电子束焊（Electron beam welding，EB）以其焊缝成形系数小及热影响区小的特点，在不锈钢精密制造领域通常被认为是升级替代手工钨极氩弧焊（GTAW）的最佳技术方案^［

筒体部件是六边形核燃料组件的重要组成部件之一，焊接材料为低钴奥氏体不锈钢06Cr18Ni11Ti，其外观、结构及焊缝位置如图1所示。筒体部件需要浸泡在压水堆堆芯高温高压冷却介质中工作^［

图1  筒体部件结构及焊缝示意

Fig.1  Schematic of structure and weld of Upper shell

（a）外观　　　　　　　　　（b）焊缝及结构

Download:  Full-size image | High-res image | Low-res image

为保证核电堆芯产品的焊接质量及结构强度，本文开展了针对国产核燃料筒体部件EB焊缝的承载性能研究，通过分析比对、试验验证的方法探讨EB焊缝的承载能力是否可以满足结构要求。

随机选取各项尺寸及性能均合格的筒体部件EB焊接件、GTAW焊接件各1件，进行破坏性取样检测。每个筒体部件上截取10个横截面，检测焊缝的几何尺寸，对比二者之间的差异。焊缝尺寸测量方法及典型焊缝横截面金相照片如图2所示。其中图2a、2b为GTAW焊缝，图2c、2d为EB焊缝。

Download:  | High-res image | Low-res image

图2  筒体部件焊缝尺寸测量及典型金相照片

Fig.2  Weld size measurement diagram and typical metallographic photograph of welds Upper shell

检验结果统计如表1所示。由表1可知，筒体部件EB焊缝在承载位置的平均宽度仅为相同位置GTAW焊缝的53.5%，平均承载面积为GTAW焊缝的48.8%。仅从数据上看EB焊缝宽度窄使其剪切承载面积低于同类型GTAW焊缝，导致EB焊缝在特定结构上的剪切强度确实低于GTAW焊缝。但实际产品的焊接结构强度还与整体结构的薄弱环节、工况受力情况^［

表1  筒体部件焊缝截面尺寸对比

Table 1  Comparison table of welds section size of Upper shell

焊缝截面尺寸	GTAW焊缝	EB焊缝
尺寸A/mm	3.98~4.41	4.97~6.05
尺寸B/mm	0.97~1.36	0.59~1.48
尺寸C/mm	2.02~2.70	0.93~1.56
尺寸D/mm2	1.58~2.46	0.37~1.59
焊缝宽度（C）平均值/mm	2.439	1.305
焊缝承载面积（D）平均值/mm2	2.038	0.995

Download:  CSV Download:  Table Images

采用筒体部件产品实物进行承载试验的方法对上述分析结果进行验证。选取进口材料GTAW焊筒体部件1件，国产材料EB焊筒体部件1件，对比检查外观、尺寸、焊缝质量的特性，确保两个试验筒体部件焊缝都满足图纸及使用要求。然后将不同焊缝的筒体部件分别放入特别设计的安全保护夹具中，模拟筒体部件在燃料组件中的受力和定位约束情况，并最大程度上排除钩挂异常因素发生的可能性。设定下压速度为0.1 mm/min，每50 kN保压30 s，进行焊缝承载力对比试验。同时为保证安全性，试验过程持续观察筒体部件的破损情况，一旦发现安全问题，立即终止试验。最后，当筒体部件的焊缝部位、非焊接区出现屈服变形导致最大承载力出现下降趋势，或承载力超过试验机的最大安全限制时，结束筒体部件焊缝承载性能对比试验。焊缝化学成分要求如表3所示，具体试验结果如表4所示，件筒体部件承载试验后的实物照片如图6所示。

表3  筒体部件对比承载试验结果

Table 3  Compare the bearing test results of Upper shells

焊缝 类型	下压速度 /（mm·min-1）	最大承 载力/N	最大屈服 变形量/mm	屈服 位置	焊缝区外观
GTAW	0.1	153 241	2.35	非焊缝区域	无变化
EB	0.1	163 546	2.69	非焊缝区域	无变化

Download:  CSV Download:  Table Images

图6  筒体部件承载试验后屈服变形位置

Fig.6  Yield deformation position of Upper shells after bearing test

Download:  Full-size image | High-res image | Low-res image

试验得出，2件筒体部件均在外壁开孔处的结构薄弱处（非焊接区）出现明显的屈服塑性变形，从而触发了试验结束条件。对比承载试验前后筒体部件GTAW与EB焊缝区域的外观、尺寸及功能性，未发现明显变化。两件筒体产品的焊缝完好而非焊接区出现屈服变形，说明无论筒体部件EB焊缝、GTAW焊缝的承载性能均满足要求。表3实测数据显示，EB焊筒体部件的最大承载力163 546 N大于GTAW焊筒体部件的最大承载力153 241 N，这一现象可能与材料实际强度及焊缝尺寸测量样本误差率有关，但同时也反映出焊缝宽窄与剪切承载焊接结构强弱没有必然的对照关系。最终试验证明，筒体部件国产材料EB焊缝的承载性能与进口材料GTAW焊缝的承载性能处于同一水平上，且筒体部件焊缝的承载性能明显大于筒体部件的本身机械结构的承载性能。

通过理论分析、计算和试验对比研究了国产核燃料筒体部件电子束焊（EB）焊缝和手工GTAW焊缝的承载性能。主要结论如下：

（1）国产EB焊缝的最大承载力为163 546 N，进口材料GTAW焊缝的最大承载力为153 241 N，两者的承载性能均明显大于筒体部件本身机械结构的承载性能。

（2）理论计算及试验均证明，国产筒体部件EB焊缝与进口材料筒体部件GTAW焊缝的承载能力处于同一水平，在正常工况及事故工况下均满足设计要求。

（3）研究结果消除了专家及用户对国产材料EB焊缝的疑虑，为核燃料国产化项目顺利实施提供了保障。目前成果已用于自主核燃料筒体部件的制造中，并实现首批核燃料的入堆辐照考验。

（4）国产核级不锈钢与进口材料的化学成分虽然都符合国际标准，但在焊接性能稳定性上却存在较大的差异，目前还需要焊接方法的升级改变来弥补材料自身性能的不足。因此还需要深入研究两者细微化学成分及相位组织的差异，实现国产材料的焊接性能真正替代和超越。