Способ контактной стыковой сварки трубы оболочки твэла с заглушкой

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в технологии контактной стыковой сварки, применяемой преимущественно для герметизации циркониевых оболочек твэлов энергетических ядерных реакторов. -Цель изобретения - повышение производительности путем исключения необходимости отжига сварных швов твэлов И повышение качества сварных соединений за счет уменьшения остаточных напряжений растяжения в зоне сопряжения оболочки и заглушки. Предлагается способ сварки трубы-оболочки с заглушкой , диаметр которой выполнен меньшим наружного диаметра свариваемой трубы. Трубу-оболочку и заглушку зажимают в зоне сварки в соосно расположенных кольцевых разъемных электродах. Далее, к электродам прикладывают усилие сжатия и пропускают через свариваемые детали импульс сварочного тока. Трубуоболочку твэла в зоне сварки зажимают на участке ее, равном протяженности сварного шва вдоль свариваемой трубы, увеличенной не более чем на толщину стенки трубы-оболочки. Кроме того, рабочий диаметр заглушки выполняют .большим внутреннего диаметра сваривав-. мой трубы на 1/2-2/3 толщины стенки .последней. Трубу дополнительно зажимают на расстоянии одного-двух диаметров свариваемой трубы от зоны сварки. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

СОЮЭ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (И) )) )). /) Я Я

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ.

ll0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР.(46) 30.04-91. Бюл. и 16 (21) 4347635/27 (22) 03.11.87 (72) Л.Т.Бабкин, А.A.Áåëoâ и А,А.Гусев (53) 621 ° 791.762.037 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

И 664785, кл. В 23 К 11/02, 1977. (54) СПОСОБ КОНТАКТНОЙ СТЫКОВОЙ СВАРКИ

ТРУБЫ"ОБОЛОЧКИ ТВЭЛА С ЗАГЛУШКОЙ (57) Изобретение относится к машино" строению и может быть использовано в технологии контактной стыковой сварки, применяемой преимущественно для герметизации циркониевых оболочек твэлов . энергетических ядерных реакторов. .Цель изобретения - повышение производительности путем исключения йеобходимости отжига сварных швов твэлов и ° повышение качества сварных соединений эа счет уменьшения остаточных напряжений растяжения в зоне сопряжения

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в технологии контактной стыковой свар" ки, применяемой преимущественно для герметизации циркониевых оболочек твэлов энергетических ядерных реакто- . ров, Цель изобретения - повышение про" иэводительности путем исключения необходимости отжига сварных швов твэлов и повышение качества сварного соединения за счет уменьшения остаточных напряжений растяжения в зоне сопряжения оболочки и заглушки. оболочки и заглушки. Предлагается способ сварки трубы-оболочки с заглуш" кой, диаметр которой выполнен меньшим наружного диаметра свариваемой трубы, Трубу-оболочку и заглушку зажимают в зоне сварки в соосно расположенных кольцевых разъемных электродах. Далее. к электродам прикладывают усилие сжатия и пропускают через свариваемые детали импульс сварочного тока. Трубуоболочку твэла в зоне сварки зажимают на участке ее, равном протяженности сварного шва вдоль свариваемой трубы, увеличенной не более чем на толщину стенки трубы-оболочки. Кроме того, рабочий диаметр заглушки выполняют, большим внутреннего диаметра сваривае-, мой трубы на 1/2-2/3 толшины стенки, последней. Трубу дополнительно зажимают на расстоянии одного-двух диаметров свариваемой трубы от зоны сварки.

2 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

На фиг. 1 представлены стадии процесса сварки: а - зажатие трубы-оболочки и заглушки, б - пропускание импульса тока, в - формирование соедине.ния после осадки, г - высвобождение зоны сварки иэ зажима, где обозначены свариваемая труба 1, свариваемая заглушка 2 и кольцевой разъемный электрод 3; на фиг.2 показано распределение температур в поперечном сечении нагревающегося участка трубы и внешнего слоя рабочей части заглушки; на фиг,3 - конструктивное оформление cnocobe- а - зажим в кольцевом электроде

1520763 с конусной (2-3 ) поверхностью в сочетании с цилиндрическим дополнительным зажимом, b - узкий, равный ширине шва зажим в кольцевом электроде с цилиндрической поверхностью и с дополнительным цилиндрическим зажимом, в - широкий кольцевой зажим с канавкой, выполняющий одновременно роль основного узкого зажима и дополнительного зажи- 1О ма, работающего в упругой области.

Цикл сварки состоит иэ следующих этапов.

В исходном состоянии сваринаемые труба 1 и заглушка 2 находятся в поло- 5 женин, показанном на фиг.1а. В процессе зажима труЬы (фиг.1а) в электроде конец ее деформируется в пределах упругой деформации. После пропускания импульса сварочного тока (фиг.IB) производят запрессовку в разогретый конец трубы разогретой по наружноМу слою заглушки. По окончании этапа запрессовки происходит охлаждение эоны сварки за счет теплоотдачи в электрод.2

Если длина участка труЬы, зажимаемой.в кольцевом токоподводе, превосходит длину запрессованной части заглушки более чем на толщину стенки труЬы, то при раэжатии кольцевого токоподвода после сварки эа счет возникновения упругих сил возврата вели" чина напряжений может достичь такого значения, при котором труЬа в околошовной зоне начнет деформироваться, что повлечет за соЬой возникновение

35 трещин. Избежать возникновения изгиЬающего момента в околошовной зоне можно, ограничив зажимаемый в токоподводе участок трубы длиной, не превышающей протяженности сварного шва, вдоль оси трубы, увеличенной на толщину стенки труЬы. 8 этом случае при раэмыкании секторов токоподвода имеют место только усадочные термические напряжения,. величина которых, как показывают эксперименты, при этом виде сварки несущественна (в 2...2,5 раза меньше напряжений от упругого возврата оЬолочки), Это позволяет избежать длительного дополнительного отжига свариваемых деталей и осуществлять процесс сварки на автоматизированных линиях.

Кроме того, при выборе диаметра рабочей части заглушки (эапрессовы.ваемого участка) следует руководствоваться следующим соотношением: диаметр рабочей части заглушки должен быть больше на 1/2...2/3 толщины стенки трубы. При выполнении указанного соотношения достигается повышение качества взаимной диффузии соединяемых материалов в зоне контакта.

Это объясняется распределением температур в поперечных сечениях нагреваемых участков трубы и внешнего слоя рабочей части заглушки. В первом приЬлижении это распределение температур может быть выражено прямыми A и .Б (см Фиг.2).

Из фиг.2 а видно, что увеличение диаметра рабочей части заглушки приводит к понижению средней температуры в стыке соединяемых деталей, что приводит к появлению в этом стыке точечных и строчечных дефектов в виде нерастворенных окислов на линии соедине» ния °

Уменьшение диаметра рабочей части заглушки до определенного предела 1 garh, «" тр.sH. (------------- = q)

2 повышает качество проработки стыка.

Дальнейшее уменьшение d ц„„ приводит к довольно резкому увеличению дефектов, как показано на кривой Г на фиг.2 б, что объясняется недостатком усилия сжатия в металле шва, а также несоосностью свариваемых деталей, которая в реальности всегда имеет место.

Поэтому для диаметра рабочей части заглушки существует оптимум. Этот оптимум совпадает с минимумом кривой зависимости остаточных напряжений растяжения оТ диаметра рабочеи части заглушки или величины а...„- а,р,„

»»»«»

2 (кривая В на фиг.2б).

Способ предлагает также использоваwe дополнительного зажима (фиг.3);

Без него при длине основного зажима

3-4 мм невозможно выполнить сварку, так как труба Ьудет проскальзывать, Дополнительный зажим лучше располагать возможно Ьлиже к основному - это уменьшает габариты сварочного устройства.

Минимальная длина, на которой должен располагаться дополнительный зажим, выбирается такой, чтобы действие этого зажима не оказалось в зоне трубы, в которой упругий возврат трубы может воздействовать на зоНу сопряже5 152076 ния трубы с заглушкой. Если дополнительный зажим расположить вплотную к основному, то это будет равносильно сварке с длинным токоподводои, т.е. в укаэанной зоне вновь появятся оста5 точные напряжения растяжения, Именно поэтому минимальная длина удаления дополнительного зажима рт основного должна составлять не менее одного- 10 двух диаметров свариваемой трубы. Конструктивное оформление способа может быть различным (см, фиг.3а, б, в), Пример. Сваривали герметичные образцы-имитаторы твэлов. Для этбго трубу иэ сплава циркония Н1 длиной

120 мм размером 13,6 х 0,95 мм, в которую после приварки заглушки с одной стороны загружали кристаллический йод в количестве 20 мг/ди2 внутренней по- 20 верхности образца, заполняли после предварительного вакуумирования гелием под давлением 30, 60, 90 ати при комнатной температуре и гериетизировали открытый конец приваркой второй 25 заглушки.

Иод помещали в тонкостенную стеклянную ампулу, которую после приварки второй заглушки разбивали ударом торца образца по металлической плите. Конец трубы зажимали в разъемном кольцевом упоре-холодильнике (КУХ), состоящим из Habopa теплоотводящих пластин toIlщиной 0,5 мм, соединенных с кольцевыи разъемным токоподводом, длина эффективной (соприкасающейся с трубой) части которого составляла 0,5; 1,0; 1,5;

2,0 и 5,0 мм. Диаметр рабочей части заглушки выбирали равным 12,3 и

12,6 мм при длине ее 4,5 мм.

1

При сварке образцы (трубы) зажима" ли в электроде трубы (КУХ+токоподвод) так, что расстояние от торца трубы до плоскости соединения КУХ с токопод- 45 водом составляло 3 мм.

Режим сварки (по сварочному усилив сжатия 400 кг и току 25 кА) был выб-, ран так, что оЬеспечивалась протяженность шва вдоль оси соединения, равная 0

3 мм (ток для заглушек диаметром

12,6 мм составлял 27 кА).

На каждом выбранном давлении гелия под оболочкой образца (при каждом значении длины токоподвода и диаметра рабочей части заглушки) было сварено по

5 образцов. Все образцы помещали в печь и выдерживали в течение 100 ч .при Т350 С, 3 6

Результаты испытания оЬразцов в печи при Т„,„ =350 С и t100 ч приведены в табл.I.(для d„.ë,=12,3 ии) и в таЬл.2 (для d,„=12,6 мм) . В табл.1 и 2 приняты условные обозначения: трещин нет; 9 зарождение трещин (глуЬиной 0,1 мм); + трещины глубиной более 0,1 мм.

Из табл.1 видно, что при диаметре заглушки 12,3 ми трещины начинают зарождаться при 1 токоподвода, равной

0,5 и 1,0 ии, на давлении (гелия внутри образца) 90 ати.

С увеличением длины токоподвода от 1,5 до 5 ми склонность к образованию трещин и их глубина растут. С уменьшением давления гелия RHYTp образцов склонность к образованию трещин уменьшается. Те же зависимости наблюдаются и при диаметре заглушек

12,6 мм, Однако они сдвинуты в сторону меньших давлений, т.е. г этом случае склонность к оЬразованию трещин увеличивается.

Согласно техническим условиям показателем работоспособности сварного узла твэлов энергетических реакторов является отсутствие корроэионного разрушения в соединении при нагрузочнои давлении 60 ати (при T=20 С)„ 0 свя;; с этим для обоих диаметров велич гна превышения зажииаемого в ПХТ ; частка труЬы над длиной сварного шва не должна быть Ьольше !Ч, а эффект от уменьшения диаметра оказывается в большем запасе по нагруэочному давлению до появления зародышей трещин. При значениях 1 больших 1о в швах наблюдается зарождение трещин при давлении гелия внутри образцов Р=60 ати при о

Т=20 С, что не допускается существующими техническими условияии.

Кроме того, проводились эксперименты по использованию дополнительного зажима при сварке труЬы с заглушкой.

Свариваемую трубу длиной 120 мм из сплава циркония с 14 ниоЬия (Э 110)

)диаметром 14 0 мм с толщиной стенки

1 мм зажимали в кольцевои, состоящем из трех секторов, токоподводе из бронзы Н6Т толщиной 2,5 ми с углублением торца свариваеиой труЬы относительно торца кольца"токоподвода трубы 1 мм (т.е. в токоподводе зажимался участок трубы протяженностью 1,5 ии).

При этом внутренний рабочий диаметр кольца-токоподвода Ьыл расточен в сомкнутом сжатои состоянии секторов

Далее в упор к торцу зажатой трубы подводили заглушку из того же материа20 ла с рабочим диаметром, равным

12 6 0 " мм, к ней прилагали сварочное усилие 350 кГ и пропускали импульс сварочного тока амплитудой 25 кА и длительностью 0,04 с. (Предварительно 2g было определено, что при сварке на таком режиме ширина Шва, или его протяженность вдоль оси соединения, получается равной 1,4-1,5 мм). Затем в заваренный с одной стороны отрезок трубы (длиной 120 мм), с другой стороны, на аналогичном режиме была вварена такая же заглушка, но с центральным сквозным отверстием диаметром 1,5 мм и обращенным наружу патрубком диаметром 4 мм и длиной 5 мм. После этого полученный сварной оЬразец вакуумировали (в специальной камере), заполняли аргоном и в него засыпали кристаллический иод в количестве, 1О мг.

Затем на точечной сварочной машине образец зажимали на нижней консоли вместо нижнего электрода в вертикальном положении (патруЬком второй за". глушки вверх), к нему подводили верхний электрод с конусным углублением снизу и осевым отверстием, герметично присоединенным металлическим трубопро" водом к баллону с гелием, давление газа в котором Ьыло равно 90 ати.

Далее к оЬразцу через. верхний электрод прикладывали сварочное усилие, открывали баллон. с гелием, запол- няя внутреннюю полость образца этим газом под давлением 90 ати, и пропус" кали через электроды точечной машины сварочный импульс тока, герметизируя патрубок на второй заглушке. Затем

7 1520763

wa диаметр 13,9+ мм, а трубу зажимали с усилием, превышающим усилие, необходимое для деФормации-осадки ее по диаметру, т.е. с усилием, гаранти» рующим смыкание секторов электрода

5 без зазоров между ними.

После этого для исключения проскальзывания свариваемой трубы в ее электроде ее дополнительно зажимали в двух полукольцевых губках на.участке длиной 80 мм, причем торец этих губок был расположен на расстоянии

30 мм от торца кольцевого электрода для исключения изгиба трубы в зоне между основным сварочным и дополнительным зажимами. баллон с гелием закрывали и заваренный образец с иодом и при давлении гелия под оболочкой 90 ати снимали с машины, Аналогичным образом было сварено

10 герметичных образцов предлагаемым спосоЬом и 1О герметичных образцов известным способом. После этого все-20 образцов были. помещены в одну о печь, нагреты до 350 С и выдержаны при этой температуре в течение 100 ч.

После извлечения оЬразцов, сварные швы от них Ьыли отрезаны и из них были приготовлены продольные (вдоль оси образцов) металлографические шлифы, на которых трещины глубиной 60804 толщины стенки (аналогичные показанным на фиг.2) Ьыли обнаружены только на соединениях, сваренных по изве" стному способу, На соединениях сваренных предлагаемым способом, трещин не оказалось.

Формула изобретения

1. Способ контактной стыковой свар" ки трубы оболочки твэла с заглушкой, диаметр которой. выполнен меньшим наружного диаметра свариваемой трубы, включающий зажатие свариваемой трубы и заглушки в соосно расположенных кольцевых разьемных электродах, прило" жение к электродам усилия сжатия и пропускание через свариваемые детали импульса сварочного тока, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения производительности путем исключения необходимости отжига сварных швов твэлов и повышения качества сварного соединения за счет уменьшения остаточных напряжений растяжения s зоне сопряжения оболочки и заглушки, трубу-оболочку твэла зажимают на участке ее, равном протяженности сварного шва вдоль свариваемой трубы, увеличен1 ной не Ьолее чем на толщину стенки последней.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что рабочий диаметр заглушки выполняют Ьольшим внутреннего диаметра свариваемой трубы на !

/2 - 2/3 толщины стенки последней.

3. Способ no rin.1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что трубу дополнительно зажимают на расстоянии одно", го-двух диаметров свариваемой трубы от зоны сварки.

1520763

ТаблиЦа1

Давление газа под оболочкой

1, мм

® у5

110

15 " - - - Щ - - - 6 + - - 9 Ю 9

20--99Q+®993+99++

5,0 - - 6 9 + 9 9 + + + + + + + +

Т аблица 2

Давление газа под оболочкой

l, мм

4 Щ 9 ®

I >5 - - - О+ + - - О+ О+ + О+ 9 + + - + ю е а е ае Ф в

2,0

30 ати прит20 С 60 ати при Т20 С 90 ати при Т20 С

60 ати при=350 С 120 ати при T=350 C 180 ати при Т390 С

30 ати при Т 20 С 60 ати при Т=20 С 90 ати при Т 20 С

60 ати при Т 350 Ñ 120 ати при Т=-350 С 1SO ати при T 350 C

0+ + + е

® ф + . + ® Я + + + + + + + +

A ай ° а е е

0++ + + + + + + + + + + + +

1520763 н)

Фиг. 3

Составитель И.фелицииа

Редактор Т.Зубкова Техред И.Ходанич Корректор И.Иаксимишинец

° ВФююМ 4Ь ° В

Заказ 2145 Тираж 533 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям,и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат " Патент", r.Óæãîðîä> yn,Ãàãàðèíà, 101