汪建紅,楊通高,沈 林,鐘 毅

（中核建中核燃料元件有限公司，四川宜賓644000）

實(shí)驗(yàn)快堆轉(zhuǎn)換區(qū)組件焊接工藝

汪建紅,楊通高,沈 林,鐘 毅

（中核建中核燃料元件有限公司，四川宜賓644000）

快堆是世界上第四代核能系統(tǒng)的主力堆型，它能充分利用鈾資源來(lái)開(kāi)發(fā)核能?？於呀M件是反應(yīng)堆中不可缺少的重要部件，其焊接質(zhì)量直接影響組件的使用壽命和反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。介紹快堆轉(zhuǎn)換區(qū)組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)分析組件研制過(guò)程中燃料棒的繞絲點(diǎn)焊、柵板框架與外套管的壓力電阻點(diǎn)焊、過(guò)渡頭與外套管組裝與焊接等工藝難點(diǎn)，并提出解決方法。通過(guò)組件焊接檢驗(yàn)結(jié)果表明，CJNF在實(shí)驗(yàn)快堆組件制造中所采用的焊接工藝可行，焊接質(zhì)量滿足技術(shù)條件的要求。該項(xiàng)目的成功實(shí)施使我國(guó)首次掌握了實(shí)驗(yàn)快堆組件的焊接制造工藝，并初步形成快堆組件生產(chǎn)能力。

實(shí)驗(yàn)快堆；轉(zhuǎn)換區(qū)組件；焊接工藝

0前言

快堆是“快中子反應(yīng)堆”的簡(jiǎn)稱，是指由快中子來(lái)引起裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)堆。作為一種研究堆型，實(shí)驗(yàn)快堆燃料元件使用的材料、零部件的結(jié)構(gòu)、組裝方式等均區(qū)別于目前國(guó)內(nèi)制造的壓水堆燃料元件。中核建中核燃料元件有限公司先后進(jìn)行了大量的工藝試驗(yàn)，擬定出組件的制造工藝流程、攻克了各種焊接工藝難點(diǎn)，并成功制造出實(shí)驗(yàn)快堆組件。目前，實(shí)驗(yàn)快堆轉(zhuǎn)換區(qū)組件已入堆進(jìn)行考驗(yàn)，運(yùn)行良好。

1實(shí)驗(yàn)快堆轉(zhuǎn)換區(qū)組件的結(jié)構(gòu)

1.1快堆轉(zhuǎn)換區(qū)組件的組成

轉(zhuǎn)換區(qū)組件由頭部部件、外套管、棒束部件、管腳部件組成，其外形（局部剖視）如圖1所示。

1.2快堆組件的材料

實(shí)驗(yàn)快堆轉(zhuǎn)換區(qū)組件的零部件包括擠鈉器、操作頭、過(guò)渡頭部件、管腳、柵板部件、外套管、燃料棒包殼管與端塞等，設(shè)計(jì)要求材料為國(guó)產(chǎn)316（Ti）S.S。

1—頭部部件；2—外套管；3—棒束部件；4—管腳部件。圖1 轉(zhuǎn)換區(qū)組件外形示意

2實(shí)驗(yàn)快堆轉(zhuǎn)換區(qū)組件焊接工藝[1-3]

2.1實(shí)驗(yàn)快堆轉(zhuǎn)換區(qū)組件組裝焊接工藝流程

根據(jù)轉(zhuǎn)換區(qū)組件的結(jié)構(gòu)、技術(shù)條件及圖紙要求，結(jié)合公司多年燃料組件制造的經(jīng)驗(yàn)，擬定了組件焊接制造工藝流程，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)換區(qū)組件制造工藝流程

2.2焊接工藝難點(diǎn)及解決方法

實(shí)驗(yàn)快堆轉(zhuǎn)換區(qū)組件是一種全新的組件，沒(méi)有技術(shù)轉(zhuǎn)讓，也沒(méi)有適用的焊接設(shè)備，所有的工藝都需從頭開(kāi)始試驗(yàn)。組件的焊接有：燃料棒繞絲點(diǎn)焊、燃料棒環(huán)焊、擠鈉器與柵板框架部件的焊接、外套管與柵板框架點(diǎn)焊、外套管與過(guò)渡頭的組裝焊接工藝等。組件制造的主要焊接工藝難點(diǎn)如下。

2.2.1燃料棒繞絲點(diǎn)焊工藝

燃料棒繞絲點(diǎn)焊是將直徑0.95 mm的不銹鋼絲點(diǎn)焊在燃料棒的上、下端塞上。技術(shù)要求：點(diǎn)焊試樣要求做拉斷和剪切力檢查，試樣的拉力方向如圖3、圖4所示。在焊縫強(qiáng)度試驗(yàn)中，繞絲斷裂不應(yīng)發(fā)生在焊縫上，焊點(diǎn)尺寸應(yīng)滿足技術(shù)條件的要求。

圖3 剪切樣件

圖4 拉斷樣件

（1）工藝難點(diǎn)。

燃料棒是端塞直徑19.2 mm、長(zhǎng)度超過(guò)20mm的柱狀實(shí)心不銹鋼，不銹鋼繞絲直徑0.95 mm，由于兩者尺寸差距很大，其熱容量差距較大，端塞形成熔池需要較大的熱輸入而繞絲熔入熔池只需極小的熱量。若直接進(jìn)行TIG焊接，可能在端塞上形成虛焊，甚至熔斷繞絲，無(wú)法滿足繞絲點(diǎn)焊的技術(shù)要求。

（2）解決方法。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，采用點(diǎn)焊前直接對(duì)繞絲頭部進(jìn)行熔球處理的方式，在繞絲的端頭熔成約φ2 mm的金屬球。不但增加了焊點(diǎn)金屬量，也適當(dāng)增加了繞絲頭部的熱容量，避免了點(diǎn)焊時(shí)形成虛焊或熔斷的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果和焊接經(jīng)驗(yàn)，確定焊接參數(shù)，按照確定的工藝參數(shù)焊接的焊點(diǎn)經(jīng)檢驗(yàn)：焊點(diǎn)外觀良好，焊縫抗拉強(qiáng)度高，繞絲斷裂發(fā)生在焊縫以外的繞絲上或靠近焊縫區(qū)的母材上。焊點(diǎn)的外形尺寸完全滿足技術(shù)條件要求。

2.2.2外套管與柵板框架點(diǎn)焊工藝

（1）工藝難點(diǎn)。

快堆轉(zhuǎn)換區(qū)組件中外套管和柵板框架均為六邊形，外套管和柵板框架壁厚均為1.2 mm，焊件壁厚較大。柵板框架與外套管之間進(jìn)行壓力電阻焊接時(shí)，焊槍的一極需要伸進(jìn)外套管內(nèi)，焊槍的另一極則在外套管外側(cè)，須在距離外套管端面規(guī)定處施焊，見(jiàn)圖5。目前公司沒(méi)有滿足技術(shù)要求的焊接設(shè)備。

1—柵板框架；2—焊點(diǎn)（12個(gè)）；3—外套管。圖5 棒束部件與外套管裝配與焊接示意

（2）解決方法。

設(shè)計(jì)組裝一臺(tái)移動(dòng)式多功能焊接設(shè)備，如圖6所示。移動(dòng)式多功能焊接設(shè)備由移動(dòng)小車(chē)、X形氣動(dòng)焊槍、氣源系統(tǒng)、平衡器和組裝工作臺(tái)等組成。X形氣動(dòng)焊槍是整個(gè)裝置中最重要的組成部件，焊槍結(jié)構(gòu)采用剪刀形狀，上電極臂為活動(dòng)臂，下電極臂為固定臂，焊槍夾持力最大可達(dá)1 500 N，方便焊接不同尺寸的焊接材料。

圖6 移動(dòng)式多功能焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

由于柵板框架和外套管壁厚較厚，均為不銹鋼材料，根據(jù)焊接經(jīng)驗(yàn)與多次試驗(yàn)，選擇焊接電流在1.3～2.1 kA范圍內(nèi)，焊點(diǎn)表面質(zhì)量好，合格點(diǎn)焊樣品外觀見(jiàn)圖7焊點(diǎn)A。當(dāng)電流增加至2.2 kA后的焊點(diǎn)氧化色偏重，見(jiàn)圖7焊點(diǎn)B。

圖7 焊點(diǎn)外觀

采用新設(shè)計(jì)的焊接設(shè)備對(duì)快堆組件外套管與柵板框架的壓力電阻焊接工藝進(jìn)行研究，選擇實(shí)驗(yàn)確定的焊接參數(shù)進(jìn)行柵板框架與外套管接觸焊，試樣的焊點(diǎn)強(qiáng)度、焊點(diǎn)位置符合圖紙和技術(shù)文件要求。成功實(shí)現(xiàn)柵板框架與外套管的焊接。

2.2.3外套管與過(guò)渡頭的組裝焊接工藝

過(guò)渡頭與外套管的局部結(jié)構(gòu)及裝配示意如圖8所示。組裝焊接技術(shù)要求如下：①過(guò)渡段與外套管組裝時(shí)，保證間隙小于等于0.1 mm。②焊縫外觀無(wú)氧化色，焊縫表面光滑、無(wú)裂紋、無(wú)焊瘤，不存在咬邊及縮孔等缺陷，焊縫寬度滿足規(guī)定要求。③金相檢查無(wú)裂紋等焊接缺陷，熔深大于等于規(guī)定要求。④射線檢查：在規(guī)定條件下沒(méi)有氣孔、裂縫、夾鎢和夾雜物等。⑤無(wú)晶間腐蝕傾向。⑥組件的操作頭外表面圓跳度不大于φ1.0 mm，管腳的圓柱外表面的圓跳度不大于φ0.5 mm。

（1）工藝難點(diǎn)。

①工件材料為國(guó)產(chǎn)316Ti不銹鋼，其裂紋敏感性較高，熱變形率也較高，焊接接頭形狀為封閉的六邊形，焊接應(yīng)力釋放困難，焊接接頭各部位熱容量不同，焊接接頭極易產(chǎn)生裂紋等缺陷，焊接人員對(duì)焊接速度把握不好，容易產(chǎn)生未焊透或燒穿等缺陷。從焊接試驗(yàn)結(jié)果看，焊接缺陷主要表現(xiàn)為裂紋、未焊透及燒穿等，分別如圖9～圖11所示，圖中箭頭所指方向?yàn)槿毕菸恢谩?/p>

②焊接區(qū)域結(jié)構(gòu)如圖8所示，焊道各部分形狀差異較大，熱容量差別較大，要獲得較為均勻的焊縫較為困難。

（2）解決方法。

①設(shè)計(jì)一臺(tái)快堆組件組裝焊接裝旋轉(zhuǎn)置。

快堆組件組裝焊接旋轉(zhuǎn)裝置保證在裝配過(guò)程中，頭部部件、棒束部件及尾部部件在同一軸線上，

裝置可以旋轉(zhuǎn)，方便組件六面的對(duì)稱焊接。

圖8 過(guò)渡頭與外套管焊接形狀裝配示意

圖9 焊縫未焊透金相

圖10 焊縫裂紋金相

圖11 焊縫燒穿金相

②選擇焊接方式。

采用手工TIG焊接方式，先對(duì)稱點(diǎn)焊，對(duì)外套管和柵板框架進(jìn)行點(diǎn)焊固定，再進(jìn)行每次兩面對(duì)稱焊接，最后加快冷卻接近常溫以控制焊接變形和焊接裂紋。焊接電流70 A，每面焊縫焊接速度控制為“慢速-快速-較慢”，每面焊接時(shí)間20～25 s。按此參數(shù)焊接的試樣均合格，合格的焊縫橫截面金相如圖12所示，無(wú)缺陷的焊縫縱截面金相如圖13所示。

經(jīng)檢驗(yàn)焊縫外觀尺寸、金相、X光、腐蝕均滿足技術(shù)條件的要求。焊接完成后組件的圓跳度完全滿足技術(shù)要求，成功實(shí)現(xiàn)了過(guò)渡頭與外套管的焊接。

圖12 焊縫橫截面金相

圖13 焊縫縱截面金相

3結(jié)論

（1）點(diǎn)焊前直接對(duì)繞絲頭部進(jìn)行熔球處理，選擇適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)，焊點(diǎn)質(zhì)量滿足技術(shù)條件要求。

（2）設(shè)計(jì)研制出移動(dòng)式多功能焊接設(shè)備，解決了柵板框架與外套管焊接工藝難點(diǎn)，點(diǎn)焊的外觀尺寸和強(qiáng)度滿足工藝要求。

（3）設(shè)計(jì)研制出組件組裝焊接旋轉(zhuǎn)裝置，選用合適的焊接參數(shù)和焊接方式，解決了過(guò)渡頭與外套管焊接工藝難點(diǎn)，縫焊質(zhì)量滿足工藝要求，控制了組件的焊接變形，組件跳動(dòng)量滿足工藝要求。

該項(xiàng)目的成功實(shí)施使我國(guó)首次掌握了實(shí)驗(yàn)快堆轉(zhuǎn)換區(qū)組件的焊接工藝，并初步具備實(shí)驗(yàn)快堆組件的生產(chǎn)能力。

[1]謝光善，張汝嫻.快中子堆燃料元件[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]吳毅雄.焊接手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]梁?jiǎn)⒑?焊接檢驗(yàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

Technology research on welding CEFR blanket region FA

WANG Jianhong，YANG Tonggao，SHEN Lin，ZHONG Yi
（CNNC Jianzhong Nuclear Fuel Co.，Ltd.，Yibin 644000，China）

Fast reactor is a principal type of generation 4 nuclear power system in the world,which uses uranium resource to exploit nuclear power.Fuel assembly is an indispensable component to the fast reactor，in which the Welded quality has a direct influence on the service life of fuel assembly and the safe operation of reactor.This article presents the structural features of the blanket region FA，highlights discussing the difficulties during the development such as wire spot welding of fuel rod，pressure resistance welding of grid frame to bushing，as well as assembling and welding of transition head and bushing，and proposes the solutions which have been demonstrated by tests.The inspection results of FAs show that the process adopted by CJNF in welding the CEFR FAs is feasible and welding quality meets the requirements of technical specification.The successful implementation of such project indicates it is first time for China to master the technology for manufacturing CEFR FAs，and generate a preliminary production capacity.

CEFR；blanket region FA；welding technology

TL351

B

1001-2303（2016）11-0123-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.27

獻(xiàn)

汪建紅，楊通高，沈林，等.實(shí)驗(yàn)快堆轉(zhuǎn)換區(qū)組件焊接工藝[J].電焊機(jī)，2016，46（11）：123-126.

2016-05-29

汪建紅（1971—），女，湖南安化人，研高，學(xué)士，主要從事燃料元件的組裝、焊接、檢驗(yàn)等制造工藝技術(shù)工作。