Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ КОНТАКТНО-СТЫКОВОЙ СВАРКИ ТРУБЫ С ЗАГЛУШКОЙ

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к способам сварки трубчатых оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) с заглушками

Известен способ контактно-стыковой сварки сопротивлением трубы с заглушкой, используемый при изготовлении твэлов по патенту РФ №2219599, включающий использование заглушки с наружным диаметром, большим внутреннего диаметра оболочки, но меньшим наружного, фиксацию оболочки в токоподводе с заглублением, сжатие оболочки с заглушкой и нагрев свариваемых деталей электрическим током с преимущественным разогревом оболочки сварочным током по краям зоны сварки и с одновременным обеспечением теплоотвода от наружной поверхности оболочки.

Способ предполагает получение сварных соединений с максимальной протяженностью сварного шва. Однако это приводит к излишнему нагреву оболочки, появлению зон с измененной структурой, занимающих большую часть толщины стенки оболочки, и уменьшению конструкционной прочности и коррозионной стойкости сварного соединения. Кроме этого, реализация способа приводит к образованию ступенчатого перехода от заглушки к наружной поверхности оболочки, что ухудшает эксплуатационные и технологические характеристики твэла.

Наиболее близким к заявляемому является способ по патенту РФ №2082574, МПК⁷ В 23 К 11/02, G 21 С 3/00, 1997 г., включающий использование заглушки с максимальным диаметром, большим внутреннего диаметра трубы, но меньше ее наружного диаметра, фиксацию оболочки в токоподводе с заглублением, сжатие оболочки с заглушкой и нагрев свариваемых деталей электрическим током с распределением его по поверхности оболочки в зоне сварки.

Способ основан на разогреве участка оболочки длиной от 2-х до 5-ти толщин стенки. Это приводит к ее структурным изменениям, формированию сварного соединения с большим объемом внутреннего грата, что снижает конструкционную прочность и коррозионную стойкость сварного соединения. Способ не позволяет получать сварные соединения без ступенчатого перехода от заглушки к наружной поверхности трубы, который увеличивает гидравлическое сопротивление твэла и ухудшает условия собираемости твэлов в кассету тепловыделяющей сборки.

Технической задачей изобретения является повышение эксплуатационных качеств сварных соединений и их технологичности.

Решение технической задачи достигается тем, что в способе контактно-стыковой сварки трубы с заглушкой, заключающемся в фиксации конца трубы, размещенного в одном электроде, сжатии ее торца с торцом заглушки, предварительно установленной в другом электроде и имеющей наружный диаметр больше внутреннего диаметра трубы, но меньше ее наружного диаметра, и их взаимном разогреве сварочным током с последующим вдавливанием заглушки в трубу, согласно изобретению сварку осуществляют с преимущественным разогревом заглушки, в процессе перемещения заглушки между поверхностью ввариваемой ее части и внутренней поверхностью трубы по ходу движения заглушки вне зоны термического влияния в оболочке трубы формируют посадочное место, а большую часть грата, образовавшегося при сварке, и зону с максимальными структурными изменениями, вызванными термическим влиянием, выводят наружу с расположением этой зоны вне зоны сварного шва, а грат используют для создания плавного сопряжения наружной поверхности трубы с заглушкой.

Указанная совокупность признаков является новой и существенной для решения поставленной задачи, так как:

- в результате преимущественного разогрева заглушки зона с измененной структурой образуется в основном в заглушке, что способствует повышению эксплуатационных характеристик сварного соединения за счет повышения коррозионной стойкости оболочки трубы в зоне сварки;

- образование в процессе перемещения заглушки посадочного места между внутренней поверхностью трубы и заглубленным в нее участком заглушки разгружает оболочку в зоне сварного шва от воздействующих на нее как радиальных, так и осевых усилий. В результате увеличивается конструкционная прочность соединения и повышается его работоспособность;

- выведение наружу зоны с максимальными структурными изменениями и большей части образовавшегося при сварке грата позволяет уменьшить уровень остаточных послесварочных напряжений во внутренней, наиболее уязвимой части сварного соединения, что повышает коррозионную стойкость сварного соединения к агрессивным по отношению к материалу трубы продуктов деления ядерного топлива и позволяет сформировать наружный грат с плавным, например конусным, переходом от заглушки к поверхности трубы, тем самым устранить ступенчатый переход между ними и улучшить условия собираемости твэлов в кассеты тепловыделяющих сборок.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показана схема выполнения предлагаемого способа.

На фиг.2 схематично приведено сварное соединение твэла, полученное по данному способу.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Торец трубы 1 предварительно фиксируют в заданном положении в электроде 2. Заглушка 3, установленная в другом электроде 4, прижимается к торцу оболочки сварочным усилием (Р) (фиг.1), обеспечивающим необходимую величину и динамику перемещения заглушки при разогреве деталей сварочным током. Величина зоны с измененной структурой в оболочке 5 и заглушке 6 (фиг.2) зависит от режимов сварки, обеспечиваемых имеющимся в наличии сварочным оборудованием. Поэтому конкретные значения этих величин определяются в каждом случае отдельно, исходя из имеющихся технологических возможностей. Под действием сварочного тока и усилия заглушка 3 вдавливается внутрь трубы 1 с взаимной деформацией их металла в зоне сварки. При этом у заглушки 3 нагревается весь ввариваемый участок, а у трубы 1 только участок, прилегающий к торцу. Это приводит к тому, что большая часть разогретого в торце трубы 1 металла выдавливается наружу, образуя грат 7, который подвергается объемному сжатию между электродом 2 трубы и электродом 4 заглушки, что устраняет наружные складки 8 или, по крайней мере, уменьшает их величину настолько, что они не распространяются под поверхность трубы 1. Под действием объемной деформации грат 7 закрывает торец трубы 1 и позволяет сформировать плавный переход от наружной поверхности трубы 1 к заглушке 3. Если на торцевой части электрода 4, удерживающего заглушку 3, имеется коническая поверхность, то она формует ответную поверхность 9 на грате, обеспечивая коническое сопряжение заглушки 3 и трубы 1. Этому также способствует то, что в стыке обеспечивается максимальная температура, увеличивающая пластичность металла. В этой же части сварного соединения, которая практически не нагружена при работе твэла, находится зона с максимальными структурными изменениями. В то же время заглушка 3, перемещаясь в глубь трубы 1, формирует с ее внутренней поверхностью вне зоны структурных изменений посадочное место 10, разгружающее сварное соединение и сварной шов 12 от механических нагрузок при работе твэла.

Конкретным примером реализации предлагаемого способа может служить приварка котактно-стыковой сваркой заглушки к торцу трубы из сплава циркония при производстве твэлов типа ВВЭР. Торец трубы из сплава циркония диаметром 9,15 мм фиксируется в электроде. Заглушка, диаметр которой примерно равен среднему диаметру трубы, сварочным усилием при помощи электрода прижимается к ее торцу. Величина сварочного усилия (Р) составляет порядка 300 кг. Через контакт торца трубы и заглушки пропускается сварочный ток с амплитудным значением 12-15 кА, длительностью 15-40 мс. В результате интенсивного разогрева заглушка вдавливается в оболочку трубы. Так как заглушка прогревается на всем участке, от стыка до электрода, а труба только в непосредственной близости от стыка (1,5-2,5 мм), что достигается величиной сопротивлений электрода на этом участке, которое не превышает 400 мкОм, то в процессе сварки величина перемещения заглушки превышает величину зоны разогрева участка трубы, и передняя часть заглушки, входя в зону непрогретого участка трубы, плотно прилегает к ее внутренней поверхности, формируя посадочное место. Образовавшийся грат, зажатый в ограниченном объеме между электродами, формируется либо с обеспечением радиусного перехода между заглушкой и наружным диаметром трубы, либо, если на электроде заглушки торцевая поверхность имеет коническую форму, наружная поверхность грата принудительно деформируется до получения ответной поверхности такой же формы.