核燃料元件用鋯合金包殼的焊接

劉長城

【摘 要】改革開發以來，我國的核燃料產業不斷向前發展，核燃料產業發生了巨大變化，核燃料的加工工藝逐漸成熟，出現了各種核燃料的改進方法。本文將對核燃料元件用鋯合金包殼的焊接工藝進行分析，并討論熔化焊、非熔化焊以及焊接過程發生的不完全工藝-焊縫的形成機理。還會就核燃料焊接出現的質量問題進行介紹，例如對核燃料元件的焊接缺陷等問題。筆者會對焊接出現的問題提出一定的有建設性的意見，討論有效解決焊接缺欠的方法，促進核燃料元件用鋯合金包殼焊接工藝的發展進步。

【關鍵詞】核燃料元件；鋯金屬；焊接工藝；焊接缺陷

一、鋯元素及其合金類型

鋯是一種化學元素，化學符號是Zr。鋯金屬具有良好的氧親和力、可塑性、耐腐蝕性，鋯元素以其優異的核性能，成為核燃料包殼管的首選材料，鋯元素有著優秀的加工性能，在和反應堆中表現出良好的抗中子輻射性能和抗腐蝕性能。鋯的化合物氫氧化鋯是生產金屬鋯、氧化鋯和其它化合物的重要中間產品，氧化鋯具有增韌的特性，優異的力學性能。結合鋯合金的各個方面的優異性能，鋯元素是輕水核反應堆燃料包殼和結構材料的重要材料，在燃料包裝殼、定位格架、導向管、中子通量管等材料中都有使用。由于鋯合金在核燃料研究的重要作用，鋯合金的發展往往與核水反應堆的發展如影隨形，每一項重大的改進都會引起核水反應堆的發展。工業規模生產的鋯合金有以下兩個系列：鋯錫系列核鋯鈮系列。另外還有鋯錫鈮系列。鋯錫系列的代表是ZR-2合金，鋯鈮代表是Zr-2.5Nb合金。還有新研究出的新型鋯合金，例如E635合金和ZIRLO合金等等。核燃料元件用鋯合金包殼焊接的主要原因是：核反應堆在工作時，會產生一定的具有腐蝕性等不利于試驗正常進行的裂變產物，為了防止這些裂變物污染核反應堆冷卻液、確保核原料不會受到腐蝕以及有效地導出熱量，一般采用焊接的方法將核燃料密封在具有特殊性能的包殼中，保證核反應堆持續高效率地工作。

二、核燃料包殼焊接工藝

核燃料包殼焊接需要用到燃燒棒，用燃燒棒地焊接工藝主要有以下三類：1.壓力電阻焊接；2.鎢極保護氣體電弧焊，簡稱TIG；3.電子束焊接，簡稱EBW。筆者將在下文對以上三種焊接工藝進行介紹分析：

（一）壓力電阻焊接

壓力電阻焊接法在接觸焊接中又稱為電阻焊接，是利用金屬本身阻抗金屬之間地接觸阻抗，借助電流引起局部民熱融化，同時施加一定的壓力進行焊接的方法。電阻焊工藝分為電焊，縫焊、對焊和凸焊等四類。

（二）鎢極保護氣體電焊法

鎢極保護氣體電焊法簡稱TIG或GTAW。屬于不熔化極氣保護焊，其焊縫是由利用鎢電極與工件之間的電弧使金屬熔化而成。焊接工藝中鎢極不會熔化，只發揮電極的作用，利用惰性氣體例如氦氣或者氬氣作為保護介質，保護電極和熔池，焊接時還可以根據加工要求另外添加填充金屬，是有效穩定連接打底焊和薄板金屬的一個極好的焊接方法。

（三）電子束焊接

真空電子束焊接是應用最廣的電子束焊接，電子束焊接簡稱EBW，是利用加速和聚焦的電子書不斷轟擊在真空中或者非真空的焊接面，利用產生的熱能等效果使被焊工件熔化，冷卻形成焊縫實現焊接。電子束焊接的基本原理是電子槍中的陰極由于間接或者直接受熱發射電子，發射的電子經由高壓靜電場的加速和電磁場的聚焦作用形成能量密度極高的電子束，能量密度極高的高速電子流與被焊接工件發生碰撞，金屬結構和電子發生相互作用，電子的能量大多傳遞給被焊工件，電子束所擁有的巨大的動能轉化成巨大的熱能，是被焊接工件升溫熔化，之后冷卻形成焊縫。

電子束焊接和鎢極保護氣體電焊均屬于熔化焊接，但是兩者有一定的差異。TIG焊采用的是交流焊接，正接反接以半周交替進行，可以很好地保護鎢極并且有陰極霧化效果。直流反接雖然陰極霧化效果好但是鎢極會因為高溫而受到損壞，直流正接可以保護鎢極，但是鋁版難以承受高溫并且陰極沒有霧化效果，所以為了兼顧陰極霧化效果和保護鎢極，采取半周正接半周反接的方法進行焊接，以取得良好的焊接效果。EBW焊由于電子束具有巨大的動能，可以做較大能量的能量轉換，所以可以加工處非常窄非常深的的焊縫，而且電子束能夠靈活的偏轉，所以還可以對焊接進行有效的精確的控制。EBE焊比TIG焊的最大穿透深度要大，可以達到15毫米，最高深度比可以高達10：1，而且具有焊縫化學成分純凈，焊接強度高和質量好的特點。壓力焊屬于非熔化焊接，不會像融化焊接一樣存在明顯的熔核，只會在焊接接口處出現一條很細的由細小氧化物組成的分界限。

三、焊接缺欠

ISO6520的詞語定義中存在兩個很重要并且極易被混淆的定義，分別是焊接缺欠和焊接缺陷。兩者的區別體現在和理想焊縫的偏差程度上，焊接缺欠是與理想焊接的偏差，而焊接缺陷是不可接受的焊接缺欠，在某種程度上，焊接缺欠包括了焊接缺陷，體現在焊接缺陷對理想焊接的偏差上。在鋯合金的焊接過程中，由于外界以及材料自身的一些變化會出現各種不同類型的焊接質量問題，會影響到焊縫接頭處的力學性能。燃料元件焊接時由于環境的多樣性及不可預料的因素影響會出現以下焊接工藝的一些主要缺陷：焊縫外觀缺陷、表面氣孔及夾渣、未焊透、裂紋、過熱和過燒等。

（一）焊縫外觀缺陷

通俗地講焊接外觀缺陷就是焊接成形不足，是不借助儀器，從工件表面就可以發現的缺陷。較為常見的是咬邊、凹陷和焊接變形問題。咬邊是因為電弧熱量太高，而焊接速度太小與電弧熱量不協調所導致的，立、橫、仰式焊接會加劇焊接咬邊。焊接出現咬邊問題如果不及時解決，咬邊會惡化發展成裂紋源。

（二）氣孔和夾渣

氣孔，氣脹以及夾渣是焊接常出現的缺陷。氣孔是指氣體沒有及時在焊接金屬凝固前逸出，在焊縫里存在空穴。氣孔的形成機理：高溫液態金屬氣體溶解度遠大于常溫下固態金屬的氣體溶解度，前者大概是后者的幾十倍至上百倍。由于產生氣體的原因很復雜很多，所以氣孔會出現在很多不同的位置，一般會出現在焊縫表面、焊縫邊緣，還可能出現在焊縫的內部。氣孔可分為球狀或條蟲狀氣孔、單個或多個氣孔、均勻氣孔或密集氣孔、氫氣孔或氮氣孔等多個不同類型。焊接線能量小而熔池冷卻速度快，氣體來不及逸出就會出現氣孔，同時焊縫金屬脫氧不足會出現氧氣孔。焊縫出現氣孔減少了焊縫的有效截面積，使焊縫接頭的強度有所下降，焊縫變疏松。氫氣孔還會導致冷裂紋的產生。夾渣，是指焊接后熔渣殘存在焊縫中的現象。坡口尺寸不合理、坡口有異物、鎢極惰性氣體保護焊時電源極性不正確以及電流密度過大，鎢絲熔化脫落在熔池中、焊接操作不規范等都會導致焊接夾渣的出現。

（三）焊接未焊透

焊接未焊透出現時，焊縫的熔透深度小于焊接板厚度。在進行單面焊時，焊縫熔度沒有觸及鋼板底部；雙面焊時，兩面焊縫深度不及被焊鋼材厚度都屬于焊接未焊透。造成焊接未焊透的原因可以總結成以下三點：1.焊接坡度小，間隙大，鈍邊太大2.電流小，并且焊接速度快，焊件來不及熔化3.鎢極對中性不足或者鎢極與工件的工作距離不符合焊接標準。

四、結束語

核燃料包殼時核電站的第二道安全屏障，能有效地增強核電站的安全性，提高核反應堆的工作效率。筆者對核元件用鋯合金包殼的焊接工藝做了全面的分析，對核燃料元件、鋯元素、焊接工藝以及焊接出現的工藝問題等進行了嚴謹的介紹，希望能對祖國核燃料元件包殼焊接工藝的進步發展有一定的幫助，為祖國的發展盡自己的一份微薄之力。

【參考文獻】

[1]傅冀慶.AFA3G含釓燃料棒上端塞環縫TIG焊接研究[J].東方電氣評論，2014（06）：18（02）.