引言
燃料組件是核反應(yīng)堆的核心釋熱部件，由燃料棒以及上管座、骨架等部分構(gòu)成。骨架部分，類(lèi)似于建筑物中的框架結(jié)構(gòu)，為整個(gè)燃料組件提供了穩(wěn)定的支撐。骨架的主要組成材料是鋯，包括定位格架和導(dǎo)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(xiàn)。然而，焊接鋯及其合金并非易事，其焊接性能受多個(gè)工藝參數(shù)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(shù)對(duì)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(dǎo)向管焊接為成型骨架的一種工藝。電阻點(diǎn)焊（Resistance Spot Welding，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(shù)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(qiáng)度上，而接頭的剪切強(qiáng)度主要取決于焊點(diǎn)的尺寸以及焊點(diǎn)表面和內(nèi)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(nèi)部質(zhì)量則指熔核的幾何尺寸、形狀，有無(wú)超標(biāo)的裂紋、縮孔等內(nèi)部缺陷，以及熱影響區(qū)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(dǎo)向管試樣焊接
焊舌與導(dǎo)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(dǎo)向管貼合的焊接區(qū)；導(dǎo)向管直徑為 Φ11.5 mm，內(nèi)部有擴(kuò)張芯軸起到支撐與導(dǎo)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(yù)壓階段，通電前電極壓在零件上施加預(yù)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(zhǔn)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(duì)焊接熔核尺寸有很大的影響，這是因?yàn)楸M管體電阻率與壓力無(wú)關(guān)，但接觸電阻對(duì)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?yàn)殡娮杞档停瑢?dǎo)致電流的損失降低，使得電流能更有效地轉(zhuǎn)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(nèi)有效。
當(dāng)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(dǎo)致熱量不能集中在焊點(diǎn)，結(jié)果是熔核尺寸可能變小；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(duì)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(dāng)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(dāng)電極壓力增大時(shí)，接觸電阻會(huì)降低，這意味著焊接過(guò)程中的散熱會(huì)增加，總的熱量就會(huì)相應(yīng)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(dǎo)致接觸電阻不穩(wěn)定。這將導(dǎo)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(yán)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(dá)到適當(dāng)?shù)闹担瑥亩ＷC焊件接觸的穩(wěn)定性。
對(duì)于鋯合金焊舌與導(dǎo)向管試樣焊接，采用焊接電流 2.4 kA 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。
考慮到壓力可能出現(xiàn)波動(dòng)，可根據(jù)焊接實(shí)際情況，選擇 210 N 及以上作為電極壓力，可保證接觸電阻穩(wěn)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(qū)由于熱量不足無(wú)法形成熔核，焊接時(shí)間增加達(dá)到臨界點(diǎn)后，焊點(diǎn)將形成熔核，之后隨著時(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(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)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(dǎo)向管的薄壁試樣進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。母材材質(zhì)為Zr-4 合金，壓力采用 210 N。如圖 2、圖 3 所示，隨著焊接電流增加，焊點(diǎn)剪切力逐漸上升，折線的尾端斜率逐漸降低，說(shuō)明其增長(zhǎng)速度逐漸緩慢。若繼續(xù)增加焊接電流，溫度場(chǎng)將進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，可能導(dǎo)致金屬過(guò)熱造成噴濺等缺陷，從而威脅焊接質(zhì)量。
而當(dāng)焊接電流過(guò)小時(shí)，盡管電極壓力適中但焊接區(qū)卻無(wú)法達(dá)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(dá)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足當(dāng)前的剪切力要求，后續(xù)可根據(jù)不同要求，確定焊接電流參數(shù)。
2.4 工藝參數(shù)相互影響
根據(jù)不同的焊接電流與焊接時(shí)間可形成兩種規(guī)范：硬規(guī)范和軟規(guī)范。它們的核心區(qū)別在于所采用的電流大小及其與焊接時(shí)間的配合。硬規(guī)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(dá)到融化狀態(tài)，從而短時(shí)間內(nèi)完成焊接，大大提升了生產(chǎn)效率。然而，大電流焊接對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性要求較高，稍有不慎便會(huì)引發(fā)噴濺等問(wèn)題。
相對(duì)于硬規(guī)范，軟規(guī)范則是使用小電流進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的焊接。這種方式雖然焊接時(shí)間更長(zhǎng)，但由于電流較小，因此對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性要求較低，也更不易出現(xiàn)噴濺等缺陷。此外，軟規(guī)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(jié)構(gòu)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(guī)范還是軟規(guī)范，需要根據(jù)具體的產(chǎn)品特性、生產(chǎn)設(shè)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(dá)到最佳的焊接效果。
3、 結(jié)論
適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)（包括電極壓力、焊接時(shí)間和焊接電流等）對(duì)于確定鋯合金焊舌與導(dǎo)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(shè)置和調(diào)整焊接參數(shù)，可以有效地提高焊接的質(zhì)量，同時(shí)也能有效地避免因?yàn)閰?shù)設(shè)置不當(dāng)而出現(xiàn)的問(wèn)題，比如焊點(diǎn)飛濺或焊點(diǎn)性能不合格等。以當(dāng)前工藝要求對(duì)鋯合金焊舌與導(dǎo)向管進(jìn)行焊接時(shí)，焊接壓力應(yīng)控制在 210 N 以上，避免出現(xiàn)飛濺；焊接時(shí)間可控制在 20 ms；焊接電流根據(jù)不同工藝要求，厚壁選擇 2.3~2.8 kA，薄壁選擇 2.0~2.6 kA。
參考文獻(xiàn)
[1] 王敬和，馬成立.電阻點(diǎn)焊和縫焊技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2022.
[2] 董仕節(jié)，羅平.電阻焊用點(diǎn)焊電極延壽技術(shù)與方法[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2019.
[3] 張洪延.電阻焊：基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2016.
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