引言

燃料組件是核反應堆的核心釋熱部件，由燃料棒以及上管座、骨架等部分構成。骨架部分，類(lèi)似于建筑物中的框架結構，為整個(gè)燃料組件提供了穩定的支撐。骨架的主要組成材料是鋯，包括定位格架和導向管等關(guān)鍵部件，這些部件的連接主要通過(guò)焊接實(shí)現。

然而，焊接鋯棒、鋯管等鋯合金并非易事，其焊接性能受多個(gè)工藝參數影響，本文先介紹了電阻點(diǎn)焊工藝的概念和特點(diǎn)，并從焊接壓力、焊接時(shí)間和焊接電流三個(gè)方面分析了焊接工藝參數對鋯合金焊接性能的影響。

1、電阻點(diǎn)焊

骨架焊接是采用電阻點(diǎn)焊的方式將定位格架和導向管焊接為成型骨架的一種工藝。電阻點(diǎn)焊（ResistanceSpotWelding，RSW）是電阻焊的一種，簡(jiǎn)稱(chēng)點(diǎn)焊。電阻點(diǎn)焊是將被焊零件裝配成搭接接頭并壓緊在兩電極之間，利用電流流經(jīng)零件本身和其接觸面間產(chǎn)生的電阻熱，將其接觸面的局部加熱到熔化狀態(tài)，在電極壓力下，形成冶金連接的一種電阻焊接方法[1]。

點(diǎn)焊的主要焊接參數是焊接電流、焊接（通電）時(shí)間、電極壓力和電極尺寸等。焊接電流是指焊接時(shí)流經(jīng)焊接回路的電流。

Q=I²Rt.

即點(diǎn)焊產(chǎn)生的熱量Q與電流I的平方、電阻R和通電時(shí)間t成正比。

焊接接頭的質(zhì)量最終反映在接頭的剪切強度上，而接頭的剪切強度主要取決于焊點(diǎn)的尺寸以及焊點(diǎn)表面和內部的質(zhì)量[2]。

表面質(zhì)量是指焊件表面電極壓痕深度大小，有無(wú)表面飛濺、燒傷、裂紋、粘連電極、翹曲變形及表面抗腐蝕性能的變化等。內部質(zhì)量則指熔核的幾何尺寸、形狀，有無(wú)超標的裂紋、縮孔等內部缺陷，以及熱影響區金屬的組織與力學(xué)性能有無(wú)明顯的變化。

2、鋯合金焊舌與導向管試樣焊接

焊舌與導向管試樣是模擬產(chǎn)品實(shí)際焊接狀態(tài)的試樣。焊舌呈片狀，上有與導向管貼合的焊接區；導向管直徑為Φ11.5mm，內部有擴張芯軸起到支撐與導電的作用。焊接的狀態(tài)如圖1所示。

焊點(diǎn)的形成有以下四個(gè)階段：

1）預壓階段，通電前電極壓在零件上施加預壓力。

2）焊接階段，通電加熱形成熔池。

3）維持階段，維持壓力，斷電冷卻。

4）休止階段，電極抬起，準備下一次焊接。

2.1電極壓力

電極壓力是指在焊接過(guò)程中，電極與被焊材料之間所施加的力。電極壓力對焊接熔核尺寸有很大的影響，這是因為盡管體電阻率與壓力無(wú)關(guān)，但接觸電阻對壓力的分布及接觸界面的表面條件都很敏感[3]。而電極壓力不僅影響電極與母材之間接觸面積的大小，也影響接觸電阻的值。

首先，壓力的大小會(huì )直接影響電極與母材之間的接觸面積—壓力越大，接觸面積越大，從而使得電流更為均勻地傳遞到母材，有利于形成較大的熔核。其次，電極壓力的大小也會(huì )影響到電極與母材之間的接觸電阻—壓力越大，接觸電阻越小，因為電阻降低，導致電流的損失降低，使得電流能更有效地轉化為焊接熱量，有助于生成更大的熔核。但是，這只是在一定范圍內有效。

當電極壓力超過(guò)某一閾值后，雖然接觸電阻進(jìn)一步降低，但增大壓力會(huì )引發(fā)兩個(gè)主要問(wèn)題：一個(gè)是造成過(guò)大的散熱，導致熱量不能集中在焊點(diǎn)，結果是熔核尺寸可能變??；另一個(gè)可能會(huì )引發(fā)電極過(guò)度磨損，影響焊接質(zhì)量。而且，電極壓力對焊接過(guò)程中的接觸界面的表面條件也十分敏感。這是由于表面條件決定了電阻的狀態(tài)，當接觸界面光滑、無(wú)氧化物覆蓋時(shí)，接觸電阻就會(huì )較小，反之，則會(huì )增大接觸電阻。電極壓力可通過(guò)改變接觸界面的表面條件，進(jìn)而影響接觸電阻的大小，從而影響焊接效果。

當電極壓力增大時(shí)，接觸電阻會(huì )降低，這意味著(zhù)焊接過(guò)程中的散熱會(huì )增加，總的熱量就會(huì )相應減少。

由于這個(gè)原因，焊點(diǎn)的熔核尺寸會(huì )變小，因此電極壓力不宜過(guò)大。

另一方面，如果電極壓力過(guò)小，母材的接觸就會(huì )不良，導致接觸電阻不穩定。這將導致熔核的尺寸產(chǎn)生較大波動(dòng)。過(guò)小的電極壓力也可能引發(fā)嚴重的焊點(diǎn)噴濺，這在焊接過(guò)程中是需要盡量避免的問(wèn)題。因此，必須確保電極壓力達到適當的值，從而保證焊件接觸的穩定性。

對于鋯合金焊舌與導向管試樣焊接，采用焊接電流2.4kA進(jìn)行實(shí)驗，結果如表1所示。

考慮到壓力可能出現波動(dòng)，可根據焊接實(shí)際情況，選擇210N及以上作為電極壓力，可保證接觸電阻穩定且不會(huì )產(chǎn)生噴濺。

2.2焊接時(shí)間

焊接時(shí)間如果很短，焊接區由于熱量不足無(wú)法形成熔核，焊接時(shí)間增加達到臨界點(diǎn)后，焊點(diǎn)將形成熔核，之后隨著(zhù)時(shí)間增加，焊點(diǎn)熔核逐漸增大，焊點(diǎn)剪切力也隨之增加，直到最后產(chǎn)生噴濺。根據實(shí)驗結果，最終選擇20ms作為焊接時(shí)間。

2.3焊接電流

由于電阻點(diǎn)焊產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比，所以焊接電流對焊點(diǎn)的力學(xué)性能影響最大。

采用厚度0.4mm焊舌和壁厚0.5mm的Φ11.5mm的導向管的薄壁試樣進(jìn)行焊接實(shí)驗。母材材質(zhì)為Zr-4合金，壓力采用210N。

如圖2、圖3所示，隨著(zhù)焊接電流增加，焊點(diǎn)剪切力逐漸上升，折線(xiàn)的尾端斜率逐漸降低，說(shuō)明其增長(cháng)速度逐漸緩慢。若繼續增加焊接電流，溫度場(chǎng)將進(jìn)入準穩定狀態(tài)，可能導致金屬過(guò)熱造成噴濺等缺陷，從而威脅焊接質(zhì)量。

而當焊接電流過(guò)小時(shí)，盡管電極壓力適中但焊接區卻無(wú)法達到足夠的溫度以形成熔核。此時(shí)，必須提高焊接電流至一定閾值，才能確保焊點(diǎn)成功形成并達到所需的剪切力，使焊接過(guò)程能夠正常進(jìn)行。

圖2和圖3中的所有試樣都能滿(mǎn)足當前的剪切力要求，后續可根據不同要求，確定焊接電流參數。

2.4工藝參數相互影響

根據不同的焊接電流與焊接時(shí)間可形成兩種規范：硬規范和軟規范。它們的核心區別在于所采用的電流大小及其與焊接時(shí)間的配合。硬規范指的是使用大電流進(jìn)行短時(shí)間的焊接，它的優(yōu)點(diǎn)在于能夠快速產(chǎn)生高溫，使得金屬瞬間達到融化狀態(tài)，從而短時(shí)間內完成焊接，大大提升了生產(chǎn)效率。然而，大電流焊接對設備的穩定性要求較高，稍有不慎便會(huì )引發(fā)噴濺等問(wèn)題。

相對于硬規范，軟規范則是使用小電流進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的焊接。這種方式雖然焊接時(shí)間更長(cháng)，但由于電流較小，因此對設備的穩定性要求較低，也更不易出現噴濺等缺陷。此外，軟規范能夠保證金屬在焊接過(guò)程中均勻加熱，避免了因局部過(guò)熱而產(chǎn)生的金屬結構變形，因此其焊接質(zhì)量通常更高。

在實(shí)際生產(chǎn)中，選擇硬規范還是軟規范，需要根據具體的產(chǎn)品特性、生產(chǎn)設備以及生產(chǎn)效率的要求來(lái)決定。兩者之間需要找到一個(gè)平衡點(diǎn)，才能達到最佳的焊接效果。

3、結論

適當的焊接工藝參數（包括電極壓力、焊接時(shí)間和焊接電流等）對于確定鋯合金焊舌與導向管的焊接質(zhì)量至關(guān)重要。本文的分析理論與實(shí)踐充分證明，通過(guò)合理的設置和調整焊接參數，可以有效地提高焊接的質(zhì)量，同時(shí)也能有效地避免因為參數設置不當而出現的問(wèn)題，比如焊點(diǎn)飛濺或焊點(diǎn)性能不合格等。

以當前工藝要求對鋯合金焊舌與導向管進(jìn)行焊接時(shí)，焊接壓力應控制在210N以上，避免出現飛濺；焊接時(shí)間可控制在20ms；焊接電流根據不同工藝要求，厚壁選擇2.3~2.8kA，薄壁選擇2.0~2.6kA。的增加而增加，對各車(chē)間粉塵的特性進(jìn)行了研究并對工藝進(jìn)行改進(jìn)后，粉塵濃度得到有效控制。

1）對鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)設施情況及生產(chǎn)規模、工藝進(jìn)行分析。

2）對企業(yè)燒結、煉鐵、煉鋼以及軋鋼車(chē)間16個(gè)采樣點(diǎn)的粉塵濃度進(jìn)行了實(shí)驗研究，并根據實(shí)驗結果對其特性進(jìn)行了分析。

3）針對燒結、煉鐵、煉鋼車(chē)間的除塵控制工藝進(jìn)行研究與改進(jìn)，根據結果分析可知粉塵污染控制技術(shù)有較好效果，為后續鋼鐵車(chē)間粉塵濃度控制研究提供了實(shí)踐基礎。

參考文獻

[1]紀樹(shù)東.機械加工車(chē)間環(huán)境影響分析及粉塵特性研究[J].科技致富向導，2014（11）：148.

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