鋯合金交叉結構脈沖激光點焊特性及焊點氧化膜生長機制.pdf

1、鋯合金格架是核反應堆芯中的重要組件，其制備技術及服役過程中耐腐蝕性是實現(xiàn)高燃耗的關鍵因素。鋯合金化學性質活潑，焊接過程中對氣氛中水氧非常敏感，因此格架焊接需在充氬艙中進行，但是多焊點連續(xù)焊接過程中艙室內熱量和煙塵排出是保證焊點質量的首要問題。此外，為避免磨損燃料棒及降低冷卻介質的壓降差，需嚴格控制格架中交叉焊點的尺寸。更為關鍵的是，激光焊接后焊點的組織與鋯合金母材相比差異較大，焊點的耐腐蝕性成為制約格架服役性能的關鍵因素。
　　本

2、文針對鋯合金格架結構，開展鋯合金交叉焊點多脈沖激光點焊工藝及焊點氧化膜生長機制研究，基于數(shù)值模擬技術優(yōu)化充氬艙內保護氬氣的流動行為，保證焊接氣氛達標；提出多脈沖激光點焊的方法嚴格控制焊點尺寸，確定控制交叉焊點尺寸的關鍵激光工藝參數(shù)及優(yōu)化的工藝區(qū)間；分析激光作用下快速凝固條件對鋯合金材料微觀組織的影響；開展鋯合金焊點高溫高壓蒸汽環(huán)境下腐蝕后氧化膜特性研究，分析焊點耐腐性較母材降低的原因，揭示激光焊點表面氧化膜的生長機制，并提出可改善其耐腐

3、蝕性的措施。
　　提出采用科恩達空氣刀調節(jié)艙室內氣流行為，設計固定和可旋轉兩把空氣刀結構提升艙室換氣量，使一部分射流氣附著于工件表面上流動，實現(xiàn)焊接過程中工件表面的可靠保護和快速冷卻。設計主排氣口與輔助排氣口相配合的結構在焊前快速降低艙室中的水氧含量，加速焊接過程中艙室的換氣與散熱。當可旋轉Coanda空氣刀角度為30-45°，進氣流量為60-120 L/min時，獲得了最優(yōu)的氣體流動形態(tài)。
　　為實現(xiàn)格架焊點尺寸的精確控制

4、，提出了多脈沖激光點焊的方法，確定了控制交叉焊點尺寸的關鍵激光工藝參數(shù)及優(yōu)化的工藝區(qū)間。為獲得熔寬及余高滿足要求的焊點，需采用適當較大的脈沖峰值功率和脈沖個數(shù)，以及較小的脈沖寬度。得到了優(yōu)化的工藝參數(shù)：脈沖激光的單脈沖能量約為22-27 J，脈沖寬度約為6-9 ms，脈沖個數(shù)為4-7個。激光作用于鋯合金后，焊點晶粒尺寸增大，原母材中第二相粒子β-Nb和Zr(Nb,Fe)2消失。焊點經(jīng)過退火處理后，晶粒取向一致性增加，在柱狀晶內和晶間析出

5、第二相粒子β-Nb和Zr(Nb,Fe)2，原焊點組織中殘留的β-Zr相發(fā)生分解，轉變?yōu)棣?Zr相和β-Nb相。
　　進一步，揭示了鋯合金激光焊點氧化膜生長機制，發(fā)現(xiàn)氧化膜組織相轉變和第二相粒子是影響氧化膜生長的主要原因。焊點表面氧化膜/基體金屬界面起伏度較小，界面處的應力降低，促進了界面及氧化膜內四方ZrO2相向單斜相ZrO2相轉變，加速了腐蝕介質中氧向基體金屬的擴散速率，使氧化膜的生長速率加快；另外激光作用后，原母材中耐腐蝕性能