相比于传统实心燃料元件双面冷却环形燃料元件能够在保证足够安全裕度的前提下,大幅度提高堆芯功率密度至50%。目前双面冷却环形燃料元件的发展主要受到焊接工艺的限制,常规焊接方法难以实现其内包壳管和端塞的小直径内环焊缝焊接,为解决上述问题,本文首次提出采用L形钨极TIG焊接方法实现双面冷却环形燃料元件内包壳管与端塞的小直径内环焊缝优质焊接。锆及锆合金由于具有高熔点、高强度、低膨胀系数以热中子吸收截面小、耐腐蚀能好等优点被广泛用作燃料组件材料。本文以Zr-4合金双面冷却环形燃料元件为研究对象,以试验研究为主,数值模拟相结合的方法分析了焊接电流对焊缝成形、微观组织以及力学性能的影响规律,并基于COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件计算了不同焊接电流、L形钨极弯曲长度以及钨极形状下的TIG电弧电磁模密度场以及温度场分布情况。工艺试验的结果表明,当焊接电流为50A,焊接速度为10r/min,焊枪保护气流量为5L/min,充氩舱保护流量为10L/min,L形钨极弯曲长度为4.5mm时,此时接头的焊缝成形最好,力学性能最高。对接头微观组织形貌进行观察,母材组织为细小等轴晶粒,热影响区由于散热不均匀,其组织为长短不一的板条马氏体组织,焊缝区发生共析转变,组织为针片状析出的类魏氏体组织,对拉伸断口的微观形貌进行观察,断口表面呈现灰色纤维状,断口的微观形貌由密集的等轴韧窝组成,判断断裂机理为微孔聚集型断裂,断裂类型为韧性断裂。数值模拟的结果表明,首先L形钨极TIG电弧磁场和温度场在钨极中心轴左右两侧是不对称分布的,并且与直钨极温度场相比,L形钨极温度场温度较低。其次随着焊接电流的增大,TIG电弧的温度场及电磁模密度场都随之增大,随着钨极弯曲长度的增加,L形钨极中心轴左侧的磁场以及温度场随之增加,而中心轴右侧的磁场以及温度场随之减小。