實驗快堆轉換區組件焊接工藝

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）

實驗快堆轉換區組件焊接工藝

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的主力堆型，它能充分利用鈾資源來開發核能。快堆組件是反應堆中不可缺少的重要部件，其焊接質量直接影響組件的使用壽命和反應堆的安全運行。介紹快堆轉換區組件的結構特點，重點分析組件研制過程中燃料棒的繞絲點焊、柵板框架與外套管的壓力電阻點焊、過渡頭與外套管組裝與焊接等工藝難點，并提出解決方法。通過組件焊接檢驗結果表明，CJNF在實驗快堆組件制造中所采用的焊接工藝可行，焊接質量滿足技術條件的要求。該項目的成功實施使我國首次掌握了實驗快堆組件的焊接制造工藝，并初步形成快堆組件生產能力。

實驗快堆；轉換區組件；焊接工藝

0前言

快堆是“快中子反應堆”的簡稱，是指由快中子來引起裂變鏈式反應的反應堆。作為一種研究堆型，實驗快堆燃料元件使用的材料、零部件的結構、組裝方式等均區別于目前國內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行了大量的工藝試驗，擬定出組件的制造工藝流程、攻克了各種焊接工藝難點，并成功制造出實驗快堆組件。目前，實驗快堆轉換區組件已入堆進行考驗，運行良好。

1實驗快堆轉換區組件的結構

1.1快堆轉換區組件的組成

轉換區組件由頭部部件、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

實驗快堆轉換區組件的零部件包括擠鈉器、操作頭、過渡頭部件、管腳、柵板部件、外套管、燃料棒包殼管與端塞等，設計要求材料為國產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 轉換區組件外形示意

2實驗快堆轉換區組件焊接工藝[1-3]

2.1實驗快堆轉換區組件組裝焊接工藝流程

根據轉換區組件的結構、技術條件及圖紙要求，結合公司多年燃料組件制造的經驗，擬定了組件焊接制造工藝流程，如圖2所示。

圖2 轉換區組件制造工藝流程

2.2焊接工藝難點及解決方法

實驗快堆轉換區組件是一種全新的組件，沒有技術轉讓，也沒有適用的焊接設備，所有的工藝都需從頭開始試驗。組件的焊接有：燃料棒繞絲點焊、燃料棒環焊、擠鈉器與柵板框架部件的焊接、外套管與柵板框架點焊、外套管與過渡頭的組裝焊接工藝等。組件制造的主要焊接工藝難點如下。

2.2.1燃料棒繞絲點焊工藝

燃料棒繞絲點焊是將直徑0.95 mm的不銹鋼絲點焊在燃料棒的上、下端塞上。技術要求：點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。在焊縫強度試驗中，繞絲斷裂不應發生在焊縫上，焊點尺寸應滿足技術條件的要求。

圖3 剪切樣件

圖4 拉斷樣件

（1）工藝難點。

燃料棒是端塞直徑19.2 mm、長度超過20mm的柱狀實心不銹鋼，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。若直接進行TIG焊接，可能在端塞上形成虛焊，甚至熔斷繞絲，無法滿足繞絲點焊的技術要求。

（2）解決方法。

經過實驗，采用點焊前直接對繞絲頭部進行熔球處理的方式，在繞絲的端頭熔成約φ2 mm的金屬球。不但增加了焊點金屬量，也適當增加了繞絲頭部的熱容量，避免了點焊時形成虛焊或熔斷的風險。根據前期實驗結果和焊接經驗，確定焊接參數，按照確定的工藝參數焊接的焊點經檢驗：焊點外觀良好，焊縫抗拉強度高，繞絲斷裂發生在焊縫以外的繞絲上或靠近焊縫區的母材上。焊點的外形尺寸完全滿足技術條件要求。

2.2.2外套管與柵板框架點焊工藝

（1）工藝難點。

快堆轉換區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行壓力電阻焊接時，焊槍的一極需要伸進外套管內，焊槍的另一極則在外套管外側，須在距離外套管端面規定處施焊，見圖5。目前公司沒有滿足技術要求的焊接設備。

1—柵板框架；2—焊點（12個）；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。

設計組裝一臺移動式多功能焊接設備，如圖6所示。移動式多功能焊接設備由移動小車、X形氣動焊槍、氣源系統、平衡器和組裝工作臺等組成。X形氣動焊槍是整個裝置中最重要的組成部件，焊槍結構采用剪刀形狀，上電極臂為活動臂，下電極臂為固定臂，焊槍夾持力最大可達1 500 N，方便焊接不同尺寸的焊接材料。

圖6 移動式多功能焊接設備結構示意

由于柵板框架和外套管壁厚較厚，均為不銹鋼材料，根據焊接經驗與多次試驗，選擇焊接電流在1.3～2.1 kA范圍內，焊點表面質量好，合格點焊樣品外觀見圖7焊點A。當電流增加至2.2 kA后的焊點氧化色偏重，見圖7焊點B。

圖7 焊點外觀

采用新設計的焊接設備對快堆組件外套管與柵板框架的壓力電阻焊接工藝進行研究，選擇實驗確定的焊接參數進行柵板框架與外套管接觸焊，試樣的焊點強度、焊點位置符合圖紙和技術文件要求。成功實現柵板框架與外套管的焊接。

2.2.3外套管與過渡頭的組裝焊接工藝

過渡頭與外套管的局部結構及裝配示意如圖8所示。組裝焊接技術要求如下：①過渡段與外套管組裝時，保證間隙小于等于0.1 mm。②焊縫外觀無氧化色，焊縫表面光滑、無裂紋、無焊瘤，不存在咬邊及縮孔等缺陷，焊縫寬度滿足規定要求。③金相檢查無裂紋等焊接缺陷，熔深大于等于規定要求。④射線檢查：在規定條件下沒有氣孔、裂縫、夾鎢和夾雜物等。⑤無晶間腐蝕傾向。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。

①工件材料為國產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，焊接應力釋放困難，焊接接頭各部位熱容量不同，焊接接頭極易產生裂紋等缺陷，焊接人員對焊接速度把握不好，容易產生未焊透或燒穿等缺陷。從焊接試驗結果看，焊接缺陷主要表現為裂紋、未焊透及燒穿等，分別如圖9～圖11所示，圖中箭頭所指方向為缺陷位置。

②焊接區域結構如圖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設計一臺快堆組件組裝焊接裝旋轉置。

快堆組件組裝焊接旋轉裝置保證在裝配過程中，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，方便組件六面的對稱焊接。

圖8 過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，先對稱點焊，對外套管和柵板框架進行點焊固定，再進行每次兩面對稱焊接，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”，每面焊接時間20～25 s。按此參數焊接的試樣均合格，合格的焊縫橫截面金相如圖12所示，無缺陷的焊縫縱截面金相如圖13所示。

經檢驗焊縫外觀尺寸、金相、X光、腐蝕均滿足技術條件的要求。焊接完成后組件的圓跳度完全滿足技術要求，成功實現了過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結論

（1）點焊前直接對繞絲頭部進行熔球處理，選擇適當的焊接參數，焊點質量滿足技術條件要求。

（2）設計研制出移動式多功能焊接設備，解決了柵板框架與外套管焊接工藝難點，點焊的外觀尺寸和強度滿足工藝要求。

（3）設計研制出組件組裝焊接旋轉裝置，選用合適的焊接參數和焊接方式，解決了過渡頭與外套管焊接工藝難點，縫焊質量滿足工藝要求，控制了組件的焊接變形，組件跳動量滿足工藝要求。

該項目的成功實施使我國首次掌握了實驗快堆轉換區組件的焊接工藝，并初步具備實驗快堆組件的生產能力。

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

[2]吳毅雄.焊接手冊[M].北京：機械工業出版社，2013.

[3]梁啟涵.焊接檢驗[M].北京：機械工業出版社，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

汪建紅，楊通高，沈林，等.實驗快堆轉換區組件焊接工藝[J].電焊機，2016，46（11）：123-126.

2016-05-29

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