锆合金平板电子束焊接熔合宽度检测技术

任俊波 童靖垒 王学权 罗建东 周猛兵 杨帆

摘要：本文介绍了锆合金平板焊缝的结构及加工工艺，介绍了工件焊接的真空电子束焊接工艺及参数。通过采用超声脉冲反射法判断焊缝熔合区域的脉冲反射信号以确定超声波束所在焊缝区域的熔合情况，从而测量焊缝的熔合宽度。通过对不同频率探头的超声实验，得到最适合的探头频率为50MHz;将实验试样焊缝区域金相解剖得到的焊缝熔合宽度与超声检测数据对比分析表明，采用的超声脉冲反射法可有效检测出锆合金平板焊缝熔合宽度，且最大误差小于0.3mm。

关键词：熔合宽度   脉冲反射法   真空電子束焊    超声检测

Inspection Technology of Fusion Width in Electron Beam Welding of Zirconium Alloy Plate

REN Junbo  TONG Jinglei  WANG Xuequan  LUO Jiandong

ZHOU Mengbing  YANG Fan

（Nuclear Power Institute of China， Chengdu， Sichuan Province， 610213 China）

Abstract： This paper introduces the structure and processing technology of zirconium alloy plate weld， and describes the vacuum electron beam welding process and parameters of workpiece welding. The ultrasonic pulse reflection method is used to judge the pulse reflection signal of the weld fusion area， to determine the fusion of the weld area where the ultrasonic beam located， so as to measure the fusion width of the weld. Through the ultrasonic experiment of different frequency probes， the most suitable probe frequency is 50MHz; The comparative analysis between the weld fusion width obtained from the metallographic anatomy of the weld area of the experimental sample and the ultrasonic testing data shows that the ultrasonic pulse reflection method can effectively detect the weld fusion width of zirconium alloy plate， and the maximum error is less than 0.3mm.

Key Words： Fusion width; Pulse reflection method; Vacuum electron beam welding; Ultrasonic inspection

利用真空电子束焊的方式，对两块锆合金平板实施焊接，通过电子束在真空中轰击相互重叠的两块锆合金平板，使上方的平板产生自熔与下方平方板形成熔池，达到连接上、下两平板的目的。两块锆合金板相互熔合的宽度是决定焊接质量的重要因素，本文介绍了利用超声脉冲反射法进行焊缝熔合宽度检测的原理、实验试样的设计加工、检测实验及对于检测结果的分析，形成了锆合金平板电子束焊接熔合宽度检测技术。

1电子束焊接

电子束焊接的基本原理是电子枪中的阴极通过加热发射电子，该电子在静电场的加速作用下通过电磁场的聚焦能够形成高能电子束，在高能电子束轰击工件时，高能电子束的动能转化为热能，使被检工件焊接处高温熔化，两工件焊接处形成熔池，从而实现对工件的焊接^[1]。电子束焊接的优点是不使用焊条，焊接时热形量小^[2]，在工业生产中，真空电子束焊是应用最多的电子束焊方式^[3-4]。

2锆合金平板电子束焊接

锆合金具有良好的焊接性能：热膨胀系数小、焊接变形小、弹性模量小，因此焊接残余应力也小，同时焊接裂纹敏感性也低，液态锆流动性也较好^[5-6]。在对两块锆合金平板实施焊接时，通过电子束在真空中轰击相互重叠的两块锆合金平板，使上方的平板产生自熔与下方平方板形成熔池，达到连接上、下两平板的目的，如图1（a）所示。平板的厚度为5mm，在采用不同的电流在上方板进行焊接后，将上方板通过机械方式加工平整。

3焊缝熔合情况超声检测原理

由于锆合金平板电子束焊缝的熔合区在两块锆合金板之间，因此其内部熔合情况无法直接观察到，为了测量图1（b）中所示的焊缝熔合区宽度，可采用超声脉冲反射法进行^[7]。

超声脉冲反射法的原理是利用焊缝区域熔合良好部位与未熔合部位界面超声波反射声压不同，对于未熔合部位，超声波在锆-空气界面会发生反射，因此超声探伤仪可以检测到多次底波，超声波能量衰减较少，而对于熔合良好部位，超声波会穿透熔合区域，从下方锆板的底部产生反射信息，探伤仪检测到的反射能量降低，尤其是二次及以上反射波衰减更大^[8]。在超声直探头置于焊缝上方时，通过判断超声波反射脉冲信号的位置及幅值就可以判断探头正对区域的焊缝熔合情况，再通过探头确定熔合区位置便可以间接测量两块锆合金板间的焊缝熔合宽大小 ^[9]。

4实验试样制作及电子束焊接

4.1 实验试样制作

实验试样材料为锆合金板，利用机械方式加工2块大小为120mm×100mm×5mm的锆合金板形试样，试样表面打磨后的粗糙度≤3.2μm。

4.2 实验试样焊接

实验试样焊接采用真空电子束焊，焊接前将2块试样如图1所示的方式上下重叠放置，利用工装夹具固定2块试样。之后，将试样连同工装一起平放入真空电子束焊机进行焊接。焊接时采用了4种不同参数电流进行焊接，具体焊接参数见表1所示，目的是得到不同熔合宽度的试样。焊后通过机械加工的方式将焊缝余高加工至与其他区域母材平行。

5实验及数据分析

5.1 实验研究

采用超声脉冲反射法对焊缝区域进行扫查，探头频率为10MHz、20MHz、50MHz、75MHz。每条焊缝采集4个焊缝熔合宽度，共计16个熔合宽度。通过超声不同频率探头实验表明，采用10MHz探头无法区分表面波与上方锆板反射回波信号，因此无法进行焊缝熔合宽度測量，20MHz、50MHz、75MHz探头均可以进行检测，50MHz探头在分辨率和信噪比方面优于20MHz和75MHz探头;50MHz和75MHz探头在多次底波反射上其回波幅度要低于20MHz探头。考虑到焊缝熔合宽度检测只需要对一次底波出现的位置和幅度进行判断即可得到焊缝是否熔合的信息，因此建议采用50MHz探头进行检测。

5.2 金相对比数据分析

对实验试样进行金相解剖实验，取得与超声测量焊缝熔合宽度处相对应的金相结果，通过分析软件测量金相照片中对应的熔合宽度，具体与超声检测结果的对比情况见表2所示。

从表2的数据可看出，在焊缝熔合宽度测量上超声检测与金相检测最大误差为0.28mm，小于0.30mm，平均误差为0.175mm。

6结语

本文描述了锆合金平板电子束焊接熔合宽度检测的相关技术。首先介绍了锆合金平板焊缝的结构以及加工工艺，描述了通过自熔方式连接工件的真空电子束焊接工艺及工艺参数。采用了超声脉冲反射法的方式通过判断焊缝熔合区域的脉冲反射信号来确定探头所在焊缝区域的熔合情况，从而测量出焊缝的熔合宽度。通过对不同频率探头的超声实验，得到最适合的探头频率为50MHz，最后通过对实验试件焊缝区域的金相解剖得到真实的焊缝熔合宽度，与超声检测数据对比表明，采用的超声脉冲反射法可有效检测出锆合金平板焊缝熔合宽度，且最大误差小于0.30mm。

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