一种弱刚性包壳管带顶锻力旋转摩擦焊接的接头
阅读说明：本技术 一种弱刚性包壳管带顶锻力旋转摩擦焊接的接头 (Weak rigidity cladding pipe area upset power spin friction welding's joint ) 是由 解妙霞 尚香涛 李焱鑫 张泽珲 朱明辉 于 2020-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种弱刚性包壳管带顶锻力旋转摩擦焊接的接头,涉及旋转摩擦焊接技术领域,包括棒状封块、上端塞和防撞垫片；所述上端塞一端的端部设置有轴肩,所述防撞垫片设置于所述轴肩与所述棒状封块之间,所述棒状封块与所述上端塞一端相连接,上端塞一端设置有轴肩,且上端塞与夹具接触表面进行滚压处理；轴肩用来对防撞石棉垫片进行限位,并且提高了局部刚度缓解冲击带来的载荷；通过滚压工艺提高了接触表面的表面粗糙度,并且使得加工表面硬化,提高其耐磨性同时也提高其疲劳强度；本发明中的弱刚性包壳管带顶锻力旋转摩擦焊接的接头能够承受80MPa的瞬间轴向顶锻载荷,大大提高了旋转摩擦焊接的焊接质量。(The invention discloses a joint for rotary friction welding of a weak-rigidity cladding pipe with upsetting force, which relates to the technical field of rotary friction welding and comprises a rod-shaped sealing block, an upper end plug and an anti-collision gasket; a shaft shoulder is arranged at the end part of one end of the upper end plug, the anti-collision gasket is arranged between the shaft shoulder and the rod-shaped sealing block, the rod-shaped sealing block is connected with one end of the upper end plug, the shaft shoulder is arranged at one end of the upper end plug, and the contact surface of the upper end plug and the clamp is subjected to rolling treatment; the shaft shoulder is used for limiting the anti-collision asbestos gasket, and the local rigidity is improved to relieve the load caused by impact; the surface roughness of the contact surface is improved through a rolling process, the machined surface is hardened, the wear resistance is improved, and the fatigue strength is also improved; the joint of the weak-rigidity cladding pipe with the upsetting force for the rotary friction welding can bear the instant axial upsetting load of 80MPa, and the welding quality of the rotary friction welding is greatly improved.)
技术领域
本发明涉及旋转摩擦焊接技术领域，特别是涉及一种弱刚性包壳管带顶锻力旋转摩擦焊接的接头。
背景技术
长期以来，核反应堆燃料包壳组件主要使用锆合金材料。2011年日本福岛核电站事故中锆合金在约1200℃温度下和水/水蒸汽发生反应产生氢气，并最终导致***。福岛核电机组***使世界核工业界和科学界意识到需要开发一种能够在较长时间内抵抗严重事故工况、延缓事态恶化速度，为人们采取应急措施争取到更多宝贵时间，大大降低放射性原料泄漏风险的新型燃料系统，即事故容错燃料(Accident Tolerant Fuel，简称ATF)。钼具有中子吸收截面小、高温强度好、导热性好、线膨胀系数小和耐腐蚀性好等优点，因此钼合金被世界核工业界列为ATF包壳的主要备选材料。高性能钼合金虽然自身强韧性优异，但用于制造ATF包壳时需对其进行组装焊接，而高性能钼合金一旦经历熔化/凝固或再结晶，其强韧性优势将消失，并出现严重的脆化和气孔缺陷等问题；而且钼合金包壳管在焊接过程中要历经负压/常压/高压环境，环境压力变化也会对接头质量产生影响。
综合以上所有需要考虑，当前最有效的钼核燃料包壳管封装方法为：先采用激光熔钎焊方法在负压气氛下分别实现“空心上端塞/包壳管”之间环焊缝连接以及“实心下端塞/包壳管”之间环焊缝连接；再采用无顶锻旋转摩擦焊方法在高压氦气气氛下对空心上端塞上的小孔进行堵焊，从而实现燃料棒密封封装并在包壳管内部封装高压氦气的目的。激光焊在包壳管和端塞间预加的合金化元素层在焊后可以形成寄生钎焊层从而达到激光熔钎焊的效果，而且负压环境激光焊又可以大幅度增加焊缝熔深，使得接头的组织和力学性能得到大大改善，再配合适用于弱刚性包壳管结构的无顶端旋转摩擦焊在高压环境下对端塞进行封堵的使用，使得钼核燃料包壳管焊接封装变得可能。
但就旋转摩擦焊接接头质量来说，在焊接结束阶段施加瞬间轴向大顶锻力载荷工艺的接头质量明显优于无瞬间轴向顶锻载荷的接头质量。旋转摩擦焊过程中母材不熔化，接头金属呈塑性状态，在压力作用下重新结合，但难免接头区域还存在未熔合、孔洞等缺陷，这时通过顶锻工艺可以大大改善接头的组织形貌、避免缺陷发生，获得类似于锻造工艺所获的优良组织性能。因此考虑设计一种在旋转摩擦焊接过程结束阶段可承受瞬间轴向大顶锻载荷的上端塞结构，可以大幅提高采用旋转摩擦焊方法焊接密封弱刚性钼核燃料棒空心上端塞时的焊接质量，具有重要意义。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种弱刚性包壳管带顶锻力旋转摩擦焊接的接头，能够在钼核燃料空心上端塞旋转摩擦焊接过程确保实现顶锻工艺施加，增强接头的质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种弱刚性包壳管带顶锻力旋转摩擦焊接的接头，包括棒状封块、上端塞和防撞垫片；所述上端塞一端的端部设置有轴肩，所述防撞垫片设置于所述轴肩与所述棒状封块之间，所述棒状封块与所述上端塞一端相连接。
可选的，所述防撞垫片的外径与所述轴肩的外径相同。
可选的，所述上端塞位于所述轴肩远离所述防撞垫片的一侧设置有滚压接触面。
可选的，所述滚压接触面采用的滚压工艺参数为：滚压深度为0.02-0.03mm，滚压速度为80-100r/min，滚压次数为1次。
可选的，所述防撞垫片为石棉垫片。
可选的，所述防撞垫片包括两个半环状垫片。
可选的，所述防撞垫片通过粘接设置于所述轴肩与所述棒状封块之间。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明中的弱刚性包壳管带顶锻力旋转摩擦焊接的接头包括防撞石棉垫片和上端塞，上端塞一端设置有轴肩，且上端塞与夹具接触表面进行滚压处理；轴肩用来对防撞石棉垫片进行限位，并且提高了局部刚度缓解冲击带来的载荷；通过滚压工艺提高了接触表面的表面粗糙度，并且使得加工表面硬化，提高其耐磨性同时也提高其疲劳强度；本发明中的弱刚性包壳管带顶锻力旋转摩擦焊接的接头能够承受80MPa的瞬间轴向顶锻载荷，大大提高了旋转摩擦焊接的焊接质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明弱刚性包壳管带顶锻力旋转摩擦焊接的接头的焊接过程的结构示意图；
图2为本发明弱刚性包壳管带顶锻力旋转摩擦焊接的接头的结构示意图；
图3为本发明弱刚性包壳管带顶锻力旋转摩擦焊接的上端塞结构示意图。
附图标记说明：1、旋转卡盘；2、液压夹具；3、上端塞；4、防撞垫片；5、棒状封块；6、下端塞；3-1、滚压接触面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，本实施例提供一种弱刚性包壳管带顶锻力旋转摩擦焊接的接头，包括棒状封块5、上端塞3和防撞垫片4；所述上端塞3一端的端部设置有轴肩，所述防撞垫片4设置于所述轴肩与所述棒状封块5之间，所述棒状封块5与所述上端塞3一端相连接。
上端塞3为空心结构，其一端设置有轴肩，紧邻轴肩设置有滚压接触面3-1，上端塞3的另一端用于与钼核燃料包壳管连接，滚压接触面3-1与上端塞3的另一端之间设置有限位结构。在旋转摩擦焊接时，液压夹具2夹紧滚压接触面3-1以防止上端塞3旋转。滚压接触面3-1在进行滚压加工时滚压压力应选择适宜，压力过低易导致表面粗糙度太低，压力过高会使加工表面恶化出现裂纹，故而采用工艺参数为：滚压深度为0.025mm，滚压转速为90r/min，滚压次数为1次。
防撞垫片4采用石棉材料制作，防撞垫片4包壳两个半环状石棉片，使用时，将两个半环状石棉片拼接成完整的圆环粘接在上端塞3紧邻轴肩的位置处，粘接强度以保证旋转摩擦焊接过程中，防撞垫片4不脱落为宜。防撞垫片4的外径与轴肩的外径尺寸基本一致，以保证其装配效果，使得其结构紧密。
旋转摩擦焊接结束时的瞬间轴向顶锻载荷须小于80MPa。
燃料棒外径是25mm，台阶宽度W须大于10mm，台阶高度H须大于10mm，可承受瞬间轴向顶锻荷载荷须小于100MPa。
本发明的具体操作过程如下：
(1)在负压气氛环境下对钼核燃料包壳管与上端塞3和下端塞6进行激光焊接环焊缝后，对高压舱进行抽真空至舱内压力小于0.001Pa，然后充入惰性气体，如此反复执行，保证高压舱内气体纯净度；
(2)装配棒状封块5和钼核燃料包壳管，粘接好放防撞石棉垫片，然后开始进行旋转摩擦焊焊接和顶锻操作；
(3)待焊接完成后调节高压舱压力至常压，取下防撞石棉垫片，对旋转摩擦焊的飞边进行去除操作，取出工件完成焊接。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。