分享：鋯合金板材焊接惰性氣體保護裝 置的改進和應用

在核級鋯材加工產業鏈中，鋯合金帶材作為三代核電機組燃料元件定位格架材料，是核反應堆中的關鍵結構材料。在加工生產過程中，需將鋯合金板材拼焊成卷后進行軋制，因此對焊縫質量提出了很高的要求。鋯及鋯合金本身對于氧、氮、氫等的氣體雜質非常敏感，受熱很容易與空氣中的氫、氧、氮發生化學反應，為減少焊縫表面氧化以及焊縫變形等缺陷，選用便于進行焊縫氣體保護的無填絲自動鎢極氬弧焊，利用較大口徑的焊槍噴嘴和焊縫上表面保護托罩及下表面充氬氣的方式進行空氣隔離。文章主要介紹了國核寶鈦鋯業股份公司改進連續焊接機組的焊機氣體保護裝置，以達到焊縫不被氧化目的，為鋯合金帶材工業化生產提供了技術支持。

隨著經濟的迅速發展，人們對能源的需求急劇增加，這就迫使核反應堆技術朝著高燃耗燃料、高反應堆熱效率以及安全可靠的方向發展，于是對燃料元件用鋯合金提出了更高的要求[1]。鋯合金帶材作為三代核電機組燃料元件定位格架材料，是核反應堆中的關鍵結構材料，是核電安全運行的重要保證。核用鋯合金帶材生產過程中，需將板材拼焊成卷后進行軋制，這對焊縫質量提出了很高的要求。本文主要介紹了國核寶鈦鋯業股份公司通過改進連續焊接機組的焊機氣體保護裝置，從而有效減少焊縫表面氧化以及焊縫變形等缺陷。

實驗材料及方法

實驗材料

本文選用的鋯合金化學成分如表1所示。采用真空自耗電爐冶煉成鑄錠，并經鍛造、熱軋、冷軋成厚度約為1.0 mm的板材。

實驗方法

選用某公司生產的便于進行焊縫氣體保護的無填絲自動鎢極氬弧焊進行焊接；利用較大口徑的焊槍噴嘴和焊縫上表面保護托罩及下表面充氬氣的方式進行空氣隔離，以達到焊縫不被氧化目的。焊接參數如表2所示。

原有裝置存在的缺點

焊縫表面氧化嚴重由于焊接機頭保護氣體裝置(結構如圖1所示)的上拖罩與焊槍連接固定，在焊槍行走過程中，上拖罩距離母材焊縫距離過遠，導致氬氣不能有效的保護焊縫周圍區域，且上拖罩內表面形狀為方形，易出現氣體滯留在死角，不利于氣體完全有效的保護焊縫。下表面出現氧化則是由于下拖罩氣槽較窄，焊接連接處與下拖罩氣槽形成半封閉空間，導致焊接時氬氣只能沿帶材寬度方向運動，很難保護到焊縫周圍的區域。焊縫氧化照片如圖2所示。

焊縫表面存在凹陷

焊縫下表面的凹陷是由于保護氣流量過大，焊接中焊縫背面熔池在成形時無法形成平面或凸面。

改造方案及結果

改造方案

改進后上表面焊縫保護裝置如圖3所示。上拖罩與焊槍分離，使上拖罩的運動不受焊槍運動限制，能夠更有效的防止氧化；其次，將上拖罩的上殼形狀改為圓弧過渡，減少氣體滯留死角，改變進氣方式，氣體從尾部進入(之前是從上部中間進氣，進氣嘴附近易出現死角)，如圖3所示，在進氣管上面開孔，使氣體能夠均勻有效的覆蓋保護焊縫。

改進后下表面焊縫保護裝置如圖4所示，下托罩銅板進行改造，在銅板的氣槽長度方向兩側各加工兩道V形或U形槽，并將槽子連接起來，增加背部保護氣的保護面積，從而使氬氣完全覆蓋焊接熱影響區。

改造結果

焊接完成以后，通過目測檢查，鋯合金板材上下焊縫及熱影響區成型良好，均呈銀白色，無氧化現象(如圖5所示)，說明針對鋯及鋯合金的高溫化學活性采用的保護措施是可行的。

另外對焊接后焊縫進行了滲透探傷及力學性能檢測，滲透探傷結果表明焊縫正反表面無裂紋。對厚度為1.0 mm焊接板材做室溫拉伸實驗，抗拉強度達到580~630 MPa、斷后延伸率為5.5%~10%，與母材性能接近。在對焊縫進行真空退火后，做室溫拉伸實驗時，焊縫的抗拉強度優于母材，斷裂處均出現在母材部位，見圖6，具體數據見表3。

結束語

研究和探索鋯及鋯合金的焊接特性，制定嚴謹的焊接工藝，做好焊接過程中的高純氬保護工作，是保證鋯及鋯合金板材焊縫質量的關鍵因素。在施焊過程中，根據設備狀況，合理調解和改善氣流量，嚴格執行各項操作規程，按照工藝要求的步驟逐項落實，是保證鋯及鋯合金焊接質量的前提和基礎。

參考文獻

[1] 李中奎，劉建章. 新鋯合金在兩種不同介質中的耐蝕行為. 稀有金屬材料與工程，1999(2)：101

[2] 中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊：材料的焊接. 第2版. 北京：機械工業出版社，2001

文章來源——金屬世界