核燃料元件中控制棒星形架組裝釬焊工藝

蔡 權(quán), 盛國(guó)福，葉遠(yuǎn)東，余國(guó)嚴(yán)，孫效禹

(中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司 中廣核先進(jìn)燃料工程試驗(yàn)中心，廣東 陽(yáng)江 529500)

核電是20世紀(jì)核技術(shù)造福人類的最偉大成就[1]。核燃料元件包括燃料組件和相關(guān)組件，相關(guān)組件又可分為控制棒組件、可燃毒物組件、中子源組件以及阻流塞組件。燃料組件中可控的核反應(yīng)就是靠著控制棒組件進(jìn)行控制，將控制棒組件插入燃料組件的導(dǎo)向管中，通過(guò)吸收中子的數(shù)量來(lái)控制核反應(yīng)的速度。

如圖1所示，控制棒組件由星形架和24根控制棒組成。星形架通過(guò)指狀管與控制棒上端螺紋連接組成一個(gè)控制棒組件，每一根控制棒長(zhǎng)約3.8 m，重達(dá)68 kg。星形架也稱連接柄，是支撐控制棒和確保控制棒與燃料組件導(dǎo)向管排列一致的結(jié)構(gòu)部件，具有與驅(qū)動(dòng)軸可靠剛性連接和吸收控制棒快速下落產(chǎn)生沖擊能量的作用。如圖2所示，星形架由圓筒、彈簧、導(dǎo)向螺栓、指狀管、翼板、彈簧座等組成，其中指狀管與翼板、翼板與圓筒的連接方式采用的是釬焊連接。核燃料元件工作在高溫、高壓、高輻射循環(huán)水中，隨著輻照時(shí)間的增加以及裝配應(yīng)力、熱應(yīng)力等因素的影響，部件會(huì)產(chǎn)生變形[2-3]，因此指狀管與翼板、翼板與圓筒的連接強(qiáng)度是核反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。本文基于某型號(hào)的控制棒星形架介紹一種釬焊工藝，為后續(xù)不同類型的控制棒星形架釬焊提供理論依據(jù)。

圖1 控制棒組件Fig.1 RCCA

圖2 控制棒星形架Fig.2 RCCA spider

1 核級(jí)不銹鋼與鎳基合金釬料

核反應(yīng)堆中不銹鋼零件原材料均選用鉻鎳奧氏體不銹鋼和具有奧氏體組織的少量高鎳耐蝕合金。星形架中圓筒、翼板以及指狀管均采用AISI 304L不銹鋼加工而成，拉伸性能Rm=741 MPa、Rp0.2=500 MPa、A50=55.5%，Z=76%，化學(xué)元素含量見(jiàn)表1。此類不銹鋼在機(jī)械加工中存在諸多難點(diǎn)，比如切削力大、加工硬化嚴(yán)重、不易斷屑、刀具易磨損等[4]。

表1 AISI 304L化學(xué)元素含量Table 1 Chemical element contents of AISI 304L

不銹鋼釬焊的方法有很多種，比如烙鐵釬焊、火焰釬焊、爐中釬焊、感應(yīng)釬焊、電阻釬焊以及鹽浴釬焊，用于釬焊的釬料也有很多種，如錫鉛釬料、銀釬料、銅基釬料、錳基釬料、鎳基合金釬料以及貴金屬釬料等[5]。控制棒星形架釬焊采用的是真空爐中釬焊的方式，釬料選用鎳基合金釬料BNi-7，化學(xué)元素含量見(jiàn)表2。真空釬焊能精確地控制溫度，加熱均勻，變形小。鎳基釬料適合用于爐中釬焊，接頭的高溫強(qiáng)度和耐腐蝕性比其他類釬料優(yōu)越[6]。

表2 BNi-7化學(xué)元素含量Table 2 Chemical element contents of BNi-7

2 控制棒星形架點(diǎn)焊與涂料

控制棒星形架釬焊之前需要經(jīng)過(guò)點(diǎn)焊固定圓筒、翼板、指狀管的相對(duì)位置，再將鎳基合金釬料涂抹在需要釬焊的縫隙。首先將加工好并經(jīng)過(guò)超聲波清洗后的圓筒、翼板、指狀管準(zhǔn)備就緒，如圖3所示，其中翼板和指狀管各有三類。

圖3 圓筒、翼板、指狀管Fig.3 Drum; alar plate; finger tube

星形架的點(diǎn)焊需要專用夾具如圖4所示，將圓筒、翼板、指狀管三種零件，按要求在夾具中組裝好。先點(diǎn)焊翼板與圓筒的上焊點(diǎn)，采用加絲焊接一次焊接成型；其次對(duì)指狀管和翼板進(jìn)行固定點(diǎn)焊，3號(hào)指狀管點(diǎn)焊指狀管與2號(hào)翼板平面接縫處一點(diǎn)，2號(hào)指狀管點(diǎn)焊其缺囗尖端與翼板的接縫處一點(diǎn)，1號(hào)指狀管點(diǎn)焊其缺口尖端與翼板的接縫處一點(diǎn)，所有焊點(diǎn)均采用不加絲焊接一次成型；最后將已裝配并完成上述點(diǎn)焊的星形架同夾具上定位板從夾具底板取出，點(diǎn)焊翼板與圓筒的下焊點(diǎn)，采用加絲焊接一次焊接成型。完成點(diǎn)焊的星形架如圖5所示，圓筒、翼板、指狀管的相對(duì)位置已固定。檢查24根指狀管的位置度，當(dāng)位置度滿足要求時(shí)即可開(kāi)始涂料。如圖6所示，對(duì)所有釬縫連接部位進(jìn)行涂料操作，3號(hào)指狀管與翼板、2號(hào)指狀管與翼板、1號(hào)指狀管與翼板、圓筒與翼板。應(yīng)注意控制合理的涂料量，如釬料涂到非釬焊部位，應(yīng)擦除干凈。特別指出，在圓筒圓面及4根3號(hào)指狀管圓錐頭部涂止釬劑，防止釬料硬化后難以去除。

圖4 控制棒星形架點(diǎn)焊夾具Fig.4 Spot welding fixture of the RCCA spider

圖5 點(diǎn)焊后的控制棒星形架Fig.5 The RCCA spider after spot welding

圖6 控制棒星形架涂料示意Fig.6 Solder daub for the RCCA spider

3 控制棒星形架真空釬焊

真空釬焊是把待釬焊材料用夾具夾持在一起，在真空爐內(nèi)加熱使釬料溶化為高溫液態(tài)，在毛細(xì)力作用下填滿被焊接件之間的縫隙，使之達(dá)到冶金結(jié)合。影響真空釬焊質(zhì)量的因素有很多，比如釬料類型、釬縫間隙、釬焊溫度、保溫時(shí)間等。對(duì)于已經(jīng)確定釬料類型和尺寸精度的控制棒星形架而言，決定其真空釬焊質(zhì)量的關(guān)鍵因素為釬焊溫度和保溫時(shí)間。在釬焊過(guò)程中，想要得到優(yōu)異的焊接接頭，溶化的液態(tài)釬料潤(rùn)濕鋪展能力要好，在毛細(xì)流動(dòng)的作用下能充分的填充接頭間隙，而且，釬料組元與母材基體之間可以發(fā)生相互反應(yīng)。而影響釬料潤(rùn)濕鋪展能力的關(guān)鍵就在釬焊溫度和保溫時(shí)間。隨著釬焊溫度和保溫時(shí)間的增大，鎳基合金釬料的潤(rùn)濕鋪展能力會(huì)增強(qiáng)，同時(shí)焊接接頭的抗剪切能力增強(qiáng)。為此，在釬焊的過(guò)程中需要根據(jù)真空熱處理爐以及釬料的情況盡可能的提高釬焊溫度和保溫時(shí)間。

通過(guò)前期的熱處理工藝摸索和試驗(yàn)，得出控制棒星形架釬焊熱處理工藝見(jiàn)圖7。在約50 min內(nèi)升溫至800 ℃，保溫10 min后繼續(xù)升溫至1 005～1 020 ℃，然后再保溫50 min左右后充氬氣快冷。需要注意的是，為了防止氧化，出爐溫度要小于140 ℃。此熱處理工藝方案，能使得控制棒星形架的力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)熱處理處理效率也較高。熱處理完后的控制棒星形架還需要進(jìn)行修整，將多余的釬料進(jìn)行去除。

圖7 控制棒星形架真空釬焊熱處理曲線Fig.7 Vacuum brazing technology of the RCCA spider

4 結(jié)論

本文從鎳基合金釬料開(kāi)始，詳細(xì)的介紹了控制棒星形架點(diǎn)焊工藝、涂料工藝以及真空釬焊工藝，明確了控制棒星形架組裝釬焊過(guò)程以及熱處理升溫保溫曲線，為后續(xù)不同類型的控制棒星形架組裝釬焊提供理論參考。