胡學(xué)良 李海濤 李 濤 余國(guó)維

（中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 陽(yáng)江 529900）

骨架是燃料組件的重要組成部分，起到對(duì)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(guò)壓力電阻點(diǎn)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(duì)熔核尺寸影響較大，隨著電流增加熔核尺寸會(huì)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(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)的熔核尺寸減少[2-3]。對(duì)焊點(diǎn)的金相檢驗(yàn)是評(píng)定焊接質(zhì)量的方式之一，理想情況下熔核處于焊點(diǎn)的中心位置，其形狀為圓形或橢圓形，熔核直徑為重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)。本文研究了燃料組件點(diǎn)焊金相檢驗(yàn)的方法，得出常規(guī)的金相檢驗(yàn)不能完全反映焊點(diǎn)熔核真實(shí)尺寸的結(jié)論，會(huì)對(duì)工藝參數(shù)的確定造成誤導(dǎo)。以此為依據(jù)，對(duì)點(diǎn)焊的金相檢驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)，并應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)中。

1 骨架的壓力電阻點(diǎn)焊的金相檢驗(yàn)

1.1 金相檢驗(yàn)技術(shù)原理

金相檢驗(yàn)采用定量金相學(xué)原理，通過(guò)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(duì)象的一種檢測(cè)技術(shù)[4]。金屬在焊接過(guò)程中局部金相組織發(fā)生了轉(zhuǎn)變，其內(nèi)部不同位置對(duì)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(diǎn)，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(lái)。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(diǎn)焊的金相檢驗(yàn)方法

在生產(chǎn)燃料組件的過(guò)程中，環(huán)焊燃料棒、點(diǎn)焊格架、封接焊端塞、點(diǎn)焊骨架等都需要利用金相檢驗(yàn)技術(shù)對(duì)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(guò)程中，在導(dǎo)向管的兩側(cè)各焊接1 個(gè)焊舌片，骨架電阻點(diǎn)焊的金相檢驗(yàn)過(guò)程分為試樣制備和檢驗(yàn)。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(diǎn)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(diǎn)位置朝下用環(huán)氧樹(shù)脂將樣品鑲嵌在模具內(nèi)，鑲嵌后焊點(diǎn)需要清晰可見(jiàn)；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(diǎn)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(cè)量過(guò)程為用金相顯微鏡采集圖像并測(cè)量熔核的尺寸參數(shù)。圖1 為點(diǎn)焊試樣及焊點(diǎn)截面示意圖，2 個(gè)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(diǎn)關(guān)注數(shù)據(jù)。

圖1 點(diǎn)焊試樣及焊點(diǎn)熔核直徑測(cè)量示意圖

2 骨架壓力電阻點(diǎn)焊金相檢驗(yàn)研究

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)壓水堆燃料組件導(dǎo)向管與格架電阻點(diǎn)焊的金相檢驗(yàn)，試樣為兩側(cè)焊有焊舌片的試樣。試樣檢驗(yàn)面為通過(guò)焊點(diǎn)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(yàn)。

2.1 焊舌片的撕裂對(duì)焊點(diǎn)金相檢驗(yàn)的影響

撕裂試驗(yàn)也是評(píng)定焊接質(zhì)量的項(xiàng)目之一，即將焊舌片從導(dǎo)向管上撕下，觀察開(kāi)裂位置是否在二者之間。點(diǎn)焊的撕裂試驗(yàn)與金相檢驗(yàn)分開(kāi)進(jìn)行。通常情況下，對(duì)于點(diǎn)焊的金相檢驗(yàn)，由于金相顯微鏡的視場(chǎng)不足以容納整個(gè)焊點(diǎn)，因此為了測(cè)量壓痕深度，只能將樣品傾斜45°，或者在一個(gè)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(cè)量壓痕深度T，如圖2（a）所示。實(shí)際操作中顯示，焊舌片撕裂后更容易確定焊點(diǎn)的中心位置，對(duì)撕裂試驗(yàn)合格的試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，如圖2（b）所示。經(jīng)過(guò)對(duì)比，試樣經(jīng)過(guò)撕裂試驗(yàn)后其熔核形狀并未發(fā)生改變，焊舌片的撕裂與否對(duì)焊點(diǎn)的金相檢測(cè)并無(wú)影響。對(duì)于壓痕深度，可直接測(cè)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(yàn)效率與結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 未撕裂和撕裂后的焊點(diǎn)金相圖像

2.2 熔核直徑檢驗(yàn)結(jié)果偏小的原因

根據(jù)規(guī)范對(duì)某試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果表明，熔核直徑的檢驗(yàn)結(jié)果小于經(jīng)驗(yàn)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(yàn)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(duì)試樣進(jìn)行層析金相檢驗(yàn)：從焊點(diǎn)邊緣處開(kāi)始進(jìn)行直徑檢測(cè)，為使檢驗(yàn)結(jié)果更精確，層析檢驗(yàn)每次磨拋厚度盡可能少，約20μm～30μm。對(duì)某試樣的熔核直徑檢驗(yàn)36 次的結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 骨架試樣層析金相檢驗(yàn)熔核直徑檢驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)可知，焊點(diǎn)熔核直徑呈先增加后減少，再緩慢增加后迅速減少的趨勢(shì)。熔核直徑變化曲線如圖3所示，焊點(diǎn)熔核有2 個(gè)直徑極大值且2 個(gè)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(méi)有處于焊點(diǎn)的中間位置，試樣焊點(diǎn)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(yàn)熔核直徑變化曲線

綜上所述，當(dāng)焊點(diǎn)的熔核形狀不規(guī)則時(shí)，熔核的最大直徑處于焊點(diǎn)的邊緣位置，是熔核直徑檢驗(yàn)結(jié)果偏小的直接原因之一。若通過(guò)加大焊接電流的方式增加焊點(diǎn)中心的熔核尺寸，會(huì)導(dǎo)致因焊接能量過(guò)大而產(chǎn)生飛濺、焊透率過(guò)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(diǎn)的中心位置。金相檢驗(yàn)為二維平面上的檢驗(yàn)，若采用層析法檢驗(yàn)焊點(diǎn)熔核是否處于中心位置，檢驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)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(yàn)結(jié)果。

3 骨架壓力電阻點(diǎn)焊金相檢驗(yàn)改進(jìn)

經(jīng)過(guò)研究，撕裂試驗(yàn)后的試樣更容易確定焊點(diǎn)的中心位置，檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確；焊舌片的撕裂與否對(duì)熔核的形狀無(wú)影響，可將骨架點(diǎn)焊的撕裂試驗(yàn)與金相檢驗(yàn)試驗(yàn)合并進(jìn)行。如果焊點(diǎn)的撕裂試驗(yàn)結(jié)果不合格，直接調(diào)整工藝參數(shù)即可，無(wú)須進(jìn)行焊點(diǎn)的金相檢驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果偏小，焊點(diǎn)輪廓可能為“8”形。觀察熔核的形狀是對(duì)其最直觀的評(píng)價(jià)方式。經(jīng)過(guò)測(cè)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(diǎn)表面進(jìn)行金相檢驗(yàn)，就可以觀察焊點(diǎn)的熔核形狀。

為了具體觀察熔核形態(tài)，對(duì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)，當(dāng)切取樣品時(shí)，從距離熔核邊緣2mm 處切下整個(gè)焊點(diǎn)。鑲嵌時(shí)將焊點(diǎn)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(duì)較大焊接壓力參數(shù)的試樣進(jìn)行熔核形狀檢驗(yàn)，金相圖像如圖4所示，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊點(diǎn)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(diǎn)焊試樣焊點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)熔核圖形如圖5（c）所示，熔核呈橢圓形，處于焊點(diǎn)中心位置。對(duì)于橢圓形的熔核，經(jīng)過(guò)測(cè)量，在熔核中間20%的范圍內(nèi)，熔核直徑的檢測(cè)結(jié)果無(wú)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(shuō)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(diǎn)接觸變?yōu)橹娼佑|。焊點(diǎn)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(diǎn)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(cè)焊點(diǎn)的熔核尺寸前，檢驗(yàn)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(diǎn)中心再對(duì)熔核尺寸進(jìn)行檢測(cè)。

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(diǎn)焊的金相檢驗(yàn)中，檢驗(yàn)骨架點(diǎn)焊熔核的形貌，提高檢驗(yàn)效率。為工藝參數(shù)的改進(jìn)提供指導(dǎo)意見(jiàn)，通過(guò)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(diǎn)中心測(cè)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(diǎn)在反應(yīng)堆內(nèi)的抗腐蝕性能。