CN115116629B - 一种环形燃料端塞、环形燃料组件及焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料组件技术领域，尤其涉及一种环形燃料端塞、环形燃料组件及焊接方法。环形燃料端塞，包括截面为山字形的端塞本体，所述端塞本体包括外包壳接触端头和内包壳接触端头，外包壳接触端头和内包壳接触端头之间设置有燃料棒内部部件接触端头，所述燃料棒内部部件接触端头高于外包壳接触端头和内包壳接触端头；所述端塞本体的上端设置有流水孔。燃料组件包括所述环形燃料端塞。所述焊接方法为：利用三个电极对端面实施压力焊接。本发明简化环形燃料焊接流程，节省焊接时间，降低成本，焊缝质量良好。
Description
技术领域
本发明涉及燃料组件技术领域，尤其涉及一种环形燃料端塞、环形燃料组件及焊接方法。
背景技术
核燃料棒在反应堆中处于高温、高压、高辐射剂量的环境之中，在反应堆正常运行时保证核燃料棒的完整性是首要前提。环形燃料是一种新型燃料组件，其具有内、外双包壳，该设计理念可大幅提高反应堆的安全性与经济性。现阶段环形燃料端塞结构设计见图1，环形燃料棒端塞与包壳焊接方法为TIG焊接，由于TIG焊接时产热大，故须在端塞处开设通气孔，避免燃料棒内部气体由于热膨胀导致焊缝气孔、鼓泡等现象发生，为此额外还需将通气孔进行堵孔焊接，增加了焊接质量不确定性与焊接成本。同时，相较传统单包壳燃料棒，环形燃料棒端塞与包壳之间的焊缝数目成倍增加，焊接工序复杂度增加，焊接时间及成本大大提高，燃料棒在焊缝处产生燃料棒泄漏的可能性亦成倍增加，如何确保环形燃料棒内焊缝质量是现在环形燃料设计时面临的主要问题。
现代核电用燃料棒焊接领域中，压力电阻焊是一种新型焊接方法，通过电极对被焊物件预加压力，利用电流对被焊物件接触面产生的电阻热使被焊物件产生融化或达到塑性状态，最终实现被焊物件相互牢固结合。该方法的优势在于1)焊缝为热锻组织，晶粒细，热影响区小；2)非融化焊接，强度高；3)焊接时间短；4)能在不同气氛条件下进行焊接；5)可减少燃料棒堵孔焊工序。目前该方法已工程应用于单包壳燃料棒中端塞与包壳焊接中，然而，针对环形燃料棒的双包壳设计，端塞结构形式与单包壳燃料棒端塞有很大不同，如何应用压力电阻焊方法进行环形燃料棒端塞与内、外包壳同时焊接及确保焊接质量亦是重大难题。
为此，亟需探索一种环形燃料端塞设计及焊接方式，解决环形燃料端塞与内、外包壳焊接工序复杂、焊接时间与成本高的难题，同时保证良好的焊缝质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种环形燃料端塞、环形燃料组件及焊接方法，简化环形燃料焊接流程，节省焊接时间，降低成本，焊缝质量良好。
本发明提供了一种环形燃料端塞，包括下端截面为山字形的端塞本体，所述端塞本体包括外包壳接触端头和内包壳接触端头，外包壳接触端头和内包壳接触端头之间设置有燃料棒内部部件接触端头，所述燃料棒内部部件接触端头高于外包壳接触端头和内包壳接触端头；
所述端塞本体的上端设置有流水孔。
优选地，所述内包壳接触端头为环形，端头为倒角设计。
优选地，所述外包壳接触端头为环形，端头为倒角设计。
本发明提供了一种环形燃料组件，包括上述技术方案所述的环形燃料端塞。
所述燃料棒内部部件接触端头厚度小于燃料棒内包壳与外包壳之间的间隙。
优选地，所述环形燃料端塞的材料与内包壳，外包壳的材料相同；
所述内包壳接触端头与所述内包壳交界面面积与所述外包壳接触端头与所述外包壳交界面面积相同。
本发明提供了一种焊接方法，包括以下步骤：
电极一为环形，与环形燃料端塞上端紧密接触；电极二为环形，与内包壳壁面紧密接触；电极三为环形，与外包壳壁面紧密接触；所述电极二与所述电极三，电极属性相同；所述电极一与上述二者电极属性相反；
将环形燃料端塞插入燃料棒内包壳和外包壳的间隙中，外包壳接触端头与外包壳端面接触，内包壳接触端头与内包壳相接触，所述燃料棒内部部件接触端头与燃料棒内部部件接触，实现燃料棒密封；
所述电极二与所述电极三分别向燃料棒内包壳与燃料棒外包壳施加压力，所述电极一向所述环形燃料端塞施加压力，
所述电极一、所述电极二、所述电极三分别施加相应电极属性的电压，通过电阻热实现所述环形燃料端塞与所述内包壳及外包壳的焊接。
优选地，焊接时，环形燃料端塞的材料与内包壳，外包壳的材料相同；
保持所述内包壳接触端头与所述内包壳交界面面积与所述外包壳接触端头与所述外包壳交界面面积相同。
与现有技术相比，本发明的环形燃料端塞、环形燃料组件及焊接方法，具有如下有益效果：
(1)本发明可同时进行环形燃料端塞与内、外包壳管焊接，省去端塞堵孔焊接工序，简化了焊接流程、节省焊接时间并降低焊接成本；
(2)本发明可获得端塞与内、外包壳良好的焊缝质量，确保燃料棒运行条件下的密封性；
(3)本发明设计的环形燃料端塞可通过倒角设计调整端头与内、外包壳接触面积，可适用多种结构设计尺寸的环形燃料；
(4)本发明的焊接方法原理清晰、结构简单、占用空间小、可操作性强、上手难度低；
(5)本发明可直接实现环形燃料端部焊接工程应用中去。
附图说明
图1表示现有环形燃料端塞结构示意图；
图2表示本发明环形燃料端塞结构示意图；
图3表示本发明环形燃料棒端部装配图；
图4为本发明焊接方法局部尺寸图；
图5为本发明环形燃料端塞焊接方法示意图；
图中：1-环形燃料端塞；2-内包壳；3-燃料棒内部部件；4-外包壳；5-电极一；6-电极二；7-电极三；8-通气孔；11-端塞本体；12-外包壳接触端头；13-内包壳接触端头；14-燃料棒内部部件接触端头；15-流水孔；16-内焊缝；17-外焊缝。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明的实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明的限制。
本发明的实施例公开了种环形燃料端塞1，如图2所示，包括下端截面为山字形的端塞本体，所述端塞本体包括外包壳接触端头12和内包壳接触端头13，外包壳接触端头12和内包壳接触端头13之间设置有燃料棒内部部件接触端头14，所述燃料棒内部部件接触端头14高于外包壳接触端头12和内包壳接触端头13；
所述端塞本体的上端设置有流水孔15。
按照本发明，所述环形燃料端塞的下端是指界面为山字形的一端，包括三种端头，所述环形燃料端塞的上端是指与下端相反的一端。
所述外包壳接触端头12为凸台结构，其与外包壳4端面相接触，端头是倒角设计，且端头内沿倒角与外沿倒角分别具有独立的倒角距离和倒角角度，便于为与外包壳压力电阻焊接匹配初始接触面积、焊接过程变化面积并为焊接材料提供融化物或塑性变形留存空间，外包壳4端部具有与上述相对应倒角，便于焊接过程中二者面积变化相同；
所述内包壳接触端头13为凸台结构，为环形，其与内包壳2端面相接触，且端头内沿倒角与外沿倒角分别具有独立的倒角距离和倒角角度，便于为与内包壳压力电阻焊接匹配初始接触面积、焊接过程变化面积并为焊接材料提供融化物或塑性变形留存空间，内包壳端部具有与上述相对应倒角，便于焊接过程中二者面积变化相同；
所述燃料棒内部部件接触端头14为凸台结构，为环形，根据端塞所处燃料棒位置与燃料棒类型不同，其可与燃料棒内部部件(如弹簧、隔热块、芯块等)向接触，端头厚度小于燃料棒内、外包壳间隙，避免端头在压力电阻焊接时与内、外包壳接触导致短路；
在所述环形燃料端塞与包壳材料相同时，所述内包壳接触端头13与燃料棒内包壳2、所述外包壳接触端头12与外包壳4交界面面积应相等，即交界面电阻相同，内、外焊缝产生热阻相同，为内、外焊缝同时焊接提供前提。在所述端塞与包壳材料不同时，可通过所述内包壳接触端头与外包壳接触端头调节上述两个交界面面积，保证交界面电阻相同。
所述流水孔15在环形燃料端塞1上端，在异物堵塞时为冷却剂提供额外的流道，确保燃料棒可冷却性。
所述外包壳接触端头12与内包壳接触端头13可分别根据内、外包壳长度调整凸台高度。
本发明的实施例公开了一种环形燃料组件，包括上述技术方案所述的环形燃料端塞1。
所述环形燃料端塞1根据所处位置的不同，可布置在燃料棒上端或下端。
其端部如图3所示，所述环形燃料端塞1布置在燃料棒上端。
所述内包壳接触端头13与所述内包壳2、所述外包壳接触端头12与所述外包壳4端面均为环形，由于本实施例中所述环形燃料端塞1、所述内包壳2、所述外包壳4均为同一种材料，故为保证所述内包壳接触端头13与所述内包壳2交界面面积与所述外包壳接触端头12与所述外包壳4交界面电阻相同，上述两个交界面面积相同，另外，二者交界面根据所述内包壳2、所述外包壳4长度的不同可在不同高度横截面上；
如图4所示，所述外包壳接触端头12为凸台结构，其与燃料棒外包壳4端面相接触，端头为倒角设计，所述外包壳接触端头12外沿倒角角度与长度分别为∠1与L1，内沿倒角角度与长度分别为∠2与L2，便于为与外包壳4压力电阻焊接匹配初始接触面积、焊接过程变化面积并为焊接材料提供融化物或塑性变形留存空间，所述外包壳4端部具有与上述相对应倒角，便于焊接过程中二者面积变化相同；
所述内包壳接触端头13为凸台结构，其与燃料棒内包壳2端面相接触，端头为倒角设计，所述内包壳接触端头13外沿倒角角度与长度分别为∠4与L4，内沿倒角角度与长度分别为∠3与L3，便于为与内包壳2压力电阻焊接匹配初始接触面积、焊接过程变化面积并为焊接材料提供融化物或塑性变形留存空间，所述内包壳2端部具有与上述相对应倒角，便于焊接过程中二者面积变化相同；
所述燃料棒内部部件接触端头14为凸台结构，根据端塞1所处燃料棒位置与燃料棒类型不同，其可与燃料棒内部部件相接触，如弹簧、隔热块、芯块等，本例中为弹簧；所述燃料棒内部部件接触端头14厚度小于燃料棒内包壳与外包壳之间的间隙，避免端头在压力电阻焊接时与内包壳2、外包壳4接触导致短路；
本发明的实施例还公开了一种焊接方法，利用上述技术方案所述的环形燃料端塞，包括以下步骤：
电极一5为环形，与环形燃料端塞1上端紧密接触，具备提供电流与施加压力的功能；电极二6为环形，与内包壳2壁面紧密接触，具备提供电流与施加压力的功能；电极三7为环形，与外包壳4壁面紧密接触，具备提供电流与施加压力的功能；所述电极二6与所述电极三7，电极属性相同；所述电极一5与上述二者电极属性相反；
将环形燃料端塞1插入燃料棒内包壳2和外包壳4的间隙中，外包壳接触端头12与外包壳4端面接触，内包壳接触端头13与内包壳2相接触，所述燃料棒内部部件接触端头14与燃料棒内部部件接触，实现燃料棒密封；
在所述环形燃料端塞1与包壳材料相同时，所述内包壳接触端头与燃料棒内包壳、所述外包壳接触端头与外包壳交界面面积应相等，即交界面电阻相同，内、外焊缝产生热阻相同，为内、外焊缝同时焊接提供前提。在所述端塞与包壳材料不同时，可通过所述内包壳接触端头与外包壳接触端头调节上述两个交界面面积，保证交界面电阻相同。
所述电极二6与所述电极三7分别向燃料棒内包壳2与燃料棒外包壳4施加压力，所述电极一5向所述环形燃料端塞1施加压力，
所述电极一5、所述电极二6、所述电极三7分别施加相应电极属性的电压，通过电阻热实现所述环形燃料端塞与所述内包壳2及外包壳4的焊接。
所述环形燃料端塞与所述燃料棒在装配好后，所述电极二与所述电极三分别向燃料棒内包壳与燃料棒外包壳施加压力，所述电极一向所述环形燃料端塞施加压力，上述两种压力大小需通过计算或试验求得，保证所述端塞与所述燃料棒内、外包壳压力满足压力电阻焊要求同时保证部件之间的稳定性；
所述电极一、所述电极二、所述电极三分别施加相应电极属性的电压，该电压大小通过计算或试验求得，由于所述环形燃料端塞与所述燃料棒内、外包壳之间的接触电阻相较所述三个电极本体、所述环形燃料端塞、所述燃料棒内包壳、所述燃料棒外包壳、所述电极一与所述端塞接触电阻、所述电极二与所述燃料棒内包壳接触热阻、所述电极三与燃料棒外包壳接触热阻较大，故热量集中于所述端塞与所述燃料棒内、外包壳接触面上，通过电阻热实现所述端塞与所述燃料棒内、外包壳焊接。如图5所示，焊接过程中，所述环形燃料端塞1与所述内包壳2、所述外包壳4产生电阻热导致所述外包壳接触端头12与所述燃料棒外包壳4、所述内包壳接触端头13与所述燃料棒内包壳2交界面产生融化或塑性变形而达到焊接效果，且上述两个交界面在焊接时式中保持交界面两边面积一致，所述外包壳接触端头12与所述燃料棒外包壳4交界面为内焊缝16、所述内包壳接触端头13与所述燃料棒内包壳2交界面为外焊缝17。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
电极一为环形，与环形燃料端塞上端紧密接触；电极二为环形，与内包壳壁面紧密接触；电极三为环形，与外包壳壁面紧密接触；所述电极二与所述电极三，电极属性相同；所述电极一与上述二者电极属性相反；
将环形燃料端塞插入燃料棒内包壳和外包壳的间隙中，外包壳接触端头与外包壳端面接触，内包壳接触端头与内包壳相接触，燃料棒内部部件接触端头与燃料棒内部部件接触，实现燃料棒密封；
所述电极二与所述电极三分别向燃料棒内包壳与燃料棒外包壳施加压力，所述电极一向所述环形燃料端塞施加压力，
所述电极一、所述电极二、所述电极三分别施加相应电极属性的电压，通过电阻热实现所述环形燃料端塞与所述内包壳及外包壳的焊接；
所述环形燃料端塞，包括下端截面为山字形的端塞本体，所述端塞本体包括外包壳接触端头和内包壳接触端头，外包壳接触端头和内包壳接触端头之间设置有燃料棒内部部件接触端头，所述燃料棒内部部件接触端头高于外包壳接触端头和内包壳接触端头；
所述燃料棒内部部件接触端头厚度小于燃料棒内、外包壳间隙；
所述端塞本体的上端设置有流水孔；
所述内包壳接触端头为环形，内包壳接触端头为倒角设计；
所述外包壳接触端头为环形，外包壳接触端头为倒角设计。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，焊接时，环形燃料端塞的材料与内包壳，外包壳的材料相同；
保持所述内包壳接触端头与所述内包壳交界面面积与所述外包壳接触端头与所述外包壳交界面面积相同。
3.一种环形燃料组件，其特征在于，由权利要求1所述方法制备。
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