前言
在核燃料元件制造中，端塞焊是最關(guān)鍵的工藝之一，因為燃料芯塊是在這個(gè)過(guò)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(guò)電流，利用電流流經(jīng)工件接觸面及鄰近區域產(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(guò)再結晶、擴散作用而達到原子間的連接，形成金屬結合。
通過(guò)對產(chǎn)生焊接缺陷的鋯合金棒進(jìn)行分類(lèi)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(guò)的痕跡，稱(chēng)之為“電弧痕”，其形貌如圖2所示?！半娀『邸笔欠衲軐缚p內部質(zhì)量造成影響，是否是內部質(zhì)量不良而在外觀(guān)體現出的特征信號，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，對“電弧痕”與焊縫內在質(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(cháng)度和在鋯合金棒上出現的位置對其進(jìn)行定性分類(lèi)。對樣品進(jìn)行外觀(guān)檢查、內在質(zhì)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(zhì)量的影響程度。
1.1樣品定性分類(lèi)
將長(cháng)度>2mm的電弧痕定義為“較大電弧痕”，長(cháng)度在1～2mm之間的定義為“中等電弧痕”，長(cháng)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(jìn)行分類(lèi)試驗，具體分類(lèi)情況與數量見(jiàn)表1，電弧痕的宏觀(guān)照片分別如圖3～圖8所示。
將分類(lèi)后的試驗樣品先使用丙酮進(jìn)行擦拭，然后在電弧痕出現的附近用箭頭進(jìn)行標識，并在樣品上寫(xiě)明樣品編號。最后按電弧痕分類(lèi)和試驗項目將樣品分別裝入樣品袋，在樣品袋上寫(xiě)明樣品名稱(chēng)、編號和檢測項目，送往檢測中心進(jìn)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(guò)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(guān)取樣→切割鋸切割→磨制→化學(xué)拋光→金相試樣檢驗。最后用金相顯微鏡觀(guān)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(jìn)行記錄和統計。
1.3拉伸試驗
使用100kN萬(wàn)能材料試驗機在室溫下進(jìn)行試驗，制造專(zhuān)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(jìn)行試驗，壓力介質(zhì)為去離子水。
1.5腐蝕試驗
在（360±10）℃，（19±1）MPa的高壓釜中進(jìn)行72h的水腐試驗。
2、試驗結果與分析
2.1微觀(guān)金相檢測結果
鋯合金棒端塞焊接頭解剖后經(jīng)過(guò)微觀(guān)金相檢測，所有金相樣品均未發(fā)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(fā)生斷裂判為不合格，在其他部位發(fā)生斷裂判為合格。試驗結果顯示：所有試驗樣品均在非焊縫區發(fā)生了斷裂，拉伸試驗全部合格，經(jīng)過(guò)拉伸試驗后樣品的宏觀(guān)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(fā)生破裂判為不合格，在其他部位發(fā)生破裂判為合格。試驗結果顯示：所有試驗樣品均在非焊縫區產(chǎn)生了破裂，爆破試驗全部合格，經(jīng)過(guò)爆破試驗后樣品的宏觀(guān)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(chǎn)生了均勻、致密、連續的灰黑色氧化膜，腐蝕試驗全部合格。經(jīng)過(guò)腐蝕試驗后樣品的宏觀(guān)形貌如圖12所示，圖12中上面的樣品是沒(méi)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(wú)電弧痕的樣品焊縫區外觀(guān)形貌相同。
由以上各項試驗檢測結果可以看出，“電弧痕”沒(méi)有對焊縫內部組織產(chǎn)生影響，也沒(méi)有明顯降低焊縫的強度，表面耐腐蝕性也滿(mǎn)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(xué)可知，電流通過(guò)導體時(shí)，導體將吸熱，其溫度會(huì )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(shí)，當焊接電流通過(guò)兩極間的金屬區域焊接區時(shí)，由于焊接區具有電阻亦會(huì )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(guò)焊接電流的時(shí)間。
由于在電阻焊過(guò)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(shí)值，是時(shí)間的函數；r為焊接區總電阻的動(dòng)態(tài)電阻值，是時(shí)間的函數；t為通過(guò)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。
焊接熱源總吸熱量Q還可以寫(xiě)成：
式中：rc為焊件間接觸電阻的動(dòng)態(tài)電阻值，是時(shí)間的函數；rw為焊件內部電阻的動(dòng)態(tài)電阻值，是時(shí)間的函數。
由此可知，電阻焊的熱源是電阻熱。產(chǎn)生電阻熱的內在因素是電阻，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不到要求，導致他們與端塞之間即工件間的接觸電阻rc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(zhù)磨損而變化導致焊接電流i發(fā)生了變化，而工件本身和焊接設定時(shí)間沒(méi)有發(fā)生變化即t和rw沒(méi)有影響。由此可以判定，接觸電阻rc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(jìn)行了工藝合格性鑒定。焊接工藝一經(jīng)合格性鑒定，將保持相對穩定，不會(huì )隨意改動(dòng)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(fā)生磨損變形，導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rc發(fā)生了變化。焊接時(shí)熱量分布不均勻，產(chǎn)生局部過(guò)熱、過(guò)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(chǎn)生“電弧痕”的主要因素。
經(jīng)試驗和分析，為了防止“電弧痕”的產(chǎn)生，焊接人員應采取以下質(zhì)量控制措施：①在施焊前仔細檢查包殼管的坡口質(zhì)量，是否存在異物和損傷，如發(fā)現異物，則返回到清洗工位進(jìn)行重新清洗；如發(fā)現有損傷，需進(jìn)行隔離報廢，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、結論
（1）“電弧痕”不是焊縫內部質(zhì)量不良的外部表征，是焊接區外表面的損傷，對焊接質(zhì)量尤其是焊縫強度和耐腐蝕性基本上沒(méi)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：
［1］趙熹華.焊接檢驗［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1993.
［2］趙熹華.壓力焊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1990.
作者簡(jiǎn)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(zhì)量管理工作.
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