Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Изобретение относится к области машиностроения и может быть применено для сварки изделий цилиндрических конструкций, в том числе при герметизации изделий активных зон ядерных реакторов в обычных и в дистанционных условиях.

Известен способ герметизации тепловыделяющих элементов (способ герметизации оболочки твэла, патент США, №3045108), при котором сварка осуществляется путем оплавления торца оболочки совместно с заглушкой неплавящимся электродом в среде защитных газов. При этом дуга зажигается путем контакта электрода на цилиндрический выступ заглушки, который при этом испаряется и образуется сварочная дуга. Формирование сварного шва получается за счет плавления части заглушки, трубки и неиспарившегося выступа. Таким способом создаются необходимые условия для формирования сварного шва. Однако при контактном способе зажигания дуги в сварочную ванну попадают включения вольфрама, что снижает сплошность сварного шва. К тому же при контактном зажигании дуги значительно повышается износ вольфрамового электрода и возникает необходимость его постоянной замены, тем самым усложняя процесс сварки в дистанционных условиях. Кроме того, изготовление заглушки с выступом и сборка изделия усложняет процесс и повышает его трудоемкость.

Известен способ сварки (Разработка технологии сварки дугой, управляемой магнитным полем, тонкостенных оболочек из высоколегированных сталей и химически активных металлов / Б.Р.Рябиченко, М.П.Андреев, М.С.Гриценко // Вопросы атомной науки и техники: Сер. Сварка в ядерной технологии. 1986. Вып.1. С.29-19), принятый за прототип, при котором процесс сварки ведут с наложением магнитного поля. Свариваемое изделие (корпус с заглушкой) фиксируют в медной цанге, закрепляют в сварочной установке, электрод располагают по центру торца изделия на расстоянии 2..4 мм от поверхности, подают защитный газ от баллона и контактным способом зажигают сварочную дугу, которая отклоняется магнитным полем и вращается с заданной скоростью по торцу изделия. В результате оплавления торца изделия образуется сварной шов. Такой способ, например, используется при изготовлении твэлов «быстрых» реакторов. При этом время сварки составляет от 1,5 до 5 с, а вылет изделия из цанги (h) равен 1/3-d·(d - диаметр изделия).

Однако при применении данного способа металл сварочной ванны длительное время находится в расплавленном состоянии за счет продолжительного времени сварки. При герметизации изделий с малым свободным объемом длительный сварочный цикл может привести к выплескам жидкого металла сварочной ванны в результате расширения газа внутри изделия и образованию дефектов типа свищей и газовых полостей. Также при сварке металлов, склонных к образованию пор (например, алюминия, никеля, сталей, изготовленных методом порошковой металлургии и т.д.), данный способ не обеспечивает решение задачи уменьшения порообразования. Кроме того, контактный способ зажигания дуги приводит к образованию вольфрамовых включений в сварном шве, что также снижает качество сварных соединений. Реализация такого способа сварки требует применения дополнительного оборудования.

Задачей данного технического решения является повышение качества сварных швов при герметизации изделий с торцовой конструкцией путем уменьшения пор, вольфрамовых включений, газовых полостей и выплесков.

Для этого в способе дуговой сварки в среде защитного газа, при котором оплавляют неплавящимся электродом торец свариваемого цилиндрического изделия при вылете h изделия из цанги при его вертикальном расположении в цанге сварочной установки, отличающийся тем, что изделие сваривают при плотности теплового потока в пределах 20…400 Дж/мм²с и величине вылета изделия из цанги, равной h (0,2…0,4)d, при этом длительность процесса сварки выбирают из соотношения , (с), где d -диаметр свариваемого изделия, (мм).

Экспериментально установлено, что если длительность времени сварки из указанного диапазона увеличить, то это приведет к образованию выплесков и газовых полостей при герметизации изделий с малым внутренним объемом. При времени сварки меньше данного диапазона наблюдается непровар сварного шва. Если вылет изделия из цанги превысит значение 0,4d, то происходит нарушение геометрической формы шва в виде наплывов по диаметру сварного шва, при вылете меньше 0,2d получается непровар сварного шва из-за недостатка металла для образования соединения. Если значение плотности теплового потока меньше 20 Дж/(мм²с), то это приведет к непровару сварного шва, если больше 400 Дж/(мм²с) - к выплескам металла шва, прожогам и нарушению геометрической формы.

Изобретение позволяет значительно повысить качество сварных соединений при герметизации изделий с малым замкнутым объемом газа типа источников ионизирующих излучений, а также при сварке изделий из металлов, склонных к порообразованию за счет ограничения времени на образование газовых пузырьков в диапазоне при плотности теплового потока 20...400 Дж/мм²с и вылете изделия из цанги (0,2…0,4)d. При этом не происходит образование выплесков жидкого металла сварочной ванны и пор. Бесконтактный способ зажигания дуги исключает попадание включений вольфрама в сварной шов. Данный способ сварки легко реализуется в дистанционные условия защитных камер и боксов.

Такое сочетание новых признаков заявляемого решения с известными позволяет повысить качество и работоспособность сварных соединений.

Предлагаемый способ сварки был применен в процессе изготовления источника ионизирующего излучения из стали 12Х18Н10Т, состоящего из корпуса диаметром 2 мм и заглушки. Собранный корпус с заглушкой устанавливали в медную цангу и патрон сварочной установки. Вольфрамовый электрод диаметром 3 мм закрепляли в сварочной горелке и устанавливали по центру торца корпуса с длиной дуги 2 мм. Сварку выполняли на режиме: ток сварки - 30 А, время сварки - 0,5 с, вылет из цанги - 0,6 мм, расход защитного газа - 6 л/мин.

Указанный режим обеспечивает заданную глубину проплавления и такое время существования сварочной ванны, при котором газовый пузырь не успевает вырасти до браковочного размера и всплыть к поверхности сварочной ванны для образования выплеска расплавленного металла. При этом купол сварного шва формируется в виде правильного полушара.

Данный способ сварки был применен также при герметизации оболочек диаметром 6,9 мм, изготовленных методом порошковой металлургии. Сварку выполняли на режиме: ток сварки - 250 А, время сварки - 0,8 с, вылет из цанги - 2,0 мм, расход защитного газа - 6 л/мин. При таких условиях сварки время существования сварочной ванны не превышает время, позволяющее зародышам микропор вырасти в поры браковочного размера.

Качество сварных соединений корпусов источников, полученных с применением данного способа, оценивали рентгенографическим контролем и металлографическими исследованиями на 100 образцах. Результаты контроля показали, что количество забракованных сварных соединений по выплескам и газовым полостям, по сравнению с прототипом, уменьшилось на 15%. Количество образцов, забракованных по вольфрамовым включениям, уменьшилось на 10%. В случае герметизации оболочек, изготовленных методом порошковой металлургии, количество забракованных сварных соединений уменьшилось на 70…80%.

Сварка может вестись в среде гелия или аргона, которые могут подаваться в зону сварки любым известным способом.

Предлагаемый способ обеспечивает технический эффект и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Следовательно, он обладает промышленной применимостью.