新型定位格架制造工艺可行性研究

侯雪，邢菊伟，马春英，王磊，李雪松

中核北方核燃料元件有限公司  内蒙古 包头014035

摘要：格架是核燃料组件的关键部件，它在燃料组件中起着支撑和夹持燃料棒的作用，格架结构及焊接质量对燃料组件的性能有很大的影响。一种新型燃料组件定位格架采用了新型的刚凸、弹簧夹持单元结构配置的同时，搅混翼侧的内条带十字交叉焊缝采用了下移设计方式。目前，已有常规燃料组件的格架采用的是常规焊点设计，交叉焊点位于格架的上下端面，激光垂直入射到交叉焊点，在焊舌位置聚焦实现焊接。新型燃料组件定位格架不能采用常规格架的激光焊接方法。为验证新型燃料组件定位格架制造工艺的可行性，使用现有设备开发设计格架的制造工艺，设计格架组装焊接工装，制定焊接工艺路线，实现定位格架的激光焊接工艺。在格架的制造过程中，需要考虑新形式格架结构设计带来的影响，利用现有的设备开发新的格架制造工艺，最终确定格架产品的制造工艺可行。

关键词：焊点下移；激光焊接；新锆合金

0引言

格架是核燃料组件的重要组成部分，格架起着组件支撑、调整流量及均匀热量等作用，新型燃料组件设计是基于常规燃料元件改进的。格架设计的变化是该组件设计的重大创新，其焊点下移的设计在我国核燃料元件格架设计上尚属首次，而且也是格架制造的难点，暂无格架制造工艺参考。新型格架搅混翼侧十字交叉焊点采用了下移设计，且格架材料采用了我国自主研发的两种新型锆合金。为了实现新型燃料组件定位格架设计的应用，开展该类型格架的制造工艺可行性研究，需要开发格架组装及焊接工艺，优化焊接参数，最终确定格架的制造工艺的可行性。

为了实现焊点下移格架激光焊接的研制目标，格架的制造工艺可行性研究工作分为以下几个阶段：格架产品制造工艺分析、格架产品制造工艺路线设计、格架焊接夹具设计加工、格架焊接工艺试验、确立格架产品制造工艺。

1格架产品结构分析

1.1新型定位格架的结构特点：

格架为方形等步距栅元结构，格架由内条带、外条带和套管组成，格架在焊接成形前，各部件呈不完全固定状态，需要由精密工装进行固定限位。

1.1新型定位格架设计特点：

格架搅混翼侧的十字交叉焊点沉入内条带的内部；格架条带刚凸、弹簧、搅混翼、导向翼结构设计变化；格架试验件要求采用国产研制的新型锆合金加工制造。

1.2新型定位格架结构对制造工艺影响的分析

1.2.1新型定位格架结构对组装工艺影响的分析

a)新型定位格架为方形结构，可以通过内条带在组装工装布局插接实现格架内条带的组装。

b)外条带为插接式装配，可以通过焊接夹具的装夹固定，防止脱落。

1.2.2新型定位格架结构对焊接工艺影响的分析

a)新型定位格架组装后可实现激光的入射。

b)激光入射范围取决于格架焊接工装的设计。

1.3新型定位格架制造工艺路线设计

根据新型定位格架产品的结构特点，确立定位格架制造工艺路线：

1.4定位格架工装的设计

1.4.1定位格架组装工装的设计

格架的组装工装用于支撑格架主体结构，控制了格架的外形尺寸，受格架条带部件结构的影响，因此格架的组装工装应能够满足格架条带支撑、条带让位以及条带限位的功能。                         

1.4.2定位格架焊接工装的设计

新型定位格架夹具，既要考虑到定位格架各部件的装夹限位，也要考虑下移焊点激光入射倾角让位，因此，在焊点下移侧的夹具设计中增加了激光入射光路，避免激光干涉现象。根据焊接夹具强度以及激光入射的情况，在夹具上加工了光路让位槽。

通过格架焊接夹具的组装试验，初步确认焊点下移的格架能够实现固定，并不干涉激光入射光路，该焊接夹具的设计可用。

2格架焊接工艺试验

2.1确立激光入射相关参数

格架下移焊点焊接激光要有入射倾斜角度，需根据格架搅混翼分布情况，确立激光入射方向。因格架搅混翼分布是呈中心对称，通过理论分析可把格架俯视图按区域划分成4个区。

根据格架焊点下移位置情况，考虑激光入射需要，格架需先水平旋转一定角，之后翻转一定度角，才能将焊点呈现在激光之下。

通过调整格架在焊接腔室的高度，确保激光能够在格架焊缝位置进行聚焦。后经过多次试验，调整工作台翻转角度，最终确定工作台翻转角度为35-42度。

表1工作台反转试验

序号	工作台反转角度	格架焊接区域状况	判定结果
1	32°	焊点部分可见	不可取
2	38°	焊点全部可见	可行
3	40°	焊点全部可见	可行
4	45°	焊点部分可见	不可取

经过多次激光空运行试验，得出了格架焊接的激光运行路径，在其选择的范围内有点均可见。

2.2确定格架焊接工艺参数

激光焊接参数对格架焊接质量有较大影响，其中包括脉冲频率、脉冲宽度、峰值功率、脉冲个数，针对格架的焊缝焊接工艺参数开展正交试验。

表2焊缝焊接参数

	脉冲频率（Hz）	脉冲宽度（ms）	峰值功率（W）	脉冲个数（个）
最小值	20	8-9	900	8
最大值	25	8-9	1200	12

通过焊接参数正交试验，最终确立新型定位格架焊缝的焊接工艺参数范围，参数范围内，格架焊缝各项性能指标均达到技术条件要求。

2.3格架制造工艺的确立

通过格架多次的组装、焊接试验，对格架组装操作、焊接夹具、焊接程序进行了优化。焊接程序优化主要针对格架焊缝焊接顺序、格架焊点偏差矫正。

优化后，开展了格架试验件小批量化研制。试验件总量百余个，其格架尺寸、外观满足要求，格架性能测试达到了格架的设计预期。

3结论

（1）首次实现了焊点下移格架的激光焊接工艺，新型燃料组件定位格架制造工艺具备可行性。

（2）设计加工了焊接夹具，实现了焊点下移格架部件装夹固定及下移焊点激光焊接。

（3）优化了格架的组装工艺和激光焊接工艺，使格架产品质量得到保证。

（4）通过工艺试验，确定了一组满足新型定位格架技术要求的激光焊接参数。

参考文献：

[1]张旭东 陈武柱 陈加瑞 锆-4合金的激光焊接研究 应用激光1999.19-5

[2]赵异萍 激光焊接工艺参数对锆4合金焊缝成型的影响 太原重工机械学院报1999.20-3

[3]胡林西等 锆合金薄板激光对接焊及数值模拟 中国激光2016-7