林 健，馮 剛，雷永平，季順成，崔泰然，魯 立，梁振新

(1.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部，北京 100124； 2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

核電是目前公認(rèn)的可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)火電，又安全高效的綠色能源.截止到2019年12月底，我國(guó)大陸地區(qū)在運(yùn)核電機(jī)組為47臺(tái)，總裝機(jī)容量達(dá)4 875萬(wàn)kW，位居全球第3；然而，2019年核電總發(fā)電量只占全國(guó)發(fā)電總量的4.88%，火力發(fā)電仍占比很高.雖然煤礦資源豐富，但我國(guó)還是一個(gè)煤炭資源凈進(jìn)口國(guó)，這主要是因?yàn)槲覈?guó)人均煤炭資源不到世界平均水平的一半.由此，發(fā)展核電可以大大緩解煤炭資源的需求，同時(shí)還能大大降低燃燒煤炭對(duì)環(huán)境的污染.未來(lái)15年是我國(guó)核電發(fā)展的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期，預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)核電在運(yùn)裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到7 000萬(wàn)kW，在建裝機(jī)規(guī)模接近4 000萬(wàn)kW.

核電的安全性是影響核電工業(yè)健康發(fā)展的重要因素，近年來(lái)多起核事故造成了人們的恐核心理.通常核電站有3道實(shí)體屏障[1-2]：第1道屏障是核燃料棒的包殼，它能夠保障燃料組件長(zhǎng)期在密封環(huán)境中良好地運(yùn)行；第2道屏障是壓力殼，壓力殼是由一個(gè)厚約200 mm的壓力容器組成，該壓力容器將換熱一回路完全密封起來(lái)；第3道屏障是安全殼，為一道厚度為1 m的鋼筋混凝土墻，是防止放射性物質(zhì)向外界環(huán)境泄漏的最后一道屏障.其中，核燃料棒的包殼內(nèi)壁受到燃料組件的輻射，以及裂變產(chǎn)生氣體的壓力；包殼外壁受到冷卻劑的沖刷、腐蝕.因此，核燃料棒的包殼是反應(yīng)堆工況最為苛刻的部件，也是容易發(fā)生損壞的地方.

燃料棒由包殼管、端塞、UO2芯塊、彈簧組成，其中，包殼管和端塞采用焊接方法進(jìn)行連接，對(duì)核燃料起到密封和隔絕作用.目前，主流的包殼管和端塞材料是鋯合金、奧氏體不銹鋼及碳化硅復(fù)合材料[3]，鋯合金由于具有熱中子吸收截面低、抗腐蝕性和高溫力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，是包括核動(dòng)力反應(yīng)堆燃料棒包殼材料在內(nèi)應(yīng)用最廣泛的堆芯結(jié)構(gòu)材料.牌號(hào)為Zr-4的合金是20世紀(jì)美國(guó)研發(fā)出來(lái)的鋯合金，至今已有幾十年的發(fā)展應(yīng)用，是目前應(yīng)用較多的鋯合金.CZ牌號(hào)是中廣核電公司自主開發(fā)的新型鋯合金，具有比Zr-4更優(yōu)良的耐腐蝕性能、力學(xué)性能和焊接性能，并且作為國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的新型鋯合金，已逐步代替進(jìn)口產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于燃料棒包殼材料的制備.然而，目前對(duì)新型CZ鋯合金材料服役性能和接頭制備方法的專題報(bào)道較少.

包殼管與端塞采用焊接的方法進(jìn)行連接，焊接接頭處是最有可能存在隱患的地方.針對(duì)鋯合金端塞與包殼管的焊接方法主要有鎢極氬弧焊、激光焊、電子束焊和電阻對(duì)焊等.在眾多焊接方法中，電阻對(duì)焊具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、效率高的優(yōu)勢(shì)，但受到技術(shù)保密等因素的影響，國(guó)內(nèi)外鋯合金燃料棒包殼管與端塞電阻對(duì)焊的報(bào)道不多，研究者們采用的材料、工藝、試驗(yàn)參數(shù)等各有特色，需要對(duì)這些研究進(jìn)行必要的整理和總結(jié).

由此，為了推進(jìn)CZ鋯合金的工程應(yīng)用，以及端塞與包殼管電阻對(duì)焊方法的研究，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中的鋯合金材料特性和焊接方法進(jìn)行整理總結(jié)，并重點(diǎn)總結(jié)了鋯合金包殼管與端塞電阻對(duì)焊工藝的研究成果，并對(duì)目前尚未解決的問(wèn)題進(jìn)行了探討.

1 鋯及鋯合金的材料特性

1.1 鋯及鋯合金

鋯屬于稀有金屬，原子序數(shù)為40，平均相對(duì)原子質(zhì)量為91，密度為6.49 g/cm3，鋯具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，且熔點(diǎn)較高(1 855 ℃)[4].純金屬鋯有α-Zr和β-Zr兩種同素異形體，α-Zr為密排六方結(jié)構(gòu)，β-Zr為體心立方結(jié)構(gòu).在常溫下，α-Zr為穩(wěn)定相；當(dāng)溫度升至865 ℃左右時(shí)，α-Zr開始向β-Zr進(jìn)行轉(zhuǎn)變，發(fā)生α→α+β的同素異形轉(zhuǎn)變；在1 000 ℃左右時(shí)，α-Zr全部轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)的β-Zr(α+β→β)[5-6].

對(duì)鋯進(jìn)行合金化的目的是抵消雜質(zhì)元素的影響，尤其是降低氮的有害影響，以使鋯合金保持與純鋯相當(dāng)?shù)哪透g性能并提高它的強(qiáng)度.合金化后的鋯具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，較好的延展性和加工性能，在高溫下具有耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于核工業(yè)和醫(yī)療器械等領(lǐng)域.鋯合金主要分為鋯錫、鋯鈮、鋯錫鈮三大類合金：鋯錫系合金主要包括Zr-2和Zr-4合金；鋯鈮系合金主要包括Zr-1Nb、Zr-2.5Nb；鋯錫鈮系主要包括美國(guó)西屋公司開發(fā)的ZIRLO合金、法國(guó)的M5合金，以及我國(guó)開發(fā)的N18、N36、CZ合金.

1.2 Zr-4鋯合金

Zr-4屬于鋯錫系合金，主要由Zr、Sn、Fe等元素組成，具體成分范圍如表1所示.

鋯合金的基體相為α-Zr，除了基體相以外還有第二相的存在，Zr-4鋯合金的第二相主要為Zr(Fe,Cr)2.Zr-4鋯合金的第二相分布如圖1所示.黑色顆粒為第二相，較均勻地彌散分布在基體中，大部分呈球狀，小部分呈現(xiàn)短棒狀.鋯合金的第二相對(duì)腐蝕行為、力學(xué)性能、輻照生長(zhǎng)等有直接影響.

Zr-4合金的物理及力學(xué)性能如表2所示.不銹鋼是另一種常用的燃料棒包殼材料，與Zr-4合金相比，鋯合金的熱中子吸收截面遠(yuǎn)小于不銹鋼，屈服強(qiáng)度略高于不銹鋼，并且二者耐腐蝕能力相當(dāng).此外，Caleb等[9]和Thomas等[10]的研究表明，Zr-4合金包殼管與鐵基材料包殼管在爆破性能及微動(dòng)磨損性能方面差異較小.與鐵基材料相比，鋯合金在未來(lái)核電領(lǐng)域仍有很大的應(yīng)用前景.

表2 Zr-4合金的物理及力學(xué)性能[11-13]

1.3 N36和CZ鋯合金

N36和CZ合金都是我國(guó)自主研發(fā)的新型鋯合金，N36合金包殼管材已在第3代核反應(yīng)堆中獲得了成功應(yīng)用，CZ合金包殼管材也已經(jīng)于2017年在嶺澳核電站入堆進(jìn)行輻照測(cè)試.N36和CZ鋯合金都主要由Zr、Sn、Nb等元素組成，具體成分范圍如表3所示.其中，常用N36鋯合金成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Sn 1%、Nb 1%、Fe 0.3%、O 0.1%[5].N36合金的相變過(guò)程為，725 ℃時(shí)α→α+β，910 ℃時(shí)α+β→β[11].

表3 N36和CZ鋯合金主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)[7-8,14]

N36鋯合金的第二相主要有3種：密排六方結(jié)構(gòu)的Zr(Nb,Fe)2、面心立方結(jié)構(gòu)的(Zr,Nb)2Fe和體心立方結(jié)構(gòu)的β-Nb，其中以Zr(Nb,Fe)2相為主[15-16].CZ鋯合金的第二相包括Zr(Fe,Cr)2、Zr(Nb,Fe)2、Zr(Nb,Fe,Cr)2和β-Nb.

N36、CZ鋯合金的物理及力學(xué)性能與Zr-4合金相近，只是在耐腐蝕能力上有所差別；Zr-4與N36、CZ鋯合金的成分及含量略有不同，通過(guò)成分對(duì)比可以看出Zr-4合金Sn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)多但不含Nb元素，而N36、CZ鋯合金都加入了Nb元素，Song等[17]研究發(fā)現(xiàn)Nb元素的加入降低了對(duì)N、C等雜質(zhì)元素的吸收速率，從而提高了合金的耐腐蝕能力.燃料棒包殼用N36鋯合金棒材的完整加工工藝包括：中間合金的熔煉、鑄錠的制備、鍛造、均勻化處理、棒坯的擠壓、熱軋、中間退火、冷旋鍛和成品退火等工序.最終成品鋯合金棒材的原始組織狀態(tài)為再結(jié)晶態(tài)等軸晶粒，晶粒大小為3～8 μm.對(duì)熱軋工藝制備的N36鋯合金棒材進(jìn)行室溫和實(shí)際工作溫度(300 ℃)下的拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 N36鋯合金棒材的力學(xué)性能[18]

2 鋯合金包殼焊接方法的研究進(jìn)展

2.1 鋯合金焊接性

鋯合金具有較好的焊接性[19-22].鋯合金液態(tài)流動(dòng)性好、焊后變形小、殘余應(yīng)力小，并且鋯合金的線膨脹系數(shù)小，裂紋傾向較小.但是在高溫下鋯合金的化學(xué)活度增加，使得鋯合金容易與空氣中的氧、氮、氫反應(yīng)，生成氧化鋯(ZrO2)、氮化鋯(ZrN)和氫化鋯(ZrH2).這些化合物會(huì)對(duì)鋯合金的強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性能產(chǎn)生不良影響.因此，在鋯合金的焊接工藝中一般都采用在純度較高的保護(hù)氣中進(jìn)行焊接的方法.

焊后可以通過(guò)焊縫區(qū)表面的顏色來(lái)判別污染程度，焊縫表面呈銀白色為最佳，顏色呈金屬光澤的黃色、紫色、藍(lán)色的焊縫受污染程度較小，性能幾乎沒(méi)有影響，而無(wú)金屬光澤的藍(lán)色、灰白色的焊縫則被嚴(yán)重污染，造成焊縫強(qiáng)度嚴(yán)重降低.目前應(yīng)用在鋯合金燃料棒端塞與包殼管的焊接方法主要有電阻對(duì)焊、電子束焊、鎢極氬弧焊、激光焊等.

2.2 電阻對(duì)焊方法

2.2.1 電阻對(duì)焊的工藝研究

電阻對(duì)焊的升溫過(guò)程速度快，接頭處金屬與空氣反應(yīng)的概率小，所以電阻對(duì)焊一般不需要在保護(hù)氣下完成.與其他焊接方法相比，電阻對(duì)焊熱輸入量小，焊縫處晶粒尺寸小，接頭力學(xué)性能優(yōu)良.此外，電阻焊得到的接頭缺陷少，不存在氣孔、夾渣等焊接缺陷.目前，電阻對(duì)焊是國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的鋯合金端塞與包殼管的焊接方法.

將端塞和包殼管分別用電極夾緊并裝配成為對(duì)接接頭，在氣缸壓力作用下端塞與包殼管緊密接觸，同時(shí)通過(guò)電極施加電流，電流由端塞側(cè)流向管材側(cè)，接頭處的接觸電阻和工件體電阻會(huì)產(chǎn)生電阻熱，接頭處迅速達(dá)到塑性狀態(tài)(或?yàn)槿刍癄顟B(tài))，在力與熱的共同作用下形成連接.燃料棒包殼材料電阻對(duì)焊的主要參數(shù)有焊接電流、焊接壓力、包殼管伸出電極的長(zhǎng)度、焊接時(shí)間.其中，焊接電流、焊接壓力、包殼管伸出電極的長(zhǎng)度為主要參數(shù)，完成焊接的時(shí)間一般為20～50 ms.包殼材料電阻焊的焊縫幾何特征是焊接界面的塑性變形，其取決于這些工藝參數(shù)及工件的初始幾何形狀，接頭的顯微組織演變和熱影響區(qū)的形狀尺寸也是這些參數(shù)的結(jié)果.端塞與包殼管電阻對(duì)焊方法示意圖如圖2所示.接頭成型過(guò)程如圖3所示.

圖2 電阻壓力焊方法示意圖[23]Fig.2 Schematic diagram of resistance pressure welding method[23]

圖3 電阻對(duì)焊接頭的成型過(guò)程[24]Fig.3 Forming process of pressure resistance welding joint[24]

包殼管伸出電極的長(zhǎng)度影響著焊接過(guò)程中的電流密度分布和接頭散熱速率，通常將伸出長(zhǎng)度取值為1～3 mm，這是由于伸出長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成在通電過(guò)程中接頭附近管材因散熱不足導(dǎo)致失穩(wěn)變形，高溫下失穩(wěn)變形的包殼管如圖4所示.焊接壓力對(duì)接頭成形起著關(guān)鍵性作用.在小壓力下進(jìn)行試驗(yàn)容易因接觸不良而導(dǎo)致接頭處產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象，導(dǎo)致接頭因高溫產(chǎn)生塌陷，工藝不穩(wěn)定；在大壓力下進(jìn)行試驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)接頭處已發(fā)生塑性變形，但未形成連接的情況，原因?yàn)楹附訅毫^(guò)大造成接頭處管材在升溫過(guò)程中快速變形，包殼管與端塞接觸面迅速增大，導(dǎo)致其接觸電阻驟降，熱輸入不足.在獲得有效連接的前提下，焊接壓力一般采用較大的數(shù)值.

圖4 高溫下失穩(wěn)變形的包殼管Fig.4 Unstable deformation of cladded tube at high temperature

焊接電流是影響接頭成形的最為重要的因素.焊接電流過(guò)小會(huì)造成接頭處實(shí)際溫度過(guò)低，無(wú)法使接頭達(dá)到塑性狀態(tài)，包殼管與端塞不能形成有效連接；焊接電流過(guò)大，焊接溫度高，易造成接頭附近金屬氧化嚴(yán)重，增加熱影響區(qū)的長(zhǎng)度，降低接頭的綜合性能.中核燃料元件有限公司的常艷君等[25]對(duì)AFA3G燃料組件燃料棒端塞與包殼管電阻對(duì)焊工藝參數(shù)進(jìn)行了探究并指出焊接缺陷的成因及消除措施，研究表明：采用小能量(小電流、大壓力、大伸出長(zhǎng)度)焊接的焊縫處塑性變形不集中、強(qiáng)度不夠；采用大能量(大電流、小壓力、小伸出長(zhǎng)度)焊接的焊縫處腐蝕結(jié)果不達(dá)標(biāo)；研究者使用大焊接電流(9 000～12 000 A)、較大電極壓力(2 800～3 100 N)、較小包殼伸出長(zhǎng)度(0.6～1.2 mm)的焊接工藝進(jìn)行焊接，得到性能優(yōu)良的接頭.

上海大學(xué)的陳方泉等[26]開展了大量的焊接試驗(yàn)，對(duì)焊縫組織和接頭性能進(jìn)行了多種檢測(cè)，得出了端塞和包殼管的電阻焊接適宜采用恒定壓力、大電流、短焊接時(shí)間(20～50 ms)的焊接工藝參數(shù).研究中還指出，端塞與包殼管兩側(cè)熱影響區(qū)寬度與接頭缺陷之間存在一定的聯(lián)系.

由上可見，采用電阻焊方法連接鋯合金端塞與包殼管的關(guān)鍵問(wèn)題在于多個(gè)重要焊接參數(shù)的恰當(dāng)匹配.上述學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)的方法明確了端塞與包殼管電阻焊的工藝流程、焊接參數(shù)及缺陷成因等，但研究工作缺乏對(duì)焊接機(jī)理及焊接參數(shù)影響顯微組織變化的深入探究.

圖6 焊接溫度分布云圖[28]Fig.6 Welding temperature distribution nephogram[28]

2.2.2 電阻對(duì)焊的數(shù)值仿真工作

包殼管與端塞電阻對(duì)焊過(guò)程中的焊接電流隨時(shí)間的變化如圖5所示，對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的溫度云圖見圖6.在A～B階段端塞與包殼管在預(yù)壓力的作用下形成緊密貼合，然后快速施加較大的焊接電流，使接頭處快速產(chǎn)熱并達(dá)到塑性狀態(tài)(或?yàn)槿刍癄顟B(tài))，在焊接壓力作用下工件于B、C階段形成初步連接；在D、E階段，接頭會(huì)進(jìn)一步形成連接，達(dá)到熔融狀態(tài)的材料逐步降溫并隨之生成新的組織，這個(gè)階段雖仍有電流通過(guò)，但由于接頭處的接觸電阻很小并不會(huì)使其升溫.針對(duì)燃料棒包殼材料電阻焊工藝是否為固相焊連接方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的看法.國(guó)內(nèi)陳方泉等[27]對(duì)電阻焊溫度場(chǎng)進(jìn)行了探討，通過(guò)ANSYS軟件對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元模擬.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊縫處最高溫度為1 500 ℃，并未達(dá)到鋯合金熔點(diǎn)，這使得接頭晶粒組織細(xì)小，接頭具有良好的力學(xué)性能.然而，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院的Na等[23, 28]通過(guò)模擬方法得出鋯合金端塞與包殼管的最佳電阻焊接參數(shù)，此外，還通過(guò)試驗(yàn)證明了焊接接頭是以熔化的方式形成連接.目前，更多的研究者認(rèn)為燃料棒包殼材料電阻焊屬于固相焊接方法.

圖5 焊接電流與時(shí)間關(guān)系[28]Fig.5 Diagram of relationship between welding current and time[28]

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Kersten等[29]通過(guò)有限元軟件模擬得出電阻鐓粗對(duì)焊過(guò)程中的熱分布，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果.結(jié)果表明由于焊接壓力的原因造成接頭處熱分布不均勻，焊縫內(nèi)部溫度低，兩側(cè)溫度較高.

電阻焊中端塞和電極、包殼管和電極、端塞和包殼管的接觸電阻是產(chǎn)生焊接熱源的主要因素.其中，端塞與包殼管的接觸電阻對(duì)接頭成形過(guò)程有著重要影響，但是在焊接過(guò)程中，接觸電阻隨著壓力、溫度、連接過(guò)程的完成情況而發(fā)生變化，難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法直接測(cè)得.波爾多大學(xué)的Doyen等[30]利用有限元模型研究了一種校準(zhǔn)接觸電阻的方法，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，研究還發(fā)現(xiàn)在端塞與管材的電阻焊中，由于參數(shù)不當(dāng)造成的變形均出現(xiàn)在管材一側(cè).端塞與電極、包殼管與電極的接觸電阻也對(duì)接頭的形成有著重要的影響.巴黎-薩克雷大學(xué)的Olivier等[31]和Corpace等[32]對(duì)氧化物彌散強(qiáng)化鋼材質(zhì)的端塞和包殼管進(jìn)行電阻焊試驗(yàn)，指出在包殼管與電極接觸附近會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高變形區(qū)；高熱輸入量的焊接工藝會(huì)造成管材塌陷，塌陷的根本原因是包殼管與電極之間存在著較大的電流密度；可以通過(guò)改變包殼管伸出長(zhǎng)度來(lái)避免這種缺陷.對(duì)于燃料棒包殼材料電阻對(duì)焊過(guò)程中接觸電阻的具體數(shù)值及隨參數(shù)的變化規(guī)律還需要開展進(jìn)一步的研究.

研究者通過(guò)試驗(yàn)明確了端塞與包殼管電阻焊的工藝流程、焊接參數(shù)及缺陷成因等，數(shù)值模擬大都關(guān)注于焊接過(guò)程溫度場(chǎng)分布及演變過(guò)程，缺乏對(duì)焊接過(guò)程中金屬流變、接頭成型機(jī)理、顯微組織演變及各焊接參數(shù)對(duì)接頭服役性能影響的系統(tǒng)研究報(bào)道，難以對(duì)焊接工藝優(yōu)化提供方向性指導(dǎo).

2.3 其他焊接方法

中核北方核燃料元件公司的崔振波等[33]采用改良的小直徑鈰鎢極TIG焊將鋯合金端塞和包殼管焊在一起，并通過(guò)調(diào)整參數(shù)，重點(diǎn)討論了在TIG焊時(shí)壓塞預(yù)緊力、基值電流和峰值電流對(duì)焊縫質(zhì)量的影響，得到了最佳參數(shù)，通過(guò)多組試驗(yàn)確定壓塞預(yù)緊力為0.35～0.45 MPa、基值電流為25～35 A、峰值電流為65～75 A時(shí)焊接質(zhì)量較好，適宜批量生產(chǎn).TIG焊操作簡(jiǎn)便，但工藝參數(shù)窗口窄，并且得到的焊縫質(zhì)量較差.中國(guó)核動(dòng)力研究院的蔣帆[34]采用電子束焊對(duì)N36鋯合金端塞與管材進(jìn)行焊接，通過(guò)多種性能檢測(cè)試驗(yàn)得出該焊縫滿足反應(yīng)堆使用要求的結(jié)論.目前的研究認(rèn)為，電子束焊線能量高，易造成焊縫合金元素的蒸發(fā)，進(jìn)而降低焊縫的耐腐蝕性能，所以為了避免接頭性能變差，在采用電子束焊方法焊接包殼材料時(shí)應(yīng)降低輸入能量密度[35-37].激光焊接方法不需要真空室，比電子束焊接更高效，Boutarek等[38]對(duì)包殼材料激光焊工藝進(jìn)行優(yōu)化，探究了焊接接頭的顯微組織特征及力學(xué)性能，研究表明激光焊的接頭質(zhì)量滿足核反應(yīng)堆使用要求.俄羅斯學(xué)者M(jìn)axim等[39]通過(guò)多組對(duì)比試驗(yàn)，確定了Zr-0.1%Nb合金激光焊接的工藝參數(shù)，并討論了在不同保護(hù)氣流速下出現(xiàn)的幾種類型的焊接缺陷.印度學(xué)者Satyanarayana等[40]建立了鋯合金端塞與包殼管激光焊三維傳熱和流體流動(dòng)模型，計(jì)算得到了激光焊過(guò)程中的溫度分布及熔池幾何形狀，研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)熔池的最高溫度取決于功率，而與焊接速度無(wú)關(guān)，熔池的幾何形狀受功率、焊接速度、熔池金屬流動(dòng)等因素影響.

鎢極氬弧焊、激光焊、電子束焊都屬于熔化焊，焊縫經(jīng)歷了升溫、熔化、冶金反應(yīng)、冷卻等過(guò)程，焊縫金屬形成過(guò)程發(fā)生了化學(xué)冶金和物理冶金反應(yīng)，焊縫區(qū)的成分、組織與母材相比有明顯的區(qū)別，而成分和組織的改變直接影響了接頭的服役性能.激光焊和電子束焊與傳統(tǒng)的弧焊方法相比，獲得接頭的熱影響區(qū)小、服役性能優(yōu)良，這2種焊接方法是除電阻焊外在燃料棒包殼材料連接中廣泛使用的技術(shù).

3 接頭顯微組織特征及力學(xué)性能

鋯合金良好的力學(xué)性能在很大程度上取決于其α-Zr晶粒的尺寸，而焊接過(guò)程會(huì)對(duì)其原始組織產(chǎn)生較大影響.采用熔化焊接方法會(huì)造成金屬熔化，容易產(chǎn)生氣孔、夾渣、未熔合等焊接缺陷，并且熔化焊接方法熱輸入大，會(huì)造成接頭晶粒粗大，影響接頭性能.如采用電子束焊接方法得到的接頭，熱影響區(qū)比較寬，且接頭區(qū)域晶粒粗大，晶粒尺寸在300 μm左右，遠(yuǎn)大于母材的原始晶粒尺寸(8 μm)[41-42].電阻對(duì)焊屬于固相焊接，接頭在電阻熱作用下迅速達(dá)到塑性狀態(tài)，形成原子間結(jié)合后快速冷卻，所以電阻對(duì)焊熱影響區(qū)窄、接頭區(qū)域晶粒細(xì)小(20 μm)、第二相分布更加均勻，接頭耐腐蝕性能和抗沖擊載荷性能優(yōu)異.然而，電阻對(duì)焊會(huì)造成接頭處的一部分金屬被擠出或者進(jìn)入密封的包殼管內(nèi)部，形成與包殼管厚度相當(dāng)?shù)膬?nèi)部和外部毛刺，這部分金屬在工作載荷作用下容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致接頭存在開裂的隱患，并且這部分金屬在服役過(guò)程中最容易發(fā)生腐蝕，所以在電阻對(duì)焊后需要通過(guò)機(jī)械方法對(duì)毛刺金屬進(jìn)行打磨處理.

鋯合金在不同的冷卻速度下得到的組織是有差異的.在較快速度下冷卻時(shí)焊縫處形成馬氏體相，并且不會(huì)發(fā)生合金元素的明顯偏析，快速加熱和快速冷卻的工藝條件還會(huì)使焊縫金屬溶解氮的量減少，從而使焊件有良好的耐腐蝕性能；在慢速度冷卻條件下，焊縫處會(huì)形成魏氏組織，對(duì)接頭性能造成不良影響[43-45].Zr-4合金進(jìn)行電阻對(duì)焊時(shí)的冷卻速率約在103 ℃/s，冷卻速度快，焊縫及熱影響區(qū)處為馬氏體組織及細(xì)小的魏氏組織[46-47]，如圖7所示.目前，對(duì)于鋯合金電阻對(duì)焊的組織特征分析及焊接參數(shù)對(duì)組織影響的報(bào)道較少，如參數(shù)對(duì)晶粒尺寸、晶界取向差、相分布的影響等.鋯合金電阻對(duì)焊后的組織對(duì)接頭耐腐蝕能力及力學(xué)性能的影響機(jī)制仍需進(jìn)一步研究.

圖7 鋯合金電阻對(duì)焊熱影響區(qū)組織Fig.7 Microstructure of heat affected zone of zirconium alloy resistance butt welding

電阻對(duì)焊獲得的接頭在金相顯微鏡下可以觀察到一條非常細(xì)的分界線，這條分界線就是端塞與包殼管的熔合線.一個(gè)性能優(yōu)異接頭的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一就是熔合線長(zhǎng)度要大于包殼管的壁厚.目前的研究對(duì)于熔合線的形成機(jī)理尚不清楚.

Park等[28]在焊后金相組織中發(fā)現(xiàn)在晶粒內(nèi)部存在黑色物質(zhì)，通過(guò)檢測(cè)表明該黑色物質(zhì)為碳化鋯相，析出的碳化鋯對(duì)接頭強(qiáng)度影響較小，而對(duì)應(yīng)力腐蝕存在一定影響.研究者通過(guò)監(jiān)測(cè)瞬時(shí)動(dòng)態(tài)電阻、瞬時(shí)焊接壓力、電極位移的方法對(duì)焊縫質(zhì)量檢測(cè)，通過(guò)一系列模擬試驗(yàn)，找到了適合監(jiān)測(cè)焊縫質(zhì)量的因素[48].

電阻對(duì)焊的接頭沒(méi)有明顯的熔合區(qū)域，只形成了一條很細(xì)的熔合線.Na等[49]對(duì)電阻焊方法得到鋯合金包殼材料連接件進(jìn)行數(shù)值模擬和爆破試驗(yàn)，模擬結(jié)果表明接頭處產(chǎn)生熔化的組織長(zhǎng)度大于管壁厚，研究中還探討工藝參數(shù)對(duì)接頭成形和強(qiáng)度的影響規(guī)律.爆破試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)斷裂出現(xiàn)在包殼管母材處，而不是焊縫；接頭處顯微硬度大于兩側(cè)母材的硬度；較大的焊接電流和伸出長(zhǎng)度都會(huì)提高強(qiáng)度，焊接壓力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小，電流和伸出長(zhǎng)度對(duì)焊縫質(zhì)量影響大.法國(guó)研究者Gaillac等[50]將電阻對(duì)焊過(guò)程的有限元模型與爆破試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合，用于模擬試驗(yàn)中的優(yōu)質(zhì)焊縫和劣質(zhì)焊縫，以優(yōu)化焊接質(zhì)量和設(shè)計(jì)新的焊接結(jié)構(gòu).

電阻對(duì)焊獲得的接頭爆破強(qiáng)度和硬度要高于母材，鋯合金母材的強(qiáng)化機(jī)制主要為細(xì)晶強(qiáng)化和第二相顆粒強(qiáng)化，然而，接頭組織分析結(jié)果表明在焊縫和熱影響區(qū)僅有少量的第二相顆粒存在.目前，對(duì)于焊后第二相顆粒的存在狀態(tài)及焊接接頭的強(qiáng)化機(jī)制仍需進(jìn)一步研究.

4 結(jié)論與展望

1) 在鋯合金燃料棒端塞與包殼管的焊接方法中，電阻對(duì)焊具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì).多數(shù)學(xué)者認(rèn)為鋯合金電阻對(duì)焊屬于固相焊接，接頭處不會(huì)熔化，得到的組織晶粒細(xì)小、缺陷少、接頭性能優(yōu)異.目前，國(guó)內(nèi)鋯合金端塞與包殼管電阻對(duì)焊仍處于跟蹤狀態(tài).

2) 國(guó)內(nèi)外研究者通過(guò)有限元模擬和試驗(yàn)相結(jié)合，初步揭示鋯合金端塞和包殼管電阻對(duì)焊的機(jī)理，得出電阻焊溫度場(chǎng)和電流密度分布圖，確定了焊接電流、包殼管伸出電極的長(zhǎng)度、焊接壓力這3個(gè)主要焊接參數(shù)的數(shù)值范圍，并探究了各參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響.

3) 鋯合金端塞與包殼管電阻對(duì)焊得到的接頭性能優(yōu)異，焊縫及熱影響區(qū)為馬氏體組織，焊縫處強(qiáng)度高于母材，接頭拉伸試驗(yàn)時(shí)斷裂出現(xiàn)在包殼管的母材上.

電阻對(duì)焊已經(jīng)在鋯合金端塞與包殼管焊接中得到推廣，但研究還不系統(tǒng)、不全面，仍有一些問(wèn)題有待研究：

1) 大部分科學(xué)研究都是對(duì)鋯合金電阻對(duì)焊工藝參數(shù)的探討，而對(duì)焊接接頭顯微組織研究很少；對(duì)接頭相組成、晶粒尺寸和形態(tài)、晶粒取向與接頭力學(xué)性能之間的聯(lián)系還需要進(jìn)一步開展研究；焊接參數(shù)對(duì)接頭耐腐蝕性能的影響規(guī)律也尚不清楚.

2) 學(xué)者們對(duì)于鋯合金包殼管與端塞電阻對(duì)焊是否為固相連接仍存在分歧，這可能是工藝參數(shù)、材料等原因造成的.對(duì)于這個(gè)問(wèn)題學(xué)者們還需要通過(guò)試驗(yàn)或模擬仿真進(jìn)一步探討.

3) 端塞與包殼管的接觸電阻對(duì)接頭的成形具有重要影響，通過(guò)對(duì)接觸電阻的分析可以更加深入地了解包殼材料電阻焊的連接機(jī)理.然而，通過(guò)試驗(yàn)方法獲得接觸電阻的數(shù)值比較困難，接觸電阻在焊接過(guò)程中隨工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)尚不清楚.

4) 對(duì)包殼管與端塞焊接接頭性能檢測(cè)方法比較單一，除破壞性檢測(cè)方法外，還可以將恰當(dāng)?shù)臒o(wú)損檢測(cè)方法應(yīng)用到接頭性能檢測(cè)中，并制定出相應(yīng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn).