AFA3G型燃料棒壓力電阻焊工藝分析

鐘劉松 黃 燦 劉明權(quán)

（海南核電有限公司 海南昌江）

一、前言

壓力電阻焊是由西門子公司的 Erlangen燃料實驗室在20世紀60年代晚期開發(fā)使用，對壓力電阻焊接先導試驗組件的輻照開始于1968年。在20世紀70年代晚期，壓力電阻焊應用于西門子公司的燃料制造，并于1979年第一次應用在壓水堆核燃料換料。20世紀80年代中期，在壓水堆核燃料換料制造中，壓力電阻焊替代了TIG焊接方法。自從1990年，在沸水堆核燃料制造中，壓力電阻焊替代了 TIG焊接方法，但需要用機械加工去掉外部的頂鍛焊縫。20世紀90年代，為了省略對焊縫頂鍛進行機械加工；避免受控區(qū)域內(nèi)Zr著火的風險，壓力電阻焊接被改進為頂鍛成型焊接（USW）。焊接電極也進行了改進，它可以形成外部焊縫頂鍛的最終形狀。

表1 壓力電阻焊燃料棒的質(zhì)量控制

二、燃料棒壓力電阻焊介紹

燃料棒壓力電阻焊是把端塞和包殼管裝配成對接接頭，在較小的擠壓力作用下，使包殼管端面與端塞配合面接觸，通過電極給工件施加電流，由于工件接觸面的電阻較高，接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱使焊接面的金屬處于塑性狀態(tài)（或局部熔化狀態(tài)），然后迅速對接頭施加頂鍛力，靠頂鍛來完成焊接的非熔化焊接方法。

壓力電阻焊主要有以下特點：

（1）能在不同氣氛、不同壓力下進行焊接，可省去密封焊（堵孔）工序。

（2）加熱時間短（0.01～0.02 s），避免了空氣對焊縫的沾污，并且沒有在局部形成其它合金的風險。

（3）焊縫為熱鍛造組織，晶粒細，幾乎沒有熱影響區(qū)（TIG＞激光＞USW），無氣孔、氣脹、裂紋之類的缺陷，常見的缺陷是未熔合，由于未熔合的間隙非常小，而且不連續(xù)，因此，X射線很難發(fā)現(xiàn)壓力電阻的焊接缺陷。法國AREVA NP公司對這種焊接產(chǎn)品不作焊縫內(nèi)部的無損檢查，從焊接工藝上保證焊縫的質(zhì)量。

（4）非融化焊接，焊接區(qū)金屬保持包殼管原有的機械特性，焊接區(qū)橫截面比包殼管橫截面大，故強度比包殼管高，爆破試驗斷裂位置應在包殼管上。

（5）可采用在線檢測技術(shù)，監(jiān)控焊接參數(shù)。

（6）生產(chǎn)效率高，能適應重復大生產(chǎn)要求。

三、燃料棒壓力電阻焊質(zhì)量控制方法（表1）

（1）頂鍛形狀、尺寸檢查。頂鍛形狀、尺寸檢查是焊縫重要的質(zhì)量指標，它采用合適的儀器進行在線測量。在燃料棒電阻焊時，頂鍛形狀尺寸檢查是焊接質(zhì)量的一種非破壞性檢驗方法，它能反映焊接電流大小和焊接截面上釋熱的不均勻性以及管伸出長度的變化、電極對中狀態(tài)等。

（2）爆破試驗。爆破試驗是評價焊縫機械強度最合適的方法，它是把燃料棒當作壓力容器處理，采用液壓進行，設(shè)計了一種專用爆破裝置。爆破后斷裂應發(fā)生在端塞包殼管之間原始分界線以外。

（3）金相。壓力電阻焊的鍛造作用引起表面氧化膜的破裂，使基體金屬緊密接觸，但接觸時達到的高溫低于熔點，所以沒有形核及晶粒長大。短時間的熱量輸入、快速冷卻和變形，導致一個很細的晶粒組織。

電阻焊焊縫在金相檢驗時發(fā)現(xiàn)在原先的分界上有一條非常細的線，稱之為“焊接線”，這條“焊接線”是由細小氧化物夾雜引起，在制備金相試樣時材料不同程度的腐蝕導致金相顯微鏡下截面以出現(xiàn)點劃線形狀出現(xiàn)，爆破試驗證明，它不會明顯損傷強度。一般以金相檢查作為質(zhì)量指標，接頭質(zhì)量用分界面完全結(jié)合長度對管壁厚度的百分比表示，并規(guī)定其值≥90%。

四、燃料棒壓力電阻焊結(jié)構(gòu)和材料變化（表2）

表2 壓入包殼部分尺寸

1.結(jié)構(gòu)變化

采取壓力電阻焊的燃料棒結(jié)構(gòu)上變化的主要有端塞、氣腔長度、彈簧、燃料棒長度。

（1）端塞。結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，上下端塞結(jié)構(gòu)相同，如圖1、圖2所示。包殼管尺寸（無變化 ） ：9.5 mm ±0.04

圖1 壓力電阻焊燃料棒

（2）氣腔長度。由于包殼管長度保持不變，活性段長度不變，而USW壓入包殼的端塞長度減小，導致氣腔長度增大（180.9±8 mm →183.1±8 mm）。該變化使得壽期末棒內(nèi)壓有所減少（ 0.11 MPa） 。

（3）彈簧。靠近端塞側(cè)直徑縮?。?.9 mm→6.4 mm），目的是避免上端塞焊接時彈簧與包殼接觸發(fā)生短路造成電流分流，進而對焊縫造成影響。

（4）燃料棒長度。由于包殼管長度保持不變，而USW壓入包殼的端塞長度減?。ǘ巳L度變化很?。?，導致棒長增大棒長增加應保證壽期末不會與上、下管座發(fā)生干涉（有足夠的裕量，9.76 mm）。

圖2 壓力電阻焊端塞焊接前后對比

2.端塞材料

對于AFA類型設(shè)計的產(chǎn)品，歷史上燃料棒端塞的材料和包殼管的相同，對于M5包殼管，其端塞材料也是M5。在法國，除了個別情況，M5燃料棒的焊縫都是同材質(zhì)的。美國與法國的情況相同，M5燃料棒的焊縫都是同材質(zhì)的。

在德國，不管包殼管采用何種材料，端塞材料一直是Zr-4。對于M5包殼，端塞材料可以與用戶協(xié)商后確定，可以采用M5或Zr-4。

在使用TIG和激光焊接工藝時，歐洲的燃料棒制造商（Mélox，F(xiàn)BFC，ANF）要求在 M5包殼管上使用 Zr-4端塞，有兩個主要的原因：①降低成本（所有燃料棒，僅使用一種材料的端塞；在Zr-4密封焊時對 TIG電極的損耗較?。?。②腐蝕結(jié)果較好（M5端塞焊接對保護氣氛要求更高)。

根據(jù)2006年的運行經(jīng)驗反饋，法國受輻照的異質(zhì)材料的燃料棒焊縫(TIG焊接)接近1000根；美國受輻照的異質(zhì)材料的燃料棒焊縫（TIG焊接）1000根；德國M5/Zr-4焊縫＞20 000根（TIG焊接），壓力電阻焊接的M5/Zr-4焊縫超過80 000根。對于所有受輻照的異質(zhì)材料的燃料棒焊縫，在運行中沒有泄漏或特殊的腐蝕跡象。在2006年底，法國設(shè)計者允許使用異質(zhì)材料進行焊接。

五、總結(jié)

根據(jù)上文對壓力電阻焊的分析，現(xiàn)將壓力電阻焊的焊接方法及燃料棒焊接進行對比總結(jié)。四種不同焊接方法焊接特性比較結(jié)果見表3，焊接燃料棒時的比較見表4。通過表中總結(jié)可以得出各種焊接方式的利弊，有利于核電廠人員對燃料棒制造進行質(zhì)量監(jiān)督。

表3 4種焊接方法焊接特性比較

表4 燃料棒4種焊接方法比較