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摘要：采用氦气钨极保护焊接（TIG）的方法对Zirlo和Zr-4合金进行环缝焊接。影响焊接质量的主要参数有起始焊接电流、平均焊接电流和弧间距。使用正交优化实验法设计实验计划，通过试验得到较好的参数组合。同时对各水平参数的最优值和因素因子的显著性进行分析。
关键词：TIG；Zirlo合金；Zr-4合金；正交优化
前言
AP1000型核电站属于第三代先进压水堆核电站，通过独特的非能动安全系统设计，极大的提高了核电站的安全性和可靠性。其中AP1000型燃料棒元件是核电站运行必不可少的关键部件。而Zirlo和Zr-4合金的环缝焊接是制作燃料棒的关键工艺。
Zirlo和Zr-4合金具有良好的焊接性能，其液态金属流动性较好、裂纹敏感性低、弹性模量小。但在高温条件下锆合金化学性质较活泼。本研究全程自动填充氦气，有效地减少了锆合金焊缝表面污染及焊缝变形等缺陷。同时通过正交优化实验法，对焊接水平参数最优值和因素因子的显著性进行了分析。
1 锆合金焊接性能分析
锆合金在低温下是密排六方结构的α-Zr，但在高温下是体心立方结构的β-Zr。有同质异晶转变。高温下的β-Zr更容易吸收新的原子【1】。因而锆合金在高温下对多种元素亲和力较强，如O、N、H等。更易反应生成氢化锆（ZrH2），氧化锆（ZrO3）等，影响焊接质量。与铝、铜等金属的焊接性能相比，锆及锆合金因导热系数较小【2】。其焊接熔池热量积聚多，高温停留时间长，冷却速度缓慢，表面容易发生氧化、焊接接头区域容易被污染【3】。
因此在焊接过程中，要严格控制杂质元素的含量，需要对处于高温状态的整个焊接区域进行全程保护，直至该区域冷却到适当的温度。
2 焊接试验
2.1 工艺步骤介绍
圆筒材料为Zirlo合金，端塞材料为Zr-4合金。通过特制的压塞机设备将端塞压入圆筒内，端塞和圆筒属过盈配合。焊接时钨极对准焊接缝进行焊接。
采用艾展PFG--P149型钨极磨削机对钨极进行磨削。钨极直径为1.6mm，顶端角度为180°平角。焊接程序开始后，焊机自动向腔室充入高纯氦气（纯度99.995%，杂质含量符合GB/T4842 现行标准的要求）。然后开启高频起弧器对工件进行起弧，起弧电压600V。起弧成功后设备降低电压，维持焊接电流。
2.2 工艺参数的正交优化设计
影响焊接质量的主要参数有：起始焊接电流、平均焊接电流、弧间距。以上三个参数为三个因素因子。
环缝焊接的主要检验项目是焊透性、焊缝表面质量和腐蚀性。焊透性主要由电流和弧间距控制，是正交试验的目标值。腐蚀性和焊缝表面质量与环境清洁度、钨极质量有关，不是由关键参数控制，所以在正交实验里不做分析。实验采用L9正交表格，进行实验9组参数。具体数据表1：
3 锆合金焊接试验结果分析
3.1金相检测结果
试验结束后将焊缝纵向切开，在电子显微镜（100X）下检查焊透率。结果显示除A1B3C3号和A2B3C1号试样低于工艺要求外（工艺要求焊透率不低于85%），其它参数组合都满足工艺要求。
3.2正交优化实验分析
分析起始电流、平均电流和弧间距这三种参数对焊透性的影响。同一水平条件下，起始电流为28.8A，平均电流29.8A，极间距0.02in的焊透率最佳。起始电流极差为0.154，平均电流极差为0.258，极间距极差为0.068。可知平均电流对焊透性影响最大，起始电流次之，极间距影响较少。
3.2 环焊腐蚀结果
使用表2中的焊接参数进行焊接，然后进行腐蚀试验。腐蚀条件为：温度360℃±2.8℃，压力18.6MPa±0.7MPa，腐蚀时间30Hours。结果显示焊缝外观光滑平整，无氧化变色。符合焊接工艺对耐蚀性的要求。
4 结论
本研究中最优参数组为：起始电流为28.8A，平均电流29.8A，极间距0.02in。平均电流对焊透性影响最大，起始電流次之，极间距影响较少。样品腐蚀性能良好，说明焊接过程中没有外来杂质混入。
参考文献：
[1]王正品. 焊接对Zr_Nb包壳管显微硬度和组织的影响. 《西安工业大学学报》2012.第10期；
[2]胡旭坤. 锆及锆合金板材自动焊接技术.《热处理技术》2013. 42卷第17项；
[3]杨志斌. 铝合金机身壁板结构双侧激光焊接特征及熔池行为研究. 《哈尔滨工业大学学报》.2013.6
关键词：TIG；Zirlo合金；Zr-4合金；正交优化
前言
AP1000型核电站属于第三代先进压水堆核电站，通过独特的非能动安全系统设计，极大的提高了核电站的安全性和可靠性。其中AP1000型燃料棒元件是核电站运行必不可少的关键部件。而Zirlo和Zr-4合金的环缝焊接是制作燃料棒的关键工艺。
Zirlo和Zr-4合金具有良好的焊接性能，其液态金属流动性较好、裂纹敏感性低、弹性模量小。但在高温条件下锆合金化学性质较活泼。本研究全程自动填充氦气，有效地减少了锆合金焊缝表面污染及焊缝变形等缺陷。同时通过正交优化实验法，对焊接水平参数最优值和因素因子的显著性进行了分析。
1 锆合金焊接性能分析
锆合金在低温下是密排六方结构的α-Zr，但在高温下是体心立方结构的β-Zr。有同质异晶转变。高温下的β-Zr更容易吸收新的原子【1】。因而锆合金在高温下对多种元素亲和力较强，如O、N、H等。更易反应生成氢化锆（ZrH2），氧化锆（ZrO3）等，影响焊接质量。与铝、铜等金属的焊接性能相比，锆及锆合金因导热系数较小【2】。其焊接熔池热量积聚多，高温停留时间长，冷却速度缓慢，表面容易发生氧化、焊接接头区域容易被污染【3】。
因此在焊接过程中，要严格控制杂质元素的含量，需要对处于高温状态的整个焊接区域进行全程保护，直至该区域冷却到适当的温度。
2 焊接试验
2.1 工艺步骤介绍
圆筒材料为Zirlo合金，端塞材料为Zr-4合金。通过特制的压塞机设备将端塞压入圆筒内，端塞和圆筒属过盈配合。焊接时钨极对准焊接缝进行焊接。
采用艾展PFG--P149型钨极磨削机对钨极进行磨削。钨极直径为1.6mm，顶端角度为180°平角。焊接程序开始后，焊机自动向腔室充入高纯氦气（纯度99.995%，杂质含量符合GB/T4842 现行标准的要求）。然后开启高频起弧器对工件进行起弧，起弧电压600V。起弧成功后设备降低电压，维持焊接电流。
2.2 工艺参数的正交优化设计
影响焊接质量的主要参数有：起始焊接电流、平均焊接电流、弧间距。以上三个参数为三个因素因子。
环缝焊接的主要检验项目是焊透性、焊缝表面质量和腐蚀性。焊透性主要由电流和弧间距控制，是正交试验的目标值。腐蚀性和焊缝表面质量与环境清洁度、钨极质量有关，不是由关键参数控制，所以在正交实验里不做分析。实验采用L9正交表格，进行实验9组参数。具体数据表1：
3 锆合金焊接试验结果分析
3.1金相检测结果
试验结束后将焊缝纵向切开，在电子显微镜（100X）下检查焊透率。结果显示除A1B3C3号和A2B3C1号试样低于工艺要求外（工艺要求焊透率不低于85%），其它参数组合都满足工艺要求。
3.2正交优化实验分析
分析起始电流、平均电流和弧间距这三种参数对焊透性的影响。同一水平条件下，起始电流为28.8A，平均电流29.8A，极间距0.02in的焊透率最佳。起始电流极差为0.154，平均电流极差为0.258，极间距极差为0.068。可知平均电流对焊透性影响最大，起始电流次之，极间距影响较少。
3.2 环焊腐蚀结果
使用表2中的焊接参数进行焊接，然后进行腐蚀试验。腐蚀条件为：温度360℃±2.8℃，压力18.6MPa±0.7MPa，腐蚀时间30Hours。结果显示焊缝外观光滑平整，无氧化变色。符合焊接工艺对耐蚀性的要求。
4 结论
本研究中最优参数组为：起始电流为28.8A，平均电流29.8A，极间距0.02in。平均电流对焊透性影响最大，起始電流次之，极间距影响较少。样品腐蚀性能良好，说明焊接过程中没有外来杂质混入。
参考文献：
[1]王正品. 焊接对Zr_Nb包壳管显微硬度和组织的影响. 《西安工业大学学报》2012.第10期；
[2]胡旭坤. 锆及锆合金板材自动焊接技术.《热处理技术》2013. 42卷第17项；
[3]杨志斌. 铝合金机身壁板结构双侧激光焊接特征及熔池行为研究. 《哈尔滨工业大学学报》.2013.6