核燃料棒電阻焊設備研制關鍵技術研究

安軍靖， 陳兵兵， 謝志剛， 張學糧， 畢元波， 魯 立

1. 清華大學 工程物理系，北京 100084 2. 中廣核鈾業發展有限公司，北京 100029 3. 天津大學 材料科學與工程學院，天津 300072 4. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004

0 引言

自20 世紀70 年代末，西門子公司首次將電阻焊技術應用于核燃料棒包殼管與端塞的連接制造，該工藝具有焊接效率高、焊縫質量高和成形穩定等特點，逐步替代了傳統的TIG 焊接工藝。隨著電阻焊技術逐步成熟，早期特有的頂鍛焊瘤缺陷得到改善，逐步形成了upset shape welding（USW）工藝［1-2］，其在核燃料制造領域的應用得到迅猛發展，成為西門子公司的標準焊接工藝，并被法國AREVA NP的焊接專家指定為最優的燃料棒焊接方法［3］。

但受制于技術轉讓方面的限制，進口的USW設備在國內自主燃料組件的應用仍然受限。同時，因法國USW 接頭只能通過外觀檢查來間接判斷成形質量，無法實現焊縫質量的直觀表征，不免引起相關的疑慮。近年來，國內外雖然針對核燃料棒電阻焊開展了一定的研究［4-8］，但多聚焦于接頭熱力學過程的模擬分析［9-11］。

為滿足國內各類型燃料棒的研發需求，有必要從功能性和可檢測性出發，研發一套自主化的燃料棒電阻焊設備及配套工藝。本研究基于對電阻焊成形原理的分析，自主研制了電阻焊成套設備，研究了設備結構特點和焊接成形規律，并重點分析了焊接電流、頂鍛壓力以及焊接時間等關鍵因素對焊接成形的影響。

1 設備結構

燃料棒電阻焊設備主要用于實現鋯合金包殼和端塞的可靠連接，如圖1所示。

圖1 電阻焊結構示意Fig.1 Schematic of resistance welding

由于核燃料棒對焊接質量的要求很高，使得該電阻焊設備具有很強的專用性，需要根據包殼管規格和材質來匹配合適的電極夾頭和設計端塞結構尺寸。根據反復的迭代驗證，最終完成自研電阻焊設備的設計和制造，并確定其主要部件及功能要求，如表1所示。

表1 設備結構及功能Table 1 Structure and function of equipemnt

2 焊接過程分析

自研設備和進口USW 設備的焊接成形過程分別如圖2、圖3所示。在整個焊接周期內，兩者的工藝流程基本相同：

圖2 自研設備成形過程Fig.2 welding process of domestic equipment

圖3 USW設備成形過程Fig.3 welding process of USW equipment

（1）端塞及包殼管分別在電極頂頭和電極夾頭中定位并固定。

（2）保護腔室充惰性氣體，電極頂頭推動端塞與包殼管預壓，使得兩者端面接觸。

（3）電極通電，電阻熱加熱接觸端面材料使得該區域材料軟化。

（4）繼續施加頂鍛力使端塞與包殼軟化金屬滑移、壓合，在電極夾頭包覆作用下促成內、外頂鍛擠出物形成。

（5）頂鍛壓力保壓后兩者界面形成金屬鍵結合，即得到頂鍛焊縫。

但受端塞與管端部配合形式以及電極夾頭結構的差異，也造成自研設備與進口設備的焊接成形過程和結果明顯不同。在自研設備中，采用直流橫波電流并使用復合疊層電極夾頭來調控接頭的電流分布，因此端塞設計成臺階狀結構，如圖4所示。其中核心尺寸包括A、B、C、D，上述尺寸因直接或間接與管口搭接配合而影響擠出物形態，如C、D 過小，端塞與管材的搭接量減小易造成端塞側金屬擠出物的異常翻折。同時在頂鍛過程中，該尺寸作為頂鍛抗力的主要來源直接影響有效結合長度。在自研設備中端塞和管材在直徑上的搭接尺寸僅有0.4 mm，遠小于進口設備，相同的頂鍛力作用下，進口設備的焊縫軟化金屬在水平方向發生相對滑移的抗力較小，更容易產生大尺寸的頂鍛位移，因此，自研設備的焊縫結合界面長度更大而水平傾角更小。此外，受電極夾頭在周向的限制，焊接過程中金屬擠出物在徑向上的流動受限，無法形成類似于USW工藝的頂鍛凸起。

圖4 端塞結構Fig.4 Schematic of end plug

根據數值分析結果，焊接過程中接頭的溫度最高約為1 300 ℃，遠低于母材（鋯合金）熔點，見圖5，因此端塞和管材的連接主要依靠軟化金屬間的元素擴散，并因端塞和管材組織和成分上的差異而形成清晰的結合界面（見圖6a）。此外，由于端塞側持續的頂鍛擠壓，焊接過程也是動態再結晶過程，受擠壓變形，管材側的晶粒明顯細化，形成平均尺寸約1 μm 的等軸晶粒，端塞側的晶粒則擠壓成細條狀，表現出類似于織構的形態（見圖6b）。

圖5 焊接過程數值仿真結果Fig.5 Result of numerical simulation on welding

3 關鍵影響因素研究

整個電阻焊焊接時間極短，一般為10～30 ms，因而，如何控制接頭產熱并充分利用截面金屬的熱軟化形成可靠的焊接接頭成為設備和工藝研發的關鍵，經試驗研究，影響焊接成形的主要因素如下。

3.1 頂鍛響應速度

相比于TIG焊、激光焊以及電子束焊工藝，電阻焊的熱輸入要低得多，尤其在燃料棒的電阻焊設備中，為了控制截面頂鍛的金屬流動，成形區域均由銅質電極包覆，使得接頭散熱能力增強。試驗表明頂鍛的響應要與通電時間相匹配，即當頂鍛響應時間超過30 ms 時，接頭的鋯合金就因溫度下降而流動性降低，造成頂鍛成形長度不超過1 mm。

3.2 焊接電源特性

焊接電源特性主要包括兩個方面：（1）焊接電源的穩定輸出功率；（2）焊接輸出電流的上升速度。自研設備最佳焊接效果要求輸出電流控制在15.5～17.5 kA，同時電流上升到規范電流的時間不能超過5 ms，當通過延長焊接時間來彌補輸出電流以及焊接電流陡升能力不足的問題時，因為管材和電極夾頭的過量受熱導致接頭易出現粘銅和氧化等缺陷。

3.3 電極夾頭

電極夾頭是影響焊接成形的核心因素，同時是設備研發的核心部件。相比于USW技術使用的兩瓣式全銅凹模夾頭電極，自研設備采用了三瓣式的復合疊層電極夾頭。該設計通過在多層銅片表面噴涂高電阻材料的方式來調控電極夾頭的電阻特性，從而控制焊接電流在鋯合金截面的分布。研究表明，三瓣式疊層電極的單瓣電阻在600～750 μΩ為最優，電阻過小時端塞和管口的配合界面發熱嚴重造成擠出物熔化并形成飛濺，電阻過大時電極夾頭和管材發熱嚴重，引起管材熱影響區異常增大，同時表面形成規則的氧化條紋，圖7 為不同電阻的夾頭表面成形效果。

圖7 不同電阻特性下電極夾頭的焊接成形性能Fig.7 Welding performance of electrode clamp with different resistance property

3.4 工藝參數

燃料棒電阻焊設備硬件特性確定后，工藝參數是影響成形質量的另一關鍵因素，作為利用電阻熱實現材料連接的工藝，由E=I2Rt（E為電阻熱，I為焊接電流，R為焊接電阻，t為通電時間）可知，主要的影響參數包括：焊接電流、焊接時間以及各部分電阻，下面就各因素的影響規律進行討論。

（1）焊接電流。

研究表明焊接電流與焊縫的結合長度成正相關，如圖8所示，通過增加焊接電流可以有效增加焊縫結合長度，當焊接電流超過17 kA時，受端塞結構和電極夾頭的限制，即使結合界面的軟化金屬更多，但缺少有效的空間容納擠出物，造成金屬的流動阻力增大，形成明顯頂鍛抗力，使得焊縫的最大結合長度基本保持在2.5 mm 左右。當焊接電流超過18 kA 時，因高電阻疊層與包殼管表面的接觸熱效應易造成管表面的層狀氧化痕跡，如圖9所示，而當焊接電流超過19 kA 時，電極夾頭則因內部過熱而出現燒損。

圖8 焊接電流對焊縫結合長度的影響Fig.8 Effect of welding current on welding length

圖9 高熱輸入下焊縫表面狀態Fig.9 State of welding surface in high heat input condition

（2）焊接時間。

焊接時間對焊縫成形的影響與焊接電流基本相同，焊縫的結合長度與焊接時間先呈正相關，在擠出物的容納空間被完全填充后，焊縫的結合長度維持在2.5 mm 左右。當焊接時間超過25 ms 時，管口表面則會因為過熱出現如圖9所示的層狀氧化痕跡，試驗認為最佳的焊接時間控制在15～21 ms。

（3）接觸電阻與頂鍛壓力。

一般認為接觸電阻在整個焊接過程中是動態變化的，而影響接觸電阻的因素也有多種，如端塞與包殼管端的配合面積、端塞與包殼管配合面的粗糙度以及頂鍛壓力，因材料表面的粗糙度以及配合面積可以通過端塞加工的方式固化，這里不做深入的討論，僅研究頂鍛壓力的作用。頂鍛壓力對焊縫成形的影響比較復雜，一般認為降低頂鍛壓力會引起接觸電阻增加，從而增大接頭熱量和接觸材料的軟化變形，但考慮到焊接過程實際上軟化頂鍛的過程，頂鍛壓力更多的是用來克服材料的流動阻力，在一定范圍內提升頂鍛壓力可以有效增加焊縫長度，試驗表明頂鍛壓力控制在1 800～2 400 N 最優，頂鍛壓力過小會造成界面熱量集中形成飛濺，頂鍛壓力過大時則易損壞電極夾頭，而且接觸電阻的顯著降低也會使得內電阻的作用無法忽略。

4 焊接成形特點

作為非熔化焊接，電阻焊是在固態下頂鍛形成焊縫，相比傳統的熔化焊接具有以下特點：

（1）焊接質量好。電阻焊的焊接溫度低于母材熔點，焊接過程中不形成熔池，污染物無法進入焊縫，同時接頭組織和成分變化小，使得該工藝對粘污不敏感，不會產生氣孔、裂紋以及氣脹等缺陷。

（2）成形效率高。電阻焊的焊接時間短，加熱時間控制在10～30 ms，熱影響區小，生產效率高。

（3）工序簡單，節約成本。電阻焊省去了充氦堵孔焊接工序，且與目前較廣泛使用的TIG 焊接相比，電阻焊減少了射線檢測的環節，有效降低成本。

作為自主研制的電阻焊設備，其與進口USW設備在核心部件和工藝上存在明顯區別，具體如表2所示。電極夾頭和端塞在結構尺寸上的差異顯著影響焊縫成形效果，如圖10所示，相比于前者，自研設備的成形焊縫具有以下特點：（1）焊縫外表面光滑，無UWS 工藝規定的頂鍛凸起；（2）包殼和端塞的結合界面更加平緩，結合長度大幅延長；（3）端塞母材經歷大頂鍛位移，外頂鍛擠出物出現翻折現象。

表2 自研設備與USW設備的比較Table 2 Comparison between domestic equipment and USW equipment

圖10 自研設備焊縫金相Fig.10 Welding metallography by domestic equipment

利用外觀狀態檢查、水腐蝕試驗、爆破試驗、金相檢查以及超聲檢查等對焊縫性能進行表征分析，結果如圖11所示。接頭基本保持管材的金屬外觀形態、無明顯的黃色或藍色氧化產生，且外部擠出物沿管周向形態均勻（見圖11a）；接頭的焊接熱影響范圍在360 ℃的水腐蝕后表面均為致密的黑色氧化膜，無白色或棕色腐蝕產物生成（見圖11b）；采用行業技術標準對接頭樣品進行液壓爆破檢查，當焊縫的軸向結合長度超過0.6 mm 時試樣均在母材區破壞，且爆破液壓強度超過90 MPa（見圖11c）；結合金相和超聲對焊縫內部形態進行檢查，超過2 mm的結合長度內檢出缺陷（見圖11d）。整體結果表明自研設備具有良好的焊接成形性能。

圖11 檢查結果Fig.11 Inspection result

5 結論

（1）基于對電阻焊成形原理的分析，設計并完成電阻焊設備的研制，該設備優化電極部件結構、電源特性、頂鍛系統以及端塞尺寸，使得焊縫外觀相比USW 更加平滑，且容易得到有效結合長度超過2 mm的焊縫。

（2）對焊接電流、焊接時間、頂鍛壓力以及電極夾頭特性等因素進行試驗分析，確定通過提高熱輸入和提升頂鍛力均可以改善焊縫的結合狀態，但過大的熱輸入或電極夾頭的電阻特性的不匹配也會造成焊縫的氧化。

（3）采用外觀狀態檢查、水腐蝕試驗、爆破試驗、金相檢查等對焊縫性能進行表征，爆破性能是制約焊縫可靠性的關鍵因素，為保證焊縫的質量，應保證焊縫軸向的有效結合長度不低于0.6 mm。