Study on the Process and Properties of Pressure Resistance Welding of Cr-coated Zirconium Alloy Cladding Tube

XU Zhongfeng; CHEN Bingbing; GAO Mingyue; LI Sigong; LU Li; YANG Jia

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2025.06.09

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Study on the Process and Properties of Pressure Resistance Welding of Cr-coated Zirconium Alloy Cladding Tube
Vol. 55, Issue 6, Pages: 65-71(2025)
Received：18 February 2025，

Revised：2025-03-12，

Published：20 June 2025
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.06.09
稿件说明：

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徐忠峰，陈兵兵，高明月，等.Cr涂层锆合金包壳管压力电阻焊工艺与性能研究［J］.电焊机，2025，55（6）：65-71. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.06.09.

XU Zhongfeng, CHEN Bingbing, GAO Mingyue, et al.Study on the Process and Properties of Pressure Resistance Welding of Cr-coated Zirconium Alloy Cladding Tube[J].Electric Welding Machine, 2025, 55(6): 65-71. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.06.09.

摘要

为克服传统熔化焊工艺对Cr涂层锆合金包壳管焊接的局限性，采用自主研发的压力电阻焊设备，实现了Cr涂层锆合金包壳管与端塞的可靠连接。通过微观组织分析、力学性能测试和腐蚀性能评估，证实了该工艺的适用性和优势。研究发现，焊接过程中Cr涂层保持完整，未发生熔化、开裂或脱落，且未观察到明显的Cr元素扩散。此外，爆破试验和拉伸试验结果表明焊接接头具有优异的力学性能，断裂均发生在母材区，证实了接头的可靠性和强度。水腐蚀试验进一步证实了Cr涂层在高温高压水环境中的优异抗腐蚀性能，有效抑制了腐蚀介质扩散，且未出现TIG焊缝常见的涂层开裂和脱落现象。压力电阻焊工艺的低热输入、快速焊接速度和低变形率等优势，使其成为Cr涂层锆合金包壳管批量生产的理想选择。本研究为提高核燃料棒束的安全性和可靠性提供了重要的技术支持，并为相关材料的焊接工艺研究提供了新的思路。

Abstract

In order to overcome the limitations of traditional fusion welding processes for Cr-coated zirconium alloy cladding tubes

a self-developed pressure resistance welding equipment was used to achieve reliable connections between Cr-coated zirconium alloy cladding tubes and end plugs. Through microstructure analysis

mechanical property testing

and corrosion performance evaluation

the applicability and advantages of this process were confirmed. The study found that the Cr coating remained intact during the welding process

with no melting

cracking

or peeling

and no obvious diffusion of Cr elements was observed. In addition

burst tests and tensile tests showed that the welded joints had excellent mechanical properties

with fractures occurring in the base material area

confirming the reliability and strength of the joints. Water corrosion tests further confirmed the excellent corrosion resistance of the Cr coating in high-temperature and high-pressure water environments

effectively inhibiting the diffusion of corrosive media

and no coating cracking or peeling commonly seen in TIG welds was observed. The advantages of low heat input

fast welding speed

and low deformation rate of the pressure resistance welding process make it an ideal choice for mass production of Cr-coated zirconium alloy cladding tubes. This study provides important technical support for improving the safety and reliability of nuclear fuel rod bundles and provides new ideas for the study of welding processes for related materials.

关键词

Keywords

references

Zinkle S J ， Terrani K A ， Gehin J C ， et al . Accident tolerant fuels for LWRs：A perspective ［J］. Journal of Nuclear Materials Materials ， 2014 ， 448 （ 1 ）： 374 - 379 .

Kim H ， Yang J ， Kim W ， et al . Development Status of Accident-tolerant Fuel for Light Water Reactors in Korea ［J］. Nuclear Engineering and Technology ， 2016 ， 48 （ 1 ）： 1 - 15 .

吴华，范洪远，应诗浩，等 . 表面处理对锆合金性能的影响［J］. 金属热处理， 2006 ， 31 （ 1 ）： 17 - 19 .

WU H ， FAN H Y ， YING S H ， et al . Effect of Surface Treatment on the Properties of Zirconium Alloys ［J］. Heat Treatment of Metals ， 2006 ， 31 （ 1 ）： 17 - 19 .

黄小波，宋俊凯，高玉魁 . 核电锆管的表面改性技术［J］. 表面技术， 2016 ， 45 （ 4 ）： 57 - 64 .

HUANG X B ， SONG K J ， GAO Y K . Surface Modification Technique of Nuclear Power Zirconium Tube ［J］. Surface Technology ， 2016 ， 45 （ 4 ）： 57 - 64 .

胡汝骞，樊湘芳，丰振东，等 . Zr4合金离子氮化和软氮化表面处理的研究［J］. 热加工工艺， 2016 ， 45 （ 14 ）： 130 - 132 .

HU R Q ， FAN X F ， FENG Z D ， et al . Research on Zr4 Alloy After Ion Nitriding and Soft Nitriding Surface Treatment ［J］. Hot Working Technology ， 2016 ， 45 （ 14 ）： 130 - 132 .

廖业宏，彭振驯，严俊，等 . Cr涂层锆合金包壳高温蒸汽氧化动力学及微观机理研究［J］. 稀有金属材料与工程， 2023 ， 52 （ 1 ）： 291 - 299 .

LIAO Y H ， PENG Z X ， YAN J ， et al . High-Temperature Steam Oxidation Kinetics and Mechanisms of Cr-Coated Zr Alloy Claddings ［J］. Rare Metal Materials and Engineering ， 2023 ， 52 （ 1 ）： 291 - 299 .

位东辉，吴亚文，贺秀杰，等 . 锆合金表面CrAl涂层的高温氧化与拉伸行为［J］. 中国表面工程， 2019 ， 32 （ 2 ）： 44 - 53 .

WEI D H ， WU Y W ， HE X J ， et al . High-temperature Oxidation and Tensile Behaviors of CrAl Coating on Zirconium Alloy ［J］. China Surface Engineering ， 2019 ， 32 （ 2 ）： 44 - 53 .

Kim H G ， Kim I H ， Jung Y I ， et al . Adhesion property and high-temperature oxidation behavior of Cr-coated Zircaloy-4 cladding tube prepared by 3D laser coating ［J］. Journal of Nuclear Materials：Materials Aspects of Fission and Fusion ， 2015 ， 465 ： 531 - 539 .

Xiao W ， Chen H ， Liu X ， et al . Thermal shock resistance of TiN-，Cr-，and TiN/Cr-coated zirconium alloy ［J］. Journal of Nuclear Materials：Materials Aspects of Fission and Fusion ， 2019 ， 526 ： 151777 .

张腾飞，廖海燕，阮海波，等 . 锆合金表面Mo/Al/Cr复合涂层的抗高温水蒸气氧化性能［J］. 中国表面工程， 2023 ， 36 （ 2 ）： 97 - 103 .

ZHANG T F ， LIAO H Y ， RUAN H B ， et al . High Temperature Steam Oxidation Resistance of Mo/Al/Cr Composite Coating on Zirconium Alloy ［J］. China Surface Engineering ， 2023 ， 36 （ 2 ）： 97 - 103 .

杨红艳，韦天国，张瑞谦，等 . 电弧离子镀工艺参数对Cr涂层沉积及性能的影响［J］. 材料保护， 2021 ， 54 （ 12 ）： 97 - 103 .

YANG H Y ， WEI T G ， ZHANG R Q ， et al . Effect of Arc Ion Plating Technological Parameters on the Deposition and Properties of Cr Coatings ［J］. Materials Protection ， 2021 ， 54 （ 12 ）： 97 - 103 .

刘艳，张云华，闫秀林，等 . 变形温度对核电用锆包壳管表面Cr涂层开裂行为的影响［J］. 中国表面工程， 2023 ， 36 （ 2 ）： 222 - 230 .

LIU Y ， ZHANG Y H ， YAN X L ， et al . Effect of Deformation Temperature on Cracking Behavior of Cr Coatings on the Surface of Zircalloy Cladding Tube for Nuclear Power ［J］. China Surface Engineering ， 2023 ， 36 （ 2 ）： 222 - 230 .

Wei T ， Zhang R ， Yang H ， et al . Microstructure，corrosion resistance and oxidation behavior of Cr-coatings on Zircaloy-4 prepared by vacuum arc plasma deposition ［J］. Corrosion Science ， 2019 ， 158 （ 9 ）： 108077.1 - 108077.12 .

吴亚贞，席航，李国云，等 . 中子辐照对Cr涂层锆合金力学性能的影响［J］. 核动力工程， 2023 ， 44 （ 2 ）： 116 - 121 .

WU Y Z ， XI H ， LI G Y ， et al . Influence of Neutron Irradiation on Mechanical Properties of Cr-coated Zirconium Alloy ［J］. Nuclear Power Engineering ， 2023 ， 44 （ 2 ）： 116 - 121 .

王毅飞，刘春明，王彦峰，等 . 包壳用锆合金表面Cr涂层的高温耐蚀性能［J］. 稀有金属， 2022 ， 46 （ 8 ）： 1013 - 1020 .

WANG Y F ， LIU C M ， WANG Y F ， et al . High Temperature Corrosion Resistance of Cr Coating on Surface of Zirconium Alloy Cladding ［J］. Chinese Journal of Rare Metals ， 2022 ， 46 （ 8 ）： 1013 - 1020 .

陈兵兵，冯亮，李思功，等 . Cr涂层厚度对锆合金包壳GTAW焊缝组织与性能的影响分析［J］. 中国核电， 2023 ， 16 （ 2 ）： 260 - 263 .

CHEN B B ， FENG L ， LI S G ， et al . Influence of Thickness of Cr Coating on GTAW welding’s Microstructure and Property of Zircalloy Cladding Tube ［J］. China Nuclear Power ， 2023 ， 16 （ 2 ）： 260 - 263 .

周希，雷明，袁野，等 . Cr涂层锆合金包壳管与端塞环缝焊接接头耐腐蚀性能研究［J］. 电焊机， 2022 ， 52 （ 2 ）： 84 - 89 .

ZHOU X ， LEI M ， YUAN Y ， et al . Study on Corrosion Resistance of Girth Gelding Joint of Cr-Coated Zirconium Alloy Cladding Tube and End Plug ［J］. Electric Welding Machine ， 2022 ， 52 （ 2 ）： 84 - 89 .

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