壓水堆組件骨架點焊的金相檢驗方法改進研究

胡學良 李海濤 李 濤 余國維

（中廣核鈾業發展有限公司，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；適當提高焊接壓力有利于熔核的穩定性，隨著壓力增加會導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，熔核直徑為重點關注的參數。本文研究了燃料組件點焊金相檢驗的方法，得出常規的金相檢驗不能完全反映焊點熔核真實尺寸的結論，會對工藝參數的確定造成誤導。以此為依據，對點焊的金相檢驗方法進行改進，并應用于實際檢測中。

1 骨架的壓力電阻點焊的金相檢驗

1.1 金相檢驗技術原理

金相檢驗采用定量金相學原理，通過試樣二維磨面的組織結構，確定其與性能間的關系，是將金屬或焊接內部結構作為主要研究對象的一種檢測技術[4]。金屬在焊接過程中局部金相組織發生了轉變，其內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則，具有較高的自由能，導致其容易溶解到蝕刻液中，晶界在二維磨面上展現出凹溝，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

在生產燃料組件的過程中，環焊燃料棒、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對產品質量進行監控，從而提高組件的結構強度與抗腐蝕能力。在骨架的焊接過程中，在導向管的兩側各焊接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，業內普遍采用橫向取樣的方式：用切割機在距焊點中心1mm位置垂直于導向管中心軸線進行切割；鑲樣，采用熱鑲嵌或冷鑲嵌均可，焊點位置朝下用環氧樹脂將樣品鑲嵌在模具內，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。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，熔核直徑為重點關注數據。

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

行業標準規定，對壓水堆燃料組件導向管與格架電阻點焊的金相檢驗，試樣為兩側焊有焊舌片的試樣。試樣檢驗面為通過焊點中心且垂直于導向管中心軸的橫截面或平行于導向管中心軸的縱截面上進行。通常在垂直于導向管中心軸的橫截面上進行檢驗。

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量的項目之一，即將焊舌片從導向管上撕下，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行金相檢驗，如圖2（b）所示。經過對比，試樣經過撕裂試驗后其熔核形狀并未發生改變，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，其結果即為壓痕深度，可提高檢驗效率與結果的準確性。

圖2 未撕裂和撕裂后的焊點金相圖像

2.2 熔核直徑檢驗結果偏小的原因

根據規范對某試樣進行金相檢驗，結果表明，熔核直徑的檢驗結果小于經驗參數的結果。如果熔核在焊舌片與導向管之間發生上下偏移可導致熔核直徑檢驗結果偏小，在二維磨面上可直接觀察是否發生了偏移，不是引起直徑偏小主要原因。為確定其原因，對試樣進行層析金相檢驗：從焊點邊緣處開始進行直徑檢測，為使檢驗結果更精確，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 次的結果見表1。

表1 骨架試樣層析金相檢驗熔核直徑檢驗結果

根據數據可知，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，熔核位置可能在導向管軸向上發生偏離，并且很難判斷左右位置是否發生了偏離。

圖3 骨架試樣層析檢驗熔核直徑變化曲線

綜上所述，當焊點的熔核形狀不規則時，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，會導致因焊接能量過大而產生飛濺、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節焊接參數，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果。

3 骨架壓力電阻點焊金相檢驗改進

經過研究，撕裂試驗后的試樣更容易確定焊點的中心位置，檢測結果更準確；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行。如果焊點的撕裂試驗結果不合格，直接調整工藝參數即可，無須進行焊點的金相檢驗，這樣可以降低制樣成本，提高結果反饋效率。如果熔核形狀發生變化或者熔核在導向管軸向上偏移就可能導致熔核直徑的檢驗結果偏小，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，對檢驗方法進行改進，當切取樣品時，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 目的水砂紙進行磨拋，這樣能觀察熔核的形狀以及所處位置。

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

圖4 骨架點焊試樣焊點的熔核形狀

調節焊接參數，降低電極的壓力，熔核形狀逐漸規則，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；進一步調整電極壓力，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，經過測量，在熔核中間20%的范圍內，熔核直徑的檢測結果無顯著差異。

圖5 調整焊接壓力熔核的形狀變化

以上改進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向管被壓潰，導致電極與焊舌片從點接觸變為柱面接觸。焊點中心位置的接觸電阻降低，產生熱量減少；而導向管軸向兩端電阻高于中心位置電阻，產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，若發現熔核形狀不規則可直接調整焊接參數，直至熔核直徑最大位置處于焊點中心再對熔核尺寸進行檢測。

4 成果應用

將研究結果應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。為工藝參數的改進提供指導意見，通過調節焊接參數使熔核處于中心位置。成果應用后提高了焊接質量，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堆內的抗腐蝕性能。