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，采用單一變量試驗法，對焊接電流、焊接時間、鎢極與工件距離3個主要影響因素進行系統(tǒng)工藝試驗，摸索每個參數對焊縫接頭的影響規(guī)律，并得到焊接變量的取值范圍。其次，縮小變量參數范圍，通過“大能量”和“小能量”參數組合試驗，驗證優(yōu)化組合參數的可靠性，并提出二次中子源棒堵孔焊生產參數選擇范圍，為二次中子源棒生產制造提供理論支撐。

關鍵詞：二次中子源棒；TIG堵孔焊；焊接電流；焊接時間；鎢極與工件距離

中圖分類號：TG 44 文獻標志碼：A

核反應堆的安全性和經濟性是保證核能可持續(xù)發(fā)展的關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，在核反應堆換料再啟動過程中起到至關重要的作用。為了確保二次中子源棒的有效密封，保持反應堆內部的穩(wěn)定性，二次中子源棒密封堵孔焊工藝可靠性至關重要。

TIG焊電弧熱量集中，熱影響區(qū)很窄，焊接變形與應力均比較小，適合堵孔焊接，可以在極短的時間內完成堵孔焊接。TIG焊技術在鈦合金等高性能材料上的應用取得了顯著進展[1-3]。然而，針對TIG堵孔焊工藝在二次中子源棒應用研究微乎其微，該方法應用在核工業(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，提高焊接質量和效率，為二次中子源棒充氦堵孔焊提供技術支撐。

1 二次中子源棒制造工藝流程

二次中子源棒由上端塞、內管段、氦氣（4.5MPa）、包殼管以及下端塞組成，用于壓水反應堆換料重啟，是壓水堆核電站運行過程的重要組成部分，具體結構如圖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→裝內管段→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→氦檢漏→外觀檢驗。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，這個過程需要充入45個大氣壓的氦氣，完成密封堵孔焊接。下端塞堵孔焊的質量決定了二次中子源棒的密封效果，且關系到二次中子源組件是否能在反應堆穩(wěn)定運行。

2 堵孔焊檢驗項目和標準

堵孔焊檢驗項目主要檢測焊縫金相和焊縫外觀，檢驗項目和標準見表1。

3 焊接工藝試驗結果與分析

3.1 試驗概述

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。在直流TIG堵孔焊接過程中，對焊接接頭影響最大的3個工藝參數為焊接電流、焊接時間以及鎢極與工件距離。因此，需要開展3輪工藝試驗，摸索每個工藝參數的范圍，最后縮小每個工藝參數的范圍，進行“最大能量”和“最小能量”組合，縮小參數范圍，優(yōu)化工藝參數組合。

首先，根據二次中子源棒下端塞的孔徑大小和熔深要求，計算大致的焊接參數，找出焊接中值。其次，根據焊接中值的參數，分別開展工藝試驗，摸索參數范圍。在3個變量中，焊接電流和焊接時間是二次中子源棒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，因此將工藝試驗的順序定為焊接電流、焊接時間、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，經過初步的焊接熱輸入量計算，選取焊接電流27A、焊接時間0.5s、鎢極距離0.6mm為焊接變量的中值，焊接4個樣品，避免單一樣品導致檢測結果偶然性。焊縫外觀采取目視檢驗的方式進行檢查，焊縫熔深采取縱切金相的方式進行檢測。

從檢測結果可以得出，4個下端塞的試樣焊縫外觀均合格，焊接熔深大于技術條件要求的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。焊接參數和檢測結果見表2和圖2。

在焊接變量中值的基礎上，分別開展焊接電流、焊接時間、鎢極和工件的距離參數范圍的摸索。在3個焊接變量中，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8A停止，每組參數焊接2個試樣。間隔2A往下減少電流，當電流為19A～25A時，焊縫外觀合格。間隔2A往上增加電流，當電流為29A～31A時，焊縫外觀合格；在電流到達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。檢驗結果見表3。

從檢測結果可以得出，當電流為19A～31A時，焊縫熔深均大于0.38mm，焊縫外觀檢驗合格，且焊縫金相隨著電流增加呈增大的趨勢，屬于電流參數合格范圍。當電流為33A～35A時，焊縫熔深均大于0.38mm，金相檢驗合格，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28A作為電流定值開展焊接時間的摸索。

3.4 焊接時間

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

間隔0.1s往下減小焊接時間，當焊接時間為0.2s～0.4s時，焊縫外觀合格。間隔0.1s往上加大焊接時間。當焊接時間為0.6s～0.7s時，焊縫外觀合格；當焊接時間為 0.8s時，下端塞端面被熔，焊縫外觀不合格，如圖5所示。檢測結果見表4。

從檢測結果可以得出，當焊接時間為0.2s～0.7s時，焊縫熔深均大于0.38mm，焊縫外觀檢驗合格，且焊縫金相隨著焊接時間延長呈增大的趨勢，屬于焊接時間參數合格范圍。焊接時間為0.8s，焊縫熔深均大于0.38mm，金相檢驗合格，但是焊縫熱輸入量過大，熔化下端塞端塞邊緣，外觀不合格，屬于焊接時間參數不合格范圍。

因此，焊接時間的合格范圍為0.2s～0.7s，由于二次中子源棒密封4.5MPa的氦氣，應盡可能地增加焊接熔深，增強二次中子源棒的密封性，因此選取焊接時間0.5s為定值，開展鎢極與工件的距離參數摸索。

3.5 鎢極與工件距離

以電流28A、焊接時間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0.4mm停止，每組參數焊接2個試樣。間隔0.1mm往上增大鎢極徑向距離。當鎢極與工件距離為0.5mm～0.2mm時，焊縫外觀和高度均合格。間隔0.1mm往下減小鎢極徑向距離。當鎢極與工件距離為0.7mm～0.8mm時，焊縫外觀合格。當鎢極與工件距離為0.9mm～1.0mm時，下端塞端面被熔，焊縫外觀不合格，如圖6、圖7所示。檢測結果見表5。

從檢測結果可以得出，當鎢極距離為0.2mm～0.8mm時，焊縫熔深均大于0.38mm，焊縫外觀檢驗合格，且焊縫金相隨著鎢極距離增加呈增大的趨勢，屬于鎢極距離參數合格范圍。當鎢極距離為0.9mm～1.0mm時，焊縫熔深均大于0.38mm，金相檢驗合格，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 試驗結果與分析

根據上述3輪工藝試驗結果，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；焊接時間延長，焊接熱輸入量增加，焊接熔深增加；當鎢極徑向距離為0.2mm～1.0mm時，隨著距離增大，焊接熔深呈增大的趨勢。基于上述焊接變量的取值范圍，為得到更可靠的焊接參數范圍，對變量的取值范圍進一步縮小，按照表7進行焊接參數組合并進行試驗驗證。

經檢驗，小能量參數的最小焊接熔深為1.5mm，如圖8所示；大能量參數的最小焊接熔深為1.88，如圖9所示。大能量和小能量組合試驗的20個焊接試樣檢驗項目全部合格，且焊接熔深遠大于技術條件要求的0.38mm。因此，大能量和小能量范圍的任一焊接參數組合均能焊出合格的控制棒焊縫。

4 結語

本文摸索出二次中子源棒焊接工藝參數變量取值范圍，并對工藝參數進行優(yōu)化組合驗證，提出了二次中子源棒堵孔焊生產制造的工藝參數組合。在焊接電流逐漸增加的過程中，電弧對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，焊接熔深增大趨勢明顯。在焊接時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，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。

參考文獻

[1]邱葭菲，湯國樂，王瑞權.鈦TIG焊焊接工藝研究[J].焊接技術，2014（11）：34-36．

[2]郭春寧.鈦焊接的氣體保護[J].鍋爐制造，2007（4）：63-64．

[3]李亞江，王娟，劉鵬.特種焊接技術及應用[M].2版.北京：化學工業(yè)出版社，2004．