鋯合金平板電子束焊接熔合寬度檢測技術

任俊波 童靖壘 王學權 羅建東 周猛兵 楊帆

摘要：本文介紹了鋯合金平板焊縫的結構及加工工藝，介紹了工件焊接的真空電子束焊接工藝及參數。通過采用超聲脈沖反射法判斷焊縫熔合區域的脈沖反射信號以確定超聲波束所在焊縫區域的熔合情況，從而測量焊縫的熔合寬度。通過對不同頻率探頭的超聲實驗，得到最適合的探頭頻率為50MHz;將實驗試樣焊縫區域金相解剖得到的焊縫熔合寬度與超聲檢測數據對比分析表明，采用的超聲脈沖反射法可有效檢測出鋯合金平板焊縫熔合寬度，且最大誤差小于0.3mm。

關鍵詞：熔合寬度?? 脈沖反射法?? 真空電子束焊??? 超聲檢測

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

利用真空電子束焊的方式，對兩塊鋯合金平板實施焊接，通過電子束在真空中轟擊相互重疊的兩塊鋯合金平板，使上方的平板產生自熔與下方平方板形成熔池，達到連接上、下兩平板的目的。兩塊鋯合金板相互熔合的寬度是決定焊接質量的重要因素，本文介紹了利用超聲脈沖反射法進行焊縫熔合寬度檢測的原理、實驗試樣的設計加工、檢測實驗及對于檢測結果的分析，形成了鋯合金平板電子束焊接熔合寬度檢測技術。

1電子束焊接

電子束焊接的基本原理是電子槍中的陰極通過加熱發射電子，該電子在靜電場的加速作用下通過電磁場的聚焦能夠形成高能電子束，在高能電子束轟擊工件時，高能電子束的動能轉化為熱能，使被檢工件焊接處高溫熔化，兩工件焊接處形成熔池，從而實現對工件的焊接^[1]。電子束焊接的優點是不使用焊條，焊接時熱形量小^[2]，在工業生產中，真空電子束焊是應用最多的電子束焊方式^[3-4]。

2鋯合金平板電子束焊接

鋯合金具有良好的焊接性能：熱膨脹系數小、焊接變形小、彈性模量小，因此焊接殘余應力也小，同時焊接裂紋敏感性也低，液態鋯流動性也較好^[5-6]。在對兩塊鋯合金平板實施焊接時，通過電子束在真空中轟擊相互重疊的兩塊鋯合金平板，使上方的平板產生自熔與下方平方板形成熔池，達到連接上、下兩平板的目的，如圖1（a）所示。平板的厚度為5mm，在采用不同的電流在上方板進行焊接后，將上方板通過機械方式加工平整。

3焊縫熔合情況超聲檢測原理

由于鋯合金平板電子束焊縫的熔合區在兩塊鋯合金板之間，因此其內部熔合情況無法直接觀察到，為了測量圖1（b）中所示的焊縫熔合區寬度，可采用超聲脈沖反射法進行^[7]。

超聲脈沖反射法的原理是利用焊縫區域熔合良好部位與未熔合部位界面超聲波反射聲壓不同，對于未熔合部位，超聲波在鋯-空氣界面會發生反射，因此超聲探傷儀可以檢測到多次底波，超聲波能量衰減較少，而對于熔合良好部位，超聲波會穿透熔合區域，從下方鋯板的底部產生反射信息，探傷儀檢測到的反射能量降低，尤其是二次及以上反射波衰減更大^[8]。在超聲直探頭置于焊縫上方時，通過判斷超聲波反射脈沖信號的位置及幅值就可以判斷探頭正對區域的焊縫熔合情況，再通過探頭確定熔合區位置便可以間接測量兩塊鋯合金板間的焊縫熔合寬大小^?[9]。

4實驗試樣制作及電子束焊接

4.1 實驗試樣制作

實驗試樣材料為鋯合金板，利用機械方式加工2塊大小為120mm×100mm×5mm的鋯合金板形試樣，試樣表面打磨后的粗糙度≤3.2μm。

4.2 實驗試樣焊接

實驗試樣焊接采用真空電子束焊，焊接前將2塊試樣如圖1所示的方式上下重疊放置，利用工裝夾具固定2塊試樣。之后，將試樣連同工裝一起平放入真空電子束焊機進行焊接。焊接時采用了4種不同參數電流進行焊接，具體焊接參數見表1所示，目的是得到不同熔合寬度的試樣。焊后通過機械加工的方式將焊縫余高加工至與其他區域母材平行。

5實驗及數據分析

5.1 實驗研究

采用超聲脈沖反射法對焊縫區域進行掃查，探頭頻率為10MHz、20MHz、50MHz、75MHz。每條焊縫采集4個焊縫熔合寬度，共計16個熔合寬度。通過超聲不同頻率探頭實驗表明，采用10MHz探頭無法區分表面波與上方鋯板反射回波信號，因此無法進行焊縫熔合寬度測量，20MHz、50MHz、75MHz探頭均可以進行檢測，50MHz探頭在分辨率和信噪比方面優于20MHz和75MHz探頭;50MHz和75MHz探頭在多次底波反射上其回波幅度要低于20MHz探頭。考慮到焊縫熔合寬度檢測只需要對一次底波出現的位置和幅度進行判斷即可得到焊縫是否熔合的信息，因此建議采用50MHz探頭進行檢測。

5.2 金相對比數據分析

對實驗試樣進行金相解剖實驗，取得與超聲測量焊縫熔合寬度處相對應的金相結果，通過分析軟件測量金相照片中對應的熔合寬度，具體與超聲檢測結果的對比情況見表2所示。

從表2的數據可看出，在焊縫熔合寬度測量上超聲檢測與金相檢測最大誤差為0.28mm，小于0.30mm，平均誤差為0.175mm。

6結語

本文描述了鋯合金平板電子束焊接熔合寬度檢測的相關技術。首先介紹了鋯合金平板焊縫的結構以及加工工藝，描述了通過自熔方式連接工件的真空電子束焊接工藝及工藝參數。采用了超聲脈沖反射法的方式通過判斷焊縫熔合區域的脈沖反射信號來確定探頭所在焊縫區域的熔合情況，從而測量出焊縫的熔合寬度。通過對不同頻率探頭的超聲實驗，得到最適合的探頭頻率為50MHz，最后通過對實驗試件焊縫區域的金相解剖得到真實的焊縫熔合寬度，與超聲檢測數據對比表明，采用的超聲脈沖反射法可有效檢測出鋯合金平板焊縫熔合寬度，且最大誤差小于0.30mm。

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