核燃料元件用锆合金包壳的焊接

刘长城

【摘 要】改革开发以来，我国的核燃料产业不断向前发展，核燃料产业发生了巨大变化，核燃料的加工工艺逐渐成熟，出现了各种核燃料的改进方法。本文将对核燃料元件用锆合金包壳的焊接工艺进行分析，并讨论熔化焊、非熔化焊以及焊接过程发生的不完全工艺-焊缝的形成机理。还会就核燃料焊接出现的质量问题进行介绍，例如对核燃料元件的焊接缺陷等问题。笔者会对焊接出现的问题提出一定的有建设性的意见，讨论有效解决焊接缺欠的方法，促进核燃料元件用锆合金包壳焊接工艺的发展进步。

【关键词】核燃料元件；锆金属；焊接工艺；焊接缺陷

一、锆元素及其合金类型

锆是一种化学元素，化学符号是Zr。锆金属具有良好的氧亲和力、可塑性、耐腐蚀性，锆元素以其优异的核性能，成为核燃料包壳管的首选材料，锆元素有着优秀的加工性能，在和反应堆中表现出良好的抗中子辐射性能和抗腐蚀性能。锆的化合物氢氧化锆是生产金属锆、氧化锆和其它化合物的重要中间产品，氧化锆具有增韧的特性，优异的力学性能。结合锆合金的各个方面的优异性能，锆元素是轻水核反应堆燃料包壳和结构材料的重要材料，在燃料包装壳、定位格架、导向管、中子通量管等材料中都有使用。由于锆合金在核燃料研究的重要作用，锆合金的发展往往与核水反应堆的发展如影随形，每一项重大的改进都会引起核水反应堆的发展。工业规模生产的锆合金有以下两个系列：锆锡系列核锆铌系列。另外还有锆锡铌系列。锆锡系列的代表是ZR-2合金，锆铌代表是Zr-2.5Nb合金。还有新研究出的新型锆合金，例如E635合金和ZIRLO合金等等。核燃料元件用锆合金包壳焊接的主要原因是：核反应堆在工作时，会产生一定的具有腐蚀性等不利于试验正常进行的裂变产物，为了防止这些裂变物污染核反应堆冷却液、确保核原料不会受到腐蚀以及有效地导出热量，一般采用焊接的方法将核燃料密封在具有特殊性能的包壳中，保证核反应堆持续高效率地工作。

二、核燃料包壳焊接工艺

核燃料包壳焊接需要用到燃烧棒，用燃烧棒地焊接工艺主要有以下三类：1.压力电阻焊接；2.钨极保护气体电弧焊，简称TIG；3.电子束焊接，简称EBW。笔者将在下文对以上三种焊接工艺进行介绍分析：

（一）压力电阻焊接

压力电阻焊接法在接触焊接中又称为电阻焊接，是利用金属本身阻抗金属之间地接触阻抗，借助电流引起局部民热融化，同时施加一定的压力进行焊接的方法。电阻焊工艺分为电焊，缝焊、对焊和凸焊等四类。

（二）钨极保护气体电焊法

钨极保护气体电焊法简称TIG或GTAW。属于不熔化极气保护焊，其焊缝是由利用钨电极与工件之间的电弧使金属熔化而成。焊接工艺中钨极不会熔化，只发挥电极的作用，利用惰性气体例如氦气或者氩气作为保护介质，保护电极和熔池，焊接时还可以根据加工要求另外添加填充金属，是有效稳定连接打底焊和薄板金属的一个极好的焊接方法。

（三）电子束焊接

真空电子束焊接是应用最广的电子束焊接，电子束焊接简称EBW，是利用加速和聚焦的电子书不断轰击在真空中或者非真空的焊接面，利用产生的热能等效果使被焊工件熔化，冷却形成焊缝实现焊接。电子束焊接的基本原理是电子枪中的阴极由于间接或者直接受热发射电子，发射的电子经由高压静电场的加速和电磁场的聚焦作用形成能量密度极高的电子束，能量密度极高的高速电子流与被焊接工件发生碰撞，金属结构和电子发生相互作用，电子的能量大多传递给被焊工件，电子束所拥有的巨大的动能转化成巨大的热能，是被焊接工件升温熔化，之后冷却形成焊缝。

电子束焊接和钨极保护气体电焊均属于熔化焊接，但是两者有一定的差异。TIG焊采用的是交流焊接，正接反接以半周交替进行，可以很好地保护钨极并且有阴极雾化效果。直流反接虽然阴极雾化效果好但是钨极会因为高温而受到损坏，直流正接可以保护钨极，但是铝版难以承受高温并且阴极没有雾化效果，所以为了兼顾阴极雾化效果和保护钨极，采取半周正接半周反接的方法进行焊接，以取得良好的焊接效果。EBW焊由于电子束具有巨大的动能，可以做较大能量的能量转换，所以可以加工处非常窄非常深的的焊缝，而且电子束能够灵活的偏转，所以还可以对焊接进行有效的精确的控制。EBE焊比TIG焊的最大穿透深度要大，可以达到15毫米，最高深度比可以高达10：1，而且具有焊缝化学成分纯净，焊接强度高和质量好的特点。压力焊属于非熔化焊接，不会像融化焊接一样存在明显的熔核，只会在焊接接口处出现一条很细的由细小氧化物组成的分界限。

三、焊接缺欠

ISO6520的词语定义中存在两个很重要并且极易被混淆的定义，分别是焊接缺欠和焊接缺陷。两者的区别体现在和理想焊缝的偏差程度上，焊接缺欠是与理想焊接的偏差，而焊接缺陷是不可接受的焊接缺欠，在某种程度上，焊接缺欠包括了焊接缺陷，体现在焊接缺陷对理想焊接的偏差上。在锆合金的焊接过程中，由于外界以及材料自身的一些变化会出现各种不同类型的焊接质量问题，会影响到焊缝接头处的力学性能。燃料元件焊接时由于环境的多样性及不可预料的因素影响会出现以下焊接工艺的一些主要缺陷：焊缝外观缺陷、表面气孔及夹渣、未焊透、裂纹、过热和过烧等。

（一）焊缝外观缺陷

通俗地讲焊接外观缺陷就是焊接成形不足，是不借助仪器，从工件表面就可以发现的缺陷。较为常见的是咬边、凹陷和焊接变形问题。咬边是因为电弧热量太高，而焊接速度太小与电弧热量不协调所导致的，立、横、仰式焊接会加剧焊接咬边。焊接出现咬边问题如果不及时解决，咬边会恶化发展成裂纹源。

（二）气孔和夹渣

气孔，气胀以及夹渣是焊接常出现的缺陷。气孔是指气体没有及时在焊接金属凝固前逸出，在焊缝里存在空穴。气孔的形成机理：高温液态金属气体溶解度远大于常温下固态金属的气体溶解度，前者大概是后者的几十倍至上百倍。由于产生气体的原因很复杂很多，所以气孔会出现在很多不同的位置，一般会出现在焊缝表面、焊缝边缘，还可能出现在焊缝的内部。气孔可分为球状或条虫状气孔、单个或多个气孔、均匀气孔或密集气孔、氢气孔或氮气孔等多个不同类型。焊接线能量小而熔池冷却速度快，气体来不及逸出就会出现气孔，同时焊缝金属脱氧不足会出现氧气孔。焊缝出现气孔减少了焊缝的有效截面积，使焊缝接头的强度有所下降，焊缝变疏松。氢气孔还会导致冷裂纹的产生。夹渣，是指焊接后熔渣残存在焊缝中的现象。坡口尺寸不合理、坡口有异物、钨极惰性气体保护焊时电源极性不正确以及电流密度过大，钨丝熔化脱落在熔池中、焊接操作不规范等都会导致焊接夹渣的出现。

（三）焊接未焊透

焊接未焊透出现时，焊缝的熔透深度小于焊接板厚度。在进行单面焊时，焊缝熔度没有触及钢板底部；双面焊时，两面焊缝深度不及被焊钢材厚度都属于焊接未焊透。造成焊接未焊透的原因可以总结成以下三点：1.焊接坡度小，间隙大，钝边太大2.电流小，并且焊接速度快，焊件來不及熔化3.钨极对中性不足或者钨极与工件的工作距离不符合焊接标准。

四、结束语

核燃料包壳时核电站的第二道安全屏障，能有效地增强核电站的安全性，提高核反应堆的工作效率。笔者对核元件用锆合金包壳的焊接工艺做了全面的分析，对核燃料元件、锆元素、焊接工艺以及焊接出现的工艺问题等进行了严谨的介绍，希望能对祖国核燃料元件包壳焊接工艺的进步发展有一定的帮助，为祖国的发展尽自己的一份微薄之力。

【参考文献】

[1]傅冀庆.AFA3G含钆燃料棒上端塞环缝TIG焊接研究[J].东方电气评论，2014（06）：18（02）.