對M5合金管材焊點周圍白色腐蝕膜的初步研究

亢方亮

（海軍裝備部，陜西 西安 710000）

1 研究背景

M5合金是一種引進的燃料元件結構材料，其抗水腐蝕的特性比較好，已在國內部分反應堆燃料元件中得到應用。為進一步掌握其焊接特性，在某次試驗中采用壓力電阻焊機對M5合金管材試樣與焊舌試樣進行了點焊。然而，在經高壓釜水腐蝕（360℃，18.7MPa，72h）后，其焊接試樣的焊點周圍出現了一種近似環狀的白色腐蝕膜，如圖1所示。

為了解白色腐蝕膜是否會導致焊點的腐蝕性能受到明顯影響，有必要開展管材與焊舌接觸面間腐蝕情況檢查、白色腐蝕膜的成份分析和長周期（200d）的水腐蝕性能試驗初步研究。

圖1 72小時水腐蝕后試樣焊點周圍出現的白色腐蝕膜

2 試驗主要設備、材料及試樣制作

2.1 試驗主要設備

壓力電阻點焊機、水腐蝕高壓釜裝置、掃描電鏡能譜儀等[1]。

2.2 試驗主要材料

管材材料為再結晶M5合金，厚度約0.5mm（簡稱薄壁管）及1.2mm（簡稱厚壁管）兩種；焊舌材料為再結晶M5合金，厚度約0.4mm。

2.3 焊接試樣制作

薄壁管材試樣與焊舌試樣點焊時采用雙焊點，厚壁管材試樣與焊舌試樣點焊時采用單焊點。

3 試驗

白色腐蝕膜對焊點水腐蝕性能的影響可從白色腐蝕膜經長周期水腐蝕后，其在致密性、裂紋及孔洞等特性方面的變化來分析[2]。

從本次點焊試樣的外觀來看，水腐蝕后白色腐蝕膜的組織致密、無疏松、無裂紋，其和焊點的結合程度緊密而牢固。

為進一步研究白色腐蝕膜是否會對其中心焊點的焊接質量造成明顯影響，圍繞以下幾方面進行了試驗：①管材與焊舌接觸面間腐蝕情況檢查；②白色腐蝕膜的成份分析；③白色腐蝕膜長周期水腐蝕。

3.1 管材與焊舌接觸面間的腐蝕情況檢查

為了解管材與焊舌接觸面間是否存在類似白色腐蝕膜，選取了白色腐蝕膜程度適中的兩個焊接水腐蝕試樣（腐蝕時間72h；第一個試樣為薄壁雙焊點試樣，第二個試樣為厚壁單焊點試樣）。

對薄壁雙焊點試樣使用工具鉗將點焊的管材與焊舌片撕開，對厚壁單焊點試樣采用剪切機將其分開，然后分別檢查管材及焊舌片腐蝕情況，如圖2所示。

檢查發現，兩個試樣撕開后，管材和焊舌原接觸面的焊點周圍均有略帶白色的淺表腐蝕膜，且組織致密、無裂紋，跟在焊區外表面發現的淺表白色腐蝕膜一樣，但并不是十分明顯。采用顯微鏡觀察也是同樣的現象。這說明，此白色腐蝕膜也存在于管材與焊舌的內側接觸面，與焊點結合緊密而牢固。

圖2 撕開后管材殘留雙焊點圖

3.2 白色腐蝕膜的成份分析

對于白色腐蝕膜的出現，更普遍的看法是在采用壓力電阻焊機點焊時，空氣中氮元素附著在焊點的焊區邊緣或熱影響區，導致在腐蝕試驗后M5合金管材與焊舌點焊試樣焊點外圍出現白色腐蝕膜。但經對其元素成份的檢測，在白色腐蝕膜區多個測量點均未發現含有氮元素，這說明氮的含量可能非常低，以至于無法探測出來，但也許就是這種極微量的氮元素導致水腐蝕后白色腐蝕膜的出現。

選取表面存在白色腐蝕膜的焊接試樣1個，使用掃描電鏡能譜儀對焊點上白色腐蝕膜、黑色氧化膜及基體進行微區成分分析。結果顯示：在白色腐蝕膜、黑色氧化膜及基體的元素成份中，氧和鋯的含量區別不大，未見其它異常成份；由于在焊接或在試樣制備過程中可能受到外來的沾污，在白色腐蝕膜區的污塊上探測到極少的碳元素存在，可能來自灰塵等含有的碳化物。

3.3 白色腐蝕膜長周期腐蝕

點焊試樣在經過3d（72h）水腐蝕后，選取出白色腐蝕膜程度較深的3個試樣在高壓釜中進行長周期腐蝕試驗，試驗溫度360℃，壓力18.7MPa，時間累計200d。待完成高壓釜內水腐蝕后，將所有3個試樣與當初3天后的白色腐蝕膜外觀形貌進行對應比對，可以初步掌握這種膜經過長周期加深腐蝕后的腐蝕特性。

從圖4和圖3進行比對可以得出結果：白色腐蝕膜在200d的加深水腐蝕后，其形狀、面積大小及致密程度基本無差別，試樣上白色腐蝕膜并未出現疏松、脫落或有裂紋的現象。

也就是說，可能由于氮元素沾污所產生的白色腐蝕膜在整個加深水腐蝕過程中均無明顯變化。這種沾污導致在腐蝕后產生的白色腐蝕膜，其組織結構不同于常見的正化學比ZrO2白色腐蝕產物，其并未對中心焊點的抗腐蝕性能造成明顯影響（對于常見的正化學比ZrO2白色腐蝕產物，經過如此長周期的腐蝕，白色腐蝕產物將會變得疏松、更多孔洞、出現裂紋直至膜最終剝落）。

圖3和圖4中白色腐蝕膜的亮度和視場大小不同是由于照相本身的原因，而不是白色腐蝕膜自身的變化；圖中出現的疏松或點化物（即焊接飛濺粉化），并不是氮沾污所產生的白色腐蝕膜長周期腐蝕后所致，這些均為焊接時產生的焊接飛濺（焊接后檢查時對其進行了記錄；其形成的主要過程應是熔化金屬沾在焊點表面，導致焊點表面非常粗糙且過氧化造成）在長周期腐蝕后的形態，屬于典型現象，并不會對焊點的抗腐蝕性能造成影響。

圖3 3天水腐蝕試驗后試樣白色腐蝕膜形貌代表圖

圖4 累計200天水腐蝕試驗后試樣白色腐蝕膜形貌代表圖

4 結語

經對M5合金管材與焊舌接觸面間腐蝕情況檢查、白色腐蝕膜的成份分析及白色腐蝕膜長周期腐蝕試驗（溫度360℃、壓力18.6MPa，時間累計200d）的結果與分析，可以初步得出以下結論：M5合金管材與焊舌點焊試樣焊點周圍白色腐蝕膜的形狀、面積大小及致密程度與3d水腐蝕試驗后的狀況相比，基本無差別，且并未出現孔洞、疏松、裂紋甚至膜剝落現象。因此，M5合金管材點焊試樣焊點周圍水腐蝕產生的白色腐蝕膜不會對焊點的抗腐蝕性能產生明顯影響。