锆合金板材焊接惰性气体保护装置的改进和应用

2019-07-23供稿胡旭坤马安国张鹏飞徐滨HUXukunMAAnguoZHANGPengfeiXUBin

金属世界 2019年4期

供稿|胡旭坤，马安国，张鹏飞，徐滨 / HU Xu-kun , MA An-guo , ZHANG Peng-fei ,XU Bin

内容导读

在核级锆材加工产业链中，锆合金带材作为三代核电机组燃料元件定位格架材料，是核反应堆中的关键结构材料。在加工生产过程中，需将锆合金板材拼焊成卷后进行轧制，因此对焊缝质量提出了很高的要求。锆及锆合金本身对于氧、氮、氢等的气体杂质非常敏感，受热很容易与空气中的氢、氧、氮发生化学反应，为减少焊缝表面氧化以及焊缝变形等缺陷，选用便于进行焊缝气体保护的无填丝自动钨极氩弧焊，利用较大口径的焊枪喷嘴和焊缝上表面保护托罩及下表面充氩气的方式进行空气隔离。文章主要介绍了国核宝钛锆业股份公司改进连续焊接机组的焊机气体保护装置，以达到焊缝不被氧化目的，为锆合金带材工业化生产提供了技术支持。

随着经济的迅速发展，人们对能源的需求急剧增加，这就迫使核反应堆技术朝着高燃耗燃料、高反应堆热效率以及安全可靠的方向发展，于是对燃料元件用锆合金提出了更高的要求[1]。锆合金带材作为三代核电机组燃料元件定位格架材料，是核反应堆中的关键结构材料，是核电安全运行的重要保证。核用锆合金带材生产过程中，需将板材拼焊成卷后进行轧制，这对焊缝质量提出了很高的要求。本文主要介绍了国核宝钛锆业股份公司通过改进连续焊接机组的焊机气体保护装置，从而有效减少焊缝表面氧化以及焊缝变形等缺陷。

实验材料及方法

实验材料

本文选用的锆合金化学成分如表1所示。采用真空自耗电炉冶炼成铸锭，并经锻造、热轧、冷轧成厚度约为1.0 mm的板材。

表1 锆合金板材化学成分(质量分数，%)

实验方法

选用某公司生产的便于进行焊缝气体保护的无填丝自动钨极氩弧焊进行焊接；利用较大口径的焊枪喷嘴和焊缝上表面保护托罩及下表面充氩气的方式进行空气隔离，以达到焊缝不被氧化目的。焊接参数如表2所示。

表2 锆合金板材焊接工艺参数

原有装置存在的缺点

焊缝表面氧化严重

由于焊接机头保护气体装置(结构如图1所示)的上拖罩与焊枪连接固定，在焊枪行走过程中，上拖罩距离母材焊缝距离过远，导致氩气不能有效的保护焊缝周围区域，且上拖罩内表面形状为方形，易出现气体滞留在死角，不利于气体完全有效的保护焊缝。下表面出现氧化则是由于下拖罩气槽较窄，焊接连接处与下拖罩气槽形成半封闭空间，导致焊接时氩气只能沿带材宽度方向运动，很难保护到焊缝周围的区域。焊缝氧化照片如图2所示。

焊缝表面存在凹陷

焊缝下表面的凹陷是由于保护气流量过大，焊接中焊缝背面熔池在成形时无法形成平面或凸面。

改造方案及结果

改造方案

改进后上表面焊缝保护装置如图3所示。上拖罩与焊枪分离，使上拖罩的运动不受焊枪运动限制，能够更有效的防止氧化；其次，将上拖罩的上壳形状改为圆弧过渡，减少气体滞留死角，改变进气方式，气体从尾部进入(之前是从上部中间进气，进气嘴附近易出现死角)，如图3所示，在进气管上面开孔，使气体能够均匀有效的覆盖保护焊缝。

图1 焊接保护装置示意图

图2 焊缝氧化照片

改进后下表面焊缝保护装置如图4所示，下托罩铜板进行改造，在铜板的气槽长度方向两侧各加工两道V形或U形槽，并将槽子连接起来，增加背部保护气的保护面积，从而使氩气完全覆盖焊接热影响区。

改造结果

焊接完成以后，通过目测检查，锆合金板材上下焊缝及热影响区成型良好，均呈银白色，无氧化现象(如图5所示)，说明针对锆及锆合金的高温化学活性采用的保护措施是可行的。

另外对焊接后焊缝进行了渗透探伤及力学性能检测，渗透探伤结果表明焊缝正反表面无裂纹。对厚度为1.0 mm焊接板材做室温拉伸实验，抗拉强度达到580～630 MPa、断后延伸率为5.5%～10%，与母材性能接近。在对焊缝进行真空退火后，做室温拉伸实验时，焊缝的抗拉强度优于母材，断裂处均出现在母材部位，见图6，具体数据见表3。