鎳基合金格架彈簧壓力電阻焊接工藝研究

李濤，盛國福，郭蕊妍

（中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 陽江529500）

1 引言

格架是核燃料組件的核心部件，具有夾持核燃料棒和維持核燃料棒間正常間距的作用，而對核燃料棒起夾持作用的是格架彈簧。在格架柵元中，燃料棒一邊由彈簧施力，另一邊頂住條帶2個剛凸，使燃料棒保持在中心位置。格架彈簧由鎳基合金帶材沖制而成，跨夾在條帶上夾緊定位，上下2個貼合面通過壓力電阻焊點焊固定。核燃料組件工作在高溫、高壓、高輻射的循環(huán)水中，隨著輻照時間的增加及強(qiáng)腐蝕作用，格架彈簧焊點極易失效，最終可能引起燃料組件的損壞。因此，格架彈簧的點焊質(zhì)量將直接影響核燃料組件在反應(yīng)堆中的運行質(zhì)量。

2 格架彈簧的焊接要求及焊接難點

2.1 格架彈簧焊接要求

格架彈簧分2種，一種是單彈簧，另一種是雙彈簧，如圖1所示[1]，每只格架共有雙彈簧244個，單彈簧40個，分布在28片內(nèi)條帶上，另外4片內(nèi)條帶無彈簧。每個彈簧上下端各點焊1點，共有焊點568個。對彈簧點焊的要求是：撕裂試驗后必須存在可見的穿孔；焊點直徑的平均值≥0.70mm；焊點內(nèi)部缺陷不超過設(shè)計規(guī)定。

圖1格架彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 焊接難點

格架彈簧采用硬度高的鎳基合金帶材（國內(nèi)牌號GH4169）沖壓成型后經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚怼Ｓ捎阪嚮辖鸬暮附恿鲃有圆睿由蠌椈墒窃谡婵諘r效處理之后才進(jìn)行點焊，時效處理后抗拉強(qiáng)度σb≥1240MPa，硬度Hv≥380，因此，焊接時容易產(chǎn)生裂紋、氣孔、未熔合等缺陷。

3 焊接設(shè)備

核級鎳基合金帶材經(jīng)過時效熱處理后，強(qiáng)度和硬度急劇增大，宜選用功率較大的儲能點焊機(jī)來焊接彈簧片。本次試驗，采用半自動的格架彈簧點焊機(jī)進(jìn)行彈簧焊接，焊接電源采用德國進(jìn)口高頻逆變式電阻點焊電源，逆變頻率達(dá)到20kHz，控制周期為25μs，特別適用于精密點焊，焊接時人工將彈簧片放置到夾具上并夾緊，啟動焊機(jī)自動完成焊接循環(huán)。

4 焊接工藝試驗

4.1 確定常量參數(shù)和變量參數(shù)

參考壓力電阻焊接的行業(yè)經(jīng)驗，電極壓力和焊接電流對焊點的直徑及焊接質(zhì)量影響最大。本次試驗，設(shè)定電極壓力和焊接電流為變量參數(shù)，預(yù)壓時間、預(yù)熱時間、預(yù)熱電流、焊接試驗等參數(shù)為常量參數(shù)，如表1所示。

表1焊接常量參數(shù)和變量參數(shù)

4.2 焊接參數(shù)初選試驗

第1輪試驗，取初定的焊接電流中間值830A為定值，電極壓力分別設(shè)定為380N、450N、520N，進(jìn)行組合試驗。每個參數(shù)組合焊接3個彈簧片，焊接后剪取6個樣品，全部樣品進(jìn)行外觀檢測后，取2個樣品進(jìn)行金相檢測（橫向），剩余4個樣品進(jìn)行撕裂試驗。經(jīng)檢測，所有樣品外觀和撕裂試驗均合格，有4個樣品的焊點直徑小于0.7mm，電極壓力為380N的樣品壓痕過淺。經(jīng)過分析，判定為焊接電流偏小，380N的電極壓力太小。

第2輪試驗，取初定的電極壓力中間值為450N，增大焊接電流至850A、900A、950A、1 000A、1050A，進(jìn)行組合試驗。每個參數(shù)焊接3個彈簧片，焊接后剪取6個樣品，全部樣品進(jìn)行外觀檢測后，取2個樣品進(jìn)行金相檢測（橫向），剩余4個樣品進(jìn)行撕裂試驗。經(jīng)檢測，所有樣品外觀和撕裂試驗均合格，金相檢測結(jié)果顯示，當(dāng)電流為850A時焊點直徑接近于合格限值0.7mm，電流為1050A時焊點壓痕過深。因此，通過本輪試驗確定焊接電流范圍為850～1 000A。

第3輪試驗，將焊接電流設(shè)定第2輪試驗確定的中間值950A，電極壓力調(diào)整為400N、430N、460N、490N、520N，進(jìn)行組合試驗。焊接后剪取6個樣品，全部樣品進(jìn)行外觀檢測后，取2個樣品進(jìn)行金相檢測（橫向），剩余4個樣品進(jìn)行撕裂試驗。經(jīng)檢測所有樣品外觀、撕裂試驗和金相檢測均合格。因此，確定電極壓力范圍為400～520N。

4.3 焊接參數(shù)確定試驗

縮小初選試驗確定的電極壓力參數(shù)范圍為430～490N，縮小初選試驗確定的焊接電流參數(shù)范圍為900～1 000A。以最大參數(shù)組合（焊接電流：1 000A，電極壓力：430N）和最小能量參數(shù)組合（焊接電流：900A，電極壓力：490N），進(jìn)行驗證試驗。最大能量參數(shù)組合和最小能量參數(shù)組合各剪取9個樣品，全部樣品進(jìn)行外觀檢測后，取3個樣品進(jìn)行金相檢測（橫向），剩余6個樣品進(jìn)行撕裂試驗。經(jīng)過檢測，所有樣品的外觀、撕裂試驗和金相檢測均合格。其中，焊點金相檢測照片如圖2所示，驗證試驗焊點直徑統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。

圖2焊點樣品金相照片

圖3驗證試驗焊點直徑測量結(jié)果

5 結(jié)論

焊接電流對格架彈簧點焊的焊點直徑影響較大，電極壓力對焊點直徑影響較小，但對焊點深度有一定影響。通過試驗得出最佳的焊接參數(shù)為：電極壓力范圍430～490N，焊接電流范圍900～1 000A。