核反应堆用锆合金与不锈钢钎焊连接工艺的制作方法及注意事项

　　一种核反应堆用锆合金与不锈钢钎焊连接工艺的制作方法

　　【技术领域】

　　[0001]本发明涉及核动力装备焊接技术领域，尤其涉及一种核反应堆用锆合金与不锈钢钎焊连接工艺。

　　【背景技术】

　　[0002]锆合金与不锈钢过渡接头是反应堆燃料包壳实验装置中锆合金燃料包壳管和不锈钢电加热元件套管连接用结构件。该实验装置模拟核反应堆堆内运行状态，考验燃料元件在正常运行和事故工况下燃料包壳材料的各种状态。过渡接头结构件为管状结构，长度为100mm，外径为0 lOmm?0 12mm，内径为0 6mm，由错合金和不锈钢通过焊接而成(请参考附图1)。锆合金与不锈钢焊接性能很差，主要有两方面原因:(1)脆性金属间化合物的形成，使得接头机械强度和耐腐蚀性能降低。(2)两种材料热膨胀系数相差很大，连接后会造成很大的热应力。目前，真空钎焊和中间添加过渡层的爆炸焊和真空扩散焊等可以获得综合性能比较好的过渡接头。文献《Hard-Soldering Method, Particularly for JoiningNuclear-Reactor Components))采用银基钎料硬钎焊工艺进行错合金与不锈钢钎焊连接。为了减少钎焊区域脆性金属间化合物形成提高结构件性能，通过在锆合金母材上预先涂上钎料，然后加热不锈钢，再将处于冷态的锆合金放在不锈钢上，利用不锈钢自身的热传输进行锆合金与不锈钢钎焊连接，钎焊时间控制在1~2秒。通过控制钎焊时间，减少钎焊区域脆性金属化合物形成。板形结构单元应施加l~4Kg的压力，管-管结构单元利用不锈钢与锆合金线膨胀系数差异进行约束。文献《Zirconium Brazing System》采用不添加钴的不锈钢-锆钎料进行堆内锆合金燃料组件套管与不锈钢支撑架钎焊，钎焊温度约为1150°C。文献《锆合金与不锈钢连接技术》指出用银、银-铟和锆-铍5%钎料进行锆合金与不锈钢钎焊，可以获得具有一定强度的接头。

　　[0003]从目前公开的文献来看，锆合金与不锈钢钎焊主要问题是钎料与锆合金母材过合金化造成的溶蚀问题和母材晶粒长大问题。因为锆合金活性很好，可同大多数熔化的钎料发生过合金化，导致钎料对基体母材的溶蚀，并且随着钎焊时间加长，溶蚀加剧。采用银、银-铟和锆-铍5%进行锆合金与不锈钢钎焊，接头的抗高温水腐蚀性能差，韧性普遍比较低，这是因为在钎焊区域形成了脆性相。另外含铍的钎料，由于剧毒对人体危害巨大，使用时需要有可靠的防护措施。采用不锈钢-锆钎料钎焊，由于钎焊温度达到了 1150°C，会出现锆合金母材相变晶粒长大现象，导致结构件性能下降。

　　[0004]综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题:

　　在现有技术中，由于锆合金活性很好，可同大多数熔化的钎料发生过合金化，导致钎料对基体母材的溶蚀，并且随着钎焊时间加长，溶蚀加剧，采用银、银-铟和锆-铍5%进行锆合金与不锈钢钎焊，接头的抗高温水腐蚀性能差，韧性普遍比较低，这是因为在钎焊区域形成了脆性相，另外含铍的钎料，由于剧毒对人体危害巨大，使用时需要有可靠的防护措施，采用不锈钢-锆钎料钎焊，由于钎焊温度达到了 1150°C，会出现锆合金母材相变晶粒长大现象，导致结构件性能下降，所以，现有技术中的反应堆用锆合金与不锈钢钎焊连接工艺存在钎料对基体母材的溶蚀，并且随着钎焊时间加长，溶蚀加剧，接头的抗高温水腐蚀性能差，韧性普遍比较低，且采用含铍的钎料对人体危害较大，以及会出现锆合金母材相变晶粒长大现象，导致结构件性能下降的技术问题。

　　【发明内容】

　　[0005]本发明提供了一种核反应堆用锆合金与不锈钢钎焊连接工艺，解决了现有技术中的反应堆用锆合金与不锈钢钎焊连接工艺存在钎料对基体母材的溶蚀，并且随着钎焊时间加长，溶蚀加剧，接头的抗高温水腐蚀性能差，韧性普遍比较低，且采用含铍的钎料对人体危害较大，以及会出现锆合金母材相变晶粒长大现象，导致结构件性能下降的技术问题，实现了钎料不会对基体母材进行溶蚀，接头的抗高温水腐蚀性能好，韧性较高，且没有采用含铍的钎料对人体危害较小，不会出现锆合金母材相变晶粒长大现象，结构件性能较好的技术效果。

　　[0006]为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种核反应堆用锆合金与不锈钢钎焊连接工艺，所述工艺包括:

　　首先，进行锆合金单元和不锈钢单元的结构设计；

　　然后，进行所述锆合金单元表面改性处理；

　　然后，将所述锆合金单元和所述不锈钢单元进行清洗组装；

　　然后，将组装好后的部件进行低温预处理；

　　最后，将低温预处理后的部件进行钎焊。

　　[0007]进一步的，所述工艺步骤在钎焊后还包括:

　　将钎焊后的部件进行性能检测；

　　将性能检测后的部件进行成品加工。

　　[0008]进一步的，所述钎焊用母材为锆合金和不锈钢，其中，锆合金牌号为Zr-2或Zr-4，不锈钢牌号为OCr 18Ni 1Ti。

　　[0009]进一步的，所述进行错合金单元和不锈钢单元的结构设计具体为:

　　将所述锆合金单元的下端加工为直径为第一直径的圆柱状；

　　在所述不锈钢单元上端设置一直径为第二直径的圆柱凹槽，其中，所述第二直径的值大于等于所述第一直径的值。

　　[0010]进一步的，所述进行所述锆合金单元表面改性处理具体为:在锆合金表面离子注Ti，通过真空离子注入Ti工艺，在锆合金钎焊面形成一层Ti的保护层。

　　[0011]进一步的，所述将所述锆合金单元和所述不锈钢单元进行清洗组装具体为: 将待焊的锆合金和不锈钢结构单元进行去油处理，按照钎料与粘接剂的预设配比进行配料，并预先将钎料刷涂在钎焊结合面上及钎料流入端。

　　[0012]进一步的，所述将低温预处理后的部件进行钎焊具体为:采用真空钎焊工艺进行锆合金与不锈钢钎焊，钎焊方位为垂直漫流，钎焊工艺参数如下:

　　a工作真空度..( 5X10' b钎焊温度:960°C?980°C ； c保温时间:5 min?15min ； d降温方式:真空状态下随炉冷却。

　　[0013]本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点:

　　由于采用了首先进行锆合金单元和不锈钢单元的结构设计，然后进行所述锆合金单元表面改性处理，然后将所述锆合金单元和所述不锈钢单元进行清洗组装，然后将组装好后的部件进行低温预处理，最后将低温预处理后的部件进行钎焊的工艺进行锆合金与不锈钢钎焊连接，即，根据燃料包壳实验装置用锆合金与不锈钢过渡接头的使用要求，采用镍基钎料进行了锆合金和不锈钢钎焊，通过锆合金表面离子注入工艺，在锆合金表面形成Ti保护层，阻断钎料与锆合金高温反应。焊件检验结果表明，镍基钎料对母材的润湿性较好，与锆合金和不锈钢均形成了一定厚度的扩散层，Ti层与母材结合良好，没有高温溶蚀迹象，所以，有效解决了现有技术中的反应堆用锆合金与不锈钢钎焊连接工艺存在钎料对基体母材的溶蚀，并且随着钎焊时间加长，溶蚀加剧，接头的抗高温水腐蚀性能差，韧性普遍比较低，且采用含铍的钎料对人体危害较大，以及会出现锆合金母材相变晶粒长大现象，导致结构件性能下降的技术问题，进而实现了钎料不会对基体母材进行溶蚀，接头的抗高温水腐蚀性能好，韧性较高，且没有采用含铍的钎料对人体危害较小，不会出现锆合金母材相变晶粒长大现象，结构件性能较好的技术效果。

　　【附图说明】

　　[0014]图1是本申请中锆合金与不锈钢过渡接头的结构示意图；

　　图2是本申请实施例一中锆合金与不锈钢钎焊连接工艺流程示意图；

　　图3是本申请实施例一中错合金单元与不锈钢单元配合结构示意图；

　　图4是本申请实施例一中锆合金单元结构示意图；

　　图5是本申请实施例一中不锈钢单元结构示意图；

　　其中，1-错合金单元，2-焊缝，3-不锈钢单元。

　　【具体实施方式】

　　[0015]本发明提供了一种核反应堆用锆合金与不锈钢钎焊连接工艺，解决了现有技术中的反应堆用锆合金与不锈钢钎焊连接工艺存在钎料对基体母材的溶蚀，并且随着钎焊时间加长，溶蚀加剧，接头的抗高温水腐蚀性能差，韧性普遍比较低，且采用含铍的钎料对人体危害较大，以及会出现锆合金母材相变晶粒长大现象，导致结构件性能下降的技术问题，实现了钎料不会对基体母材进行溶蚀，接头的抗高温水腐蚀性能好，韧性较高，且没有采用含铍的钎料对人体危害较小，不会出现锆合金母材相变晶粒长大现象，结构件性能较好的技术效果。

　　[0016]本申请实施中的技术方案为解决上述技术问题。总体思路如下:

　　采用了首先进行锆合金单元和不锈钢单元的结构设计，然后进行所述锆合金单元表面改性处理，然后将所述锆合金单元和所述不锈钢单元进行清洗组装，然后将组装好后的部件进行低温预处理，最后将低温预处理后的部件进行钎焊的工艺进行锆合金与不锈钢钎焊连接，即，根据燃料包壳实验装置用锆合金与不锈钢过渡接头的使用要求，采用镍基钎料进行了锆合金和不锈钢钎焊，通过锆合金表面离子注入工艺，在锆合金表面形成Ti保护层，阻断钎料与锆合金高温反应。焊件检验结果表明，镍基钎料对母材的润湿性较好，与锆合金和不锈钢均形成了一定厚度的扩散层，Ti层与母材结合良好，没有高温溶蚀迹象，所以，有效解决了现有技术中的反应堆用锆合金与不锈钢钎焊连接工艺存在钎料对基体母材的溶蚀，并且随着钎焊时间加长，溶蚀加剧，接头的抗高温水腐蚀性能差，韧性普遍比较低，且采用含铍的钎料对人体危害较大，以及会出现锆合金母材相变晶粒长大现象，导致结构件性能下降的技术问题，进而实现了钎料不会对基体母材进行溶蚀，接头的抗高温水腐蚀性能好，韧性较高，且没有采用含铍的钎料对人体危害较小，不会出现锆合金母材相变晶粒长大现象，结构件性能较好的技术效果。

　　[0017]为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

　　[0018]实施例一:

　　在实施例一中，提供了一种核反应堆用锆合金与不锈钢钎焊连接工艺，请参考图1-图5，所述工艺包括:

　　S10，进行锆合金单元和不锈钢单元的结构设计；

　　S20，进行所述错合金单元表面改性处理；

　　S30，将所述锆合金单元和所述不锈钢单元进行清洗组装；

　　S40，将组装好后的部件进行低温预处理；

　　S50，将低温预处理后的部件进行钎焊。

　　[0019]其中，在本申请实施例中，所述工艺步骤在钎焊后还包括:

　　将钎焊后的部件进行性能检测；

　　将性能检测后的部件进行成品加工。

　　[0020]其中，在本申请实施例中，所述钎焊用母材为锆合金和不锈钢，其中，锆合金牌号为Zr-2或Zr-4，不锈钢牌号为OCr 18Ni 1Ti。

　　[0021]其中，在实际应用中，根据核燃料包壳试验装置用锆合金与不锈钢过渡接头的使用环境要求，锆合金与不锈钢钎焊用的钎料选用应满足以下几点要求:(a)与母材有良好的润湿性；(b)钎料中不含铍等剧毒元素；(C)有良好的高温性能和耐腐蚀性能。依据以上原则，确定钎焊用钎料为BNi76CrP，钎料的形状为粉状钎料，钎焊温度为960°C?980°C。钎焊用母材为锆合金和不锈钢，其中，锆合金牌号为Zr-2或Zr_4，不锈钢牌号为0Crl8Nil0T1

　　[0022]其中，在本申请实施例中，所述进行错合金单元和不锈钢单元的结构设计具体为:

　　将所述锆合金单元的下端加工为直径为第一直径的圆柱状；

　　在所述不锈钢单元上端设置一直径为第二直径的圆柱凹槽，其中，所述第二直径的值大于等于所述第一直径的值。

　　[0023]其中，在实际应用中，由于燃料包壳试验环境的要求，对锆合金与不锈钢过渡接头有一定的强度要求。通常钎焊结构件的强度都比较低，采用插套结构提高结构件的连接强度。附图3为锆合金单元与不锈钢单元配合结构示意图，附图4为锆合金单元结构示意图，附图5为不锈钢单元结构示意图。由于锆合金的线膨胀系数为5.9，不锈钢的线膨胀系数为18，锆合金的线膨胀系数小于不锈钢，因此在结构单元中，不锈钢结构单元嵌套在锆合金结构单元外面，在结构件冷却过程中，不锈钢在径向产生一个收缩力，加强结构件的连接强度。另外，结构单元中锆合金与不锈钢结合面连接长度不小于结构件直径，结合面间隙控制在 0.05 ?0.1mm。

　　[0024]其中，在本申请实施例中，所述进行所述锆合金单元表面改性处理具体为:在锆合金表面离子注Ti，通过真空离子注入Ti工艺，在锆合金钎焊面形成一层Ti的保护层。

　　[0025]其中，在实际应用中，锆的化学性质非常活泼，BNi76CrP钎料对锆合金虽然有润湿，但在钎焊温度下，会产生溶蚀，特别是随着时间加长，钎料与锆合金的溶蚀反应加剧，直接导致钎焊失败。通过真空离子注入Ti工艺，在锆合金钎焊面形成一层Ti的保护层，阻断钎料与锆合金直接作用。该保护层与锆合金有良好的结合，与钎料有良好的润湿性，并在高温与钎料不会产生溶蚀。镀层厚度控制在0.05?0.1_。

　　[0026]其中，在本申请实施例中，所述将所述锆合金单元和所述不锈钢单元进行清洗组装具体为:

　　将待焊的锆合金和不锈钢结构单元进行去油处理，按照钎料与粘接剂的预设配比进行配料，并预先将钎料刷涂在钎焊结合面上及钎料流入端。

　　[0027]其中，在实际应用中，待焊的锆合金和不锈钢结构单元进行去油处理，保证钎焊面与钎料有良好的结合。设计专用工装保证组装时锆合金与不锈钢结构单元钎焊接触面的组装间隙，保证钎料能形成良好的钎接。由于钎焊用钎料为粉状钎料，按照钎料与粘接剂的配比(8:1?6:1)进行配料，并预先将钎料刷涂在钎焊结合面上及钎料流入端。装配好的钎焊结构单元首先进行低温处理，去掉混合物中低温易挥发性物。

　　[0028]其中，在本申请实施例中，所述将低温预处理后的部件进行钎焊具体为:采用真空钎焊工艺进行锆合金与不锈钢钎焊，钎焊方位为垂直漫流，钎焊工艺参数如下:

　　a工作真空度..( 5X10' b钎焊温度:960°C?980°C ； c保温时间:5 min?15min ； d降温方式:真空状态下随炉冷却。

　　[0029]其中，在实际应用中，钎焊用设备为真空钎焊炉，加热区域满足钎焊件要求，工作真空度不低于5X10-2Pa，最高加热温度大于1200°C。设备带有真空控制系统、加热控制系统和水冷却循环系统。

　　[0030]下面举个具体的例子对本申请实施例中的技术方案进行介绍:

　　(1)原材料错合金:Zr-4 不锈钢:0Crl8Nil0Ti 钎料:BNi76CrP

　　(2)设备

　　钎焊设备为真空钎焊炉，型号为ZQSJ-1300，最高加热温度为1300°C，工作真空度为5X10_2Pao

　　[0031](3)零部件加工

　　按照零部件结构单元设计图加工锆合金和不锈钢零部件，并按照设计图纸进行关键尺寸复验(配合间隙)。

　　[0032](4)锆合金表面离子注Ti (5)零部件清洗

　　将锆合金和不锈钢零件进行去油处理，去油温度为60°C ;然后用流动的热水和冷水进行漂洗和冲洗，漂洗温度为60°C;最后将清洗干净的零件放烘箱中烘干，烘干温度为150°C。

　　[0033](6)组装

　　将清洗好的零部件进行装配并调整好装配间隙，按照钎料与粘接剂的配比8:1进行配料并混合均匀，将钎料注入到装配间隙中和放置钎料的部位，然后进行低温烘干处理，烘干温度为150 °C，烘干时间为2h。

　　[0034](7)钎焊

　　将装配好的组装件放在炉子的加热温区内，并调整好位置便于高温观察。按970°C钎焊温度设定加热程序，到炉内真空度达到5X10-2Pa以上时，启动加热程序进行加热，钎焊结束后，设备自动停止加热，随炉冷却，当炉温低于40°C，出炉，并对焊件进行外管检查。

　　[0035](8)性能检测

　　钎焊完成后对焊件进行了射线照相检验、水压试验、破坏性检验和常温拉伸试验，射线照相检验钎焊焊缝，没有发现缺陷，钎焊率达到100%。水压试验时，打压压力为lOMPa，没有发现焊件泄漏、冒汗等现象。取三个钎焊试件进行室温拉伸试验，拉脱力为208MPa、198MPa和 198MPa。

　　[0036]取钎焊件，沿轴向解剖，在高倍放大镜下观察焊缝结构。钎料与锆合金和不锈钢结合良好并有一定的扩散层，镀层与锆合金结合良好，没有高温溶蚀迹象。

　　[0037]上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点:

　　由于采用了首先进行锆合金单元和不锈钢单元的结构设计，然后进行所述锆合金单元表面改性处理，然后将所述锆合金单元和所述不锈钢单元进行清洗组装，然后将组装好后的部件进行低温预处理，最后将低温预处理后的部件进行钎焊的工艺进行锆合金与不锈钢钎焊连接，即，根据燃料包壳实验装置用锆合金与不锈钢过渡接头的使用要求，采用镍基钎料进行了锆合金和不锈钢钎焊，通过锆合金表面离子注入工艺，在锆合金表面形成Ti保护层，阻断钎料与锆合金高温反应。焊件检验结果表明，镍基钎料对母材的润湿性较好，与锆合金和不锈钢均形成了一定厚度的扩散层，Ti层与母材结合良好，没有高温溶蚀迹象，所以，有效解决了现有技术中的反应堆用锆合金与不锈钢钎焊连接工艺存在钎料对基体母材的溶蚀，并且随着钎焊时间加长，溶蚀加剧，接头的抗高温水腐蚀性能差，韧性普遍比较低，且采用含铍的钎料对人体危害较大，以及会出现锆合金母材相变晶粒长大现象，导致结构件性能下降的技术问题，进而实现了钎料不会对基体母材进行溶蚀，接头的抗高温水腐蚀性能好，韧性较高，且没有采用含铍的钎料对人体危害较小，不会出现锆合金母材相变晶粒长大现象，结构件性能较好的技术效果。

　　[0038]尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

　　[0039]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

　　【主权项】

　　1.一种核反应堆用锆合金与不锈钢钎焊连接工艺，其特征在于，所述工艺包括: 进行锆合金单元和不锈钢单元的结构设计； 进行所述错合金单元表面改性处理； 将所述锆合金单元和所述不锈钢单元进行清洗组装； 将组装好后的部件进行低温预处理； 将低温预处理后的部件进行钎焊。

　　2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述工艺步骤在钎焊后还包括: 将钎焊后的部件进行性能检测； 将性能检测后的部件进行成品加工。

　　3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述钎焊用母材为锆合金和不锈钢，其中，锆合金牌号为Zr-2或Zr-4，不锈钢牌号为OCr 18Ni 1Ti。

　　4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述进行错合金单元和不锈钢单元的结构设计具体为: 将所述锆合金单元的下端加工为直径为第一直径的圆柱状； 在所述不锈钢单元上端设置一直径为第二直径的圆柱凹槽，其中，所述第二直径的值大于等于所述第一直径的值。

　　5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述进行所述锆合金单元表面改性处理具体为:在锆合金表面离子注Ti，通过真空离子注入Ti工艺，在锆合金钎焊面形成一层Ti的保护层。

　　6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述将所述锆合金单元和所述不锈钢单元进行清洗组装具体为: 将待焊的锆合金和不锈钢结构单元进行去油处理，按照钎料与粘接剂的预设配比进行配料，并预先将钎料刷涂在钎焊结合面上及钎料流入端。

　　7.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述将低温预处理后的部件进行钎焊具体为:采用真空钎焊工艺进行锆合金与不锈钢钎焊，钎焊方位为垂直漫流，钎焊工艺参数如下: a工作真空度5X10' b钎焊温度:960°C?980°C ； c保温时间:5 min?15min ； d降温方式:真空状态下随炉冷却。

　　【专利摘要】本发明公开了一种核反应堆用锆合金与不锈钢钎焊连接工艺，所述工艺包括：首先进行锆合金单元和不锈钢单元的结构设计，然后进行所述锆合金单元表面改性处理，然后将所述锆合金单元和所述不锈钢单元进行清洗组装，然后将组装好后的部件进行低温预处理，最后将低温预处理后的部件进行钎焊，实现了钎料不会对基体母材进行溶蚀，接头的抗高温水腐蚀性能好，韧性较高，且没有采用含铍的钎料对人体危害较小，不会出现锆合金母材相变晶粒长大现象，结构件性能较好的技术效果。

　　【IPC分类】B23K1-20

　　【公开号】CN104588811

　　【申请号】CN201410716228

　　【发明人】杨军, 王飞, 朱金霞, 薛敬凯, 罗绪珍, 王建, 马勇哲, 刘晓荣

　　【申请人】中国核动力研究设计院

　　【公开日】2015年5月6日

　　【申请日】2014年12月2日