一种燃料元件棒塞体焊接方法技术

本发明专利技术涉及焊接技术领域，公开了一种燃料元件棒塞体焊接方法，具体包括以下步骤：步骤S1，预处理，在焊接线圈与包壳材料之间设置绝缘层，并对塞体表面进行清理；步骤S2，装配，准备燃料棒，并在燃料棒的包壳材料两端分别装配塞体；步骤S3，焊接，启动电磁脉冲焊接系统，分别对包壳材料两端的塞体进行焊接；步骤S4，加热，采用高频脉冲电流对焊接区域进行加热。本发明专利技术的方法焊接速度快、效率高；可控性和焊接性能好，热影响区域极窄，残余应力低，精度高；还易于实现机械化和自动化，环境友好。环境友好。环境友好。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料元件棒塞体焊接方法


[0001]本专利技术涉及焊接
，特别涉及一种燃料元件棒塞体焊接方法。

技术介绍

[0002]核反应堆燃料包壳材料被喻为核电站的“第一道安全屏障”，其功能为包裹燃料芯块、阻止裂变产物外泄以及传递热量等。目前采用的包壳材料主要是锆合金，锆的有效中子吸收截面系数小，因而具有优异的抗中子辐照能力；且其能满足400℃以下的耐蚀性、抗氧化性及力学性能等要求，所以锆合金被广泛用于核反应堆的包壳材料。锆也并非完美的包壳材料，如在福岛事故中，包壳材料温度升高到1200℃以上，使锆与水发生反应生成氢气，导致氢爆，进一步危害核反应堆的安全性能。由于锆合金在事故条件下存在一系列不足，因此本领域工作者也还在不断研究，致力于发展具有耐事故容错能力的新型包壳材料来替代锆合金。
[0003]无论包壳材料的开发如何进行，燃料棒体最为脆弱的部分仍然是端塞与包壳连接的焊缝区域，除了包壳材料本身的性能外，焊接方法对焊缝质量的影响不容小觑。传统的燃料棒焊接方法主要有电子束焊接（EBW）、钨极保护气体电弧焊（TIG）和压力电阻焊接，其中，EBW和TIG均属于熔化焊接，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冷却凝固，并发生固态相变，成为焊缝金属。在上述过程中，焊缝组织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，焊缝两侧在焊接热源的影响下发生组织转变，形成热影响区。采用压力电阻焊接可以避免出现热影响区，但会形成一条很细由氧化物组成的分界线，这种氧化物在中子照射下会影响到焊缝的质量和性能。
[0004]可见，虽然传统的焊接技术通过精确控制可以实现焊接，但焊缝组织的成分发生变化，力学性能和耐腐蚀性能下降。因此本领域亟需研究并开发新式焊接技术，以解决现有技术的缺陷和限制。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提出一种燃料元件棒塞体焊接方法，其焊接速度快、效率高；可控性和焊接性能好，热影响区域极窄，残余应力低，精度高；还易于实现机械化和自动化，环境友好。
[0006]解决本专利技术技术问题所采用的技术方案是：一种燃料元件棒塞体焊接方法，具体包括以下步骤：步骤S1，预处理，在焊接线圈与包壳材料之间设置绝缘层，并对塞体表面进行清理；步骤S2，装配，准备燃料棒，并在燃料棒的包壳材料两端分别装配塞体；步骤S3，焊接，启动电磁脉冲焊接系统，分别对包壳材料两端的塞体进行焊接；步骤S4，加热，采用高频脉冲电流对焊接区域进行加热；
进一步地，还包括步骤S5，步骤S5具体步骤为：检测，对焊接样件的形变量和表面清洁度进行检查，并对其力学性能和耐压性进行测试。
[0007]进一步地，在步骤S2中，包壳材料与塞体采用同轴间隙配合，且装配间隙为1～3mm，塞体与包壳材料内壁角度为0～3
°
。
[0008]进一步地，在步骤S1
‑
S4中，塞体包括内塞和塞头，其中，内塞包括推体区和焊接区；推体区与包壳材料采用同轴间隙配合，焊接区与塞头固定连接且与推体区平滑过渡，焊接区直径为推体区直径的0.5～0.8倍。
[0009]进一步地，在步骤S2中，还包括绕焊接区表面的坑道，且坑道宽度为1～3mm，深度为3～5mm。
[0010]进一步地，所述坑道数量为一条以上。进一步地，塞体包括内塞和塞头，内塞与包壳材料间隙配合，且内塞表面设置有焊道。
[0011]进一步地，所述焊道数量为一条以上。
[0012]进一步地，在步骤S3中，所述电磁脉冲焊接系统包括蓄电模块、充电变压模块和电容组，且蓄电模块、充电变压模块和电容组构成的闭合回路；还包括焊接线圈，焊接线圈与电容组并联，且焊接线圈与蓄电模块和充电变压模块构成的闭合回路；还包括电流频率调节模块和多通道高压开关组，电流频率调节模块和多通道高压开关组设置于焊接线圈所在支路；且电容组中每个电容对应电流频率调节模块的一个通道。
[0013]实现本专利技术技术方案所采用的原理是：本专利技术对燃料棒采用电磁脉冲焊接方法进行焊接，通过高能蓄电模块将电能储存在电容组中，经过电流频率调制系统将各个电容单元的电流频率进行调制，将调制好的高频电流经多通道高压开关协同释放，电流（40KHz左右）经过汇流排进入焊接线圈中产生电磁力。包壳金属材料在电磁力的作用下发生形变，以大于400m/s的垂直速度和大于2000m/s的剪切速度发生弯曲最终与塞体发生碰撞。并在碰撞过程中通过高频电流（100MHz左右）持续感应加热结合面，促进原子间扩散最终形成合格的焊缝。
[0014]在实际焊接过程中，焊接线圈形成的磁场驱动金属包壳材料飞速撞击燃料棒，并以某一角度发生弯折，金属包壳材料表面的氧化物以飞溅形式排出，形成裸露的原子层，再通过冲击力促使金属包壳材料表面发生原子间的结合，从而形成良好的焊缝组织。
[0015]本专利技术的有益效果在于：相对于熔化焊接技术，本专利技术的焊接方式能有效减少热输入量，从而减少热影响区的形成，同时可以有效控制异种金属间化合物的厚度，是解决异种金属、脆性金属间化合物的有效焊接方式；与传统的电阻焊接相比，本专利技术的焊接方式没有形成明显的热影响区，这是由于热输入量低原子通过扩散形成焊缝组织。此外，本专利技术可在铝
‑
钢、铝
‑
镁和铝
‑
钛等焊接时形成良好的焊缝组织，且在焊接过程中不需要进行气体保护，从而避免氢蚀、气孔和气泡的出现。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1是本专利技术坑道式塞体与包壳材料配合的一种结构示意图。
[0018]图2是本专利技术焊道式塞体与包壳材料配合的一种结构示意图。
[0019]图3是本专利技术电磁脉冲焊接系统的一种简单结构示意图。
[0020]图4为焊缝区域的扫描电镜（SEM）图。
[0021]图5为金相腐蚀后基体组织观察图。
[0022]图6为基体元素Fe的分布情况图。
[0023]图7为基体元素Al的分布情况图。
[0024]图8为采用聚焦离子束技术（FIB）剪薄技术通过对焊缝组织区域进行切样的观察图。
[0025]图中：1.包壳材料；2.塞体；201.内塞；202.塞头；211.推体区；212.焊接区；3.坑道；4.焊道；5.蓄电模块；6.充电变压模块；7.电容组；8.焊接线圈；9.电流频率调节模块；10.多通道高压开关组；11.坑道倾斜角α。
具体实施方式
[0026]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料元件棒塞体焊接方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤S1，预处理，在焊接线圈（8）与包壳材料（1）之间设置绝缘层，并对塞体（2）和包壳材料（1）表面进行清理；步骤S2，装配，准备燃料棒，并在燃料棒的包壳材料（1）两端分别装配塞体（2）；步骤S3，焊接，启动电磁脉冲焊接系统，分别对包壳材料（1）两端的塞体（2）进行焊接；步骤S4，加热，采用高频脉冲电流对焊接区域进行加热。2.如权利要求1所述的一种燃料元件棒塞体焊接方法，其特征在于，在步骤S2中，包壳材料（1）与塞体（2）采用同轴间隙配合，且装配间隙为1～3mm，塞体（2）与包壳材料（1）内壁角度为0～3
°
。3.如权利要求1或2所述的一种燃料元件棒塞体焊接方法，其特征在于，在步骤S1
‑
S4中，塞体（2）包括内塞（201）和塞头（202），其中，内塞（201）包括推体区（211）和焊接区（212）；推体区（211）与包壳材料（1）采用同轴间隙配合，焊接区（212）与塞头（202）固定连接且与推体区（211）平滑过渡，焊接区（212）直径为推体区（211）直径的0.5～0.8倍。4.如权利要求3所述的一种燃料元件棒塞体焊接方法，其特征在于，还包...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙继飞，吴先哲，刘春雷，王征，黄河清，朱有坤，古毓建，秦川，王钦伟，王远刚，
申请(专利权)人：重庆市光学机械研究所，
类型：发明
国别省市：