核電用鋯合金電阻對焊的研究進(jìn)展

林 健，馮 剛，雷永平，季順成，崔泰然，魯 立，梁振新

(1.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部，北京 100124； 2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

核電是目前公認(rèn)的可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)火電，又安全高效的綠色能源.截止到2019年12月底，我國大陸地區(qū)在運核電機組為47臺，總裝機容量達(dá)4 875萬kW，位居全球第3；然而，2019年核電總發(fā)電量只占全國發(fā)電總量的4.88%，火力發(fā)電仍占比很高.雖然煤礦資源豐富，但我國還是一個煤炭資源凈進(jìn)口國，這主要是因為我國人均煤炭資源不到世界平均水平的一半.由此，發(fā)展核電可以大大緩解煤炭資源的需求，同時還能大大降低燃燒煤炭對環(huán)境的污染.未來15年是我國核電發(fā)展的重要戰(zhàn)略機遇期，預(yù)計到2025年，我國核電在運裝機規(guī)模將達(dá)到7 000萬kW，在建裝機規(guī)模接近4 000萬kW.

核電的安全性是影響核電工業(yè)健康發(fā)展的重要因素，近年來多起核事故造成了人們的恐核心理.通常核電站有3道實體屏障[1-2]：第1道屏障是核燃料棒的包殼，它能夠保障燃料組件長期在密封環(huán)境中良好地運行；第2道屏障是壓力殼，壓力殼是由一個厚約200 mm的壓力容器組成，該壓力容器將換熱一回路完全密封起來；第3道屏障是安全殼，為一道厚度為1 m的鋼筋混凝土墻，是防止放射性物質(zhì)向外界環(huán)境泄漏的最后一道屏障.其中，核燃料棒的包殼內(nèi)壁受到燃料組件的輻射，以及裂變產(chǎn)生氣體的壓力；包殼外壁受到冷卻劑的沖刷、腐蝕.因此，核燃料棒的包殼是反應(yīng)堆工況最為苛刻的部件，也是容易發(fā)生損壞的地方.

燃料棒由包殼管、端塞、UO2芯塊、彈簧組成，其中，包殼管和端塞采用焊接方法進(jìn)行連接，對核燃料起到密封和隔絕作用.目前，主流的包殼管和端塞材料是鋯合金、奧氏體不銹鋼及碳化硅復(fù)合材料[3]，鋯合金由于具有熱中子吸收截面低、抗腐蝕性和高溫力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點，是包括核動力反應(yīng)堆燃料棒包殼材料在內(nèi)應(yīng)用最廣泛的堆芯結(jié)構(gòu)材料.牌號為Zr-4的合金是20世紀(jì)美國研發(fā)出來的鋯合金，至今已有幾十年的發(fā)展應(yīng)用，是目前應(yīng)用較多的鋯合金.CZ牌號是中廣核電公司自主開發(fā)的新型鋯合金，具有比Zr-4更優(yōu)良的耐腐蝕性能、力學(xué)性能和焊接性能，并且作為國內(nèi)自主開發(fā)的新型鋯合金，已逐步代替進(jìn)口產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于燃料棒包殼材料的制備.然而，目前對新型CZ鋯合金材料服役性能和接頭制備方法的專題報道較少.

包殼管與端塞采用焊接的方法進(jìn)行連接，焊接接頭處是最有可能存在隱患的地方.針對鋯合金端塞與包殼管的焊接方法主要有鎢極氬弧焊、激光焊、電子束焊和電阻對焊等.在眾多焊接方法中，電阻對焊具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、效率高的優(yōu)勢，但受到技術(shù)保密等因素的影響，國內(nèi)外鋯合金燃料棒包殼管與端塞電阻對焊的報道不多，研究者們采用的材料、工藝、試驗參數(shù)等各有特色，需要對這些研究進(jìn)行必要的整理和總結(jié).

由此，為了推進(jìn)CZ鋯合金的工程應(yīng)用，以及端塞與包殼管電阻對焊方法的研究，本文對國內(nèi)外文獻(xiàn)中的鋯合金材料特性和焊接方法進(jìn)行整理總結(jié)，并重點總結(jié)了鋯合金包殼管與端塞電阻對焊工藝的研究成果，并對目前尚未解決的問題進(jìn)行了探討.

1 鋯及鋯合金的材料特性

1.1 鋯及鋯合金

鋯屬于稀有金屬，原子序數(shù)為40，平均相對原子質(zhì)量為91，密度為6.49 g/cm3，鋯具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，且熔點較高(1 855 ℃)[4].純金屬鋯有α-Zr和β-Zr兩種同素異形體，α-Zr為密排六方結(jié)構(gòu)，β-Zr為體心立方結(jié)構(gòu).在常溫下，α-Zr為穩(wěn)定相；當(dāng)溫度升至865 ℃左右時，α-Zr開始向β-Zr進(jìn)行轉(zhuǎn)變，發(fā)生α→α+β的同素異形轉(zhuǎn)變；在1 000 ℃左右時，α-Zr全部轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)的β-Zr(α+β→β)[5-6].

對鋯進(jìn)行合金化的目的是抵消雜質(zhì)元素的影響，尤其是降低氮的有害影響，以使鋯合金保持與純鋯相當(dāng)?shù)哪透g性能并提高它的強度.合金化后的鋯具有較高的力學(xué)強度，較好的延展性和加工性能，在高溫下具有耐腐蝕的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于核工業(yè)和醫(yī)療器械等領(lǐng)域.鋯合金主要分為鋯錫、鋯鈮、鋯錫鈮三大類合金：鋯錫系合金主要包括Zr-2和Zr-4合金；鋯鈮系合金主要包括Zr-1Nb、Zr-2.5Nb；鋯錫鈮系主要包括美國西屋公司開發(fā)的ZIRLO合金、法國的M5合金，以及我國開發(fā)的N18、N36、CZ合金.

1.2 Zr-4鋯合金

Zr-4屬于鋯錫系合金，主要由Zr、Sn、Fe等元素組成，具體成分范圍如表1所示.

鋯合金的基體相為α-Zr，除了基體相以外還有第二相的存在，Zr-4鋯合金的第二相主要為Zr(Fe,Cr)2.Zr-4鋯合金的第二相分布如圖1所示.黑色顆粒為第二相，較均勻地彌散分布在基體中，大部分呈球狀，小部分呈現(xiàn)短棒狀.鋯合金的第二相對腐蝕行為、力學(xué)性能、輻照生長等有直接影響.

Zr-4合金的物理及力學(xué)性能如表2所示.不銹鋼是另一種常用的燃料棒包殼材料，與Zr-4合金相比，鋯合金的熱中子吸收截面遠(yuǎn)小于不銹鋼，屈服強度略高于不銹鋼，并且二者耐腐蝕能力相當(dāng).此外，Caleb等[9]和Thomas等[10]的研究表明，Zr-4合金包殼管與鐵基材料包殼管在爆破性能及微動磨損性能方面差異較小.與鐵基材料相比，鋯合金在未來核電領(lǐng)域仍有很大的應(yīng)用前景.

表2 Zr-4合金的物理及力學(xué)性能[11-13]

1.3 N36和CZ鋯合金

N36和CZ合金都是我國自主研發(fā)的新型鋯合金，N36合金包殼管材已在第3代核反應(yīng)堆中獲得了成功應(yīng)用，CZ合金包殼管材也已經(jīng)于2017年在嶺澳核電站入堆進(jìn)行輻照測試.N36和CZ鋯合金都主要由Zr、Sn、Nb等元素組成，具體成分范圍如表3所示.其中，常用N36鋯合金成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Sn 1%、Nb 1%、Fe 0.3%、O 0.1%[5].N36合金的相變過程為，725 ℃時α→α+β，910 ℃時α+β→β[11].

表3 N36和CZ鋯合金主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)[7-8,14]

N36鋯合金的第二相主要有3種：密排六方結(jié)構(gòu)的Zr(Nb,Fe)2、面心立方結(jié)構(gòu)的(Zr,Nb)2Fe和體心立方結(jié)構(gòu)的β-Nb，其中以Zr(Nb,Fe)2相為主[15-16].CZ鋯合金的第二相包括Zr(Fe,Cr)2、Zr(Nb,Fe)2、Zr(Nb,Fe,Cr)2和β-Nb.

N36、CZ鋯合金的物理及力學(xué)性能與Zr-4合金相近，只是在耐腐蝕能力上有所差別；Zr-4與N36、CZ鋯合金的成分及含量略有不同，通過成分對比可以看出Zr-4合金Sn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)多但不含Nb元素，而N36、CZ鋯合金都加入了Nb元素，Song等[17]研究發(fā)現(xiàn)Nb元素的加入降低了對N、C等雜質(zhì)元素的吸收速率，從而提高了合金的耐腐蝕能力.燃料棒包殼用N36鋯合金棒材的完整加工工藝包括：中間合金的熔煉、鑄錠的制備、鍛造、均勻化處理、棒坯的擠壓、熱軋、中間退火、冷旋鍛和成品退火等工序.最終成品鋯合金棒材的原始組織狀態(tài)為再結(jié)晶態(tài)等軸晶粒，晶粒大小為3～8 μm.對熱軋工藝制備的N36鋯合金棒材進(jìn)行室溫和實際工作溫度(300 ℃)下的拉伸實驗，測得的力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 N36鋯合金棒材的力學(xué)性能[18]

2 鋯合金包殼焊接方法的研究進(jìn)展

2.1 鋯合金焊接性

鋯合金具有較好的焊接性[19-22].鋯合金液態(tài)流動性好、焊后變形小、殘余應(yīng)力小，并且鋯合金的線膨脹系數(shù)小，裂紋傾向較小.但是在高溫下鋯合金的化學(xué)活度增加，使得鋯合金容易與空氣中的氧、氮、氫反應(yīng)，生成氧化鋯(ZrO2)、氮化鋯(ZrN)和氫化鋯(ZrH2).這些化合物會對鋯合金的強度、韌性、耐腐蝕性能產(chǎn)生不良影響.因此，在鋯合金的焊接工藝中一般都采用在純度較高的保護(hù)氣中進(jìn)行焊接的方法.

焊后可以通過焊縫區(qū)表面的顏色來判別污染程度，焊縫表面呈銀白色為最佳，顏色呈金屬光澤的黃色、紫色、藍(lán)色的焊縫受污染程度較小，性能幾乎沒有影響，而無金屬光澤的藍(lán)色、灰白色的焊縫則被嚴(yán)重污染，造成焊縫強度嚴(yán)重降低.目前應(yīng)用在鋯合金燃料棒端塞與包殼管的焊接方法主要有電阻對焊、電子束焊、鎢極氬弧焊、激光焊等.

2.2 電阻對焊方法

2.2.1 電阻對焊的工藝研究

電阻對焊的升溫過程速度快，接頭處金屬與空氣反應(yīng)的概率小，所以電阻對焊一般不需要在保護(hù)氣下完成.與其他焊接方法相比，電阻對焊熱輸入量小，焊縫處晶粒尺寸小，接頭力學(xué)性能優(yōu)良.此外，電阻焊得到的接頭缺陷少，不存在氣孔、夾渣等焊接缺陷.目前，電阻對焊是國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的鋯合金端塞與包殼管的焊接方法.

將端塞和包殼管分別用電極夾緊并裝配成為對接接頭，在氣缸壓力作用下端塞與包殼管緊密接觸，同時通過電極施加電流，電流由端塞側(cè)流向管材側(cè)，接頭處的接觸電阻和工件體電阻會產(chǎn)生電阻熱，接頭處迅速達(dá)到塑性狀態(tài)(或為熔化狀態(tài))，在力與熱的共同作用下形成連接.燃料棒包殼材料電阻對焊的主要參數(shù)有焊接電流、焊接壓力、包殼管伸出電極的長度、焊接時間.其中，焊接電流、焊接壓力、包殼管伸出電極的長度為主要參數(shù)，完成焊接的時間一般為20～50 ms.包殼材料電阻焊的焊縫幾何特征是焊接界面的塑性變形，其取決于這些工藝參數(shù)及工件的初始幾何形狀，接頭的顯微組織演變和熱影響區(qū)的形狀尺寸也是這些參數(shù)的結(jié)果.端塞與包殼管電阻對焊方法示意圖如圖2所示.接頭成型過程如圖3所示.

圖2 電阻壓力焊方法示意圖[23]Fig.2 Schematic diagram of resistance pressure welding method[23]

圖3 電阻對焊接頭的成型過程[24]Fig.3 Forming process of pressure resistance welding joint[24]

包殼管伸出電極的長度影響著焊接過程中的電流密度分布和接頭散熱速率，通常將伸出長度取值為1～3 mm，這是由于伸出長度過長會造成在通電過程中接頭附近管材因散熱不足導(dǎo)致失穩(wěn)變形，高溫下失穩(wěn)變形的包殼管如圖4所示.焊接壓力對接頭成形起著關(guān)鍵性作用.在小壓力下進(jìn)行試驗容易因接觸不良而導(dǎo)致接頭處產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象，導(dǎo)致接頭因高溫產(chǎn)生塌陷，工藝不穩(wěn)定；在大壓力下進(jìn)行試驗會出現(xiàn)接頭處已發(fā)生塑性變形，但未形成連接的情況，原因為焊接壓力過大造成接頭處管材在升溫過程中快速變形，包殼管與端塞接觸面迅速增大，導(dǎo)致其接觸電阻驟降，熱輸入不足.在獲得有效連接的前提下，焊接壓力一般采用較大的數(shù)值.

圖4 高溫下失穩(wěn)變形的包殼管Fig.4 Unstable deformation of cladded tube at high temperature

焊接電流是影響接頭成形的最為重要的因素.焊接電流過小會造成接頭處實際溫度過低，無法使接頭達(dá)到塑性狀態(tài)，包殼管與端塞不能形成有效連接；焊接電流過大，焊接溫度高，易造成接頭附近金屬氧化嚴(yán)重，增加熱影響區(qū)的長度，降低接頭的綜合性能.中核燃料元件有限公司的常艷君等[25]對AFA3G燃料組件燃料棒端塞與包殼管電阻對焊工藝參數(shù)進(jìn)行了探究并指出焊接缺陷的成因及消除措施，研究表明：采用小能量(小電流、大壓力、大伸出長度)焊接的焊縫處塑性變形不集中、強度不夠；采用大能量(大電流、小壓力、小伸出長度)焊接的焊縫處腐蝕結(jié)果不達(dá)標(biāo)；研究者使用大焊接電流(9 000～12 000 A)、較大電極壓力(2 800～3 100 N)、較小包殼伸出長度(0.6～1.2 mm)的焊接工藝進(jìn)行焊接，得到性能優(yōu)良的接頭.

上海大學(xué)的陳方泉等[26]開展了大量的焊接試驗，對焊縫組織和接頭性能進(jìn)行了多種檢測，得出了端塞和包殼管的電阻焊接適宜采用恒定壓力、大電流、短焊接時間(20～50 ms)的焊接工藝參數(shù).研究中還指出，端塞與包殼管兩側(cè)熱影響區(qū)寬度與接頭缺陷之間存在一定的聯(lián)系.

由上可見，采用電阻焊方法連接鋯合金端塞與包殼管的關(guān)鍵問題在于多個重要焊接參數(shù)的恰當(dāng)匹配.上述學(xué)者通過試驗的方法明確了端塞與包殼管電阻焊的工藝流程、焊接參數(shù)及缺陷成因等，但研究工作缺乏對焊接機理及焊接參數(shù)影響顯微組織變化的深入探究.

圖6 焊接溫度分布云圖[28]Fig.6 Welding temperature distribution nephogram[28]

2.2.2 電阻對焊的數(shù)值仿真工作

包殼管與端塞電阻對焊過程中的焊接電流隨時間的變化如圖5所示，對應(yīng)各點的溫度云圖見圖6.在A～B階段端塞與包殼管在預(yù)壓力的作用下形成緊密貼合，然后快速施加較大的焊接電流，使接頭處快速產(chǎn)熱并達(dá)到塑性狀態(tài)(或為熔化狀態(tài))，在焊接壓力作用下工件于B、C階段形成初步連接；在D、E階段，接頭會進(jìn)一步形成連接，達(dá)到熔融狀態(tài)的材料逐步降溫并隨之生成新的組織，這個階段雖仍有電流通過，但由于接頭處的接觸電阻很小并不會使其升溫.針對燃料棒包殼材料電阻焊工藝是否為固相焊連接方法，國內(nèi)外學(xué)者提出了不同的看法.國內(nèi)陳方泉等[27]對電阻焊溫度場進(jìn)行了探討，通過ANSYS軟件對溫度場進(jìn)行有限元模擬.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊縫處最高溫度為1 500 ℃，并未達(dá)到鋯合金熔點，這使得接頭晶粒組織細(xì)小，接頭具有良好的力學(xué)性能.然而，韓國科學(xué)技術(shù)院的Na等[23, 28]通過模擬方法得出鋯合金端塞與包殼管的最佳電阻焊接參數(shù)，此外，還通過試驗證明了焊接接頭是以熔化的方式形成連接.目前，更多的研究者認(rèn)為燃料棒包殼材料電阻焊屬于固相焊接方法.

圖5 焊接電流與時間關(guān)系[28]Fig.5 Diagram of relationship between welding current and time[28]

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Kersten等[29]通過有限元軟件模擬得出電阻鐓粗對焊過程中的熱分布，并通過試驗驗證了模擬結(jié)果.結(jié)果表明由于焊接壓力的原因造成接頭處熱分布不均勻，焊縫內(nèi)部溫度低，兩側(cè)溫度較高.

電阻焊中端塞和電極、包殼管和電極、端塞和包殼管的接觸電阻是產(chǎn)生焊接熱源的主要因素.其中，端塞與包殼管的接觸電阻對接頭成形過程有著重要影響，但是在焊接過程中，接觸電阻隨著壓力、溫度、連接過程的完成情況而發(fā)生變化，難以通過實驗方法直接測得.波爾多大學(xué)的Doyen等[30]利用有限元模型研究了一種校準(zhǔn)接觸電阻的方法，并通過試驗驗證了該方法的可行性，研究還發(fā)現(xiàn)在端塞與管材的電阻焊中，由于參數(shù)不當(dāng)造成的變形均出現(xiàn)在管材一側(cè).端塞與電極、包殼管與電極的接觸電阻也對接頭的形成有著重要的影響.巴黎-薩克雷大學(xué)的Olivier等[31]和Corpace等[32]對氧化物彌散強化鋼材質(zhì)的端塞和包殼管進(jìn)行電阻焊試驗，指出在包殼管與電極接觸附近會出現(xiàn)一個高變形區(qū)；高熱輸入量的焊接工藝會造成管材塌陷，塌陷的根本原因是包殼管與電極之間存在著較大的電流密度；可以通過改變包殼管伸出長度來避免這種缺陷.對于燃料棒包殼材料電阻對焊過程中接觸電阻的具體數(shù)值及隨參數(shù)的變化規(guī)律還需要開展進(jìn)一步的研究.

研究者通過試驗明確了端塞與包殼管電阻焊的工藝流程、焊接參數(shù)及缺陷成因等，數(shù)值模擬大都關(guān)注于焊接過程溫度場分布及演變過程，缺乏對焊接過程中金屬流變、接頭成型機理、顯微組織演變及各焊接參數(shù)對接頭服役性能影響的系統(tǒng)研究報道，難以對焊接工藝優(yōu)化提供方向性指導(dǎo).

2.3 其他焊接方法

中核北方核燃料元件公司的崔振波等[33]采用改良的小直徑鈰鎢極TIG焊將鋯合金端塞和包殼管焊在一起，并通過調(diào)整參數(shù)，重點討論了在TIG焊時壓塞預(yù)緊力、基值電流和峰值電流對焊縫質(zhì)量的影響，得到了最佳參數(shù)，通過多組試驗確定壓塞預(yù)緊力為0.35～0.45 MPa、基值電流為25～35 A、峰值電流為65～75 A時焊接質(zhì)量較好，適宜批量生產(chǎn).TIG焊操作簡便，但工藝參數(shù)窗口窄，并且得到的焊縫質(zhì)量較差.中國核動力研究院的蔣帆[34]采用電子束焊對N36鋯合金端塞與管材進(jìn)行焊接，通過多種性能檢測試驗得出該焊縫滿足反應(yīng)堆使用要求的結(jié)論.目前的研究認(rèn)為，電子束焊線能量高，易造成焊縫合金元素的蒸發(fā)，進(jìn)而降低焊縫的耐腐蝕性能，所以為了避免接頭性能變差，在采用電子束焊方法焊接包殼材料時應(yīng)降低輸入能量密度[35-37].激光焊接方法不需要真空室，比電子束焊接更高效，Boutarek等[38]對包殼材料激光焊工藝進(jìn)行優(yōu)化，探究了焊接接頭的顯微組織特征及力學(xué)性能，研究表明激光焊的接頭質(zhì)量滿足核反應(yīng)堆使用要求.俄羅斯學(xué)者M(jìn)axim等[39]通過多組對比試驗，確定了Zr-0.1%Nb合金激光焊接的工藝參數(shù)，并討論了在不同保護(hù)氣流速下出現(xiàn)的幾種類型的焊接缺陷.印度學(xué)者Satyanarayana等[40]建立了鋯合金端塞與包殼管激光焊三維傳熱和流體流動模型，計算得到了激光焊過程中的溫度分布及熔池幾何形狀，研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)熔池的最高溫度取決于功率，而與焊接速度無關(guān)，熔池的幾何形狀受功率、焊接速度、熔池金屬流動等因素影響.

鎢極氬弧焊、激光焊、電子束焊都屬于熔化焊，焊縫經(jīng)歷了升溫、熔化、冶金反應(yīng)、冷卻等過程，焊縫金屬形成過程發(fā)生了化學(xué)冶金和物理冶金反應(yīng)，焊縫區(qū)的成分、組織與母材相比有明顯的區(qū)別，而成分和組織的改變直接影響了接頭的服役性能.激光焊和電子束焊與傳統(tǒng)的弧焊方法相比，獲得接頭的熱影響區(qū)小、服役性能優(yōu)良，這2種焊接方法是除電阻焊外在燃料棒包殼材料連接中廣泛使用的技術(shù).

3 接頭顯微組織特征及力學(xué)性能

鋯合金良好的力學(xué)性能在很大程度上取決于其α-Zr晶粒的尺寸，而焊接過程會對其原始組織產(chǎn)生較大影響.采用熔化焊接方法會造成金屬熔化，容易產(chǎn)生氣孔、夾渣、未熔合等焊接缺陷，并且熔化焊接方法熱輸入大，會造成接頭晶粒粗大，影響接頭性能.如采用電子束焊接方法得到的接頭，熱影響區(qū)比較寬，且接頭區(qū)域晶粒粗大，晶粒尺寸在300 μm左右，遠(yuǎn)大于母材的原始晶粒尺寸(8 μm)[41-42].電阻對焊屬于固相焊接，接頭在電阻熱作用下迅速達(dá)到塑性狀態(tài)，形成原子間結(jié)合后快速冷卻，所以電阻對焊熱影響區(qū)窄、接頭區(qū)域晶粒細(xì)小(20 μm)、第二相分布更加均勻，接頭耐腐蝕性能和抗沖擊載荷性能優(yōu)異.然而，電阻對焊會造成接頭處的一部分金屬被擠出或者進(jìn)入密封的包殼管內(nèi)部，形成與包殼管厚度相當(dāng)?shù)膬?nèi)部和外部毛刺，這部分金屬在工作載荷作用下容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致接頭存在開裂的隱患，并且這部分金屬在服役過程中最容易發(fā)生腐蝕，所以在電阻對焊后需要通過機械方法對毛刺金屬進(jìn)行打磨處理.

鋯合金在不同的冷卻速度下得到的組織是有差異的.在較快速度下冷卻時焊縫處形成馬氏體相，并且不會發(fā)生合金元素的明顯偏析，快速加熱和快速冷卻的工藝條件還會使焊縫金屬溶解氮的量減少，從而使焊件有良好的耐腐蝕性能；在慢速度冷卻條件下，焊縫處會形成魏氏組織，對接頭性能造成不良影響[43-45].Zr-4合金進(jìn)行電阻對焊時的冷卻速率約在103 ℃/s，冷卻速度快，焊縫及熱影響區(qū)處為馬氏體組織及細(xì)小的魏氏組織[46-47]，如圖7所示.目前，對于鋯合金電阻對焊的組織特征分析及焊接參數(shù)對組織影響的報道較少，如參數(shù)對晶粒尺寸、晶界取向差、相分布的影響等.鋯合金電阻對焊后的組織對接頭耐腐蝕能力及力學(xué)性能的影響機制仍需進(jìn)一步研究.

圖7 鋯合金電阻對焊熱影響區(qū)組織Fig.7 Microstructure of heat affected zone of zirconium alloy resistance butt welding

電阻對焊獲得的接頭在金相顯微鏡下可以觀察到一條非常細(xì)的分界線，這條分界線就是端塞與包殼管的熔合線.一個性能優(yōu)異接頭的評價標(biāo)準(zhǔn)之一就是熔合線長度要大于包殼管的壁厚.目前的研究對于熔合線的形成機理尚不清楚.

Park等[28]在焊后金相組織中發(fā)現(xiàn)在晶粒內(nèi)部存在黑色物質(zhì)，通過檢測表明該黑色物質(zhì)為碳化鋯相，析出的碳化鋯對接頭強度影響較小，而對應(yīng)力腐蝕存在一定影響.研究者通過監(jiān)測瞬時動態(tài)電阻、瞬時焊接壓力、電極位移的方法對焊縫質(zhì)量檢測，通過一系列模擬試驗，找到了適合監(jiān)測焊縫質(zhì)量的因素[48].

電阻對焊的接頭沒有明顯的熔合區(qū)域，只形成了一條很細(xì)的熔合線.Na等[49]對電阻焊方法得到鋯合金包殼材料連接件進(jìn)行數(shù)值模擬和爆破試驗，模擬結(jié)果表明接頭處產(chǎn)生熔化的組織長度大于管壁厚，研究中還探討工藝參數(shù)對接頭成形和強度的影響規(guī)律.爆破試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)斷裂出現(xiàn)在包殼管母材處，而不是焊縫；接頭處顯微硬度大于兩側(cè)母材的硬度；較大的焊接電流和伸出長度都會提高強度，焊接壓力對試驗結(jié)果影響較小，電流和伸出長度對焊縫質(zhì)量影響大.法國研究者Gaillac等[50]將電阻對焊過程的有限元模型與爆破試驗?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合，用于模擬試驗中的優(yōu)質(zhì)焊縫和劣質(zhì)焊縫，以優(yōu)化焊接質(zhì)量和設(shè)計新的焊接結(jié)構(gòu).

電阻對焊獲得的接頭爆破強度和硬度要高于母材，鋯合金母材的強化機制主要為細(xì)晶強化和第二相顆粒強化，然而，接頭組織分析結(jié)果表明在焊縫和熱影響區(qū)僅有少量的第二相顆粒存在.目前，對于焊后第二相顆粒的存在狀態(tài)及焊接接頭的強化機制仍需進(jìn)一步研究.

4 結(jié)論與展望

1) 在鋯合金燃料棒端塞與包殼管的焊接方法中，電阻對焊具有無可比擬的優(yōu)勢.多數(shù)學(xué)者認(rèn)為鋯合金電阻對焊屬于固相焊接，接頭處不會熔化，得到的組織晶粒細(xì)小、缺陷少、接頭性能優(yōu)異.目前，國內(nèi)鋯合金端塞與包殼管電阻對焊仍處于跟蹤狀態(tài).

2) 國內(nèi)外研究者通過有限元模擬和試驗相結(jié)合，初步揭示鋯合金端塞和包殼管電阻對焊的機理，得出電阻焊溫度場和電流密度分布圖，確定了焊接電流、包殼管伸出電極的長度、焊接壓力這3個主要焊接參數(shù)的數(shù)值范圍，并探究了各參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響.

3) 鋯合金端塞與包殼管電阻對焊得到的接頭性能優(yōu)異，焊縫及熱影響區(qū)為馬氏體組織，焊縫處強度高于母材，接頭拉伸試驗時斷裂出現(xiàn)在包殼管的母材上.

電阻對焊已經(jīng)在鋯合金端塞與包殼管焊接中得到推廣，但研究還不系統(tǒng)、不全面，仍有一些問題有待研究：

1) 大部分科學(xué)研究都是對鋯合金電阻對焊工藝參數(shù)的探討，而對焊接接頭顯微組織研究很少；對接頭相組成、晶粒尺寸和形態(tài)、晶粒取向與接頭力學(xué)性能之間的聯(lián)系還需要進(jìn)一步開展研究；焊接參數(shù)對接頭耐腐蝕性能的影響規(guī)律也尚不清楚.

2) 學(xué)者們對于鋯合金包殼管與端塞電阻對焊是否為固相連接仍存在分歧，這可能是工藝參數(shù)、材料等原因造成的.對于這個問題學(xué)者們還需要通過試驗或模擬仿真進(jìn)一步探討.

3) 端塞與包殼管的接觸電阻對接頭的成形具有重要影響，通過對接觸電阻的分析可以更加深入地了解包殼材料電阻焊的連接機理.然而，通過試驗方法獲得接觸電阻的數(shù)值比較困難，接觸電阻在焊接過程中隨工藝參數(shù)的變化趨勢尚不清楚.

4) 對包殼管與端塞焊接接頭性能檢測方法比較單一，除破壞性檢測方法外，還可以將恰當(dāng)?shù)臒o損檢測方法應(yīng)用到接頭性能檢測中，并制定出相應(yīng)的評估標(biāo)準(zhǔn).