核电用燃料棒上端塞压力电阻焊的焊接

·试验与研究· １９
于焊缝两侧热影响区的合理分布。端塞与包壳管属同 种材料，两者的比热容ｃ相同，但两者的形状存在明 显的差异，根据热容量的计算公式Ｃ＝ｃｘｍ可知，在 焊接区域，端塞的热容量高于管子的热容量。又ＡＴ＝ Ｑ／Ｃ，所以起始电流不可太大，否则，热量将明显偏 于管子侧，就可能出现类似于图９ａ所示的结果。为 了软化端塞，需加大电流，将热量偏于端塞。最后， 将焊接电流缓慢下降，起到稳定焊接的作用。
压力电阻焊逆变电源输出电流曲线如图６所示。
ｔ／ｍｓ （ｂ）不允许的输出电流每毫秒平均计算后的曲线
圈７不允许出现的焊接电流曲线
３焊接工艺试验分析 ３．１焊接试验的基本技术要求
端塞压力电阻焊接基本的技术要求是形成足够的 焊缝密实区（密实区宽度≥１．５ ｍｔｎ）、位于包壳管内 部的端塞与管壁结合处有明显均匀挤出物、焊缝两 侧热影响区分布均匀。图８为满足焊接技术要求的 金相试样，端塞的热影响区（１区）宽度适中，这样 才可保证结晶后晶粒不变粗，以免影响材料的力学 性能；另外，管子的热影响区（２区）宽度达到了管 壁的１／２以上，同时，管壁又不至于烧穿、烧伤，而 引起管子变形。
收稿日期：２００９－０７—２０ 基金项目：上海大学创新基金资助：上海高校选拔优秀青年教师
科研基金资助
田１压力与沮度的关系圈
２端塞压力电阻焊 核电用某型号燃料棒的上端塞环缝焊接采用了
压力电阻对焊工艺．其设计主要包括３个部分：控 制部分、机械部分、电源部分。采用工控机与ＮＩ 控制板卡实现了焊机控制平台的开发，利用软件 ＬａｂＶｌＥＷ进行程序的编制；根据国外的先进设计 理念，结合该燃料棒的实际状况，完成焊机机械系 统的研制；焊接电源则采用了ＭｅｄＷｅｌｄ５０００Ｓ逆变 电源。
圈９热影响区分布不合理的金相
３．２焊接参数的选择 压力电阻焊是由压力与电流２个重要因素共同
作用的结果。因此．压力与电流的适当匹配是形成 合格焊缝的必要条件。由图１可知，在焊接材料确 定的情况下。只有在一定的压力和温度条件下，才 能完成焊接。
焊接压力主要根据端塞的压入位移量来设定，又 采用恒压焊接。所以。压力的确定较容易。由公式 （１）可知．电流对焊接加热的影响最大，焊接电流和 焊接时间是决定加热的２个主要因素，根据焊接的实 时状况，可适当地调整电流和时间的大小。当焊接时 间过长时，容易引起焊缝晶粒粗大和氧化程度增加， 使得焊缝质量降低。因此，使用大焊接电流、短焊接 时间，既可提高生产效率，又可保证焊接质量。
根据上述分析，对于端塞压力电阻焊接，采用恒 压、大电流（先升后降）、短焊接时间（２０～５０ ｍｓ） 的焊接工艺参数较合适。
４结论 综上所述，焊接电流与焊接压力的恰当匹配是获
得压力电阻焊优质焊缝的基本条件，所以，压力电阻 焊最重要的焊接参数是电流与压力。根据３．２中提出 的合理焊接工艺参数（大电流、短时间），进行参数 （电流、压力）的设定，对试样重复多次做金相、超声 等检测，发现焊缝不仅具有较好的金相组织与充分的 密实区长度，而且具有优良的力学性能与足够的强度。
示。即压力电阻焊的加压曲线示意图。预压力是在焊
前阶段施加给焊件接触面的力。其作用是清除包壳管
与端塞接触面的一部分氧化膜．建立良好且分布均匀
的物理接触点。如果焊前不施加预压力，那么，管子
端面在焊接压力的长时间作用下。很容易被压溃，影
响焊接效果。焊接压力是在焊接阶段施加给焊件接触
面的力，其作用是使被焊材料间的金属界面消失，产
万方数据
１８·试验与研究·
理后传至比例阀，再打开二位三通气阀，即实现了预 压力的设定；预压保持１ ５００—２ ５００ １１１８，再次通过计 算机给定焊接压力值，并经过软件处理后下传至比 例阀，即实现了焊接压力的设定。焊接结束后，焊 接压力需保持２ ０００～３ ０００ ｍｓ。然后关闭二位三通气 阀进行卸压。
从多次焊接试验的效果可看出，焊接时间为２０～ ５０ Ｉｎｓ较合适。而焊接电流不宜为恒定值，否则不利
参考文献： ［１］盂庆森，王文先，吴志生．金属材料焊接基础［Ｍ］．北京：化学工
业出版社．２００７． ［２］邹家生．材料连接原理与工艺ＣＭ］．黑龙江哈尔滨：哈尔滨工业大
学出版社．２００５． ［３］朱正行，严向明，王敏．电阻焊技术［Ｍ］．北京：机械工业出版
根据上述压力电阻焊的工作原理可知，温度与压 力是压力电阻焊的２个重要技术指标，一个合理的焊 缝是由温度场（电流）与焊接压力共同作用的结果， 只有当这２个参数达到协调配合以后，才可形成最佳 焊接效果。图ｌ为压力电阻焊的压力与温度的关系图 脚，其中，正表示被焊金属的再结晶温度，咒表示其 熔点。图中Ｉ区为压力电阻焊接区。Ⅱ区为非焊接
生共同晶粒。形成焊缝。
啊４加压曲线示意啊
焊接电源的放电时间极短，一般为２０一５０瑚。 所以必须快速实现预压力与焊接压力之间的转换。如 果放电时焊接压力仍处在上升阶段，则会因压力过小 使焊缝密实区不够，焊接质量不合格。所以在压力电 阻焊接系统中，存在着一个压力与电流随动性的问 题。如图５所示的压力施加系统成功地解决了这一问 题，借助气囊可实现加压的快速性，利用比例阀便于 实现压力的计算机控制，通过储气罐可为气囊的迅速 膨胀提供储备气体。在进行压力的设定与控制时．图 ５加压系统中各气动元件的控制顺序为：先关闭二位 三通气阀，通过计算机给定预压力值，由软件换算处
作者简介：陈方泉（１９７５一），男，上海大学机电工程与自动化学院， 博士，讲师，研究方向：机械制造及自动化．
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核电用燃料棒上端塞压力电阻焊的焊接
作者： 作者单位：
刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
陈方泉， 梁国伟， 林祖伟， 郭旭林， 杨通高， 刘盛刚 陈方泉,梁国伟,林祖伟(上海大学,机电工程与自动化学院,上海,200072)， 郭旭林,杨通高 ,刘盛刚(中核建中核燃料元件有限公司,四川,宜宾,644000)
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ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ Ｗｅｌｄｉｎｇ，２００８， １７（３）：２４－２９．
“）输出电流的实际曲线
秒 误 于
Байду номын сангаас
（ｂ）输出电漉每毫秒平均计算后的曲线 圈６逆变电蠢的电璩曲线
万方数据
圈Ｓ奢足焊接技术要求的金相试样
在初始的焊接试验中，通过对试样进行超声检 测、金相试验。发现都可保证焊缝密实区的宽度与内
Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．３９ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２０１０
部挤出物的均匀，但由于选择焊接参数的不规范，不 易焊出图８所示的热影响区分布合理的试样，图９为 ２种典型的热影响区分布不合理的情况。如图９ａ所 示，端塞与管子的热影响区分布都太宽，管壁几乎被 熔穿，很容易引起管子变形，端塞的热影响区太宽引 起结晶后晶粒变粗大，这大大降低了材料的力学性 能；图９ｂ所示的管子的热影响区宽度比较合适，而 端塞的热影响区偏窄，这很容易形成管子与端塞局部 未焊透的缺陷。
端塞压力电阻焊机的焊接工艺流程为：端塞夹 持＿＋上料一压轮压下进料＿＋焊室密封＿包壳管（焊接 夹紧、辅助夹紧、管密封）．＋焊接小室抽真空、充 氦＿施加预压＿预压保持＿施加顶锻压力一放电＿顶
万方数据
锻压力保持一＋放气＿＋复位。 ２．１焊接原理
端塞压力电阻焊采用压力电阻对焊技术。即施加 和保持一定的焊接压力将被焊核燃料元件（端塞与 包壳管）压紧于两导电夹具（端塞夹具与焊接夹具） 之间。利用电流流经包壳管和端塞的接触面及临近 区域产生的电阻热将被焊元件材料加热到高温塑性 状态。完成焊接。图２为端塞压力电阻焊的焊接原 理示意图。
压力传感器
气囊
焊接技术 第３９卷第１期２０１０年１月
（ａ）为输出电流的实际曲线； （ｂ）为每毫秒电 流平均计算后的曲线。在焊接中。焊接电流曲线不允 许出现图７所示的突变或较大波动．否则容易产生未 焊透缺陷。
（ａ）不允许的输出电流实际曲线
田５加压系统结构示意圈
２．４焊接电源分析 端塞压力电阻焊对电源的要求极高，输出电流需
１６·试验与研究· 文章编号：１００２－－０ＺＳＸ（２０１０）０１－－００１６－－０４
焊接技术 第３９卷第ｌ期２０１０年１月
核电用燃料棒上端塞压力电阻焊的焊接
陈方泉１，梁国伟１，林祖伟１， 郭旭林２，杨通高２，刘盛刚２
（１．上海大学机电工程与自动化学院，上海２０００７２； ２．中核建中核燃料元件有限公司，四川宜宾６４４０００）
擅要：首先简要叙述了压力电阻焊的原理，指出了压力电阻焊包舍２个重要的技术指标，即温度与压力；其次，说明了核电用燃抖棒
上端塞压力电阻焊的焊接原理。并着重分析了其加热系统、加压系统和焊接电源。指出端塞压力电阻焊的基本要求。即需在焊缝两佣
形成分布均匀、大小合适的热影响区；最后，进行了大量的焊接工艺试验分析，并对焊接试样做金相、超声等检测，分析提出其用于 燃料棒上端塞环缝焊接时的焊接参数及选择规范。
具有动态稳定性。采用ＭｅｄＷｅｌｄ５０００Ｓ型逆变电源， 其最大优点是电流可编程。逆变工作原理是从电网输 入的三相交流电经整流和滤波后得到较平稳的直流 电，经逆变器逆变产生高频交流电ｉｆ－－１ ０００ Ｈｚ），再 向变压器馈电．变压器二次侧输出的低电压交流电经 单相全波整流后产生脉动很小的直流电用于焊接［３】。
阻Ｒ包括端塞与包壳管间的接触电阻兄、焊接夹头
电阻Ｒ，、端塞夹具电阻尺：、包壳管与电极夹具间接
触电阻Ｒ硼、端塞与夹具间接触电阻尺神、包壳管和
端塞本身的内部电阻（Ｒ。。，Ｒ以）。由于夹具夹持力
很大，包壳管、端塞与夹具间的接触电阻Ｒ。。，Ｒ神
均很小，可忽略不计；端塞夹具的材料为铜，所以
其电阻Ｒ：几乎为零，因此焊接回路总电阻Ｒ可表
焊接技术 WELDING TECHNOLOGY 2010，39(1) 0次
参考文献(9条) 1.孟庆森.王文先.吴志生 金属材料焊接基础 2007 2.邹家生 材料连接原理与工艺 2005 3.朱正行.严向明.王敏 电阻焊技术 2000
区，即只有当温度与压力满足一定条件后，才可形成 焊缝，完成焊接。
１压力电阻焊原理 电阻焊是将被焊工件压紧在两电极之间，并通以
电流，利用电流流经工件接触面及临近区域产生的电 阻热将其加热到融化或塑性状态。使之形成金属结合 的一种方法【¨。而压力电阻对焊就是先预压两被焊工 件的接触端面。再经焊接区的电阻热加热至塑性状 态。然后施加焊接压力来实现焊接的方法。
螭塞被热压变形焊缝密实区
挤出物
圈２囊ｌ压力电阻蜱原理示意田
２．２焊接加热分析
电阻焊的热源是电阻热。在焊接过程中。由于焊
接电流和焊接区电阻并非保持不变，因此焊接热源总
析热量为Ｅ２】：
Ｑ＝１．ｒ Ｉ 舢，
（１）
式中：ｉ为焊接电流的瞬时值：ｒ为焊接区总电阻的
动态电阻值；ｔ为通过焊接电流的时间。
根据压力电阻焊机的设计，其焊接回路的总电
示为：
Ｒ胡。拙１＋Ｒ。１般记。
（２）
焊接开始时，由于接触电阻Ｒ。急剧降低，使总
电阻Ｒ明显下降，随着焊接区域温度的升高，焊件
电阻率ｐＴ明显增大，焊件内部电阻尺订，Ｒ证增大，
总电阻增大。总电阻变化规律如图３所示［２】。
ｃ： 龟
ｏ
恤
圈３总电阻变化规律
２．３加压系统分析
加压分为预压与焊接压力２个阶段。如图４所
关键词：压力电阻ｊ葶；焊缝；热影响区；焊接参数
中圈分类号：’１１Ｇ珥５３．９
文献标志码：Ｂ
Ｏ引言 近年来。核电用燃料棒上端塞焊接逐渐采用一种
新的焊接工艺——压力电阻焊。用以一次完成端塞的 环缝焊和密封堵孔焊。其最大优点是省去了密封堵孑Ｌ 点焊这一道工序，并实施质量免检，这与以往焊缝检 测全部采用超声、Ｘ射线探伤相比。大大降低了生产 成本，减少了环境污染。