媒介

在核燃料元件造作中，端塞焊是最关键的工艺之一，由于燃料芯块是在这个过程中被密封在包壳管内，从而形成齐全的、保障反映堆安全的第一路樊篱。端塞焊工艺属于压力焊中的电阻对焊，它将端塞与包壳管装配成对接接头（图1），使其端面缜密接触并通过电流，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热将其加热到塑性状态，同时迅速施加顶锻力，接头部门在压力和热量结合作用下，通过再结晶、扩散作用而达到原子间的衔接，形成金属结合。

通过对产生焊接缺点的锆合金棒进行分类统计，存在“电弧痕”的锆合金棒占比约50％。锆合金棒端塞焊后，在其焊缝或其左近区域出现被电弧灼烧过的痕迹，称之为“电弧痕”，其描摹如图2所示。“电弧痕”是否能对焊缝内部质量造成影响，是否是内部质量不良而在表观体现出的特点信号，这些并不明确。本文对产生“电弧痕”的锆合金棒进行各类机能试验，对“电弧痕”与焊缝内涵质量的关系进行钻研，以期采取措施，提高产品质量。

1、试验步骤

将100根直径为准10mm存在“电弧痕”的Zr-4合金棒作为试验样品，而后凭据“电弧痕”的长度和在锆合金棒上出现的地位对其进行定性分类。对样品进行表观查抄、内涵质量查抄（金相解剖）、强度查抄（拉伸和爆破试验）以及抗侵蚀性查抄（侵蚀试验），以确定“电弧痕”对焊接质量的影响水平。

1.1样品定性分类

将长度>2mm的电弧痕界说为“较大电弧痕”，长度在1～2mm之间的界说为“中等电弧痕”，长度<1mm的界说为“较幼电弧痕”。而后凭据电弧痕是否与焊缝相连对试验样品进行分类试验，具体分类情况与数量见表1，电弧痕的宏观照片别离如图3～图8所示。

将分类后的试验样品先使用丙酮进行擦拭，而后在电弧痕出现的左近用箭头进行标识，并在样品上写明样品编号。最后按电弧痕分类和试验项目将样品别离装入样品袋，在样品袋上写明样品名称、编号和检测项目，送往检测中心进行各项试验。

1.2金相试样的造备与检验

接头金相试样取样的重要准则是：保障取样过程不能有任何变形、受热和使接头内部缺点扩大和失真的情况，这是确保金相分析了局正确、靠得住的沉要前提［1］。造备与检验的重要流程为：内表表宏观取样→切割锯切割→磨造→化学抛光→金相试样检验。最后用金相显微镜观察接头各部门金相组织的变动情况以及内部缺点情况，将获得的照片和数据进行纪录和统计。

1.3拉伸试验

使用100kN全能资料试验机在室温下进行试验，造作专用工装夹持端塞和包壳管。

1.4爆破试验

使用200MPa爆破试验机在室温下进行试验，压力介质为去离子水。

1.5侵蚀试验

在（360±10）℃，（19±1）MPa的高压釜中进行72h的水腐试验。

2、试验了局与分析

2.1微观金相检测了局

锆合金棒端塞焊接头解剖后经过微观金相检测，所有金相样品均未发现未焊透、裂纹、同化等内部缺点，金相检测全数合格，其金相照片如图9所示。

2.2拉伸试验检测了局

锆合金棒拉伸试验合格判定的尺度为：在端塞焊缝区产生断裂判为不合格，在其他部位产生断裂判为合格。试验了局显示：所有试验样品均在非焊缝区产生了断裂，拉伸试验全数合格，经过拉伸试验后样品的宏观描摹如图10所示。

2.3爆破试验检测了局

锆合金棒爆破试验合格判定的尺度为：在端塞焊缝区产生分裂判为不合格，在其他部位产生分裂判为合格。试验了局显示：所有试验样品均在非焊缝区产生了分裂，爆破试验全数合格，经过爆破试验后样品的宏观描摹如图11所示。

2.4侵蚀试验检测了局

锆合金棒侵蚀试验合格判定的尺度为：焊缝区表表呈均匀、致密、陆续的灰玄色氧化膜判为合格。

试验了局显示：所有试验样品均在焊缝区表表产生了均匀、致密、陆续的灰玄色氧化膜，侵蚀试验全数合格。经过侵蚀试验后样品的宏观描摹如图12所示，图12中上面的样品是没有电弧痕的，下面的样品是有电弧痕的。从图12可看出，有电弧痕和无电弧痕的样品焊缝区表观描摹一样。

由以上各项试验检测了局能够看出，“电弧痕”没有对焊缝内部组织产生影响，也没有显著降低焊缝的强度，表表耐侵蚀性也满足要求。

2.5原因分析

本试验中焊接步骤选取的是压力焊中的电阻对焊，电阻焊的热源是电阻热。由电工学可知，电流通过导体时，导体将吸热，其温度会升高，这是由于导体电阻吸收电能转换为热能的缘故，这种景象成为电流的热效应。同样，电阻焊时，当焊接电流通过两极间的金属区域焊接区时，由于焊接区拥有电阻亦会吸热，并在焊件内部形成内部热源。凭据焦耳定律，焊接区的总吸热量［2］：

Q＝I²Rt，（1）

式中：I为焊接电流的有效值；R为焊接区总电阻的均匀值；t为通过焊接电流的功夫。

由于在电阻焊过程中，焊接电流和焊接区电阻并非维持不变，因而焊接热源总吸热量Q简直切表白式为：

式中：i为焊接电流的瞬时价，是功夫的函数；r为焊接区总电阻的动态电阻值，是功夫的函数；t为通过焊接电流的功夫。

对于对焊，由于夹钳电极对焊件的夹紧力很大，所以电极与焊件间的接触电阻很幼，可忽略不计。

焊接热源总吸热量Q还能够写成：

式中：r_c为焊件间接触电阻的动态电阻值，是功夫的函数；r_w为焊件内部电阻的动态电阻值，是功夫的函数。

由此可知，电阻焊的热源是电阻热。产生电阻热的内涵成分是电阻，表部成分是电流和功夫，他们的变动对焊缝的成形起决定性作用。焊接时，由于焊件即包壳管的坡口清洁水平不够或几何尺寸达不到要求，导致他们与端塞之间即工件间的接触电阻r_c产生了变动。另表，电极的氧化膜算帐不够或几何尺寸随着磨损而变动导致焊接电流i产生了变动，而工件自身和焊接设按功夫没有产生变动即t和r_w没有影响。由此能够判定，接触电阻r_c和焊接电流i是影响焊接热源的重要成分，即影响焊接成形质量的重要成分，二者能够单独作用也能够交互作用。

该锆合金棒造作多年，焊接工艺成熟不变，均进行了工艺合格性鉴定。焊接工艺已经合格性鉴定，将维持相对不变，不会轻易扭转工艺参数。由于套爪（电极）与包壳管坡口表表存在异物、包壳管坡口存在危险或夹持包壳管的套爪接触部位产生磨损变形，导致电极和焊接件间不成能齐全贴紧即产生了间隙，从而引起接触电阻r_c产生了变动。焊接时热量散布不均匀，产生部门过热、过烧景象，这样在焊缝的表表表或其左近区域就形成了灼伤的电弧印记，即“电弧痕”。所以，套爪与包壳管坡口表表存在异物、包壳管坡口存在危险及套爪磨损变形是导致锆合金棒端塞焊产生“电弧痕”的重要成分。

经试验和分析，为了预防“电弧痕”的产生，焊接人员应采取以下质量节造措施：①在施焊前仔细查抄包壳管的坡口质量，是否存在异物和危险，如发现异物，则返回到洗濯工位进行沉新洗濯；如发现有危险，需进行隔离报废，更换质量合格的包壳管进行焊接；②对套爪定期进行算帐、更换。

3、结论

（1）“电弧痕”不是焊缝内部质量不良的表部表征，是焊接区表表表的危险，对焊接质量尤其是焊缝强度和耐侵蚀性根基上没有影响。

（2）套爪与包壳管坡口表表存在异物、包壳管坡口存在危险以及套爪磨损变形是产生“电弧痕”

的重要成分。

参考文件：

［1］赵熹华.焊接检验［M］.北京：机械工业出版社，1993.

［2］赵熹华.压力焊［M］.北京：机械工业出版社，1990.

作者简介：田红雨（1980—），男，内蒙古包头市人，硕士，工程师，从事核燃料元件焊接工艺钻研与质量治理工作.