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压力电阻焊下燃料棒端塞焊缝密实区长度超声检测技术研究

2025-07-20 78 上传者：管理员

摘要：压力电阻焊因其热影响区小、焊接缺陷少、对焊接保护气氛不敏感等诸多优点，在核燃料组件生产领域被广泛应用。密实区长度不足作为压力电阻焊下端塞焊缝的典型缺陷，会严重影响端塞焊缝质量，从而危害核燃料元件的安全屏障作用。综合考虑端塞焊缝外观平整的特点，摸索了超声检测在密实区长度判定中应用的可行性，结果显示超声测得的密实区长度与金相获得的长度最大相差0.4mm,验证了在燃料组件端塞焊缝密实区长度判定中应用超声检测具备一定可行性。

关键词：
压力电阻焊
安全屏障
燃料棒
端塞焊缝
超声检测
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燃料棒端塞焊缝作为核电厂第一道安全屏障的重要组成部分,其焊接质量直接影响了核电厂反应堆的安全状态｡随着压力电阻焊技术的发展成熟,已逐步取代TIG焊接方法成为主流焊接技术[1]｡综合金相以及拉伸爆破试验,压力电阻焊下端塞焊缝仍存在未熔合和密实区长度不足两大类缺陷,其中若密实区长度小于0.6mm,拉伸爆破过程中断裂会发生在焊缝结合面并沿结合线扩展,直接影响燃料棒的焊接质量｡因此为保证压力电阻焊的焊接质量,综合焊缝外观平整的特点,使得在该焊接工艺下的燃料棒上利用超声检测来判定密实区长度具备了一定的必要性和可行性｡

1、检测方案

压力电阻焊下端塞焊缝外观平整(外径9.5mm),管口区域主要由管口前端､管口挤出物､端塞挤出物､端塞推起物和端塞斜面构成,如图1所示｡本文通过超声检测方法,利用高频窄脉冲水浸聚焦探头从燃料棒外壁进行检测,声束沿棒径向方向实现对核燃料棒压力电阻焊焊缝密实区长度的测量｡

图1压力电阻焊管口形貌

根据声波的传播特性,声波在从固体传播入气体中时,由于固体介质的声特征性阻抗大于气体介质的声特性阻抗,声波在界面上几乎全反射而投射极少,因此,利用超声直探头可识别燃料棒(空心)与焊缝(实心)边界的超声回波特征信号,从而达到测量焊缝密实区长度的目的,如图2~图4所示｡

图2测量焊缝密实区长度示意图

图3燃料棒(空管)区域特征信号示意图

图4燃料棒(焊缝)区域特征信号示意图

2、试验过程

焊缝以管侧为起点,端塞平台段左侧为终点,此数据为超声检测长度L1,然后减去端塞平台段宽度和工艺稳定后管口缺口最大宽度,即可得到焊缝密实区长度,如图5所示｡

图5检测方案示意图

为了验证超声检测数据的有效性,采用金相制样测试密实区长度的方式进行对比验证(图6)｡实际检测过程中,为提高检测效率,超声试验台架设置3个探头,呈120°布置｡为更好对比金相结果,将2#超声探头作为有效测试探头,分别对焊缝周向0°和180°进行测试｡

图6超声检测流程图

选取了通过实际焊接参数的6个焊缝｡记录了管内侧波形和端塞平台左侧波形,以及检测长度和管口大体位置(根据人工反复观察波形的变化得出,仅供参考),典型密实区波形图如图7所示｡

图7焊缝编号(b2-4-26-6)超声波形图

超声检测完成后,将6个试验焊缝沿着0°~180°面制样,并测试各个相关数据,各数据示意图及代表的意义如图8､表1~表2所示｡

图8各数据示意图

表1代号意义

表2数据对比表

3、试验结果

表2中,L4的数值在2.0mm~2.3mm之间;通过对比,超声测得的密实区长度推算值比实际密实区长度小0.16mm~0.42mm,即△L1数值｡

L3为根据波形变化,人工判定的管口大体位置,通过△L2数值(-0.17mm~0.18mm)发现,能较好地判定管口的大致位置,但该种方法需要经过大量的试验数据验证,以用来确定波幅的阈值大小,在实际检测过程中并不适用于连续自动化生产｡

通过大量焊接工艺试验和上游对焊缝成型的技术要求,最终的燃料棒压力电阻焊管口成型规律趋于一致,即管口左侧长度L2数值相对稳定,超声测得的密实区长度L1=L-L2｡

4、总结

本超声试验台架和检测方案能够较好地完成对焊缝密实区的检测,超声测得的密实区长度推算值在2.0mm~2.3mm之间,通过数据对比,超声测得的密实区长度推算值比实际密实区长度小于0.4mm,考虑到探头行走精度和探头焦斑直径,超声测试数值能较好地反映焊缝密实区长度,超声试验台架能够满足燃料棒压力电阻焊试验阶段焊缝检测的需要｡

同时不可忽视的是:焊缝管口成型区域较为复杂,存在V型缺口和挤出物不规则等现象,虽然都为密实区,但超声波会有一部分能量损失,探头不能完全接收全部回波;仅通过回波幅值需要大量的经验,暂时还不适用于焊缝的连续自动化检测,因此有必要对该检测系统做更深入的研究｡

参考文献:

[1]钟刘松,黄灿,刘明权.AFA3G型燃料棒压力电阻焊工艺分析[J].设备管理与维修,2015(S2):104-106.

基金资助:国家自然科学基金项目(U21B2079);

文章来源:毕海波,张学粮,李涛,等.压力电阻焊下燃料棒端塞焊缝密实区长度超声检测技术研究[J].无损探伤,2025,49(04):43-45.