核燃料元件用锆合金包壳的焊接

钟多军

摘 要：介绍了核燃料元件用锆合金包壳的焊接工艺，并且对熔化焊和非熔化焊的焊缝形成机理进行了讨论，对燃料元件的焊接缺欠进行了介绍并讨论了减少焊接缺欠的方法。

关键词：锆合金；焊接工艺；焊接缺欠

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

1 引言

锆合金具有良好的核性能，其力学性能适中，并且具有优异的加工性能，其在核反应堆中的抗中子辐照性能和抗腐蚀性能比较优异，因此，锆合金常作为轻水核反应堆燃料包壳以及结构材料，例如燃料包壳管、中子通量管、导向管、定位格架等。

锆合金是随着水冷反应堆的发展而发展的。锆合金系列主要有三大类，包括有锆锡系、锆铌系和锆锡铌系。目前，已应用的锆合金已发展了三代：第一代锆合金为 Zr-2和Zr-4合金，第二代锆合金指改进型Zr-4合金，第三代合金指ZIRLO合金、E635合金、M5合金等新型锆合金。

在反应堆运行时，为避免裂变产物泄露到核反应堆的冷却剂中，以及保证核燃料不被冷却水腐蚀，通常采用焊接方法将核燃料密封在核燃料包壳中。

2 燃料棒焊接工艺

燃料棒的焊接方法主要有电子束焊接（EBW）、钨极保护气体电弧焊（TIG）、压力电阻焊接。

电子束焊接是五十年代发展起来的一种新颖，能量密度高的熔化焊接方法。电子束焊接是用极致密的高速电子流打到被焊金属的接缝上，使其加热、熔化金属、冷却形成焊缝实现焊接。电子束是在高真空环境中通过电子枪产生的，功率密度极高的高速电子流与工件碰撞时，电子与金属晶格的整体也与金属原子、分子和电子相互作用，由于介质原子的电离与激发，电子的能量基本上传递给被焊工件，电子的动能转化为热能，从而使被轰击的材料升温熔化，达到焊接的目的。

TIG焊接时本世纪40年代发展的一种焊接技术，由于这种方法比较成都，所以它最小用于燃料元件的生产中。TIG焊时利用惰性气体作为保护介质的一种电弧焊方法，它是利用燃烧与非熔化电极和焊件之间的电弧作为焊接热源，以Ar或He等惰性气体在电弧周围造成局部气体保护层，以防止空氣对电极，电弧区和金属熔池的浸入，保证焊接过程稳定性，从而获得高质量的焊缝。

电阻焊也是发展较早的一种焊接方法，它是利用工件接头处产生的电阻热作为热源，并在压力下形成焊接接头。电阻焊是焊件通电流后，利用焊接区电阻产生的热量，是焊接区金属加热到局部熔化或高温塑性状态，在外力的锻压作用下形成牢固接头的一种焊接方法。

其中，EBW焊和TIG焊属于熔化焊接，在焊接过程中，焊缝的形成经历了加热、熔化和冶金反应，熔池温度随着热源的离开而逐渐冷却凝固，并发生固态相变，成为焊缝金属。形成焊缝的过程中，存在化学冶金和物理冶金过程，因此，焊缝区的微观组织和成分相对于母材有区别，在焊缝两侧在焊接热源的影响下发生组织组织转变，形成热影响区。

而压力电阻焊属于非熔化焊接，焊接时焊缝接头处的金属处于塑性状态，电阻焊的锻造作用引起锆合金表面的氧化膜破裂，使锆晶体紧密接触，焊接时达到的高温低于锆合金的熔点，所以焊接接头处没有熔核出现，短时间的热量输入，快速变形和冷却，导致焊缝区的组织类似与锻造组织。压力电阻焊不像熔化焊有明显的熔核存在，只是在焊缝接头处会出现一条很细的分界线，此条“焊接线”由细小的氧化物组成，在金相试样制备时，由于其与焊缝金属的腐蚀程度不同而形成的。

3 燃料棒焊接缺欠

锆合金焊接过程中，由于各种原因为生产各种类型的缺陷，缺陷的存在减少了焊接接头处的承载面积，影响了焊接接头处的力学性能。燃料元件焊接过程中的主要缺陷有焊缝成型不良、氧化色、未焊透、气孔、气胀、晶间开裂等。下面介绍燃料元件焊缝主要缺陷：

（1）焊缝成型不良。燃料棒在采用熔化焊工艺时（TIG和EBW）时，焊缝在外观上表现为光滑；焊缝呈银白色；出现漂亮均匀的鱼鳞纹；焊缝与母材金属过渡均匀。而成型不良的焊缝表面凹凸不平；焊缝的宽度不一；在焊缝与母材的接触处有称为“咬边”的锐利凸起或凹坑等。出现焊缝成型不良的原因主要是焊接设备不稳定、焊接工艺参数选择不合理等。

（2）未焊透。燃料棒焊缝的未焊透是指焊缝的熔深未达到包壳管壁厚的90%，在金相照片上表现为局部未熔合。未焊透缺陷常常在采用TIG焊接的焊缝中出现，造成未焊透的主要原因是焊接电流过小、钨极对中性不足、钨极与焊接件的距离不合适。

（3）气孔和气胀。气孔、气胀是燃料棒熔化焊中的常见缺陷。气孔一般呈圆形，气孔可以在焊缝表面、焊缝内部及边缘处分布。气胀一般沿包壳和端塞的结合处的焊缝根部分布。出现气孔或气胀的主要原因为端塞与包壳的配合间隙选择不合适，焊接接头处沾污，参数选择不合理等。

另外，由于燃料棒内燃料棒弹簧的存在，在焊接燃料棒上端塞时，燃料棒弹簧会给端塞一个应力，使燃料棒焊接时受到应力的作用，在热影响区出现晶间开裂。解决的主要方法为采用一个焊接顶头消除燃料棒弹簧带来的应力，并使燃料棒焊接后的冷却均匀。焊接气氛或工件表面沾污会引起焊缝表面或热影响区出现氧化色，这就需保证焊接气氛及工件表面的清洁度。

4 结论

本文对核燃料棒用锆合金的焊接工艺进行了全面的介绍，讨论的燃料棒焊接接头的形成机理和焊接缺欠的形成原因，有利于在生产中消除焊接缺欠，保证核燃料棒在堆内的运行安全。

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