阅读说明：本技术 一种核燃料棒端塞压力电阻焊加压装置及焊接方法 (Pressure resistance welding pressurizing device and welding method for nuclear fuel rod end plug ) 是由 李铜 张鹏程 徐磊 李玉斌 何建军 魏汉兵 段家宝 夏胜全 潘际宇 种可可 于 2019-12-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种核燃料棒端塞压力电阻焊加压装置及焊接方法,装置包括顶锻电缸、压力传感器、浮动接头、导向调整机构、位移传感器、端塞座、电极杆、包壳管、焊接室、气动执行机构；顶锻电缸安装在基座上,顶锻电缸的一端与伺服电机相连,由伺服电机提供执行动力,另一端连接浮动接头,浮动接头正对电极杆,电极杆安装在导向调整机构上,电极杆与浮动接头接触一端安装有压力传感器,压力传感器用于和控制器相连,端塞座安装在中空的电极杆的另一端部,并且电极杆内提供负压,用于吸附住端塞座。本发明提供一种核燃料棒端塞压力电阻焊加压装置,在端塞压力电阻焊通电及加压为毫秒级的焊接方式中,能够实现精确快速压力,精确快速位置控制。(The invention provides a pressure resistance welding pressurizing device and a welding method for a nuclear fuel rod end plug, wherein the device comprises an upsetting electric cylinder, a pressure sensor, a floating joint, a guide adjusting mechanism, a displacement sensor, an end plug seat, an electrode rod, a cladding tube, a welding chamber and a pneumatic actuating mechanism; the upset electric cylinder is installed on the base, and the one end of upset electric cylinder links to each other with servo motor, is provided execution power by servo motor, and floating joint is connected to the other end, and floating joint is just to the electrode stem, and the electrode stem is installed on direction guiding mechanism, and pressure sensor is installed with floating joint contact one end to the electrode stem, and pressure sensor is used for linking to each other with the controller, and end plug seat installs another tip at hollow electrode stem to provide the negative pressure in the electrode stem, be used for adsorbing the end plug seat. The invention provides a pressure resistance welding pressurizing device for a nuclear fuel rod end plug, which can realize accurate and rapid pressure and accurate and rapid position control in a welding mode that the pressure resistance welding of the end plug is electrified and pressurized to millisecond level.)

一种核燃料棒端塞压力电阻焊加压装置及焊接方法

技术领域

本发明属于核能利用设备技术领域，尤其涉及一种电阻焊加压的装置及焊接方法。

背景技术

锆管结构如图1所示，其功能是存放核燃料，并且实现核燃料与棒外介质的隔离，主要结构为中部的管子与端塞通过焊接组成。其中目前最主流的连接方法除了最初传统的熔化焊还有法国USW和俄罗斯VVER采用的压力电阻焊，两者的焊接原理类似如图2所示，图中101-端塞电极、102-气动执行器、103-伸出的包壳管、104-焊室、105-焊接电极、106-密封圈、107-包壳管夹具(套爪)。

压力电阻焊焊接过程为：端塞与管材定位并施加预压力(形成局部接触面)-接通焊接电流并施加焊接压力(加热并在接触面附近塑性成型完成焊接接头)。

焊接接头要求外表面平滑，无需机加工；内表面形成挤出焊瘤表明焊缝有足够塑性变形量达到可靠连接。

焊缝的形成需要压力和电流(提供热量，形成适合接头成型的温度场)，在接触面机加工尺寸形状及预压力一定的条件下，接触面的接触形式决定了接触电阻是直接影响焊接温度场的重要因素。目前的端塞压力电阻焊采用气动力源存在以下缺陷：

(1)响应慢，加载压力、速度、位移与电流之间的精确配合无法达到。

(2)活塞漏气、活塞与缸体之间需要润滑维护等导致输出力不稳定和维护工作增加。

但是现有技术中尝试将气动执行更换为电动执行机构，原有气动执行机构的部件却不能及时响应，造成得不到想要的燃料棒端塞的焊接效果，因此现有的焊接方式还停留在气动执行方式上。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种核燃料棒端塞压力电阻焊加压装置及焊接方法，在端塞压力电阻焊通电及加压为毫秒级的焊接方式中，能够实现精确快速控制，精确快速位置控制。

本发明采用如下技术方案：

一种核燃料棒端塞压力电阻焊加压装置，包括顶锻电缸、压力传感器、浮动接头、导向调整机构、位移传感器、端塞座、电极杆、包壳管、焊接室、气动执行机构。

顶锻电缸安装在基座上，顶锻电缸的一端与伺服电机相连，由伺服电机提供执行动力，另一端连接浮动接头，浮动接头正对电极杆，电极杆安装在导向调整机构上，电极杆与浮动接头接触一端安装有压力传感器，压力传感器用于和控制器相连，端塞座安装在中空的电极杆的另一端部，并且电极杆内提供负压，用于吸附住端塞座，端塞座一侧安装有用于测量端塞座位移的位移传感器，位移传感器用于和控制器相连；

导向调整机构包括直线导轨和滑轨，2个直线导轨呈对角线平衡布置，一端均安装在基座上，另一端均安装在焊接室上，滑轨的截面是圆形，滑轨套在对角线平行布置的直线导轨上。

包壳管固定在另一侧的气动执行机构上，气动执行机构顶部布置三个夹持部，用于包壳管的夹持固定以及保证端部齐平，气动执行机构提供包壳管向焊接室移动的动力。

气动执行机构包括3个夹持部，分别是前端夹持部、中部夹持部、后端夹持部，前端夹持部可移动的安装在前端夹持部安装座，中部夹持部安装在移动滑轨上，后端夹持部安装在光杆导轨上，前端夹持部安装座、移动滑轨、光杆导轨分别安装在各自的基座上。

焊接室内包括焊室、焊接电极、密封圈、包壳管夹具，焊室、焊接电极，密封圈，包壳管夹具依次从左至右布置在焊接室内，焊室是用于焊接端塞座与包壳管的位置，焊接电极用于给包壳管通电，与电极杆对应，实现精确的焊接，密封圈，是充气式橡胶圈，用于实现包壳管一侧的空气隔绝，包壳管夹具，用于包壳管在焊接室内的固定。

包壳管管夹具或为CNC系统的铣床气动夹头。

焊接室9顶面上还具有用于抽气的抽气孔，以及补入保护气氛的补气孔。

控制器与焊接电源、伺服电机相连。焊接电源有恒流和恒功率两种控制模式。

进一步的技术方案是，焊室40端塞座6一侧入口布置有充气密封圈，用于焊接时包裹电极杆7，隔断端塞座6空气。

进一步的技术方案是，气动执行机构的最左侧夹持部上安装有测量位移的传感器，位移传感器与控制器相连，用于控制包壳管向焊接室移动的位置。

另，本发明焊接方法为：

步骤1.将端塞座安装在电极杆的一端，电极杆通过负压将端塞座吸附住，并将包壳管安装在气动执行机构的夹持部上，并保持端部平齐。

步骤2.气动执行机构向焊接室移动，使用位移传感器测量包壳管的移动位移量，移动到焊接位置时，利用包壳管夹具将包壳管夹持住。

步骤3.控制器控制伺服电机使顶锻电缸向焊接室一侧移动，待端塞座进入焊接室内预定位置。

步骤4.向包壳管一侧的密封圈充气，向电极杆一侧的密封圈充气，一段时间后，利用焊接室顶部的抽气孔将焊接室的空气抽出，一段时间后，再向焊接室内充入一定气压的保护气氛。

步骤5.控制器控制焊接电源给电极杆和焊接电极通电，并控制伺服电机继续提供向右侧顶锻的动力，执行过程中通过压力传感器以及位移触感器实时掌握焊接的质量以及调整焊接的方式。

进一步的方案是，保护气氛为低压氦气。

进一步的方案是，焊接电源具有恒流和恒功率两种控制模式。

本发明的有益效果：

1.本发明的顶锻电缸采用伺服电机作为动力源，焊接过程的压力受控，响应速度快，压力控制精度高，可以结合焊接电流组合工艺实现多材料多规格的工艺实验和产品开发。

而传统USW焊接设备采用气缸作为顶锻机构，气缸实现简单，成本低，但是焊接过程压力不可快速响应变化(压力变化响应速度不够快)。要实现多段压力曲线是非常困难的。

2.本发明的端塞电极杆导向采用对称结构直线导轨导向；而USW焊接设备采用框式结构，利用底面直线导轨作为导向，直线导轨安装在一侧，焊接顶锻时有受力不均匀的问题。

3.本发明在焊接时，对包壳管的夹持没有采用真空吸附，同时没有在高压气氛下焊接，而是采用气动套爪夹头(包壳管夹具)实现对端塞的夹持，焊接时在焊室区域周围采用充入低压氦气的方式来形成保护气氛，达到保护焊缝的目的。

另一方面，继续使用负压吸附端塞座，并利用充气密封圈(橡胶圈)能堵住电极杆的结构，实现对电极杆的密封，并设计压力传感器、位移传感器实现对端塞座的定位，使焊接的燃料棒端塞不会发生变形，而USW对电极杆直接采用两级密封圈处理。

4.VVER燃料棒(包壳管)采用套爪夹持，但电极(焊接电极)是3瓣爪形式，同时焊接电源不同对电极材料匹配要求非常高，不适合采用。

目前现有技术中采用AFA3G电极块结构，AFA3G燃料棒夹持机构具体结构中，电极块(焊接电极)采用2瓣弧形面构成，电源采用中频逆变，技术成熟度高。

VVER燃料棒和AFA3G燃料棒均存在电极块就是夹持块的问题，

而本发明采用气动套爪机构，为市面上标准化产品，类似CNC机头铣刀夹头，夹头多瓣，摩擦力大，有效接触面大，型面号，不易伤包壳管，实现焊接电极与包壳管夹具分开设计的方式。

5.包壳管采用充气密封圈实现，当包壳管送入之前，充气密封圈不送入气体，密封圈内圈在材料弹性作用下回缩，内圈直径变大，包壳管能顺利进入；当包壳管到位后，给密封圈充入气体，密封圈内圈被胀紧与包壳管形成较好的密封面。

6.本发明利用控制器对焊接过程中的电流、压力曲线预置可变调整，使得设备具备更优异的工艺性能；

本发明焊接方法和原理从结构上和产品使用性能上将会打造出新的技术亮点：

所配置的焊接电源具有恒流和恒功率两种控制模式；

所配置焊接系统具有精确调整焊前预压、焊接过程中恒压、焊后保压的高响应速度压力控制技术；

高响应压力控制速度与焊接高响应电流控制形成组合，以适应不同材料及规格的工艺要求。

本发明的装置，将气动执行改为电动执行，解决了原有附属部件不能及时响应电动执行焊接的方式，而本发明通过综合分析，找到了想要快速响应电动执行的焊接方式的条件—必须保证焊接的时的密封性、焊接时电流的大小、以及焊接压力大小，位移的大小，而且各因素之间具有关联性，是一个组合因素，因此为了保证焊接的时的密封性、焊接时电流的大小、以及焊接压力大小，位移的大小因素而实现包壳管的夹持与密封、端塞座的夹持与密封，焊接压力与位移的控制均相互关联。

附图说明

图1为锆管的结构示意图；

图2为国外典型压力电阻焊设备结构示意图；

图3为改进后电动执行器压力焊焊接工艺原理示意图；

图4为本发明(除气动执行机构)结构图；

图5为本发明气动执行机构结构图；

图6为气动执行机构的主视图；

图7为气动执行机构的俯视图；

图8为气动执行机构的侧视图。

图中：1-顶锻电缸、2-压力触感器、3-浮动接头、4-导向调整机构、5-位移传感器、6-端塞座、7-电极杆、8-包壳管、9-焊接室、10-气动执行机构；

40-焊室、50-焊接电极、6-密封圈、70-包壳管夹具；

101-前端夹持部、102-中部夹持部、103-后端夹持部；

104-前端夹持部安装座、105-移动滑轨、106-光杆导轨。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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3、4所示，本发明的一种核燃料棒端塞压力电阻焊加压装置，

包括顶锻电缸1、压力传感器2、浮动接头3、导向调整机构4、位移传感器5、端塞座6、电极杆7、包壳管8、焊接室9、气动执行机构10。

顶锻电缸1安装在基座上，顶锻电缸1的一端与伺服电机相连，由伺服电机提供执行动力，另一端连接浮动接头3，浮动接头3正对电极杆7，电极杆7安装在导向调整机构4上，电极杆7与浮动接头3接触一端安装有压力传感器2，压力传感器2用于和控制器相连，用于感知顶锻的压力大小，端塞座6安装在中空的电极杆7的另一端部，并且电极杆7内提供负压，用于吸附住端塞座6，端塞座6一侧安装有用于测量端塞座6位移的位移传感器6，位移传感器6用于和控制器相连。

导向调整机构4包括直线导轨和滑轨，2个直线导轨呈对角线平衡布置，一端均安装在基座上，另一端均安装在焊接室9上，滑轨的截面是圆形，滑轨套在对角线平行布置的直线导轨上。

包壳管8固定在另一侧的气动执行机构10上，气动执行机构10顶部布置三个夹持部，用于包壳管8的夹持固定以及保证端部齐平，气动执行机构提供包壳管8向焊接室9移动的动力。

如图5-8所示，气动执行机构包括3个夹持部，分别是前端夹持部101、中部夹持部102、后端夹持部103，前端夹持部101可移动的安装在前端夹持部安装座104，中部夹持部102安装在移动滑轨105上，后端夹持部103安装在光杆导轨106上，前端夹持部安装座104、移动滑轨105、光杆导轨106分别安装在各自的基座上。

焊接室9内包括焊室40、焊接电极50、密封圈60、包壳管夹具70，焊室40、焊接电极50，密封圈60，包壳管夹具70依次从左至右布置在焊接室内，焊室40是用于焊接端塞座6与包壳管8的位置，焊接电极50用于给包壳管8通电，与电极杆7对应，实现精确的焊接，密封圈60，是充气式橡胶圈，用于实现包壳管8一侧的空气隔绝，包壳管夹具70，用于包壳管8在焊接室9内的固定。

6个高精度位移传感器分3个方向安装在焊接室9上，包壳管8进入之前，位移传感器处于收回状态，让出包壳管8进入通道，当包壳管8进入后位移传感器传感头与包壳管8接触，同时能够判定位置数据作为包壳管8在焊接室9内的位移数据，当端塞座6侧进入后以此来作为调节端塞座6的参考依据和判定结果。

包壳管管夹具70或为CNC系统的铣床气动夹头。

焊接室9顶面上还具有用于抽气的抽气孔，以及补入保护气氛的补气孔。

控制器与焊接电源、伺服电机相连。焊接电源有恒流和恒功率两种控制模式。

进一步的技术方案是，焊室40端塞座6一侧入口布置有充气密封圈，用于焊接时包裹电极杆7，隔断端塞座6空气。

进一步的技术方案是，气动执行机构的最左侧夹持部上安装有测量位移的传感器，位移传感器与控制器相连，用于控制包壳管向焊接室移动的位置。

本发明的操作方法为：

步骤1.将端塞座6安装在电极杆7的一端，电极杆7通过负压将端塞座6吸附住，并将包壳管8安装在气动执行机构的夹持部上，并保持端部平齐。

步骤2.气动执行机构向焊接室9移动，使用位移传感器测量包壳管8的移动位移量，移动到焊接位置时，利用包壳管夹具70将包壳管8夹持住。

步骤3.控制器控制伺服电机使顶锻电缸1向焊接室9一侧移动，待端塞座6进入焊接室9内预定位置。

步骤4.向包壳管8一侧的密封圈充气，向电极杆7一侧的密封圈充气，一段时间后，利用焊接室9顶部的抽气孔将焊接室9的空气抽出，一段时间后，再向焊接室9内充入一定气压的保护气氛。

步骤5.控制器控制焊接电源给电极杆7和焊接电极50通电，并控制伺服电机继续提供向右侧顶锻的动力，执行过程中通过压力传感器以及位移触感器实时掌握焊接的质量以及调整焊接的方式。

进一步的方案是，保护气氛为低压氦气，低压氦气为≤15MPa氦气。

进一步的方案是，焊接电源具有恒流和恒功率两种控制模式。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。