专利名称:对燃料管管塞的改进的制作方法
本发明涉及核反应堆燃料管的管塞，在制做核反应堆活性区(堆芯)燃料装置所用的燃料管时，要用管塞焊在管端将其封闭。本发明的管塞有利于防止在燃料管塞进到圆周焊接时，尤其是在使用激光焊接工艺进行焊接的时候，所出现的结构上的缺陷和通常存在的不良特性。但是，在用钨极保护气体焊(TIG)方法焊接的情况下，本发明也可以用于燃料管管塞组合体的制做中。
众所周知，在核发电工艺中，一个典型的核反应堆设施或核发电厂的核反应堆活性区(堆芯)，最少要包括一百个或者更多的燃料装置，而每一个燃料装置又可能由几百个燃料管组成。一个普通的燃料装置，可能包含一个17×17燃料管，这里有17排燃料管的位置，每一排又有17个燃料管的位置。所以，每一个燃料装置将有264根燃料管，其余位置用来安装控制用的套管和检测用管。这样，如果反应堆活性区(堆芯)具有至少一百个燃料装置，那么这个活性区就将包含25.000根以上的燃料管。
核反应堆燃料管通常都是用薄壁管或者复合管制做，管内装以裂变物质，并且在反应堆运转的时候，整个装置是封闭起来的。复合管用来避免核燃料与周围介质，如压水型反应堆(PWR)中的冷却水相接触而产生化学反应。
同时，复合管当然也还用来限制放射性的裂变物质。为了达到上述的生产目的，复合管就必须是耐腐蚀的、不起反应的和导热的。通常用来制造燃料管包层的材料，有304不锈钢、锆基合金，如锆锡合金2(Zircaloy-2)或锆锡合金4(Zircaloy-4)。实际上，锆基合金比不锈钢要好，因为锆合金对于热中子的俘获截面比较小。
根据一般燃料管的实际制做工艺，通常呈圆柱形小块的核燃料或U-235浓缩的二氧化铀(UO2)被装入燃料管或复合管中，接着用管塞将管的两端封闭使核燃料密闭封在燃料管内，此时管塞是靠摩擦力与燃料管或复合管临时装配在一起的。接着，管塞用焊接方法将其焊到燃料管上进行永久性密闭。焊接时，可以使用一个自动焊接装置，该装置使燃料管相对于一个电极转动，以便沿燃料管和管塞之交界面进行圆周焊接，将燃料管和管塞焊接起来以后，燃料管的装配工作就算完成了。
到目前为止，在本专利申请的发明以前，上述的成千根燃料管-管塞的圆周焊接实事上全部是用一般钨极保护气体焊(TIG)的方法进行。当然，钨极保护气体焊(TIG)方法已有很多年，并且在很多不同领域和环境中用来进行焊接操作。这种焊接方法实事上是十分可靠的，并且故障很少。不过，随着激光焊接技术的出现，由于其生产周期比较短，人们已经认识到钨极保护气体焊(TIG)方法没有激光焊接那样快。所以，为了使焊接工作更加经济和有效，便希望在可能的情况下。采用激光焊接工艺，代替钨极保护气体焊接方法。进一步联系到核反应堆燃料管的特殊加工过程，尤其是考虑到核反应堆活性区所包含的燃料管根数多，需要焊接的部位多，如果采用激光焊接工艺的话，就会取得相当大的经济效益。遗憾的是，在本专利申请的发明之前，用激光焊接方法代替通常使用的钨极保护气体焊接方法进行燃料管-管塞圆周焊接中，存在着严重的结构上的缺陷。
照此，本发明在于一种设计成能焊接在管子端头里的管塞，该管塞有一个用以装入管子的，轴向伸出的圆柱结合面部分，以及一个径向伸出的圆环台肩部分，该台肩以端面接触的形式与管子的一端结合，其特征是在上述圆柱面和台肩的交界处，靠近管塞和管端焊接的位置上做出一个圆周切槽，该切槽具有一定深度，延伸到圆柱面部分的表面以下。
本发明还包括一根管子，该管子端部装有一个如上文最后一段所描述的管塞，这个管塞用激光束或钨极保护气体焊接联接到管端上。
在本发明的管塞上，在上述的惯用内拐角结构处做出一个切口或沟槽以有效地代替该内拐角。该切口或沟槽环绕管塞的整个圆周并限定在管塞的大直径部分和小直径部分之间。由于圆周切口或沟槽是部分地由圆环台肩或法兰部分限定，该圆环台肩或法兰部分与惯用的管塞相似，本发明管塞的圆环台肩的径向向内深度要大于惯用的燃料棒管塞上的这个深度。换言之，该沟槽有一个延伸到圆柱面的部分以下的深度，后者并不象惯用的内拐角结构那样与圆环台肩垂直相交而形成一个90°的夹角。所希望的是，切口部分地做成一个圆锥面，该圆锥面从台肩部分向外向前伸到圆柱面部分，夹角β大约是45°。这个径向向内设置的圆环切口或沟槽是限定在管塞的侧壁之内，位于其小直径部分和大直径部分的轴向交界处，设置这样一个结构是用来消除由管塞和烧料棒包层或管子所限定的环状焊缝内部的缺陷或毛病，例如在用激光束焊接情况下的气孔或球化微气孔。
很明显，按照本发明在焊接区加工一个环状的切槽来代替惯用的加工精度非常严格的尖角结构，有利于使任何包围的气体或气泡跑出去。此外，本发明的管塞还可以放宽在采用钨极保护气体焊接方法时，对加工公差的严格要求。在核反应堆燃料管的制做中，尤其是在使用激光束焊接工艺的时候，可以得到有惊人效果的焊接操作，尽管钨极保护气体焊接方法也是可以用的。
为了使本发明讲得更清楚，下面用实例并借助一些附图将其具体说明一下，图中表明了相应的部件，附图包括图1是一般核反应堆燃料管管塞的断面。
图2是一张放大10倍的照片，表明核反应堆燃料管管塞和复合管配合的圆周焊缝的横断面，这里用的是图1所示的一般的管塞，焊接来用了激光束焊接方法。从图中的照片中可以十分清楚地看到气孔缺陷。
图3是一张放大50倍的照片，表明图2所示焊缝的断面，这里的气孔缺陷可以比图2看得更清楚。
图4与图1相似，是本发明的核反应堆燃料管管塞的断面图。
图5是核反应堆燃料管管塞-复合管的焊缝的垂直断面，放大3倍。这里用的是图4中的管塞。
图6A和图6B是放大50倍的照片，分别表示图5中，燃料管管塞和复合管圆周焊接的左侧焊缝及右侧焊缝的断面。
图7是与图2相似断面的一半，放大10倍，表明图5中核反应堆燃料管管塞-复合管圆周焊缝的断面。
图8所示是燃料管的立面图，有一部分是断面图，表明图4中的管塞在复合管中的装配情况。
参照图1，所示是一个通常用来密封燃料管或复合管管端的长条管塞10，这种燃料管用于17×17活性区(堆芯)燃料装置中。管塞10的形状大体上是一个正圆柱体，包括直径较大的一段12和直径稍小的一段14。小直径的一段14上有一个带锥度的前端16，锥角2可以是10°左右，管塞10前端的锥角是为了便于将管塞10插到燃料管或复合管中去，燃料管在图中未表示出。管塞10的小直径段14向后延伸的一段18呈圆柱形，当管塞10插入燃料管中时，可借摩擦与燃料管的内表面相配合，图上未表示出。由于管塞的两段12和14具有不同的直径，因此在其中间就得有一个圆形凸缘或者台肩20，同时，在管塞10上还得有一个孔22，以便高压的惰性气体通入燃料管或者复合管中，这样就形成一个带管塞的燃料管。有一个直径较大的同心孔24，以便在惰性气体入口，即孔22与燃料管内径之间进行流体的交换，大家知道，在高压惰性气体通入燃料管中之后，开孔22就要用一种适当焊接方法加以封闭。
在制做燃料管管塞10时，必须进行严格的质量控制，对凸缘或者台肩20以及接触面18的加工公差，尤其要严格要求，使这两个互相垂直平面的交角是尖锐的方角。同样，燃料管或复合管与管塞相对应表面和拐角相配合的端面也必须精确加工，以避免在这些接触面之间产生超过允许公差的间隙。这样的加工公差实质上已被证明是十分苛刻的，这是因为如果达不到这种的公差要求，在用钨极保护气体焊(TIG)方法焊接的时候就会产生各种内部缺陷。比如，在焊缝的熔池中会出现气孔。而气孔会造成结构完整性和强度上的问题，同样，如产生内表面咬边缺陷，此时会使燃料管或复合管在焊缝附近的厚度减少，这种缺陷有可能扩大，它同样会引起结构完整性和强度上的问题，需要特别注意的是密封的燃料管内部有压力，所以在燃料管管体和焊缝中存在结构上的薄弱环节是特别要避免的。由于坚持严格的质量控制标准，实事上，在使用钨极保护气体焊(TIG)方法来制做一般性燃料管的时候，上述结构上的缺陷已经减少了。
在研究把激光焊接工艺和技术用到前面所讲的那种燃料管管塞结构中去的时候，已经发现在焊接区金属中内表面咬边缺陷并没有显陷，但气孔缺陷实事上已比用钨极保护气体焊(TIG)方法焊接时增加了。在图2和图3中能够看到这种气孔缺陷，照片上暴露出一些球状气孔。换句话说是一串气孔缺陷，照片是从激光焊缝中间平面上摄取，并分别放大10倍和50倍，这些缺陷出现在当用激光焊接工艺焊接一般燃料管管塞(如图1所示)的情况下，该管塞与一般的燃料管或复合管相配合。上述对于焊缝结构性能不利的现象存在的明确原因，虽然还没有能够提出来，但是如果在管塞的尖角附近或拐角处，也就是在台肩20和圆柱体部分18有气体存在就会在用激光束焊接时，由于各种蒸发，凝固以及燃料管管塞和复合管件的收缩等原因而明显地聚集在金属熔池中和焊缝中。因此，如果在制做核反应堆燃料管-管塞组合体时，采用激光束焊接工艺，就必须防止在焊缝中存在上述这种气孔缺陷。
如图4所示，核反应堆燃料管管塞一般应设计成100这样的形状。可以看出，所有部件或结构特点，对于图1中的一般管塞10和图4中的管塞100来说设计都是相似或相同的，但是管塞100的所有结构件具有100系列的特性。
在管塞100上，图1中管塞10所需精确加工的拐角结构已经用加工的切口或沟槽126代替了，该切槽沿管塞100呈环形。可以看到，构成切口或沟槽126的一个为径向的环状台肩120，另一个为锥形面128，这个锥形面从台肩120的最里面向外径向引伸到圆柱体的表面118，锥形面128与台肩或平面120相交为一个45°的β角，并伸向管塞100的带锥度的前端116。
从上面可以看到，一般的核反应堆燃料管管塞10的特点是其公差要求严格的由环状台肩平面20及圆柱体表面18所限定的内拐角结构，在使用钨极保护气体焊(TIG)方法进行圆周焊接时，尽管这种管塞10已经使无内部缺陷的燃料管管塞-复合管的圆周焊接生产有了进步，但在采用一般的管塞10的时候，事实表明气孔缺陷仍显现在燃料管管塞-复合管的圆周焊缝中，并且在使用激光束焊接工艺和设备时，这样的缺陷可在图2和图3中看到。如在管塞-复合管组合体中使用本发明所提出的新的改进的核反应堆燃料管管塞100，同样用激光束焊接工艺和设备进行焊接，在管塞和复合管之间所形成的焊缝，完全不存在上述的气孔缺陷，如图5和图6A-6B所示。从这些照片上可以特别清楚地看到，在复合管管壁和管塞的环状台肩120之间，已形成了所希望的角焊缝，并且整个焊缝都不存在气泡缺陷。图7所示是使用本发明的管塞100在激光束焊接的条件下所得到的无缺陷焊接的类似照片。
以上所述的核反应堆燃料管管塞-复合管组合体实际上都是用RA-YTHEON 550 YAG这种激光方法焊接的。切口或沟槽126是在管塞100的侧壁上加工出来，如果从圆柱体118外表面测量其径向深度达0.100英寸，不过实事上这个切槽最终成为完全焊透的焊缝，另外，如果环状切槽126的加工深度只有0.05-0.07英寸，那么也能得到适当的热影响区。同时也可以看到，目前在实际生产中，用本发明的燃料管管塞和燃料管已可得到满意的焊接。采用本发明管塞100带来的另一个好处是，由于在管塞100上加工了一个切槽126，可以避免管塞有效热损失的大约一半。所以还发现，在采用激光束焊接方法进行管塞-复合管的焊接时，在其它参数是标准的情况下，为了得到满意的焊接，通常使激光焊接机以400W功率运转。按照本发明管塞100所用的焊接方法，由于可以得到充分的焊透，就有可能使用额定功率仅为340W的激光焊机设备。在制做管塞-复合管组合体时，可以得到很好的效果，因为激光焊机设备不需要在其最大功率下运转，从而可以延长其使用寿命。
最后，提出本发明的管塞，实事上是为了克服核反应堆燃料管管塞-复合管用激光束焊接工艺焊接时，所存在的各种缺点，可以消除生产中的缺陷或结构上的缺陷，本发明的特殊结构的管塞，也可以用钨极保护气体焊(TIG)焊接工艺进行焊接。应该记住，钨极保护气体焊接工艺到目前为止，能够成功地用于核反应堆燃料管-复合管组合体的焊接生产中，仅仅是因为在管塞及与其配合的复合管的加工中，严格控制质量，不过在采用本发明以后，上述的严格条件或加工公差就再不是必须执行的了。这样一来，在加工管塞-复合管组合体的管塞和复合管时，机械加工的成本可能会显著下降。从钨极保护气体焊接方法所需输入功率高于激光束焊接这一特点来说，本发明管塞100上的切槽126可能需要加宽加深，也许还需要进行改变，使其具有不同的几何形状，比如采用方形断面，而不象图4中所示那种在用激光束焊接工艺时已经有效地采用了的三角形的切槽。
可以看出，本发明的管塞比过去的核反应堆燃料管管塞有很大优点。由于在本发明的管塞100上加工了一个切槽126，不论用钨极保护气体(TIG)焊接方法还是用激光束焊接方法，都可以消除焊缝中的气孔缺陷或结构上的缺陷。需要强调指出，最初本发明主要是解决核反应堆燃料管管塞-复合管组合体用激光束焊接时缺陷显现的问题。但是实事上本发明也同样能用钨极保护气体(TIG)焊接方法，其原因如上所述。不过这里需要特别强调一下，根据钨极保护气体焊接方法在核反应堆燃料管管塞-复合管组合体加工过程的发展中，本发明必须被认为是一种不同于以往的惊人的概念。在核反应堆燃料管管塞-复合管组合体，在用钨极保护气体焊接工艺制做的时候，气孔缺陷实际上已经显现，但是如果严格控制加工公差，就有可能使这些缺陷得到控制以至有效地避免。所以如果在用激光束焊接工艺焊接的管塞-复合管组合体中，也有类似缺陷显现的问题，就必须继续控制加工公差或者在加工公差更加严格时，可以解决激光束焊接区存在气孔缺陷的问题。不过，已经证明并不存在这种情况。因此，提出了本发明，在本发明中已发展出一种与过去熟知的方法完全相反的技术工艺，取代提高加工尺寸精度要求和严格控制质量的情况下，本发明实事上已经有效地放松了这方面的要求。
在介绍本发明的管塞在角度和尺寸方面的特殊要求时，应认为这样的角度和尺寸是所推荐的和大概的，另外，如图8所示，一个典型的核反应堆燃料管200(装入核燃料小球204)包括一个图4所示的那种管塞100，这个管塞被焊到复合管202的一端，还有一个管塞100(如图4所示)没有中间的孔122和124(也就是说这是一个实心的管塞)被焊到复合管202的另一端。最后，再在中心孔122的外面206将其焊住，密封起来。
权利要求
1.一个管塞用来焊接到管端上，该管塞具有一个圆柱体部分用来装入上述的管端中，还有一个环状台肩部分用来与上述管端对接，管塞的特征是在上述圆柱体表面与台肩的交界处、靠近上述管塞和上述管端焊接的位置上加工出一个圆周切槽，该切槽具有一定的深度，在圆柱体部分的表面以下。
2.根据权利要求
1中提出的管塞，其特征是切槽的一面是由一个锥形面构成，锥形面从台肩部分向外向前引伸到圆柱体表面部分。
3.根据权利要求
2中提出的管塞，其特征是锥形面相对于台肩部分成45°角。
4.根据权利要求
1、2或3提出的管塞，其特征是其切槽在径向切入到0.100英寸的深度。
5.根据权利要求
1～4中任何一项制做的管塞，其特征是管塞由不锈钢或锆合金制成。
6.一端与管塞配合的管体，管塞与该管端用激光束或钨极保护气体(TIG)焊接方法焊接，其特征是上述管塞是按前面权利要求
中任何一项制做的。
7.在核反应堆燃料管复合管的每一端焊接一个管塞，管塞由一个直径较小的正圆柱体和一个直径较大的正圆柱体构成，两者同轴相连接，上述直径较小的部分与上述的管体靠摩擦轴向配合，上述直径较大的部分具有一个倒棱的自由端并且从较小直径和较大直径部分交界处到上述倒棱的自由端具有一定的直径，其特征是在上述的交界处具有一个向内引伸的圆周切槽，切槽具有一定的深度，在较小直径部分的表面以下。
8.一个核反应堆燃料管由一个复合管组成，许多核燃料小球装入该管中，有一个管塞焊到上述燃料管的每一端，其特征是上述管塞是按权利要求
7制做的。
专利摘要
一个核反应堆燃料管塞(100)用激光来焊接到反应堆燃料棒复合管端[虽然钨极保护气体焊(ITG)也可以]。在管塞(100)外面圆周上有一个环状切槽(126)，该切槽在圆柱体表面(118)和台肩部分(120)交界处附近径向切入圆柱体部分表面(118)内，管塞(100)和复合管之间的圆周焊缝就在这个位置上。在使用激光来焊接法进行管塞(100)和复合管之间的圆周对焊时，切槽(126)可以避免在焊缝中产生气泡缺陷。
文档编号G21C3/10GK85101508SQ85101508
公开日1987年1月24日 申请日期1985年4月1日
发明者罗伯特·诺尔斯·麦克格里亚, 乔治·大卫·布克 申请人:西屋电器公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan