镍基合金格架弹簧压力电阻焊接工艺研究

李涛，盛国福，郭蕊妍

（中广核铀业发展有限公司，广东 阳江529500）

1 引言

格架是核燃料组件的核心部件，具有夹持核燃料棒和维持核燃料棒间正常间距的作用，而对核燃料棒起夹持作用的是格架弹簧。在格架栅元中，燃料棒一边由弹簧施力，另一边顶住条带2个刚凸，使燃料棒保持在中心位置。格架弹簧由镍基合金带材冲制而成，跨夹在条带上夹紧定位，上下2个贴合面通过压力电阻焊点焊固定。核燃料组件工作在高温、高压、高辐射的循环水中，随着辐照时间的增加及强腐蚀作用，格架弹簧焊点极易失效，最终可能引起燃料组件的损坏。因此，格架弹簧的点焊质量将直接影响核燃料组件在反应堆中的运行质量。

2 格架弹簧的焊接要求及焊接难点

2.1 格架弹簧焊接要求

格架弹簧分2种，一种是单弹簧，另一种是双弹簧，如图1所示[1]，每只格架共有双弹簧244个，单弹簧40个，分布在28片内条带上，另外4片内条带无弹簧。每个弹簧上下端各点焊1点，共有焊点568个。对弹簧点焊的要求是：撕裂试验后必须存在可见的穿孔；焊点直径的平均值≥0.70mm；焊点内部缺陷不超过设计规定。

图1格架弹簧结构示意图

2.2 焊接难点

格架弹簧采用硬度高的镍基合金带材（国内牌号GH4169）冲压成型后经过适当的热处理。由于镍基合金的焊接流动性差，加上弹簧是在真空时效处理之后才进行点焊，时效处理后抗拉强度σb≥1240MPa，硬度Hv≥380，因此，焊接时容易产生裂纹、气孔、未熔合等缺陷。

3 焊接设备

核级镍基合金带材经过时效热处理后，强度和硬度急剧增大，宜选用功率较大的储能点焊机来焊接弹簧片。本次试验，采用半自动的格架弹簧点焊机进行弹簧焊接，焊接电源采用德国进口高频逆变式电阻点焊电源，逆变频率达到20kHz，控制周期为25μs，特别适用于精密点焊，焊接时人工将弹簧片放置到夹具上并夹紧，启动焊机自动完成焊接循环。

4 焊接工艺试验

4.1 确定常量参数和变量参数

参考压力电阻焊接的行业经验，电极压力和焊接电流对焊点的直径及焊接质量影响最大。本次试验，设定电极压力和焊接电流为变量参数，预压时间、预热时间、预热电流、焊接试验等参数为常量参数，如表1所示。

表1焊接常量参数和变量参数

4.2 焊接参数初选试验

第1轮试验，取初定的焊接电流中间值830A为定值，电极压力分别设定为380N、450N、520N，进行组合试验。每个参数组合焊接3个弹簧片，焊接后剪取6个样品，全部样品进行外观检测后，取2个样品进行金相检测（横向），剩余4个样品进行撕裂试验。经检测，所有样品外观和撕裂试验均合格，有4个样品的焊点直径小于0.7mm，电极压力为380N的样品压痕过浅。经过分析，判定为焊接电流偏小，380N的电极压力太小。

第2轮试验，取初定的电极压力中间值为450N，增大焊接电流至850A、900A、950A、1 000A、1050A，进行组合试验。每个参数焊接3个弹簧片，焊接后剪取6个样品，全部样品进行外观检测后，取2个样品进行金相检测（横向），剩余4个样品进行撕裂试验。经检测，所有样品外观和撕裂试验均合格，金相检测结果显示，当电流为850A时焊点直径接近于合格限值0.7mm，电流为1050A时焊点压痕过深。因此，通过本轮试验确定焊接电流范围为850～1 000A。

第3轮试验，将焊接电流设定第2轮试验确定的中间值950A，电极压力调整为400N、430N、460N、490N、520N，进行组合试验。焊接后剪取6个样品，全部样品进行外观检测后，取2个样品进行金相检测（横向），剩余4个样品进行撕裂试验。经检测所有样品外观、撕裂试验和金相检测均合格。因此，确定电极压力范围为400～520N。

4.3 焊接参数确定试验

缩小初选试验确定的电极压力参数范围为430～490N，缩小初选试验确定的焊接电流参数范围为900～1 000A。以最大参数组合（焊接电流：1 000A，电极压力：430N）和最小能量参数组合（焊接电流：900A，电极压力：490N），进行验证试验。最大能量参数组合和最小能量参数组合各剪取9个样品，全部样品进行外观检测后，取3个样品进行金相检测（横向），剩余6个样品进行撕裂试验。经过检测，所有样品的外观、撕裂试验和金相检测均合格。其中，焊点金相检测照片如图2所示，验证试验焊点直径统计结果如图3所示。

图2焊点样品金相照片

图3验证试验焊点直径测量结果

5 结论

焊接电流对格架弹簧点焊的焊点直径影响较大，电极压力对焊点直径影响较小，但对焊点深度有一定影响。通过试验得出最佳的焊接参数为：电极压力范围430～490N，焊接电流范围900～1 000A。