二次中子源棒充氦堵孔TIG焊工藝研究

摘 要：為獲取優(yōu)異的二次中子源堵孔焊接接頭，首先本文采取直流TIG焊接方法，采用單一變量試驗(yàn)法，對(duì)焊接電流、焊接時(shí)間、鎢極與工件距離3個(gè)主要影響因素進(jìn)行系統(tǒng)工藝試驗(yàn)，摸索每個(gè)參數(shù)對(duì)焊縫接頭的影響規(guī)律，并得到焊接變量的取值范圍。其次，縮小變量參數(shù)范圍，通過“大能量”和“小能量”參數(shù)組合試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化組合參數(shù)的可靠性，并提出二次中子源棒堵孔焊生產(chǎn)參數(shù)選擇范圍，為二次中子源棒生產(chǎn)制造提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：二次中子源棒；TIG堵孔焊；焊接電流；焊接時(shí)間；鎢極與工件距離

中圖分類號(hào)：TG 44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

核反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性是保證核能可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，二次中子源棒作為二次中子源組件的重要組成部分，在核反應(yīng)堆換料再啟動(dòng)過程中起到至關(guān)重要的作用。為了確保二次中子源棒的有效密封，保持反應(yīng)堆內(nèi)部的穩(wěn)定性，二次中子源棒密封堵孔焊工藝可靠性至關(guān)重要。

TIG焊電弧熱量集中，熱影響區(qū)很窄，焊接變形與應(yīng)力均比較小，適合堵孔焊接，可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成堵孔焊接。TIG焊技術(shù)在鈦合金等高性能材料上的應(yīng)用取得了顯著進(jìn)展[1-3]。然而，針對(duì)TIG堵孔焊工藝在二次中子源棒應(yīng)用研究微乎其微，該方法應(yīng)用在核工業(yè)的二次中子源棒堵孔焊仍面臨許多挑戰(zhàn)。本文旨在開發(fā)一種適用于二次中子源棒的可靠直流TIG堵孔焊工藝，提高焊接質(zhì)量和效率，為二次中子源棒充氦堵孔焊提供技術(shù)支撐。

1 二次中子源棒制造工藝流程

二次中子源棒由上端塞、內(nèi)管段、氦氣（4.5MPa）、包殼管以及下端塞組成，用于壓水反應(yīng)堆換料重啟，是壓水堆核電站運(yùn)行過程的重要組成部分，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

二次中子源棒制造工藝流程為上端塞壓塞→上端塞環(huán)焊→X射線焊縫檢測(cè)→裝內(nèi)管段→下端塞壓塞→下端塞環(huán)焊→下端塞充氦堵孔焊→X射線焊縫檢測(cè)→氦檢漏→外觀檢驗(yàn)。從制造工藝流程可以看出，下端塞充氦堵孔焊是二次中子源棒最后一道制造工序，這個(gè)過程需要充入45個(gè)大氣壓的氦氣，完成密封堵孔焊接。下端塞堵孔焊的質(zhì)量決定了二次中子源棒的密封效果，且關(guān)系到二次中子源組件是否能在反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行。

2 堵孔焊檢驗(yàn)項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)

堵孔焊檢驗(yàn)項(xiàng)目主要檢測(cè)焊縫金相和焊縫外觀，檢驗(yàn)項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)見表1。

3 焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)概述

焊接試樣材料為316L的二次中子源棒包殼管試樣管和308的下端塞，先制備兩端環(huán)焊的包殼管段，用于充氦堵孔焊接試驗(yàn)。在直流TIG堵孔焊接過程中，對(duì)焊接接頭影響最大的3個(gè)工藝參數(shù)為焊接電流、焊接時(shí)間以及鎢極與工件距離。因此，需要開展3輪工藝試驗(yàn)，摸索每個(gè)工藝參數(shù)的范圍，最后縮小每個(gè)工藝參數(shù)的范圍，進(jìn)行“最大能量”和“最小能量”組合，縮小參數(shù)范圍，優(yōu)化工藝參數(shù)組合。

首先，根據(jù)二次中子源棒下端塞的孔徑大小和熔深要求，計(jì)算大致的焊接參數(shù)，找出焊接中值。其次，根據(jù)焊接中值的參數(shù)，分別開展工藝試驗(yàn)，摸索參數(shù)范圍。在3個(gè)變量中，焊接電流和焊接時(shí)間是二次中子源棒TIG堵孔焊的主要影響因素，鎢極與工件的距離為次要影響因素，因此將工藝試驗(yàn)的順序定為焊接電流、焊接時(shí)間、鎢極與工件的距離。

3.2 焊接中值

二次中子源棒下端塞的小孔直徑為0.8mm，要求的焊接熔深不小于0.38mm，經(jīng)過初步的焊接熱輸入量計(jì)算，選取焊接電流27A、焊接時(shí)間0.5s、鎢極距離0.6mm為焊接變量的中值，焊接4個(gè)樣品，避免單一樣品導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果偶然性。焊縫外觀采取目視檢驗(yàn)的方式進(jìn)行檢查，焊縫熔深采取縱切金相的方式進(jìn)行檢測(cè)。

從檢測(cè)結(jié)果可以得出，4個(gè)下端塞的試樣焊縫外觀均合格，焊接熔深大于技術(shù)條件要求的0.38mm，最小金相的熔深為0.83mm，焊縫無裂紋、無氣孔或者夾雜，可以判定選取的焊接變量中值滿足要求。焊接參數(shù)和檢測(cè)結(jié)果見表2和圖2。

在焊接變量中值的基礎(chǔ)上，分別開展焊接電流、焊接時(shí)間、鎢極和工件的距離參數(shù)范圍的摸索。在3個(gè)焊接變量中，電流是影響焊接效果的首要因素，因此先開展電流范圍的摸索。

3.3 焊接電流

以焊接時(shí)間0.5s、鎢極和工件的距離0.6mm為定量，以焊接電流27A為變量中值，間隔2A增大和減小電流，增大和減小的范圍到達(dá)8A停止，每組參數(shù)焊接2個(gè)試樣。間隔2A往下減少電流，當(dāng)電流為19A～25A時(shí)，焊縫外觀合格。間隔2A往上增加電流，當(dāng)電流為29A～31A時(shí)，焊縫外觀合格；在電流到達(dá)33A～35A后，下端塞端面被熔，焊縫外觀不合格，見圖3和圖4的金相圖。檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

從檢測(cè)結(jié)果可以得出，當(dāng)電流為19A～31A時(shí)，焊縫熔深均大于0.38mm，焊縫外觀檢驗(yàn)合格，且焊縫金相隨著電流增加呈增大的趨勢(shì)，屬于電流參數(shù)合格范圍。當(dāng)電流為33A～35A時(shí)，焊縫熔深均大于0.38mm，金相檢驗(yàn)合格，但是焊縫熱影響區(qū)增大，熔化下端塞端塞邊緣，外觀不合格，屬于電流參數(shù)不合格范圍。因此，電流的合格范圍為19A～31A，選取電流的中值參數(shù)28A作為電流定值開展焊接時(shí)間的摸索。

3.4 焊接時(shí)間

以電流28A、鎢極和工件的距離0.6mm為定量，以焊接時(shí)間0.5s為變量中值，間隔0.1s縮短和延長焊接時(shí)間，延長和縮短的范圍到達(dá)0.3s停止，每組參數(shù)焊接2個(gè)試樣。

間隔0.1s往下減小焊接時(shí)間，當(dāng)焊接時(shí)間為0.2s～0.4s時(shí)，焊縫外觀合格。間隔0.1s往上加大焊接時(shí)間。當(dāng)焊接時(shí)間為0.6s～0.7s時(shí)，焊縫外觀合格；當(dāng)焊接時(shí)間為 0.8s時(shí)，下端塞端面被熔，焊縫外觀不合格，如圖5所示。檢測(cè)結(jié)果見表4。

從檢測(cè)結(jié)果可以得出，當(dāng)焊接時(shí)間為0.2s～0.7s時(shí)，焊縫熔深均大于0.38mm，焊縫外觀檢驗(yàn)合格，且焊縫金相隨著焊接時(shí)間延長呈增大的趨勢(shì)，屬于焊接時(shí)間參數(shù)合格范圍。焊接時(shí)間為0.8s，焊縫熔深均大于0.38mm，金相檢驗(yàn)合格，但是焊縫熱輸入量過大，熔化下端塞端塞邊緣，外觀不合格，屬于焊接時(shí)間參數(shù)不合格范圍。

因此，焊接時(shí)間的合格范圍為0.2s～0.7s，由于二次中子源棒密封4.5MPa的氦氣，應(yīng)盡可能地增加焊接熔深，增強(qiáng)二次中子源棒的密封性，因此選取焊接時(shí)間0.5s為定值，開展鎢極與工件的距離參數(shù)摸索。

3.5 鎢極與工件距離

以電流28A、焊接時(shí)間0.5s為定量，以鎢極徑向距離0.6mm為變量中值，間隔0.1mm減小和增大鎢極徑向距離，增大和減小的范圍到達(dá)0.4mm停止，每組參數(shù)焊接2個(gè)試樣。間隔0.1mm往上增大鎢極徑向距離。當(dāng)鎢極與工件距離為0.5mm～0.2mm時(shí)，焊縫外觀和高度均合格。間隔0.1mm往下減小鎢極徑向距離。當(dāng)鎢極與工件距離為0.7mm～0.8mm時(shí)，焊縫外觀合格。當(dāng)鎢極與工件距離為0.9mm～1.0mm時(shí)，下端塞端面被熔，焊縫外觀不合格，如圖6、圖7所示。檢測(cè)結(jié)果見表5。

從檢測(cè)結(jié)果可以得出，當(dāng)鎢極距離為0.2mm～0.8mm時(shí)，焊縫熔深均大于0.38mm，焊縫外觀檢驗(yàn)合格，且焊縫金相隨著鎢極距離增加呈增大的趨勢(shì)，屬于鎢極距離參數(shù)合格范圍。當(dāng)鎢極距離為0.9mm～1.0mm時(shí)，焊縫熔深均大于0.38mm，金相檢驗(yàn)合格，但是焊縫熱輸入量過大，熔化下端塞端塞邊緣，外觀不合格，屬于鎢極距離參數(shù)不合格范圍。因此，鎢極距離的合格范圍為0.2mm～0.8mm。

3.6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述3輪工藝試驗(yàn)結(jié)果，摸索出焊接變量的合格范圍，見表6。

通過分析焊接金相結(jié)果得知，焊接電流增大，焊接熱輸入量增加，焊接熔深增加；焊接時(shí)間延長，焊接熱輸入量增加，焊接熔深增加；當(dāng)鎢極徑向距離為0.2mm～1.0mm時(shí)，隨著距離增大，焊接熔深呈增大的趨勢(shì)。基于上述焊接變量的取值范圍，為得到更可靠的焊接參數(shù)范圍，對(duì)變量的取值范圍進(jìn)一步縮小，按照表7進(jìn)行焊接參數(shù)組合并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

經(jīng)檢驗(yàn)，小能量參數(shù)的最小焊接熔深為1.5mm，如圖8所示；大能量參數(shù)的最小焊接熔深為1.88，如圖9所示。大能量和小能量組合試驗(yàn)的20個(gè)焊接試樣檢驗(yàn)項(xiàng)目全部合格，且焊接熔深遠(yuǎn)大于技術(shù)條件要求的0.38mm。因此，大能量和小能量范圍的任一焊接參數(shù)組合均能焊出合格的控制棒焊縫。

4 結(jié)語

本文摸索出二次中子源棒焊接工藝參數(shù)變量取值范圍，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合驗(yàn)證，提出了二次中子源棒堵孔焊生產(chǎn)制造的工藝參數(shù)組合。在焊接電流逐漸增加的過程中，電弧對(duì)工件的熱輸入量增加，焊接能量增大，有利于熱量向熔池深度方向傳導(dǎo)，焊接熔深增大趨勢(shì)明顯。在焊接時(shí)間逐漸延長的過程中，焊接熱輸入量增加，有利于熱量向熔池深度方向傳導(dǎo)，焊接熔深增大。在鎢極與工件距離逐漸增加的過程中，電弧電壓增加，電弧作用面積增大，焊接熔深有增大的趨勢(shì)。

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