条带对格架制造工艺及产品质量影响研究

姚俊　郭蕊妍

摘要：核电能源清洁性高、碳排放少，属于清洁能源重要分支。在经济发展的今天，能源需求愈发增大，核燃料组件需求量增加。格架作为核燃料组件的中心部件，其稳定性及质量会直接影响核反应堆性能。基于此，本文将重点研究条带对格架制造工艺及产品质量的影响，明确具体影响因素及产生原因，针对质量问题提出条带制造工艺的解决措施，以供参考。

关键词：条带；格架；核燃料

DOI：10.12433/zgkjtz.20232138

格架属于核燃料组件的重要部件，其结构稳定性会对核燃料组件产生一定影响，甚至会威胁核反应堆的运行安全。条带作为格架的关键部件，结构复杂及种类繁多，加工难度较大。实际上，在条带制造期间，借助对原材料控制、优化模具及冲制工序等多种调整手段，有效把控条带质量，有助于解决常见问题。

一、条带及格架产品

（一）条带

条带凭借条带上弹簧以及搅混翼等相关结构的合理组合，可以组装成结构不同的格架，为格架在核燃料组件中，发挥对燃料棒的夹持功效提供助力。

以第三代压水堆核燃料组件为例，根据条带的功效，条带呈现出“一”字形，这种形状的细长性带状结构。其中，条带的长度大约处于200mm，宽度在30～60mm，而厚度则大约为0.5mm。实际上，燃料组件骨架期间，根据格架的种类以及功效不同，条带的结构也会有所不同。依据结构上的差异，格架会有条带36条，其中有32条内部条带、4条外部条带。条带的制造工艺，主要是用于锆合金或相关薄带上，凭借一次冲压或者多次冲裁等手段，成型操作。具体成形后，在条带上会呈现极具刚性的刚凸，或弹性十足的弹簧等多种架构。甚至于有些一次冲压成型的凸起结构，不仅会在条带的平面上出现，在条带的两面还会有所呈现，形成较为立体的凸起架构，类似于条带上的凸起，或者搅混翼，都属于其表征。

（二）格架

格架属于构建燃料元件骨架的核心部件之一。格架的主要功能是支撑、夹持燃料，促使燃料棒精准到达适宜的排列方位，以此进一步满足堆芯对于核能、热量以及水力等各方面的需求。以第三代压水堆核燃料组件为切入点，其内在的格架主要包括三种类型格架，分别是搅混格架、上下端部格架以及中间搅混格架。搅混格架和中间搅混格架，这两种品类的格架作用十分显著，除了能发挥自身较为直观的保持燃料组件骨架外形的效用，还能发挥搅混冷却剂的效用；上下端部格架主要的功能是夹持相关的燃料棒，确保燃料棒能够精准地处于组件内相互位置中。随着技术的不断发展，在部分燃料组件中，还出现一种较新型的格架。此种新型格架主要是在燃料组件骨架的底部区域，其运作的功效主要是保障燃料组件免受异物侵扰，促使其时刻处于安全的状态之中，这种较为特殊的结构格架实用性极为显著。

以第三代的压水堆燃料组件，核心部件骨架格架为例，32条内条带中16条开槽方向朝上，而另外16条开槽方向朝下，这些内条带会通过插槽，实现相互连接，形成风格较为突出的“蛋箱”架构。外条带中处于等布局中的插槽与内条带端处的舌片，通过相插接的方式，变成框架架构的格架。框架之中的每一条条带，都有着较为明显的插槽、刚凸等结构表征特性。据统计，在总体框架结构将近有290个栅元，在条带的各个栅元中，它们都会凭借以多种组合形式，形成种类不一的条带，并在限位燃料棒中发挥出自身应有的功效，为之后顺利构成核燃料组件骨架夯实基础。

（三）格架制造工艺

关于条带的制造工艺主要包括带材送料、自动下料、热处理等。格架较为常规制造工艺主要有格架条带装夹固定、格架激光以及电子束焊等。激光以及电子束这两种焊接制作期间，都需要采用能量束焊接手段，格架制造工艺在大体上分为上夹具板和下夹具板两类（见图1）。而对于格架条带的装夹固定也尤其重要，采用如下夹具固定和定位。

二、条带对格架制造工艺及其产品质量影响分析

在核燃料组件期间，格架是重要的核心部件。而条带作为格架产品的核心部件，可凭借自身的弹簧以及刚凸等结构的有机组合，组建成结构不一的格架。现如今，随着人们对核电能源的不断重视，国内已经拥有了较为优越的格架产品批量生产能力，但大批量的条带仍依赖于进口，这在无形中也会致使整体的产业链较为薄弱。为有效避免原材料的制约，进一步提升国内压水堆核燃料元件供应水准，合理探究条带对格架制造工艺及产品质量影响十分必要。

在条带的具体制作期间，通过有意识地对条带质量进行把控分析等操作，进一步掌握格架条带质量的影响关键点，并针对这些关键点提出有针对性的解决措施，可实现条带制造的优化操作，致使整体冲制工艺实现科学化，进而有效消除条带产品的直观质量问题，为实现一体化生产和批量生产提供夯实的技术支持。

（一）变形的影响

条带的结构有着较为统一的标准：0.5mm的厚度、30～60mm的宽度以及220mm的长度，条带的母材都为卷料进料，极易致使条带的平整度相对不足，待经历过冲制加工运作之后，出现横弯、卷弯等程度不一的变形状况。横弯变形主要是指条带在宽度范围的弯曲，而卷弯变形主要是指条带在长度方位上的弯曲。

实际上，想要顺利地完成格架产品的制造，就需要合理将条带部位实行穿插组合，形成较为稳固的格架基体。在具体的格架组装期间，多条内条带经过上下插接，整体组装好的格架基体再借助装夹限位后，格架直观地体现电子束或者激光等相关的焊接工艺。如果条带变形严重，具体的外形尺寸也会存在较大程度上的偏差，时常会出现格架外形尺寸差的问题。条带变形问题的出现，导致组装操作出现困难，插接工作难以顺利进行，尤其是出现卷弯问题会对组装影响更大，严重还会出现格架栅元形状大小不一的状况。而立足于格架的成品角度，影响具体表现在尺寸不合格上。与此同时，受条带变形的影响，条带匹配之间，会存有或多或少的间隙，且整体的间隙大小不一，偏大、偏小现象时常出现，严重影响格架焊接工艺落实成效，对工艺参数的控制有着显著的阻碍作用。

（二）基本体冲裁缺陷的影响

条带成型工艺槽主要是采用冲裁手段加以施工运作，冲裁运作的主要目的是将没有用处的材料去除，以进一步保障材料的本体架构。基本体冲裁呈现缺陷状态，主要是表现在插槽薄厚不一、切口不平整等方面，这些缺陷具体的出现位置会集中在细长槽及边缘切断处。

在具体格架组装期间，受上述缺陷，如切口不平整，毛边、异形边等问题的影响，格架条带在落实相互插接期间会受到较为严重的阻碍，在作业人员具体落实格架焊接期间，焊缝漏焊问题频出。

具体使用的焊接手段主要是电子束或激光手段。对于具体的施工条件要求极高。若焊接尺寸在具体运作期间存有较大偏差，焊接熔池流动问题较为显著，焊缝外形也会出现明显的变化。

（三）成型结构缺陷的影响

条带成型结构主要是指冲制部位的凸起结构，这些结构因其一体成型的影响，人们都将其称为一体架构，此种材料极可能发生形变，但是没有具体的断裂现象产生，在具体冲制期间，冲制工艺可能会致使冲制裂纹的发生，出现冲制回弹现象，致使具体的成型尺寸达不到预期要求。

这种缺陷表现在格架产品上，主要是表现在尺寸不符合技术需求方面。除此之外，条带成型结构会在格架的栅元之内形成系统化夹持单元，而搅混翼则会在组件之内自发形成搅混系统，这种成型结构的缺陷不仅会对格架栅元的具体尺寸造成影响，还会在一定程度上影响着格架对夹持成效，以及格架在反应堆范畴之内的所属性能。

（四）热处理质量的影响

针对条带热处理环节而言，会出现较为常见的两种缺陷：一种是锆合金氧化，受原材料特性的限制，在具体展开热处理环节期间，如若不精准地把控工艺操作，致使条带氧化，且受氧化影响的条带并不适用于焊接工艺中。其主要是因为在落实焊接操作期间，极易产生脆性较强的化合物，致使焊缝接头区域的性能出现较为明显降低。另一种主要是指条带变形。条带一般都属细长扁平结构，若经过猛烈冲制加工后，内部极易产生较大的应力。因此，在具体落实热处理工作，去消除应力环节期间，条带成型结构以及自身的现实外形尺寸都会出现细微的变化。

不难看出，热处理出现缺陷会对整体的工艺造成较为明显影响。因此，相关人员必须及时解决热处理质量问题，尽可能避免条带氧化。

（五）电镀质量的影响

电镀属于条带钎焊工艺之中使用率较高的工艺，可选性极强。此工艺主要凭借镀层效用，有意识改变融合成效。在电镀期间，受条带特殊结构制约，镀层不均匀问题以及附着力不够现象时常出现。

条带电镀缺陷具体特征会集中表现在总体厚度变化上，因条带冲裁的具体尺寸都经过精准计算获得，局部镀层厚度出现不可控的变化时，极易致使格架条带在落实具体的组装插接期间受到阻碍，组装后钎焊工艺也会受钎料流动性的影响，钎焊质量出现问题。

三、条带质量把控措施

条带冲制工艺属于持续发展的系统性工程。其中包括装备选型、材料选制以及工艺排序等，条带的具体质量也会受热处理工艺以及电镀工艺等影响。针对上述会对格架质量造成影响的条带缺陷，相关人员必须加以重视，积极采取有针对性的方法，将缺陷带来的影响有效减轻或消除。

针对冲制后形变现象可使用原材料整形的手段，通过对卷带材料的有机整形，进一步调整具体的平整度。此外，还可在冲制期间有序添加矫形等工序，严防在冲制环节内出现变形。最后，可在冲制期间适当调整冲制施加力，有效缓解条带变形。

冲裁缺陷主要是因模具质量引起的。在具体的质量把控期间，要严格依据冲裁的原材料性能，选择较为适宜的刀具材料，确保条带冲裁可以实现快速切断，有效避免粘连。需特别注意的是，舌片缺陷主要由排样不合理导致，要针对现实状况，有序调整工序排样，确保整体的质量把控工作精准达到预期成效。

针对条带成型尺寸有偏差，相关人员必须明晰间隙设定的标准，通过把控间隙设定的因素，合理消除消极影响，确保整体的成型尺寸在允许的范围内。

对于热处理工艺来讲，其稳定性会直接影响材料力学性能。热处理会对材料的氧化性能产生较为直观的影响，作业人员可借助一定手段，合理调整热处理期间的气体释放时间，科学把控锆合金材料出现氧化问题；对于热处理出现的搅混翼角度变化现象，可通过合理设置具体冲制角度，尽可能防止热处理后尺寸出现变差现象。

最后，要高度重视电镀溶液配比及各项参数把控工作，直观地实现对电镀质量的精准把控。在具体运作时，如出现不可避免的电镀边缘效应，作业人员必须快速反应，及时控制电流密度，有效达到改善电镀边缘效应的工作成效。

四、结论

综上所述，格架受结构复杂、材料特殊等因素影响，加工难度较大，所以，只有充分对条带质量以及格架制造工艺进行精准的分析，明晰具体缺陷类型，有针对地开展高效的控制手段，以此确保条带冲制能够更加稳定，为之后实现批量生产提供技术支撑。

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