核燃料棒电阻焊质量监测方法与流程

本发明涉及一种核燃料棒电阻焊质量监测方法，尤其，涉及一种可对包壳管和端塞的压力电阻焊质量进行实时监测的方法。
背景技术：
：轻水反应堆的核燃料棒通过以下方式制造，即，在具有圆筒形状的锆合金的包壳管内装入多个颗粒形状的芯块，利用端塞将包壳管的两端焊接来进行密封，由此制造核燃料棒。这种核燃料棒是多个核燃料棒在定位格架内以一体的形式被支承而制作成核燃料组件后装入到反应堆内，因而，对所制造的核燃料棒的粗糙表面进行磨削加工，以使核燃料棒与定位格架装配时不产生干扰。通常，包壳管和端塞的焊接采用压力电阻焊，利用一对电极将包壳管和端塞相互加压，使电流从一个电极通过包壳管和端塞流到另外一个电极，从而将包壳管和端塞永久接合。作为燃料棒端塞的电阻焊检测，进行以批次(batch)为单位的燃料棒断裂试验和组织检测，然而，为了提高焊接工艺的可靠性，优选的是需要迅速而准确地进行质量评价。在一些现有技术中提出了一种在焊接过程中检测电压、电流以及压力等参数，并通过分析这些参数来实时体现焊接质量的评价方法。现有技术文献专利文献韩国公开专利公报特2003-0083650(公开日：2003年10月30日)韩国公开专利公报第10-2014-0014570号(公开日：2014年2月6日)韩国公开专利公报第10-2015-0144138号(公开日：2015年12月24日)技术实现要素：(一)要解决的技术问题本发明对现有技术进行了改进，其目的在于，提供一种在包壳管和端塞的压力电阻焊过程中能够准确而迅速地监测焊接质量的方法。(二)技术方案用于实现上述目的的本发明的核燃料棒电阻焊质量监测方法包括：第一步骤，在包壳管和端塞的压力电阻焊过程中检测包括电压、电流以及压力的焊接信息；第二步骤，计算对于焊接信息的各个有效值而获得静态因子，并将所述静态因子与各个预设参考值进行比较和判断；第三步骤，如果在第二步骤中满足预设参考值的范围，则计算对于包括瞬时压力的倾斜度的焊接信息的动态因子；第四步骤，对所述动态因子进行比较和判断，从而判断焊接质量的不良与否。优选地，本发明的核燃料棒电阻焊监测方法的特征在于，所述瞬时压力倾斜度是供给电源的第一个半周期区间的压力倾斜度。优选地，本发明的核燃料棒电阻焊监测方法的特征在于，在所述步骤4中，以对各个动态因子图案进行量化而合计的总的合计值为基准来进行比较和判断。优选地，本发明的核燃料棒电阻焊监测方法的特征在于，在所述步骤4中，在对于各个动态因子图案的量化值的基础上具有加权值(三)有益效果本发明的核燃料棒电阻焊质量监测方法具有以下效果，该方法检测出包括电压、电流以及压力的焊接信息，并将其计算成特定的静态因子和动态因子，从而能够迅速而准确地判断焊接质量的不良与否，尤其，作为动态因子使用瞬时压力的倾斜度，从而能够进一步提高焊接质量的不良判断的准确性和可靠性。附图说明图1的(a)和(b)是分别表示核燃料棒电阻焊装置的焊接前后主要部分的结构的图。图2是本发明的监测系统的结构图。图3的(a)、(b)及(c)是用于说明本发明的实施例的瞬时动态电阻(idr)和区间动态电阻的图表。图4是表示在本发明的实施例的电阻焊过程中检测的电流、电压以及压力波形的图表。图5的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)及(f)是表示在本发明的实施例的电阻焊过程中各个压力区间的包壳管和端塞的状态的示意图。图6至图13是表示在各个实验条件下进行电阻焊时的质量因子的图案的图表。图14是表示本发明的监测方法的流程图。附图说明标记11：包壳管12：端塞13：弹簧14：焊珠20：管电极30：塞电极100：电阻焊装置110：电流传感器120：电压传感器130：压力传感器131：压力指示器200：监测单元具体实施方式在本发明的实施例中提出的特定结构以及功能性说明只是为了说明根据本发明的概念的实施例而例示的，因此，根据本发明的概念的实施例可以以多种形式实施。而且，不得解释为本发明限定于本说明书中说明的实施例，应理解为包括本发明的思想和技术范围内的所有变更物、等同物以及替代物。另外，在本发明中，第一和/或第二等用语可用于说明各种组成构件，但是所述组成构件并不限定于所述用语。所述用语只是为了将一个组成构件与其他组成构件区分开而使用的，例如，在不脱离本发明的概念的权利保护范围内，第一组成构件可命名为第二组成构件，类似地，第二组成构件可命名为第一组成构件。当提及某个组成构件与另一个组成构件“连接”或者“接合”时，可以理解为与另一个组成构件直接连接或者接合，但也可以理解为两者之间存在其他的组成构件。相反，当提及某个组成构件与另一个组成构件“直接连接”或者“直接接触”时，应理解为两者之间不存在其他组成构件。用于说明各组成构件之间的关系的其他表述，即，“～之间”和“直接～之间”或者“与～相邻的”和“与～直接相邻的”等表述也应以相同的方式解释。以下，参照附图对本发明的实施例进行详细的说明。参照图1的(a)和(b)，核燃料棒的电阻焊装置包括：管电极20，包壳管11插入设置于其中；塞电极30，与管电极20相对设置，且可进行水平移动，其中，塞电极30固定支承端塞12，使得所述端塞12与包壳管11的纵轴方向c一致。附图标记13表示在包壳管内弹性支承芯块的弹簧。塞电极30可通过载体(未示出)进行前后移动，焊接过程如下，向塞电极30施加一定的压力而使其向前移动的同时，通过施加到管电极20与塞电极30之间的焊接电流来进行包壳管11和端塞12的电阻焊，焊接部上形成有环状的突出形成的焊珠14。如上所述，本发明的监测系统在包壳管和端塞的加压焊接过程中实时检测电流、电压以及压力等焊接信息，并通过对此进行判断来判断焊接的不良与否。具体地，在核燃料棒的电阻焊过程中有可能产生的‘未焊接部’和‘焊接处龟裂’的原因可根据1)电阻焊装置的机械不良、2)电极不良以及3)元件不良来区分不良类型。例如，1)电阻焊装置的机械不良可以是电极传送制动缸杠杆(cylinderlever)的破损所引起的焊接不良。电极传送制动缸杠杆将管电极和包壳管固定，因此焊接时起到非常重要的作用，但是，即使因反复负载而引起疲劳破坏也很难观察到所述现象。除此之外，其他的机械不良因素可以是，将电极与电器元件连接的母线端子松动、电缆氧化、与电极筒的加压速度相关的机械因素的动作不良或破损等。对于2)电极不良，绝缘体的有无或不良、根据包壳管的外径公差的电极孔的直径等会成为其原因。作为3)元件不良因素，存在多种因素，如包壳管的加工公差或插入到核燃料棒内的弹簧的弯曲(buckling)、弹簧前端的加工面的不良、是否对弹簧进行镀覆等。如上所述，本发明通过掌握代表在核燃料棒的电阻焊过程中可能产生的不良因素的质量因子，能够无损且实时的判断质量的不良与否。参照图2，本发明的监测系统中，电阻焊装置100包括用于检测焊接电流的电流传感器110、用于检测焊接电压的电压传感器120、用于检测焊接时的端塞压力的压力传感器130，由此对电流、电压以及压力波形进行实时测量。电流传感器110可利用环形线圈等传感器来测量焊接电流，压力传感器130可使用众所周知的测压元件。对于压力传感器130，可增加信号处理装置，如压力指示器131。电流传感器110、电压传感器120以及压力指示器131的输出信号将传送至监测单元200，监测单元200通过对所检测到的信号(波形等)进行处理而实时监测焊接质量。监测单元200将与各个传感器所检测到的焊接信息一起计算出焊接时间，焊接时间可由通电时间计算得到。具体地，在本实施例中监测单元200可利用下面的质量因子对燃料棒的焊接质量进行评价。(p1)电流：整个检测波形的有效电流(p2)电压：整个检测波形的有效电压(p3)整体的平均动态电阻：整个波形的动态电阻的平均(p4)整体的平均发热量：整个波形的发热量的平均(bw0)区间动态电阻：对应特定区间波形的动态电阻的平均(bw1)瞬时动态电阻倾斜度：每半周期的瞬时动态电阻的倾斜度(bw2)瞬时压力倾斜度：第一个半周期区间的压力倾斜度其中，平均动态电阻可由电流和电压计算得到，发热量由电压*电流2*焊接时间来计算得到。另外，通过设置发热量传感器来获得发热量的信息，所述发热量传感器可通过对焊接部的温度进行检测而直接测量发热量。在本实施例中，利用电流的瞬时值(instantaneousvalue)和与其电流的瞬时值同步的电压的瞬时值来计算瞬时动态电阻(instantaneousdynamicresistance，idr)，并用下面的数学式1来表示，其中，所述电流的瞬时值是焊接期间根据单相ac电源的每半周期(halfcycle)所预设的采样周期来进行测量。[数学式1]idrj＝电压的瞬时值(vj)/电流的瞬时值(ij)图3的(a)、(b)及(c)是用于说明本发明的实施例的瞬时动态电阻(idr)和区间动态电阻的图表。具体地，参照图3，在供给电源的半周期(halfcycle)(t)内每个预设的采样周期分别测量瞬时电流(ij)和瞬时电压(vj)，此时，瞬时电流(ij)和瞬时电压(vj)是每个采样周期所检测到的瞬间监测数据，在相同的时刻对相同的数量进行测量。瞬时动态电阻(idr)是根据瞬时电流(ij)和瞬时电压(vj)来决定的动态电阻值，前面所述的整体的平均动态电阻(p3)是表示整个波形的动态电阻的平均值，区间动态电阻(bw0)是表示对应特定区间的波形的动态电阻的平均值。优选地，在本实施例中，区间动态电阻(bw0)是表示利用供给电源的半周期(t/2)内的有效电流和有效电压来计算的电阻值，应理解为与整体的平均电阻(p3)区分。瞬时动态电阻倾斜度(bw1)是表示以半周期来采样的瞬时动态电阻(idr)的倾斜度，因而，在一个周期(t)内可获得两个瞬时动态电阻倾斜度(bw0’、bw1”)，将这种瞬时动态电阻倾斜度(bw1)与标准值进行比较，并使用于焊接质量的判断，优选地，将多个瞬时动态电阻倾斜度(bw1’、bw1”)中的最小值与标准值进行比较来判断焊接质量。图4是表示在本发明的实施例的电阻焊过程中检测的电流(current)、电压(volatage)以及压力(force)波形的图表。参照图4，压力波形可分为(a)、(b)、(c)、(d)、(e)五个区间，压力图表中‘+’对应压缩应力、‘-’对应张力。例如，作为前面提及的质量因子的瞬时压力倾斜度(bw2)是在所检测的瞬时压力中第一个半周期(halfcycle)区间的压力倾斜度。图5的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)及(f)是表示在本发明的实施例的电阻焊过程中各个压力区间的包壳管和端塞的状态的示意图。参照图4和图5，区间(a)对应于电流开始流动并增加的通电区间，由于焊接部的接触电阻大于体电阻因此焊接部的温度会上升且接触面的延展性会增加。并且，压力大于弹簧13的反弹力和热所产生的焊接部的膨胀力，从而会产生拉伸应力。区间(b)对应于电流持续减小的通电区间，焊接部和块体部的温度会上升而导致焊接部的体积会增大。弹簧的反弹力和热所产生的焊接部的膨胀力大于压力，从而会产生压缩应力。区间(c)对应于电流不通的冷却区间，焊接部的温度降低且焊接部的体积减小的同时一部分焊接部会凝固。并且，压力大于弹簧的反弹力和热所产生的焊接部的膨胀力而会产生拉伸应力，此时所产生的拉伸应力小于在区间(a)产生的拉伸应力。区间(d)对应于电流重新增加的通电区间，焊接部和块体部的温度会上升且焊接部的体积会增大。并且，弹簧的反弹力和热所产生的焊接部的膨胀力大于压力而会产生压缩应力，此时所产生的压缩应力小于在区间(b)产生的压缩应力。最后，区间(e)对应于电流减小的通电区间，形成焊接部且周围的体电阻增大，并产生细微的拉伸应力。如上所述，由于包壳管和端塞以一个周期(cycle)的短的焊接速度来进行焊接，因此，优选地，在高的测量频率下进行焊接，与区间动态电阻(bw0)、瞬时动态电阻倾斜度(bw1)一起计算瞬时压力倾斜度(bw2)，由此可提高判断质量的不良与否的可靠性。特别是，本发明中前面所述的质量因子分为静态因子(staticfactor)和动态因子(dynamicfactor)，由此判断质量的不良与否。具体地，本发明中静态因子为电流(p1)、电压(p2)、整体的平均动态电阻(p3)以及/或整体的平均发热量(p4)，所述静态因子初次检测后与参考值进行比较，如果不满足参考范围则判断为不良，当静态因子满足参考范围时，将动态因子与参考值进行比较，由此可进行二次不良判断。本发明中动态因子包括区间动态电阻(bw0)、瞬时动态电阻倾斜度(bw1)以及/或瞬时压力倾斜度(bw2)，尤其，必须包括瞬时压力倾斜度(bw2)。对于焊接不良的图案分析在本实施例中实施了对于产生焊接不良或焊接部龟裂的具有代表性的不良焊接条件的8种实验，将其概括为如下表1。[表1]各个实验在正常条件和不良条件(*)下实施，并观察前面所述的质量因子的图案。实验1-根据通电电流的变更的质量因子的图案参照图6可知，随着通电电流的变化，电流、电压、瞬时动态电阻(idr)以及瞬时压力(if)的图案均发生变化，而且观察到压力也因受到发热量的影响而发生变化。而且观察到，以高电流(18ka)进行焊接时，与正常情况相比电压的峰值不高，对于这种现象发热量产生影响而瞬时压力(if)虽有微小的差异，但并没有发生大的变化。表2表示对于区间动态电阻(bw0)、瞬时动态电阻倾斜度(bw1)以及瞬时压力倾斜度(bw2)的图案倾向，各个箭头的方向表示与正常条件相比变大还是变小，箭头的数量表示大小。[表2]条件bw0bw1bw2低电流(9ka)↑↓↓↓高电流(18ka)↓≒↑实验2-根据压力变更的质量因子的图案参照图7可知，根据压力变化的电流、电压以及瞬时动态电阻(idr)的倾向性存在微小差异，但是瞬时压力(if)表现出显著的倾向性。并且观察到，在低压力(2kn)下其倾向性显著，但在最大压力(4.8kn)下与正常条件相比没有大的差异。通过表3可确认，瞬时压力倾斜度(bw2)与其他质量因子相比表现出显著的倾向性。[表3]条件bw0bw1bw2高压力(4.8kn)≒≒↓↓↓低压力(2kn)≒≒↑↑实验3-根据氧化电极使用的质量因子的图案参照图8，当氧化电极的氧化程度严重时，表现出电流也下降的倾向，但在不发生电流变化的范围内进行了本实验。可观察到虽然电流和电压不发生变化，但瞬时动态电阻(idr)和瞬时压力(if)存在微小的差异，下面的表4表示其倾向性。[表4]条件bw0bw1bw2氧化电极≒↑↓实验4-根据端塞的直径减小的质量因子的图案参照图9可知，直径小的端塞和包壳管已焊接时，难以观察到电流和电压的差异，但是瞬时压力(if)表现出显著的倾向性。可知，表5中作为动态因子的瞬时压力倾斜度(bw2)与其他质量因子相比，也表现出相当大的差异。[表5]条件bw0bw1bw2小的端塞≒≒↓↓↓实验5-直径大的电极孔的质量因子的图案直径大的电极孔的电极由铜合金制成，因此电极松软，且容易被磨损，并且包壳管直径也会产生公差，因此为了再现大直径的电极孔进行焊接时发生不良的现象而进行了实验。参照图10，当电极孔大时，电极不能将包壳管牢牢地固定，从而导致电流不稳定且几乎不产生瞬时压力(if)。可知，本实验中焊机是恒定电流的焊机，因此为了补偿电流下降，电压上升到最大，因而动态电阻的图案也没有大的差异。[表6]条件bw0bw1bw2电极孔直径加大↓↓↓≒↓↓↓实验6-根据与电极传送制动缸杠杆破损的质量因子的图案用于将电极和包壳管固定的电极传送制动缸杠杆在焊接过程中起到重要的作用。但是，因反复负载而引起疲劳破坏，目前很难准确掌握其状态并对其进行维护。因而，本实验中采用人为地进行切割的方式来代替疲劳破坏所引起的现象，为了掌握不良类型而将其弯曲到极端状态。参照图11，虽然电流、电压、动态电阻上没有大的变化，但瞬时压力(if)表现出倾向性。通过下面的表7可知，动态因子中瞬时压力倾斜度(bw2)表现出相当大的倾向。[表7]条件bw0bw1bw2杠杆破损≒≒↓↓实验7-根据燃料棒厚度减小的质量因子的图案在将燃料棒和端塞进行焊接之前，在包壳管的前端设置接头以使进行焊接时与端塞容易接触。虽然以规定的厚度进行加工，但是在加工倾向于一侧或者加工过度的状态下进行焊接时会引起焊接龟裂不良。因此，本实验针对的是燃料棒的厚度减小带来的影响。参照图12，虽然电流、电压、动态电阻没有大的变化，但瞬时压力(if)表现出大的倾向性。通过下面的表8可知，动态因子中瞬时压力倾斜度(bw2)与其他质量因子相比，表现出相当大的倾向。[表8]条件bw0bw1bw2燃料棒厚度减少≒≒↑↑↑实验8-根据绝缘体破损的质量因子的图案用于紧固母线的绝缘体部位破损而发生漏电的情况时常发生。为了再现该现象，将绝缘体去除并进行了实验。四个连接端子中去除下方的两个螺栓和绝缘体而进行了实验。本实验中其倾向性不明确。判断出这种现象与螺栓的有无有关，在与螺栓的连接部位插入绝缘体时，将螺栓也一并去除并进行了焊接，因此发生漏电的概率低。但是，通过表9可知，区间动态电阻(bw0)虽不明显但表现出了倾向性。[表9]条件bw0bw1bw2绝缘体破损↓≒≒图14是表示本发明的监测方法的流程图。参照图14，本发明的核燃料棒电阻焊质量监测方法包括：第一步骤s10，在包壳管和端塞的压力电阻焊过程中检测包括电压、电流以及压力的焊接信息；第二步骤s20，计算对于焊接信息的各个有效值而获得静态因子，并将所述静态因子与各个预设参考值进行比较和判断；第三步骤s30，如果在第二步骤s20中满足预设参考值的范围，则计算对于包括瞬时压力的倾斜度的焊接信息的动态因子；第四步骤s40，对所述动态因子进行比较和判断，从而判断焊接质量的不良与否。在第一步骤s10中，在进行包壳管和端塞的加压焊接的过程中，从各个传感器检测出包括电压、电流以及压力的焊接信息，并将焊接信息传送至监测单元200。第二步骤s20包括：步骤s21，计算对于焊接信息的各个有效值，求出静态因子p1、p2、p3、p4；步骤22，将各个静态因子p1、p2、p3、p4与各个预设参考值进行比较和判断。当各个静态因子p1、p2、p3、p4超出预设参考值的基准范围时，判断为不良。在第三步骤s30中，如果在第二步骤s20中满足预设参考值范围，则计算对于包括倾斜度的焊接信息的动态因子p5、p6、p7。在第四步骤s40中，对动态因子p5、p6、p7进行比较和判断，由此判断焊接质量的不良与否。优选地，第四步骤s40可包括步骤s41，所述步骤s41中对动态因子的图案进行量化而计算总的合计值。例如，如前面的实验例中所述，当各个动态因子在正常范围之内时给10分，超出正常范围时给0分，由此可求出动态因子的总分。其次，将对于动态因子的总分与预设的标准值进行比较而判断焊接质量的不良与否。在本实施例中，当总分判断为30分以上(s42)时，判断为正常，当总分判断为10分至30分之间(s43)时，判断为警告，当总分判断为10分以下时，判断为不良。另外，在计算对于动态因子的总分的过程中，将各个动态因子的图案量化为分数时，可赋予对于各个动态因子的加权值。在本发明中的各个实验中也能够确认到，多个质量因子中瞬时压力倾斜度在判断质量不良时很有效，因此计算总分时对瞬时压力倾斜度赋予更大的加权值来判断质量的不良与否。以上说明的本发明并不限定于以上说明的实施例和附图，在不脱离本发明的技术思想的范围内，本发明所属
技术领域：
的普通技术人员能够进行各种置换、变形及变更。当前第1页12