核燃料元件用鋯合金包殼的焊接

鐘多軍

摘 要：介紹了核燃料元件用鋯合金包殼的焊接工藝，并且對熔化焊和非熔化焊的焊縫形成機理進行了討論，對燃料元件的焊接缺欠進行了介紹并討論了減少焊接缺欠的方法。

關(guān)鍵詞：鋯合金；焊接工藝；焊接缺欠

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.009

1 引言

鋯合金具有良好的核性能，其力學性能適中，并且具有優(yōu)異的加工性能，其在核反應堆中的抗中子輻照性能和抗腐蝕性能比較優(yōu)異，因此，鋯合金常作為輕水核反應堆燃料包殼以及結(jié)構(gòu)材料，例如燃料包殼管、中子通量管、導向管、定位格架等。

鋯合金是隨著水冷反應堆的發(fā)展而發(fā)展的。鋯合金系列主要有三大類，包括有鋯錫系、鋯鈮系和鋯錫鈮系。目前，已應用的鋯合金已發(fā)展了三代：第一代鋯合金為 Zr-2和Zr-4合金，第二代鋯合金指改進型Zr-4合金，第三代合金指ZIRLO合金、E635合金、M5合金等新型鋯合金。

在反應堆運行時，為避免裂變產(chǎn)物泄露到核反應堆的冷卻劑中，以及保證核燃料不被冷卻水腐蝕，通常采用焊接方法將核燃料密封在核燃料包殼中。

2 燃料棒焊接工藝

燃料棒的焊接方法主要有電子束焊接（EBW）、鎢極保護氣體電弧焊（TIG）、壓力電阻焊接。

電子束焊接是五十年代發(fā)展起來的一種新穎，能量密度高的熔化焊接方法。電子束焊接是用極致密的高速電子流打到被焊金屬的接縫上，使其加熱、熔化金屬、冷卻形成焊縫實現(xiàn)焊接。電子束是在高真空環(huán)境中通過電子槍產(chǎn)生的，功率密度極高的高速電子流與工件碰撞時，電子與金屬晶格的整體也與金屬原子、分子和電子相互作用，由于介質(zhì)原子的電離與激發(fā)，電子的能量基本上傳遞給被焊工件，電子的動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使被轟擊的材料升溫熔化，達到焊接的目的。

TIG焊接時本世紀40年代發(fā)展的一種焊接技術(shù)，由于這種方法比較成都，所以它最小用于燃料元件的生產(chǎn)中。TIG焊時利用惰性氣體作為保護介質(zhì)的一種電弧焊方法，它是利用燃燒與非熔化電極和焊件之間的電弧作為焊接熱源，以Ar或He等惰性氣體在電弧周圍造成局部氣體保護層，以防止空氣對電極，電弧區(qū)和金屬熔池的浸入，保證焊接過程穩(wěn)定性，從而獲得高質(zhì)量的焊縫。

電阻焊也是發(fā)展較早的一種焊接方法，它是利用工件接頭處產(chǎn)生的電阻熱作為熱源，并在壓力下形成焊接接頭。電阻焊是焊件通電流后，利用焊接區(qū)電阻產(chǎn)生的熱量，是焊接區(qū)金屬加熱到局部熔化或高溫塑性狀態(tài)，在外力的鍛壓作用下形成牢固接頭的一種焊接方法。

其中，EBW焊和TIG焊屬于熔化焊接，在焊接過程中，焊縫的形成經(jīng)歷了加熱、熔化和冶金反應，熔池溫度隨著熱源的離開而逐漸冷卻凝固，并發(fā)生固態(tài)相變，成為焊縫金屬。形成焊縫的過程中，存在化學冶金和物理冶金過程，因此，焊縫區(qū)的微觀組織和成分相對于母材有區(qū)別，在焊縫兩側(cè)在焊接熱源的影響下發(fā)生組織組織轉(zhuǎn)變，形成熱影響區(qū)。

而壓力電阻焊屬于非熔化焊接，焊接時焊縫接頭處的金屬處于塑性狀態(tài)，電阻焊的鍛造作用引起鋯合金表面的氧化膜破裂，使鋯晶體緊密接觸，焊接時達到的高溫低于鋯合金的熔點，所以焊接接頭處沒有熔核出現(xiàn)，短時間的熱量輸入，快速變形和冷卻，導致焊縫區(qū)的組織類似與鍛造組織。壓力電阻焊不像熔化焊有明顯的熔核存在，只是在焊縫接頭處會出現(xiàn)一條很細的分界線，此條“焊接線”由細小的氧化物組成，在金相試樣制備時，由于其與焊縫金屬的腐蝕程度不同而形成的。

3 燃料棒焊接缺欠

鋯合金焊接過程中，由于各種原因為生產(chǎn)各種類型的缺陷，缺陷的存在減少了焊接接頭處的承載面積，影響了焊接接頭處的力學性能。燃料元件焊接過程中的主要缺陷有焊縫成型不良、氧化色、未焊透、氣孔、氣脹、晶間開裂等。下面介紹燃料元件焊縫主要缺陷：

（1）焊縫成型不良。燃料棒在采用熔化焊工藝時（TIG和EBW）時，焊縫在外觀上表現(xiàn)為光滑；焊縫呈銀白色；出現(xiàn)漂亮均勻的魚鱗紋；焊縫與母材金屬過渡均勻。而成型不良的焊縫表面凹凸不平；焊縫的寬度不一；在焊縫與母材的接觸處有稱為“咬邊”的銳利凸起或凹坑等。出現(xiàn)焊縫成型不良的原因主要是焊接設備不穩(wěn)定、焊接工藝參數(shù)選擇不合理等。

（2）未焊透。燃料棒焊縫的未焊透是指焊縫的熔深未達到包殼管壁厚的90%，在金相照片上表現(xiàn)為局部未熔合。未焊透缺陷常常在采用TIG焊接的焊縫中出現(xiàn)，造成未焊透的主要原因是焊接電流過小、鎢極對中性不足、鎢極與焊接件的距離不合適。

（3）氣孔和氣脹。氣孔、氣脹是燃料棒熔化焊中的常見缺陷。氣孔一般呈圓形，氣孔可以在焊縫表面、焊縫內(nèi)部及邊緣處分布。氣脹一般沿包殼和端塞的結(jié)合處的焊縫根部分布。出現(xiàn)氣孔或氣脹的主要原因為端塞與包殼的配合間隙選擇不合適，焊接接頭處沾污，參數(shù)選擇不合理等。

另外，由于燃料棒內(nèi)燃料棒彈簧的存在，在焊接燃料棒上端塞時，燃料棒彈簧會給端塞一個應力，使燃料棒焊接時受到應力的作用，在熱影響區(qū)出現(xiàn)晶間開裂。解決的主要方法為采用一個焊接頂頭消除燃料棒彈簧帶來的應力，并使燃料棒焊接后的冷卻均勻。焊接氣氛或工件表面沾污會引起焊縫表面或熱影響區(qū)出現(xiàn)氧化色，這就需保證焊接氣氛及工件表面的清潔度。

4 結(jié)論

本文對核燃料棒用鋯合金的焊接工藝進行了全面的介紹，討論的燃料棒焊接接頭的形成機理和焊接缺欠的形成原因，有利于在生產(chǎn)中消除焊接缺欠，保證核燃料棒在堆內(nèi)的運行安全。

參考文獻：

[1]楊文斗.反應堆材料學[M].北京：原子能出版社，2006.

[2]陳寶山等.輕水堆燃料元件[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[3]任德芳，王西京，張文水等.壓水堆燃料棒電子束焊接的研究[C].核材料會議文集.北京：原子能出版社.1988：51-55.

[4]傅冀慶.AFA3G含釓燃料棒上端塞環(huán)縫TIG焊接研究[J].東方電氣評論，2004（06）：18（02）.

[5]常艷君.AFA3G 燃料組件燃料棒壓力電阻焊接技術(shù)分析[R].中國核科學技術(shù)進展報告（第三卷），2013（09）.