條帶對格架制造工藝及產(chǎn)品質(zhì)量影響研究

姚俊　郭蕊妍

摘要：核電能源清潔性高、碳排放少，屬于清潔能源重要分支。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的今天，能源需求愈發(fā)增大，核燃料組件需求量增加。格架作為核燃料組件的中心部件，其穩(wěn)定性及質(zhì)量會直接影響核反應(yīng)堆性能?；诖?，本文將重點研究條帶對格架制造工藝及產(chǎn)品質(zhì)量的影響，明確具體影響因素及產(chǎn)生原因，針對質(zhì)量問題提出條帶制造工藝的解決措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：條帶；格架；核燃料

DOI：10.12433/zgkjtz.20232138

格架屬于核燃料組件的重要部件，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會對核燃料組件產(chǎn)生一定影響，甚至?xí){核反應(yīng)堆的運(yùn)行安全。條帶作為格架的關(guān)鍵部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜及種類繁多，加工難度較大。實際上，在條帶制造期間，借助對原材料控制、優(yōu)化模具及沖制工序等多種調(diào)整手段，有效把控條帶質(zhì)量，有助于解決常見問題。

一、條帶及格架產(chǎn)品

（一）條帶

條帶憑借條帶上彈簧以及攪混翼等相關(guān)結(jié)構(gòu)的合理組合，可以組裝成結(jié)構(gòu)不同的格架，為格架在核燃料組件中，發(fā)揮對燃料棒的夾持功效提供助力。

以第三代壓水堆核燃料組件為例，根據(jù)條帶的功效，條帶呈現(xiàn)出“一”字形，這種形狀的細(xì)長性帶狀結(jié)構(gòu)。其中，條帶的長度大約處于200mm，寬度在30～60mm，而厚度則大約為0.5mm。實際上，燃料組件骨架期間，根據(jù)格架的種類以及功效不同，條帶的結(jié)構(gòu)也會有所不同。依據(jù)結(jié)構(gòu)上的差異，格架會有條帶36條，其中有32條內(nèi)部條帶、4條外部條帶。條帶的制造工藝，主要是用于鋯合金或相關(guān)薄帶上，憑借一次沖壓或者多次沖裁等手段，成型操作。具體成形后，在條帶上會呈現(xiàn)極具剛性的剛凸，或彈性十足的彈簧等多種架構(gòu)。甚至于有些一次沖壓成型的凸起結(jié)構(gòu)，不僅會在條帶的平面上出現(xiàn)，在條帶的兩面還會有所呈現(xiàn)，形成較為立體的凸起架構(gòu)，類似于條帶上的凸起，或者攪混翼，都屬于其表征。

（二）格架

格架屬于構(gòu)建燃料元件骨架的核心部件之一。格架的主要功能是支撐、夾持燃料，促使燃料棒精準(zhǔn)到達(dá)適宜的排列方位，以此進(jìn)一步滿足堆芯對于核能、熱量以及水力等各方面的需求。以第三代壓水堆核燃料組件為切入點，其內(nèi)在的格架主要包括三種類型格架，分別是攪混格架、上下端部格架以及中間攪混格架。攪混格架和中間攪混格架，這兩種品類的格架作用十分顯著，除了能發(fā)揮自身較為直觀的保持燃料組件骨架外形的效用，還能發(fā)揮攪混冷卻劑的效用；上下端部格架主要的功能是夾持相關(guān)的燃料棒，確保燃料棒能夠精準(zhǔn)地處于組件內(nèi)相互位置中。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在部分燃料組件中，還出現(xiàn)一種較新型的格架。此種新型格架主要是在燃料組件骨架的底部區(qū)域，其運(yùn)作的功效主要是保障燃料組件免受異物侵?jǐn)_，促使其時刻處于安全的狀態(tài)之中，這種較為特殊的結(jié)構(gòu)格架實用性極為顯著。

以第三代的壓水堆燃料組件，核心部件骨架格架為例，32條內(nèi)條帶中16條開槽方向朝上，而另外16條開槽方向朝下，這些內(nèi)條帶會通過插槽，實現(xiàn)相互連接，形成風(fēng)格較為突出的“蛋箱”架構(gòu)。外條帶中處于等布局中的插槽與內(nèi)條帶端處的舌片，通過相插接的方式，變成框架架構(gòu)的格架?？蚣苤械拿恳粭l條帶，都有著較為明顯的插槽、剛凸等結(jié)構(gòu)表征特性。據(jù)統(tǒng)計，在總體框架結(jié)構(gòu)將近有290個柵元，在條帶的各個柵元中，它們都會憑借以多種組合形式，形成種類不一的條帶，并在限位燃料棒中發(fā)揮出自身應(yīng)有的功效，為之后順利構(gòu)成核燃料組件骨架夯實基礎(chǔ)。

（三）格架制造工藝

關(guān)于條帶的制造工藝主要包括帶材送料、自動下料、熱處理等。格架較為常規(guī)制造工藝主要有格架條帶裝夾固定、格架激光以及電子束焊等。激光以及電子束這兩種焊接制作期間，都需要采用能量束焊接手段，格架制造工藝在大體上分為上夾具板和下夾具板兩類（見圖1）。而對于格架條帶的裝夾固定也尤其重要，采用如下夾具固定和定位。

二、條帶對格架制造工藝及其產(chǎn)品質(zhì)量影響分析

在核燃料組件期間，格架是重要的核心部件。而條帶作為格架產(chǎn)品的核心部件，可憑借自身的彈簧以及剛凸等結(jié)構(gòu)的有機(jī)組合，組建成結(jié)構(gòu)不一的格架。現(xiàn)如今，隨著人們對核電能源的不斷重視，國內(nèi)已經(jīng)擁有了較為優(yōu)越的格架產(chǎn)品批量生產(chǎn)能力，但大批量的條帶仍依賴于進(jìn)口，這在無形中也會致使整體的產(chǎn)業(yè)鏈較為薄弱。為有效避免原材料的制約，進(jìn)一步提升國內(nèi)壓水堆核燃料元件供應(yīng)水準(zhǔn)，合理探究條帶對格架制造工藝及產(chǎn)品質(zhì)量影響十分必要。

在條帶的具體制作期間，通過有意識地對條帶質(zhì)量進(jìn)行把控分析等操作，進(jìn)一步掌握格架條帶質(zhì)量的影響關(guān)鍵點，并針對這些關(guān)鍵點提出有針對性的解決措施，可實現(xiàn)條帶制造的優(yōu)化操作，致使整體沖制工藝實現(xiàn)科學(xué)化，進(jìn)而有效消除條帶產(chǎn)品的直觀質(zhì)量問題，為實現(xiàn)一體化生產(chǎn)和批量生產(chǎn)提供夯實的技術(shù)支持。

（一）變形的影響

條帶的結(jié)構(gòu)有著較為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)：0.5mm的厚度、30～60mm的寬度以及220mm的長度，條帶的母材都為卷料進(jìn)料，極易致使條帶的平整度相對不足，待經(jīng)歷過沖制加工運(yùn)作之后，出現(xiàn)橫彎、卷彎等程度不一的變形狀況。橫彎變形主要是指條帶在寬度范圍的彎曲，而卷彎變形主要是指條帶在長度方位上的彎曲。

實際上，想要順利地完成格架產(chǎn)品的制造，就需要合理將條帶部位實行穿插組合，形成較為穩(wěn)固的格架基體。在具體的格架組裝期間，多條內(nèi)條帶經(jīng)過上下插接，整體組裝好的格架基體再借助裝夾限位后，格架直觀地體現(xiàn)電子束或者激光等相關(guān)的焊接工藝。如果條帶變形嚴(yán)重，具體的外形尺寸也會存在較大程度上的偏差，時常會出現(xiàn)格架外形尺寸差的問題。條帶變形問題的出現(xiàn)，導(dǎo)致組裝操作出現(xiàn)困難，插接工作難以順利進(jìn)行，尤其是出現(xiàn)卷彎問題會對組裝影響更大，嚴(yán)重還會出現(xiàn)格架柵元形狀大小不一的狀況。而立足于格架的成品角度，影響具體表現(xiàn)在尺寸不合格上。與此同時，受條帶變形的影響，條帶匹配之間，會存有或多或少的間隙，且整體的間隙大小不一，偏大、偏小現(xiàn)象時常出現(xiàn)，嚴(yán)重影響格架焊接工藝落實成效，對工藝參數(shù)的控制有著顯著的阻礙作用。

（二）基本體沖裁缺陷的影響

條帶成型工藝槽主要是采用沖裁手段加以施工運(yùn)作，沖裁運(yùn)作的主要目的是將沒有用處的材料去除，以進(jìn)一步保障材料的本體架構(gòu)。基本體沖裁呈現(xiàn)缺陷狀態(tài)，主要是表現(xiàn)在插槽薄厚不一、切口不平整等方面，這些缺陷具體的出現(xiàn)位置會集中在細(xì)長槽及邊緣切斷處。

在具體格架組裝期間，受上述缺陷，如切口不平整，毛邊、異形邊等問題的影響，格架條帶在落實相互插接期間會受到較為嚴(yán)重的阻礙，在作業(yè)人員具體落實格架焊接期間，焊縫漏焊問題頻出。

具體使用的焊接手段主要是電子束或激光手段。對于具體的施工條件要求極高。若焊接尺寸在具體運(yùn)作期間存有較大偏差，焊接熔池流動問題較為顯著，焊縫外形也會出現(xiàn)明顯的變化。

（三）成型結(jié)構(gòu)缺陷的影響

條帶成型結(jié)構(gòu)主要是指沖制部位的凸起結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)因其一體成型的影響，人們都將其稱為一體架構(gòu)，此種材料極可能發(fā)生形變，但是沒有具體的斷裂現(xiàn)象產(chǎn)生，在具體沖制期間，沖制工藝可能會致使沖制裂紋的發(fā)生，出現(xiàn)沖制回彈現(xiàn)象，致使具體的成型尺寸達(dá)不到預(yù)期要求。

這種缺陷表現(xiàn)在格架產(chǎn)品上，主要是表現(xiàn)在尺寸不符合技術(shù)需求方面。除此之外，條帶成型結(jié)構(gòu)會在格架的柵元之內(nèi)形成系統(tǒng)化夾持單元，而攪混翼則會在組件之內(nèi)自發(fā)形成攪混系統(tǒng)，這種成型結(jié)構(gòu)的缺陷不僅會對格架柵元的具體尺寸造成影響，還會在一定程度上影響著格架對夾持成效，以及格架在反應(yīng)堆范疇之內(nèi)的所屬性能。

（四）熱處理質(zhì)量的影響

針對條帶熱處理環(huán)節(jié)而言，會出現(xiàn)較為常見的兩種缺陷：一種是鋯合金氧化，受原材料特性的限制，在具體展開熱處理環(huán)節(jié)期間，如若不精準(zhǔn)地把控工藝操作，致使條帶氧化，且受氧化影響的條帶并不適用于焊接工藝中。其主要是因為在落實焊接操作期間，極易產(chǎn)生脆性較強(qiáng)的化合物，致使焊縫接頭區(qū)域的性能出現(xiàn)較為明顯降低。另一種主要是指條帶變形。條帶一般都屬細(xì)長扁平結(jié)構(gòu)，若經(jīng)過猛烈沖制加工后，內(nèi)部極易產(chǎn)生較大的應(yīng)力。因此，在具體落實熱處理工作，去消除應(yīng)力環(huán)節(jié)期間，條帶成型結(jié)構(gòu)以及自身的現(xiàn)實外形尺寸都會出現(xiàn)細(xì)微的變化。

不難看出，熱處理出現(xiàn)缺陷會對整體的工藝造成較為明顯影響。因此，相關(guān)人員必須及時解決熱處理質(zhì)量問題，盡可能避免條帶氧化。

（五）電鍍質(zhì)量的影響

電鍍屬于條帶釬焊工藝之中使用率較高的工藝，可選性極強(qiáng)。此工藝主要憑借鍍層效用，有意識改變?nèi)诤铣尚?。在電鍍期間，受條帶特殊結(jié)構(gòu)制約，鍍層不均勻問題以及附著力不夠現(xiàn)象時常出現(xiàn)。

條帶電鍍?nèi)毕菥唧w特征會集中表現(xiàn)在總體厚度變化上，因條帶沖裁的具體尺寸都經(jīng)過精準(zhǔn)計算獲得，局部鍍層厚度出現(xiàn)不可控的變化時，極易致使格架條帶在落實具體的組裝插接期間受到阻礙，組裝后釬焊工藝也會受釬料流動性的影響，釬焊質(zhì)量出現(xiàn)問題。

三、條帶質(zhì)量把控措施

條帶沖制工藝屬于持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)性工程。其中包括裝備選型、材料選制以及工藝排序等，條帶的具體質(zhì)量也會受熱處理工藝以及電鍍工藝等影響。針對上述會對格架質(zhì)量造成影響的條帶缺陷，相關(guān)人員必須加以重視，積極采取有針對性的方法，將缺陷帶來的影響有效減輕或消除。

針對沖制后形變現(xiàn)象可使用原材料整形的手段，通過對卷帶材料的有機(jī)整形，進(jìn)一步調(diào)整具體的平整度。此外，還可在沖制期間有序添加矯形等工序，嚴(yán)防在沖制環(huán)節(jié)內(nèi)出現(xiàn)變形。最后，可在沖制期間適當(dāng)調(diào)整沖制施加力，有效緩解條帶變形。

沖裁缺陷主要是因模具質(zhì)量引起的。在具體的質(zhì)量把控期間，要嚴(yán)格依據(jù)沖裁的原材料性能，選擇較為適宜的刀具材料，確保條帶沖裁可以實現(xiàn)快速切斷，有效避免粘連。需特別注意的是，舌片缺陷主要由排樣不合理導(dǎo)致，要針對現(xiàn)實狀況，有序調(diào)整工序排樣，確保整體的質(zhì)量把控工作精準(zhǔn)達(dá)到預(yù)期成效。

針對條帶成型尺寸有偏差，相關(guān)人員必須明晰間隙設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，通過把控間隙設(shè)定的因素，合理消除消極影響，確保整體的成型尺寸在允許的范圍內(nèi)。

對于熱處理工藝來講，其穩(wěn)定性會直接影響材料力學(xué)性能。熱處理會對材料的氧化性能產(chǎn)生較為直觀的影響，作業(yè)人員可借助一定手段，合理調(diào)整熱處理期間的氣體釋放時間，科學(xué)把控鋯合金材料出現(xiàn)氧化問題；對于熱處理出現(xiàn)的攪混翼角度變化現(xiàn)象，可通過合理設(shè)置具體沖制角度，盡可能防止熱處理后尺寸出現(xiàn)變差現(xiàn)象。

最后，要高度重視電鍍?nèi)芤号浔燃案黜梾?shù)把控工作，直觀地實現(xiàn)對電鍍質(zhì)量的精準(zhǔn)把控。在具體運(yùn)作時，如出現(xiàn)不可避免的電鍍邊緣效應(yīng)，作業(yè)人員必須快速反應(yīng)，及時控制電流密度，有效達(dá)到改善電鍍邊緣效應(yīng)的工作成效。

四、結(jié)論

綜上所述，格架受結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊等因素影響，加工難度較大，所以，只有充分對條帶質(zhì)量以及格架制造工藝進(jìn)行精準(zhǔn)的分析，明晰具體缺陷類型，有針對地開展高效的控制手段，以此確保條帶沖制能夠更加穩(wěn)定，為之后實現(xiàn)批量生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

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