钼具有熔点高、中子吸收截面小、高温强度好、线膨胀系数小和耐腐蚀等优点,用钼制备的核燃料包壳能够在较长时间内抵抗严重事故工况,为人们采取应急措施争取到更多宝贵时间。用钼制备的核燃料包壳在装上燃料芯块及空心上端塞后,需要在高压环境下将上端塞和棒状钼封块焊接在一起。然而,由于对钼进行熔化焊后焊缝及热影响区尺寸大、晶粒严重粗化,导致钼焊接接头强度和韧性很差,且高压环境下焊缝熔深显著减小。旋转摩擦焊方法是一种固相焊接方法,焊接时温度低材料不熔化。和熔化焊接方法相比,旋转摩擦焊接具有焊接质量几乎不受环境压力影响的优点。和搅拌摩擦焊接方法相比,旋转摩擦是两个钼工件相互摩擦,不存在工具易磨损的难题。因此,旋转摩擦焊方法非常适合用于不同环境压力下的钼包壳大批量焊接封装。大多数旋转摩擦焊接的最后阶段需要施加一个很大的瞬间轴向顶锻载荷,通常这有助于获得洁净、致密的优质接头。但是,对于刚度很差的细长状钼燃料包壳组件则无法在焊接最后阶段施加瞬间轴向顶锻载荷。为了研究在无轴向顶锻载荷的情况下如何能够获得较好的焊接质量,本文开展了大气环境下的钼无顶锻旋转摩擦焊接试验,研究了焊接时间对接头形貌、轴向缩短量、显微组织、显微硬度、抗拉强度及拉伸断口形貌的影响。同时,本文在实验的基础上基于Abaqus有限元软件建立二维轴对称热力耦合模型,对旋转摩擦焊接工艺参数对接头摩擦接触面温度场及界面压力分布的影响进行了计算研究。钼旋转摩擦焊接实验过程中摩擦接触位置燃烧十分剧烈,飞边失稳甩出,呈“螺旋”形状;钼旋转摩擦焊接接头轴向缩短量随着焊接时间的增大而线性增大;钼旋转摩擦焊接接头焊缝区靠近径向中心处组织明显细化,焊接过程中焊缝区没有发生氧化;随着焊接时间从2s逐渐增大到5s,钼旋转摩擦焊接接头拉伸强度先增加再减小,当焊接时间为4s时获得最大的拉伸强度477.34MPa,可达到母材强度的78.66%;通过有限元模拟可以发现当焊接过程进入稳定阶段,峰值温度位置范围大约处于距离摩擦接触面径向中心1/2-2/3区间范围内;相比较于焊接转速,改变焊接压力和焊接时间对接头温度场、界面压力分布有较大影响。研究结果表明采用无顶锻旋转摩擦焊方法焊接钼燃料包壳组件的上端塞密封焊点是可行的,研究结果对解决我国事故容错核燃料技术发展过程中遇到的焊接瓶颈难题具有实际指导意义。