)部結(jié)構(gòu)作為主要研究對象的一種檢測技術(shù)[4]。金屬在焊接過程中局部金相組織發(fā)生了轉(zhuǎn)變，其內(nèi)部不同位置對酸液或堿液具有不同的耐腐蝕程度。晶界上原子排列不規(guī)則，具有較高的自由能，導(dǎo)致其容易溶解到蝕刻液中，晶界在二維磨面上展現(xiàn)出凹溝，在顯微鏡下可以看到多邊形的晶粒；相界上原子也具有相似特點，容易溶解到腐蝕液中，利用該原理可以將相界的輪廓在宏觀上展示出來。值得注意的是觀察晶界和相界所用蝕刻液是不同的。

1.2 壓水堆骨架點焊的金相檢驗方法

在生產(chǎn)燃料組件的過程中，環(huán)焊燃料棒、點焊格架、封接焊端塞、點焊骨架等都需要利用金相檢驗技術(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，從而提高組件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與抗腐蝕能力。在骨架的焊接過程中，在導(dǎo)向管的兩側(cè)各焊接1 個焊舌片，骨架電阻點焊的金相檢驗過程分為試樣制備和檢驗。試樣的制備又分為取樣、鑲樣、磨拋以及侵蝕等步驟。取樣，業(yè)內(nèi)普遍采用橫向取樣的方式：用切割機(jī)在距焊點中心1mm位置垂直于導(dǎo)向管中心軸線進(jìn)行切割；鑲樣，采用熱鑲嵌或冷鑲嵌均可，焊點位置朝下用環(huán)氧樹脂將樣品鑲嵌在模具內(nèi)，鑲嵌后焊點需要清晰可見；磨拋，分別用1000 目（18μm）、2000 目（10μm）和4000 目（5μm）的水砂紙進(jìn)行磨制，該步驟需要磨至焊點中心；侵蝕，用氟化氫銨的水溶液作為侵蝕液，擦拭試樣表面10s～15s，用去離子水沖洗，用酒精擦拭表面直至表面光亮，樣品制備完成。

測量過程為用金相顯微鏡采集圖像并測量熔核的尺寸參數(shù)。圖1 為點焊試樣及焊點截面示意圖，2 個接頭之間的距離定義為熔核直徑D，T為焊接壓痕深度，熔核直徑為重點關(guān)注數(shù)據(jù)。

圖1 點焊試樣及焊點熔核直徑測量示意圖

2 骨架壓力電阻點焊金相檢驗研究

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對壓水堆燃料組件導(dǎo)向管與格架電阻點焊的金相檢驗，試樣為兩側(cè)焊有焊舌片的試樣。試樣檢驗面為通過焊點中心且垂直于導(dǎo)向管中心軸的橫截面或平行于導(dǎo)向管中心軸的縱截面上進(jìn)行。通常在垂直于導(dǎo)向管中心軸的橫截面上進(jìn)行檢驗。

2.1 焊舌片的撕裂對焊點金相檢驗的影響

撕裂試驗也是評定焊接質(zhì)量的項目之一，即將焊舌片從導(dǎo)向管上撕下，觀察開裂位置是否在二者之間。點焊的撕裂試驗與金相檢驗分開進(jìn)行。通常情況下，對于點焊的金相檢驗，由于金相顯微鏡的視場不足以容納整個焊點，因此為了測量壓痕深度，只能將樣品傾斜45°，或者在一個樣品上進(jìn)行兩次圖像采集并拼接圖像，用弧線連接壓痕兩邊，再測量壓痕深度T，如圖2（a）所示。實際操作中顯示，焊舌片撕裂后更容易確定焊點的中心位置，對撕裂試驗合格的試樣進(jìn)行金相檢驗，如圖2（b）所示。經(jīng)過對比，試樣經(jīng)過撕裂試驗后其熔核形狀并未發(fā)生改變，焊舌片的撕裂與否對焊點的金相檢測并無影響。對于壓痕深度，可直接測量整體厚度T1與導(dǎo)向管壁厚T2，焊舌片的厚度是已知的，可以用二者之和減去T1，其結(jié)果即為壓痕深度，可提高檢驗效率與結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 未撕裂和撕裂后的焊點金相圖像

2.2 熔核直徑檢驗結(jié)果偏小的原因

根據(jù)規(guī)范對某試樣進(jìn)行金相檢驗，結(jié)果表明，熔核直徑的檢驗結(jié)果小于經(jīng)驗參數(shù)的結(jié)果。如果熔核在焊舌片與導(dǎo)向管之間發(fā)生上下偏移可導(dǎo)致熔核直徑檢驗結(jié)果偏小，在二維磨面上可直接觀察是否發(fā)生了偏移，不是引起直徑偏小主要原因。為確定其原因，對試樣進(jìn)行層析金相檢驗：從焊點邊緣處開始進(jìn)行直徑檢測，為使檢驗結(jié)果更精確，層析檢驗每次磨拋厚度盡可能少，約20μm～30μm。對某試樣的熔核直徑檢驗36 次的結(jié)果見表1。

表1 骨架試樣層析金相檢驗熔核直徑檢驗結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)可知，焊點熔核直徑呈先增加后減少，再緩慢增加后迅速減少的趨勢。熔核直徑變化曲線如圖3所示，焊點熔核有2 個直徑極大值且2 個直徑極大值不相等，初步觀察熔核直徑D變化曲線為“8”形。熔核的最大直徑并沒有處于焊點的中間位置，試樣焊點的熔核形狀不是理想形態(tài)，熔核位置可能在導(dǎo)向管軸向上發(fā)生偏離，并且很難判斷左右位置是否發(fā)生了偏離。

圖3 骨架試樣層析檢驗熔核直徑變化曲線

綜上所述，當(dāng)焊點的熔核形狀不規(guī)則時，熔核的最大直徑處于焊點的邊緣位置，是熔核直徑檢驗結(jié)果偏小的直接原因之一。若通過加大焊接電流的方式增加焊點中心的熔核尺寸，會導(dǎo)致因焊接能量過大而產(chǎn)生飛濺、焊透率過大和抗腐蝕性能降低等后果。最佳的解決方式為調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，使熔核最大直徑處于焊點的中心位置。金相檢驗為二維平面上的檢驗，若采用層析法檢驗焊點熔核是否處于中心位置，檢驗耗時長且成本高，如果有一種方式能直接觀察熔核的形狀，就可以得到快速初步反饋焊接的檢驗結(jié)果。

3 骨架壓力電阻點焊金相檢驗改進(jìn)

經(jīng)過研究，撕裂試驗后的試樣更容易確定焊點的中心位置，檢測結(jié)果更準(zhǔn)確；焊舌片的撕裂與否對熔核的形狀無影響，可將骨架點焊的撕裂試驗與金相檢驗試驗合并進(jìn)行。如果焊點的撕裂試驗結(jié)果不合格，直接調(diào)整工藝參數(shù)即可，無須進(jìn)行焊點的金相檢驗，這樣可以降低制樣成本，提高結(jié)果反饋效率。如果熔核形狀發(fā)生變化或者熔核在導(dǎo)向管軸向上偏移就可能導(dǎo)致熔核直徑的檢驗結(jié)果偏小，焊點輪廓可能為“8”形。觀察熔核的形狀是對其最直觀的評價方式。經(jīng)過測量，熔核的厚度約為180μm～450μm，大于水砂紙粒徑18μm。因此，如果從焊點表面進(jìn)行金相檢驗，就可以觀察焊點的熔核形狀。

為了具體觀察熔核形態(tài)，對檢驗方法進(jìn)行改進(jìn)，當(dāng)切取樣品時，從距離熔核邊緣2mm 處切下整個焊點。鑲嵌時將焊點表面貼近模具底面，選用2000 目和4000 目的水砂紙進(jìn)行磨拋，這樣能觀察熔核的形狀以及所處位置。

按照改進(jìn)的方法對較大焊接壓力參數(shù)的試樣進(jìn)行熔核形狀檢驗，金相圖像如圖4所示，就可以實現(xiàn)對焊點熔核的初步了解，為焊接參數(shù)的優(yōu)化提供方向。

圖4 骨架點焊試樣焊點的熔核形狀

調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，降低電極的壓力，熔核形狀逐漸規(guī)則，如圖5（a）所示，熔核兩端的尺寸趨于相等，中間的尺寸增大，熔核處于焊點中心位置；進(jìn)一步調(diào)整電極壓力，如圖5（b）所示，熔核形狀接近圓形，熔核尺寸明顯增大；良好的焊點熔核圖形如圖5（c）所示，熔核呈橢圓形，處于焊點中心位置。對于橢圓形的熔核，經(jīng)過測量，在熔核中間20%的范圍內(nèi)，熔核直徑的檢測結(jié)果無顯著差異。

圖5 調(diào)整焊接壓力熔核的形狀變化

以上改進(jìn)說明了隨著電極壓力升高，熔核尺寸逐漸減少。 提高電極壓力，與電極接觸位置的焊舌片和導(dǎo)向管被壓潰，導(dǎo)致電極與焊舌片從點接觸變?yōu)橹娼佑|。焊點中心位置的接觸電阻降低，產(chǎn)生熱量減少；而導(dǎo)向管軸向兩端電阻高于中心位置電阻，產(chǎn)生的熱量高于中心位置，處于焊點邊緣位置的熔核尺寸較大，從而導(dǎo)致“啞鈴“形的熔核。因此，在檢測焊點的熔核尺寸前，檢驗熔核形狀，能觀察熔核的具體形狀及位置，若發(fā)現(xiàn)熔核形狀不規(guī)則可直接調(diào)整焊接參數(shù)，直至熔核直徑最大位置處于焊點中心再對熔核尺寸進(jìn)行檢測。

4 成果應(yīng)用

將研究結(jié)果應(yīng)用于壓水堆燃料組件骨架點焊的金相檢驗中，檢驗骨架點焊熔核的形貌，提高檢驗效率。為工藝參數(shù)的改進(jìn)提供指導(dǎo)意見，通過調(diào)節(jié)焊接參數(shù)使熔核處于中心位置。成果應(yīng)用后提高了焊接質(zhì)量，在焊點中心測得的熔核直徑為熔核直徑的最大值，所需焊接能量顯著降低，提高了組件的焊點在反應(yīng)堆內(nèi)的抗腐蝕性能。