核燃料元件用鋯合金包殼的焊接

劉長(zhǎng)城

【摘 要】改革開發(fā)以來(lái)，我國(guó)的核燃料產(chǎn)業(yè)不斷向前發(fā)展，核燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)生了巨大變化，核燃料的加工工藝逐漸成熟，出現(xiàn)了各種核燃料的改進(jìn)方法。本文將對(duì)核燃料元件用鋯合金包殼的焊接工藝進(jìn)行分析，并討論熔化焊、非熔化焊以及焊接過(guò)程發(fā)生的不完全工藝-焊縫的形成機(jī)理。還會(huì)就核燃料焊接出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行介紹，例如對(duì)核燃料元件的焊接缺陷等問(wèn)題。筆者會(huì)對(duì)焊接出現(xiàn)的問(wèn)題提出一定的有建設(shè)性的意見，討論有效解決焊接缺欠的方法，促進(jìn)核燃料元件用鋯合金包殼焊接工藝的發(fā)展進(jìn)步。

【關(guān)鍵詞】核燃料元件；鋯金屬；焊接工藝；焊接缺陷

一、鋯元素及其合金類型

鋯是一種化學(xué)元素，化學(xué)符號(hào)是Zr。鋯金屬具有良好的氧親和力、可塑性、耐腐蝕性，鋯元素以其優(yōu)異的核性能，成為核燃料包殼管的首選材料，鋯元素有著優(yōu)秀的加工性能，在和反應(yīng)堆中表現(xiàn)出良好的抗中子輻射性能和抗腐蝕性能。鋯的化合物氫氧化鋯是生產(chǎn)金屬鋯、氧化鋯和其它化合物的重要中間產(chǎn)品，氧化鋯具有增韌的特性，優(yōu)異的力學(xué)性能。結(jié)合鋯合金的各個(gè)方面的優(yōu)異性能，鋯元素是輕水核反應(yīng)堆燃料包殼和結(jié)構(gòu)材料的重要材料，在燃料包裝殼、定位格架、導(dǎo)向管、中子通量管等材料中都有使用。由于鋯合金在核燃料研究的重要作用，鋯合金的發(fā)展往往與核水反應(yīng)堆的發(fā)展如影隨形，每一項(xiàng)重大的改進(jìn)都會(huì)引起核水反應(yīng)堆的發(fā)展。工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的鋯合金有以下兩個(gè)系列：鋯錫系列核鋯鈮系列。另外還有鋯錫鈮系列。鋯錫系列的代表是ZR-2合金，鋯鈮代表是Zr-2.5Nb合金。還有新研究出的新型鋯合金，例如E635合金和ZIRLO合金等等。核燃料元件用鋯合金包殼焊接的主要原因是：核反應(yīng)堆在工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的具有腐蝕性等不利于試驗(yàn)正常進(jìn)行的裂變產(chǎn)物，為了防止這些裂變物污染核反應(yīng)堆冷卻液、確保核原料不會(huì)受到腐蝕以及有效地導(dǎo)出熱量，一般采用焊接的方法將核燃料密封在具有特殊性能的包殼中，保證核反應(yīng)堆持續(xù)高效率地工作。

二、核燃料包殼焊接工藝

核燃料包殼焊接需要用到燃燒棒，用燃燒棒地焊接工藝主要有以下三類：1.壓力電阻焊接；2.鎢極保護(hù)氣體電弧焊，簡(jiǎn)稱TIG；3.電子束焊接，簡(jiǎn)稱EBW。筆者將在下文對(duì)以上三種焊接工藝進(jìn)行介紹分析：

（一）壓力電阻焊接

壓力電阻焊接法在接觸焊接中又稱為電阻焊接，是利用金屬本身阻抗金屬之間地接觸阻抗，借助電流引起局部民熱融化，同時(shí)施加一定的壓力進(jìn)行焊接的方法。電阻焊工藝分為電焊，縫焊、對(duì)焊和凸焊等四類。

（二）鎢極保護(hù)氣體電焊法

鎢極保護(hù)氣體電焊法簡(jiǎn)稱TIG或GTAW。屬于不熔化極氣保護(hù)焊，其焊縫是由利用鎢電極與工件之間的電弧使金屬熔化而成。焊接工藝中鎢極不會(huì)熔化，只發(fā)揮電極的作用，利用惰性氣體例如氦氣或者氬氣作為保護(hù)介質(zhì)，保護(hù)電極和熔池，焊接時(shí)還可以根據(jù)加工要求另外添加填充金屬，是有效穩(wěn)定連接打底焊和薄板金屬的一個(gè)極好的焊接方法。

（三）電子束焊接

真空電子束焊接是應(yīng)用最廣的電子束焊接，電子束焊接簡(jiǎn)稱EBW，是利用加速和聚焦的電子書不斷轟擊在真空中或者非真空的焊接面，利用產(chǎn)生的熱能等效果使被焊工件熔化，冷卻形成焊縫實(shí)現(xiàn)焊接。電子束焊接的基本原理是電子槍中的陰極由于間接或者直接受熱發(fā)射電子，發(fā)射的電子經(jīng)由高壓靜電場(chǎng)的加速和電磁場(chǎng)的聚焦作用形成能量密度極高的電子束，能量密度極高的高速電子流與被焊接工件發(fā)生碰撞，金屬結(jié)構(gòu)和電子發(fā)生相互作用，電子的能量大多傳遞給被焊工件，電子束所擁有的巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成巨大的熱能，是被焊接工件升溫熔化，之后冷卻形成焊縫。

電子束焊接和鎢極保護(hù)氣體電焊均屬于熔化焊接，但是兩者有一定的差異。TIG焊采用的是交流焊接，正接反接以半周交替進(jìn)行，可以很好地保護(hù)鎢極并且有陰極霧化效果。直流反接雖然陰極霧化效果好但是鎢極會(huì)因?yàn)楦邷囟艿綋p壞，直流正接可以保護(hù)鎢極，但是鋁版難以承受高溫并且陰極沒有霧化效果，所以為了兼顧陰極霧化效果和保護(hù)鎢極，采取半周正接半周反接的方法進(jìn)行焊接，以取得良好的焊接效果。EBW焊由于電子束具有巨大的動(dòng)能，可以做較大能量的能量轉(zhuǎn)換，所以可以加工處非常窄非常深的的焊縫，而且電子束能夠靈活的偏轉(zhuǎn)，所以還可以對(duì)焊接進(jìn)行有效的精確的控制。EBE焊比TIG焊的最大穿透深度要大，可以達(dá)到15毫米，最高深度比可以高達(dá)10：1，而且具有焊縫化學(xué)成分純凈，焊接強(qiáng)度高和質(zhì)量好的特點(diǎn)。壓力焊屬于非熔化焊接，不會(huì)像融化焊接一樣存在明顯的熔核，只會(huì)在焊接接口處出現(xiàn)一條很細(xì)的由細(xì)小氧化物組成的分界限。

三、焊接缺欠

ISO6520的詞語(yǔ)定義中存在兩個(gè)很重要并且極易被混淆的定義，分別是焊接缺欠和焊接缺陷。兩者的區(qū)別體現(xiàn)在和理想焊縫的偏差程度上，焊接缺欠是與理想焊接的偏差，而焊接缺陷是不可接受的焊接缺欠，在某種程度上，焊接缺欠包括了焊接缺陷，體現(xiàn)在焊接缺陷對(duì)理想焊接的偏差上。在鋯合金的焊接過(guò)程中，由于外界以及材料自身的一些變化會(huì)出現(xiàn)各種不同類型的焊接質(zhì)量問(wèn)題，會(huì)影響到焊縫接頭處的力學(xué)性能。燃料元件焊接時(shí)由于環(huán)境的多樣性及不可預(yù)料的因素影響會(huì)出現(xiàn)以下焊接工藝的一些主要缺陷：焊縫外觀缺陷、表面氣孔及夾渣、未焊透、裂紋、過(guò)熱和過(guò)燒等。

（一）焊縫外觀缺陷

通俗地講焊接外觀缺陷就是焊接成形不足，是不借助儀器，從工件表面就可以發(fā)現(xiàn)的缺陷。較為常見的是咬邊、凹陷和焊接變形問(wèn)題。咬邊是因?yàn)殡娀崃刻?，而焊接速度太小與電弧熱量不協(xié)調(diào)所導(dǎo)致的，立、橫、仰式焊接會(huì)加劇焊接咬邊。焊接出現(xiàn)咬邊問(wèn)題如果不及時(shí)解決，咬邊會(huì)惡化發(fā)展成裂紋源。

（二）氣孔和夾渣

氣孔，氣脹以及夾渣是焊接常出現(xiàn)的缺陷。氣孔是指氣體沒有及時(shí)在焊接金屬凝固前逸出，在焊縫里存在空穴。氣孔的形成機(jī)理：高溫液態(tài)金屬氣體溶解度遠(yuǎn)大于常溫下固態(tài)金屬的氣體溶解度，前者大概是后者的幾十倍至上百倍。由于產(chǎn)生氣體的原因很復(fù)雜很多，所以氣孔會(huì)出現(xiàn)在很多不同的位置，一般會(huì)出現(xiàn)在焊縫表面、焊縫邊緣，還可能出現(xiàn)在焊縫的內(nèi)部。氣孔可分為球狀或條蟲狀氣孔、單個(gè)或多個(gè)氣孔、均勻氣孔或密集氣孔、氫氣孔或氮?dú)饪椎榷鄠€(gè)不同類型。焊接線能量小而熔池冷卻速度快，氣體來(lái)不及逸出就會(huì)出現(xiàn)氣孔，同時(shí)焊縫金屬脫氧不足會(huì)出現(xiàn)氧氣孔。焊縫出現(xiàn)氣孔減少了焊縫的有效截面積，使焊縫接頭的強(qiáng)度有所下降，焊縫變疏松。氫氣孔還會(huì)導(dǎo)致冷裂紋的產(chǎn)生。夾渣，是指焊接后熔渣殘存在焊縫中的現(xiàn)象。坡口尺寸不合理、坡口有異物、鎢極惰性氣體保護(hù)焊時(shí)電源極性不正確以及電流密度過(guò)大，鎢絲熔化脫落在熔池中、焊接操作不規(guī)范等都會(huì)導(dǎo)致焊接夾渣的出現(xiàn)。

（三）焊接未焊透

焊接未焊透出現(xiàn)時(shí)，焊縫的熔透深度小于焊接板厚度。在進(jìn)行單面焊時(shí)，焊縫熔度沒有觸及鋼板底部；雙面焊時(shí)，兩面焊縫深度不及被焊鋼材厚度都屬于焊接未焊透。造成焊接未焊透的原因可以總結(jié)成以下三點(diǎn)：1.焊接坡度小，間隙大，鈍邊太大2.電流小，并且焊接速度快，焊件來(lái)不及熔化3.鎢極對(duì)中性不足或者鎢極與工件的工作距離不符合焊接標(biāo)準(zhǔn)。

四、結(jié)束語(yǔ)

核燃料包殼時(shí)核電站的第二道安全屏障，能有效地增強(qiáng)核電站的安全性，提高核反應(yīng)堆的工作效率。筆者對(duì)核元件用鋯合金包殼的焊接工藝做了全面的分析，對(duì)核燃料元件、鋯元素、焊接工藝以及焊接出現(xiàn)的工藝問(wèn)題等進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕榻B，希望能對(duì)祖國(guó)核燃料元件包殼焊接工藝的進(jìn)步發(fā)展有一定的幫助，為祖國(guó)的發(fā)展盡自己的一份微薄之力。

【參考文獻(xiàn)】

[1]傅冀慶.AFA3G含釓燃料棒上端塞環(huán)縫TIG焊接研究[J].東方電氣評(píng)論，2014（06）：18（02）.