CN113843492B

CN113843492B - 一种燃料元件棒塞体焊接方法

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Publication number: CN113843492B
Application number: CN202111335289.9A
Authority: CN
Inventors: 孙继飞; 吴先哲; 刘春雷; 王征; 黄河清; 朱有坤; 古毓建; 秦川; 王钦伟; 王远刚
Original assignee: CHONGQING INSTITUTE FOR OPTICAL MACHINERY
Current assignee: CHONGQING INSTITUTE FOR OPTICAL MACHINERY
Priority date: 2021-11-11
Filing date: 2021-11-11
Publication date: 2023-05-09
Anticipated expiration: 2041-11-11
Also published as: CN113843492A

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，公开了一种燃料元件棒塞体焊接方法，具体包括以下步骤：步骤S1，预处理，在焊接线圈与包壳材料之间设置绝缘层，并对塞体表面进行清理；步骤S2，装配，准备燃料棒，并在燃料棒的包壳材料两端分别装配塞体；步骤S3，焊接，启动电磁脉冲焊接系统，分别对包壳材料两端的塞体进行焊接；步骤S4，加热，采用高频脉冲电流对焊接区域进行加热。本发明的方法焊接速度快、效率高；可控性和焊接性能好，热影响区域极窄，残余应力低，精度高；还易于实现机械化和自动化，环境友好。

Description

一种燃料元件棒塞体焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种燃料元件棒塞体焊接方法。

背景技术

核反应堆燃料包壳材料被喻为核电站的“第一道安全屏障”，其功能为包裹燃料芯块、阻止裂变产物外泄以及传递热量等。目前采用的包壳材料主要是锆合金，锆的有效中子吸收截面系数小，因而具有优异的抗中子辐照能力；且其能满足400℃以下的耐蚀性、抗氧化性及力学性能等要求，所以锆合金被广泛用于核反应堆的包壳材料。锆也并非完美的包壳材料，如在福岛事故中，包壳材料温度升高到1200℃以上，使锆与水发生反应生成氢气，导致氢爆，进一步危害核反应堆的安全性能。由于锆合金在事故条件下存在一系列不足，因此本领域工作者也还在不断研究，致力于发展具有耐事故容错能力的新型包壳材料来替代锆合金。

无论包壳材料的开发如何进行，燃料棒体最为脆弱的部分仍然是端塞与包壳连接的焊缝区域，除了包壳材料本身的性能外，焊接方法对焊缝质量的影响不容小觑。传统的燃料棒焊接方法主要有电子束焊接（EBW）、钨极保护气体电弧焊（TIG）和压力电阻焊接，其中，EBW和TIG均属于熔化焊接，在焊接过程中，焊缝的形成经历了加热、熔化和冶金反应，熔池温度随着热源的离开冷却凝固，并发生固态相变，成为焊缝金属。在上述过程中，焊缝组织存在化学冶金和物理冶金过程，因此，焊缝区的微观组织和成分相对于母材有区别，焊缝两侧在焊接热源的影响下发生组织转变，形成热影响区。采用压力电阻焊接可以避免出现热影响区，但会形成一条很细由氧化物组成的分界线，这种氧化物在中子照射下会影响到焊缝的质量和性能。

可见，虽然传统的焊接技术通过精确控制可以实现焊接，但焊缝组织的成分发生变化，力学性能和耐腐蚀性能下降。因此本领域亟需研究并开发新式焊接技术，以解决现有技术的缺陷和限制。

发明内容

本发明的目的是提出一种燃料元件棒塞体焊接方法，其焊接速度快、效率高；可控性和焊接性能好，热影响区域极窄，残余应力低，精度高；还易于实现机械化和自动化，环境友好。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

一种燃料元件棒塞体焊接方法，具体包括以下步骤：

步骤S1，预处理，在焊接线圈与包壳材料之间设置绝缘层，并对塞体表面进行清理；

步骤S2，装配，准备燃料棒，并在燃料棒的包壳材料两端分别装配塞体；

步骤S3，焊接，启动电磁脉冲焊接系统，分别对包壳材料两端的塞体进行焊接；

步骤S4，加热，采用高频脉冲电流对焊接区域进行加热；

进一步地，还包括步骤S5，步骤S5具体步骤为：检测，对焊接样件的形变量和表面清洁度进行检查，并对其力学性能和耐压性进行测试。

进一步地，在步骤S2中，包壳材料与塞体采用同轴间隙配合，且装配间隙为1～3mm，塞体与包壳材料内壁角度为0～3°。

进一步地，在步骤S1-S4中，塞体包括内塞和塞头，其中，内塞包括推体区和焊接区；推体区与包壳材料采用同轴间隙配合，焊接区与塞头固定连接且与推体区平滑过渡，焊接区直径为推体区直径的0.5～0.8倍。

进一步地，在步骤S2中，还包括绕焊接区表面的坑道，且坑道宽度为1～3mm，深度为3～5mm。

进一步地，所述坑道数量为一条以上。进一步地，塞体包括内塞和塞头，内塞与包壳材料间隙配合，且内塞表面设置有焊道。

进一步地，所述焊道数量为一条以上。

进一步地，在步骤S3中，所述电磁脉冲焊接系统包括蓄电模块、充电变压模块和电容组，且蓄电模块、充电变压模块和电容组构成的闭合回路；

还包括焊接线圈，焊接线圈与电容组并联，且焊接线圈与蓄电模块和充电变压模块构成的闭合回路；

还包括电流频率调节模块和多通道高压开关组，电流频率调节模块和多通道高压开关组设置于焊接线圈所在支路；且电容组中每个电容对应电流频率调节模块的一个通道。

实现本发明技术方案所采用的原理是：

本发明对燃料棒采用电磁脉冲焊接方法进行焊接，通过高能蓄电模块将电能储存在电容组中，经过电流频率调制系统将各个电容单元的电流频率进行调制，将调制好的高频电流经多通道高压开关协同释放，电流（40KHz左右）经过汇流排进入焊接线圈中产生电磁力。包壳金属材料在电磁力的作用下发生形变，以大于400m/s的垂直速度和大于2000m/s的剪切速度发生弯曲最终与塞体发生碰撞。并在碰撞过程中通过高频电流（100MHz左右）持续感应加热结合面，促进原子间扩散最终形成合格的焊缝。

在实际焊接过程中，焊接线圈形成的磁场驱动金属包壳材料飞速撞击燃料棒，并以某一角度发生弯折，金属包壳材料表面的氧化物以飞溅形式排出，形成裸露的原子层，再通过冲击力促使金属包壳材料表面发生原子间的结合，从而形成良好的焊缝组织。

本发明的有益效果在于：相对于熔化焊接技术，本发明的焊接方式能有效减少热输入量，从而减少热影响区的形成，同时可以有效控制异种金属间化合物的厚度，是解决异种金属、脆性金属间化合物的有效焊接方式；与传统的电阻焊接相比，本发明的焊接方式没有形成明显的热影响区，这是由于热输入量低原子通过扩散形成焊缝组织。此外，本发明可在铝-钢、铝-镁和铝-钛等焊接时形成良好的焊缝组织，且在焊接过程中不需要进行气体保护，从而避免氢蚀、气孔和气泡的出现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明坑道式塞体与包壳材料配合的一种结构示意图。

图2是本发明焊道式塞体与包壳材料配合的一种结构示意图。

图3是本发明电磁脉冲焊接系统的一种简单结构示意图。

图4为焊缝区域的扫描电镜（SEM）图。

图5为金相腐蚀后基体组织观察图。

图6为基体元素Fe的分布情况图。

图7为基体元素Al的分布情况图。

图8为采用聚焦离子束技术（FIB）剪薄技术通过对焊缝组织区域进行切样的观察图。

图中：1.包壳材料；2.塞体；201.内塞；202.塞头；211.推体区；212.焊接区；3.坑道；4.焊道；5.蓄电模块；6.充电变压模块；7.电容组；8.焊接线圈；9.电流频率调节模块；10.多通道高压开关组；11.坑道倾斜角α。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种燃料元件棒塞体焊接方法，具体包括以下步骤：

步骤S1，预处理，在焊接线圈8与包壳材料1之间设置绝缘层，并对塞体2表面进行清理。

在进行焊接前需要进行准备工作，需要在包壳材料1和焊接线圈8之间设置绝缘层，具体地，绝缘层依附在线圈内表面，其中，绝缘层可采用由橡胶、聚氯乙烯或聚酰亚胺等合成的绝缘复合材料。

为保证塞体2与包壳材料1表面无污垢和无锈迹，还需要对塞体2外表面和包壳材料1内表面进行清理，具体可采用试剂清洗，如氯化锌或氢氟酸试剂；还可以用砂纸清理金属表面的氧化层。

步骤S2，装配，准备燃料棒，并在燃料棒的包壳材料1两端分别装配塞体2。将燃料棒按照装配图纸进行装配，并将燃料棒端部放置在焊接线线圈内，确保焊接线圈8区域覆盖所需焊接区域。在包壳材料1两端分别装配塞体2可提高燃料棒的密封效果，防止燃料泄露，提高燃料棒的性能和安全性。

步骤S3，焊接，启动电磁脉冲焊接系统，分别对包壳材料1两端的塞体2进行焊接。

在本发明采用电磁脉冲焊接系统进行焊接能有效减少热影响区的形成，是解决异种金属、脆性相的有效焊接方式。与传统的电阻焊接相比，本发明的焊接方式没有形成明显的氧化层界限，这是由于剪切作用会将表面的氧化层剪切出去。在铝-钢、铝-镁和铝-钛等焊接时形成良好的焊缝组织。在焊接过程中不需要进行气体保护、从而避免氢蚀、气孔和气泡的出现。

在实际焊接过程中，需要调整放电电压和频率，电压根据包壳直径、厚度、材料、间隙和磁导率等参数进行设定，瞬态形变磁场电压值在13～25KV范围，频率在40～70KHz；感应加热磁场电压值在1～2KV范围，频率在70～80MHz。瞬态电流作用时间为形变时间，为20-30μs，感应加热作用时间为形变及形变后时间，为120～280μs。本发明的电磁脉冲焊接系统可根据不同材料的热扩散性质，对感应加热时间、电压和频率进行调整。

步骤S4，加热，采用高频脉冲电流对焊接区域进行加热。

步骤S4采用高频脉冲电流对焊接区域进行加热，电源系统提供的高频大电流流向被绕制成环状或其它形状的加热线圈。实际工作过程中，通常是用紫铜或铍铜作为加热线圈，在线圈内产生极性瞬间变化的强磁场，将焊件放置在线圈内，磁场就会感应整个焊件区域，在焊件的内部与加热电流相反的方向，便会产生相对应的涡电流。由于焊缝区域内存在着电阻，所以会产生很多的焦耳热，使焊缝自身的温度迅速上升，达到对所有金属材料加热的目的。

上述过程类似于扩散焊接，扩散焊接主要焊接参数有：温度、压力、保温扩散时间和保护气氛，冷却过程中有相变的材料以及陶瓷等脆性材料的扩散焊。温度是扩散焊最重要的焊接参数，在一定温度范围内，扩散过程随温度的提高而加快，接头强度也能相应增加。但在扩散焊中温度的提高受工夹具高温强度、焊件的相变和再结晶等条件所限，而且温度高于一定值后，对接头质量的影响就很小，故多数金属材料固相扩散焊的加热温度都定为0.6～0.8Tm(K)，其中Tm为母材熔点。本发明电磁脉冲焊接系统产生的脉冲电磁场主要提供冲击力，通过冲击力施加压力可满足扩散焊接的第二要求。

焊接完成后还需要对焊接样件进行检查，采用激光测量材料的形变量和表面整洁度；将焊接样件送至扭转机和拉力机上进行测试，以材料弹性变形范围内确保包壳与塞体2焊缝不发生开裂为合格；对部分有开孔的棒体进行惰性气体气密性和耐压性测试。

进一步地，在步骤S2中，包壳材料1与塞体2采用同轴间隙配合，且装配间隙为1～3mm，塞体2与包壳材料1内壁角度为0～3°。实际加工过程中，装配间隙为1～3mm，塞体2与包壳材料1内壁角度为0～3°并保证塞体2与包壳材料1同轴度±0.2mm。

将塞体2和包壳材料1通过工装安装在焊接线圈中，并保持两者具有一定间隙，该间隙用于变形工件产生一定碰撞速度。根据冲量定理F=mv，瞬态速度由瞬态作用力（即电磁力）提供，由于间隙中有空气以及杂质等阻碍物，该速度会迅速降低。为此，该间隙不宜过大。当焊接发生时，材料发生高速形变导致材料发生弯折，该过程会使包壳材料1与塞体2形成一定的角度，称为碰撞角。根据不同的材料以及工艺要求，调整碰撞角可以增大焊接面积。综上所述，电磁脉冲焊接基本的装配工艺参数为碰撞间隙和碰撞角度。基于上述分析，本发明将装配间隙为1～3mm，塞体2与包壳材料1内壁角度为0～3°一方面可保证塞体2与包壳材料1同轴度；另一方面还可以保证焊接质量。

电磁脉冲焊接设备还可以通过电压的调节来控制焊接材料的厚度和直径。通常大直径厚壁需要高电压，反之电压的需求量较低。

在本发明的一个实施例中，步骤S1-S4中的塞体2为坑道式，坑道式塞体2结构具体如下：

如图1所示，坑道式塞体2结构包括内塞201和塞头202，其中，内塞201包括推体区211和焊接区212；推体区211与包壳材料1采用同轴间隙配合，焊接区212与塞头202固定连接且与推体区211平滑过渡，焊接区212直径为推体区211直径的0.5～0.8倍；还包括绕焊接区212表面的坑道3，且坑道3宽度为1～3mm，深度为3～5mm；所述坑道3数量为一条以上。

在实际焊接过程中，高压的电磁力会产生一种剪切作用力会产生喷射效果，焊缝表面会存在氧化物或碎屑残留。因此本发明在内塞201焊接区212的表面设置对应的坑道3用来收集氧化物及残留的碎屑，以减少焊缝表面的残留，提高焊缝组织稳定性。由于焊接过程受到电流及电压以及材料加工的精度的影响，因此本发明对坑道3进行的宽度和深度进行了大量研究，最终发现坑道3在宽度为1～3mm，深度为3～5mm的范围内加工效果更好，成品率更高。此外，本发明的坑道倾斜角α11可设置在93°～96°范围内，设置上述角度可保证坑道3坑道3内表面呈一定角度，可使得坑道3表面开口面积更大，能够在更大范围内承接快脱落的氧化物和碎屑，坑道3内表面的斜坡还可以为脱落的氧化物和碎屑进入坑道3底部导向。

此外，本发明坑道3数量为一条以上的目的是脱落的氧化物和碎屑能进入坑道3内，减少焊缝表面的残留，进一步提高焊缝组织稳定性，具体坑道3的数量本发明不做限定，具体可根据实际情况进行调整。

在本发明的另一个实施例中，步骤S1-S4中的塞体2为焊道式，焊道式塞体2结构具体如下：

如图2所示，坑道式塞体2结构包括内塞201和塞头202，内塞201与包壳材料1间隙配合，且内塞201表面设置有焊道4；所述焊道4数量为一条以上，本发明优选两道。设置多道焊道4可提高焊缝强度和焊接宽度，进一步提高焊接质量和装置的安全系数。

为保证安全性，本发明在焊接过程中需要采用机械臂对燃料棒棒体进行夹持，夹持及填料过程中避免人体接触。

进一步地，如图3所示，在步骤S3中，所述电磁脉冲焊接系统包括蓄电模块5、充电变压模块6和电容组7，且蓄电模块5、充电变压模块6和电容组7构成的闭合回路；

还包括焊接线圈8，焊接线圈8与电容组7并联，且焊接线圈8与蓄电模块5和充电变压模块6构成的闭合回路；

还包括电流频率调节模块9和多通道高压开关组10，电流频率调节模块9和多通道高压开关组10设置于焊接线圈8所在支路；且电容组7中每个电容对应电流频率调节模块9的一个通道。

本发明采用电流频率调节模块9，可以对电流频率进行调整，还可通过充电变压模块6对充电频率也进行调整，从而实现不同频率的放电电流。

采用本发明的方法对燃料元件棒塞体进行焊接还具有如下效果：

（1）本发明在材料适用上，在能够使用的材料范围内，适用于各种材料之间的焊接。

（2）本发明工业稳定性好，热影响区小、焊接区域小、有利于减少金属间化合物、减少脆性相形成，可形成多道焊接，接头形式焊缝宽度可达12cm；可减少应力集中，保证直线度。

观察结果

对采用本发明方法焊接得到的产品进行检测，具体检测结果如图4-8所示，其中，

图4为焊缝区域的扫描电镜（SEM）图，从图4可见，过渡层为金属间化合物，上下两侧为基体组织，标尺为10m，过渡层宽度为10-20m。

图5为金相腐蚀后基体组织图，从图5可见，基体组织发生变形，但没有明显的热影响区出现，标尺为100m。

图6为基体元素Fe的分布情况图；图7为基体元素Al的分布情况图。从图6和图7可见，图6从左往右表示Fe原子的浓度在减少，图7从右往左表示Al原子的浓度在减少。从图6和图7表示原子在焊缝区的扩散，其中，标尺为10m。

图8为采用聚焦离子束技术（FIB）剪薄技术通过对焊缝组织区域进行切样的观察图，从图8可以看出，该焊缝形成原子间的结合，原子通过扩散形成焊缝组织。标尺10m。所谓扩散焊缝组织与熔池组织不相同，扩散组织具有一定的浓度梯度，组成的化合物由浓度梯度决定，所以组织并不均匀。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步地的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方法而已，并不用于限制本发明，凡是在本发明的主旨之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种燃料元件棒塞体焊接方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤S1，预处理，在焊接线圈(8)与包壳材料(1)之间设置绝缘层，并对塞体(2)和包壳材料(1)表面进行清理；

步骤S2，装配，准备燃料棒，并在燃料棒的包壳材料(1)两端分别装配塞体(2)；

步骤S3，焊接，启动电磁脉冲焊接系统，分别对包壳材料(1)两端的塞体(2)进行焊接；

步骤S4，加热，采用高频脉冲电流对焊接区域进行加热；

在步骤S2中，包壳材料(1)与塞体(2)采用同轴间隙配合，且装配间隙为1～3mm，塞体(2)与包壳材料(1)内壁角度为0～3°；

在步骤S1-S4中，塞体(2)包括内塞(201)和塞头(202)，其中，内塞(201)包括推体区(211)和焊接区(212)；推体区(211)与包壳材料(1)采用同轴间隙配合，焊接区(212)与塞头(202)固定连接且与推体区(211)平滑过渡，焊接区(212)直径为推体区(211)直径的0.5～0.8倍；

还包括绕焊接区(212)表面的坑道(3)，且坑道(3)宽度为1～3mm，深度为3～5mm；所述坑道(3)数量为一条以上。

2.如权利要求1所述的一种燃料元件棒塞体焊接方法，其特征在于，

在步骤S3中，所述电磁脉冲焊接系统包括蓄电模块(5)、充电变压模块(6)和电容组(7)，且蓄电模块(5)、充电变压模块(6)和电容组(7)构成的闭合回路；

还包括焊接线圈(8)，焊接线圈(8)与电容组(7)并联，且焊接线圈(8)与蓄电模块(5)和充电变压模块(6)构成的闭合回路；

还包括电流频率调节模块(9)和多通道高压开关组(10)，电流频率调节模块(9)和多通道高压开关组(10)设置于焊接线圈(8)所在支路；且电容组(7)中每个电容对应电流频率调节模块(9)的一个通道。