СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2005 года по МПК G21C21/02 B23K11/02 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к изготовлению тепловыделяющих элементов с применением контактно-стыковой сварки преимущественно с оболочками из сплавов циркония.

Известен способ герметизации тепловыделяющих элементов, представляющих собой трубчатые оболочки из сплава циркония, контактной сваркой (см. патент РФ №2127457, 6 G 21 С 3/10, 21/00, 21/02, В 23/К 11/02, 15/00), заключающийся в подготовке свариваемых деталей под сварку, контактно-стыковой сварке, по крайней мере, одного торца оболочки с заглушкой на заданных режимах с фиксацией торца оболочки в специальном приспособлении с заданной величиной электрического сопротивления.

Недостатком известного способа является отсутствие гарантированного качества сварных швов, узкий диапазон использования из-за небольшого допустимого изменения электрического сопротивления специального приспособления

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления тепловыделяющих элементов по патенту РФ №2140674 (6 G 21 С 21/02 прототип), заключающейся в подготовке свариваемых деталей под сварку, контактно-стыковой сварке одного из торцов оболочки с заглушкой с фиксацией торца оболочки в специальном приспособлении и последующем ультразвуковом контроле этого шва.

Недостатком известного способа является отсутствие гарантированного качества сварных швов, так как наличие ультразвукового контроля позволяет с определенной погрешностью измерять протяженность сварного шва вдоль оси тепловыделяющего элемента, и наличие достаточно грубых дефектов в виде непроваров. Оперативный и периодический контроль, предопределяющий появление такого рода дефектов, отсутствует. Занижены технологические возможности из-за ограничений по допустимому электрическому сопротивлению специального приспособления.

Технической задачей изобретения является повышение качества сварных швов и надежности герметизации ТВЭЛов при расширении технологических возможностей способа.

Решение технической задачи достигается тем, что при герметизации тепловыделяющих элементов по известному способу, заключающемуся в подготовке оболочки под сварку, сборке тепловыделяющего элемента приварке, по крайней мере, одной из заглушек контактно-стыковой сваркой в устройстве с заданной величиной электрического сопротивления и последующем контроле сварных швов, согласно изобретению сварку осуществляют при величине электрического сопротивления устройства, не превышающей тридцатипятикратного значения сопротивления участка оболочки, образующего сварное соединение с отсутствием или наличием в поперечном контролируемом сечении сварного шва расположенного на расстоянии двух-трех толщин стенки оболочки от торца заглушки находящегося внутри ТВЭЛа точечных неоднородностей в виде отдельных точек или цепочки таких точек, не образующих непрерывную линию и имеющих максимальный размер не более 10 толщин сварного шва, а контроль сварного шва осуществляют также по равномерности наружного грата. Протяженность участка с нарушенным формированием грата не превышает 10% от периметра соединения.

Представленная совокупность признаков является новой, не известной из уровня техники, и обеспечивает получение требуемого эффекта.

Наличие диапазона изменения сопротивления сварочного приспособления до величины, не превышающей тридцатипятикратного значения сопротивления участка оболочки, образующего сварное соединение, расширяет технологические возможности способа. Превышение этого значения приводит к перегреву оболочки и ее поверхностному окислению.

Выполнение сварки на режимах, обеспечивающих контроль отсутствия или наличия в поперечном контролируемом сечении сварного шва точечных неоднородностей в виде отдельных точек или цепочки таких точек, не образующих непрерывную линую и имеющих максимальный размер не более 10 толщин сварного шва, обеспечивает необходимые прочностные и коррозионные свойства сварного соединения, а также его герметичность.

Выявляемые при металлографическом контроле поперечных шлифов точечные неоднородности являются дефектами структуры сварного соединения, локальными микрозонами с повышенным уровнем напряжений по границе отдельных зерен, обладающих повышенной травимостью. Наличие таких неоднородностей не оказывает никакого влияния на служебные характеристики тепловыделяющего элемента и не лимитирует длительность его эксплуатации. Как показали до- и послереакторные исследования, с течением времени под воздействием температуры и, по-видимому, нейтронного облучения эти неоднородности полностью исчезают.

Ограничение величины точечной неоднородности в радиальном направлении до 10 толщин сварного шва позволяет исключить возможность получения в сварных швах тепловыделяющих элементов несплошностей канального типа, характерных для некачественной подготовки свариваемых деталей под сварку.

Выполнение контроля равномерности наружного грата по периметру сварного соединения обеспечивает также получение сварных швов с требуемой протяженностью.

Наличие участков с нарушенным формированием протяженностью более 10% от периметра соединения не гарантирует получения сварного шва требуемого качества.

Осуществление периодического контроля в сечении, отстоящем от торца заглушки на расстоянии в 2-3 толщины стенки оболочки (контролируемое сечение), дает возможность наиболее объективно оценивать стабильность процесса. Величина зоны, в которой находится контролируемое сечение (2-3 толщины оболочки), выбрана из условия исключения влияния на оценку качества сварки краевых эффектов на концах сварного шва, связанных с образованием наружного и внутреннего грата.

Способ реализуется следующим образом.

Оболочка обрезается в размер с заданной геометрией торцов, при необходимости осуществляется обезжиривание ее и заглушек. Перед началом сварки тепловыделяющих элементов проверяют величину сопротивления сварочной оснастки. В зависимости от имеющегося сварочного оборудования, конструкции специального сварочного приспособления величина его электрического сопротивления может находиться в пределах собственного сопротивления материала этого приспособления (от единиц микроом) до тридцатипятикратного значения сопротивления участка оболочки в зоне сварного соединения, после чего выполняют сварку специальных образцов, из которых изготавливают продольный (вдоль оси тепловыделяющего элемента) и поперечный (поперек оси) шлифы. Режимы сварки зависят от имеющегося в наличии сварочного оборудования, конструкции специального сварочного приспособления, конструкции и геометрических размеров заглушки. Так, амплитудное значение сварочного тока для оболочек диаметром порядка 9 мм из сплавов циркония может составлять 12-18 кА, длительность протекания сварочного тока от 20 до 150 мс. По внешнему виду образцов, имеющих требуемую величину перемещения заглушки, контролируют наличие и равномерность наружного грата по всему периметру соединения. При положительных результатах контроля из образцов изготавливают продольный и поперечный шлифы. На продольном шлифе при металлографическом контроле определяется протяженность сварного шва в направлении вдоль оси шва, на поперечном в сечении, отстоящем на 2-3 толщины стенки оболочки от торца заглушки, - наличие непроваров и точечных неоднородностей. Наличие таких неоднородностей, их количество, а также характер расположения по периметру сварного шва характеризует стабильность качества подготовки деталей под сварку, стабильность процесса варки и правильность выбранных режимов. Поэтому для образцов этот параметр количественно ограничивают, например, в процентах от периметра сварного шва. При положительных результатах контроля осуществляется сварка тепловыделяющих элементов на режиме сварки образцов. При этом осуществляется периодический контроль внешнего вида сварных швов на наличие наружного грата по периметру сварного соединения. Отсутствие грата сверх установленной величины является недопустимым фактором. Перед сборкой тепловыделяющих элементов в кассету этот контроль повторяется для всех изделий. После изготовления дополнительно от готовой продукции, изготовленной за определенный период, отбираются изделия для металлографического контроля сварного шва и окончательного заключения о качестве сварки данных изделий.

Предлагаемый способ в общем случае реализуется при изготовлении тепловыделяющих элементов сборок типа ВВЭР с оболочками из сплавов циркония следующим образом. Тепловыделяющие элементы изготавливаются технологическими партиями, по количеству равными 80-120 шт. Оболочки тепловыделяющих элементов обрезаются в размер с одновременным получением поверхности торца под контактную сварку по форме, близкой к сферической, с радиусом, равным 0,15-0,4 ее толщины. При необходимости свариваемые детали подвергают обезжириванию в специальных моющих растворах. После последующих технологических операций, связанных с приваркой электронно-лучевой сваркой первой заглушки, взвешивания пустых и заполненных топливом оболочек, оболочки обрабатываемой партии поступают на операцию сварки. Перед началом свари изделий выполняется сварка двух специальных образцов для металлографического контроля. Из образцов изготавливают продольный и поперечный шлиф, на которых контролируют протяженность сварного соединения в осевом направлении, которая должна быть не менее трех толщин стенки оболочки и иметь сплошность, а также наличие и количество точечных неоднородностей в контролируемом сечении, расположенном на расстоянии 2-3 толщины стенки оболочки от торца заглушки находящегося внутри тепловыделяющего элемента.

Если протяженность сварного соединения составляет не менее трех толщин стенок оболочки, а на поперечном шлифе несплошности отсутствуют или имеются точечные неоднородности протяженностью не более 5% от периметра сварного шва, а также при равномерном распределении наружного грата по периметру соединения, разрешается сварка штатных изделий. Если по какому-то параметру результаты неудовлетворительные, выполняется настройка, ремонт сварочного оборудования, оснастки или ее замена с последующим изготовлением и контролем новых образцов. При получении положительных результатов на тех же режимах, что сваривались образцы, начинается сварка штатных изделий. Сварка осуществляется на конденсаторных источниках питания с длительностью импульса сварочного тока 60-120 мс при амплитудном его значении 12-14 кА и сопротивлении специального приспособления 600-1200 мкОм. При этом перемещение заглушки должно составлять не менее четырех толщин стенок оболочки. Количество изделий, на которые распространяются результаты контроля образцов, определяется сменной выработкой с единицы сварочного оборудования, если в течение смены не производился его ремонт, замена оснастки и изменение режимов сварки. Во время сварки тепловыделяющих элементов осуществляется контроль внешнего вида сварного соединения и наличия и равномерности распределения наружного грата по периметру сварного шва. При наличии участков с отсутствием грата, протяженностью более 10% от периметра соединения, изделие на сборку не допускается, сварка прекращается и производится наладка оборудования с последующим повторением процедуры сварки и контроля образцов, дополнительно перед сборкой тепловыделяющих элементов в кассету этот контроль проходят все тепловыделяющие элементы. Кроме этого, от сменной выработки отбираются изделия для металлографического контроля сварного шва. При этом, если на поперечном шлифе точечные неоднородности отсутствуют или находятся в виде единичных и строчечных образований, не сливающихся в непрерывную линию при увеличении более трехсот раз, величина их составляет менее 10 толщин сварного шва, то изделия считаются годными и поступают на дальнейшие операции.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к изготовлению тепловыделяющих элементов с применением контактно-стыковой сварки преимущественно с оболочками из сплавов циркония. Сварку осуществляют при величине электрического сопротивления сврочного оборудования, не превышающей тридцатипятикратного значения сопротивления участка оболочки, образующего сварное соединение с отсутствием или наличием в поперечном контролируемом сечении сварного шва, расположенного на расстоянии двух - трех толщин стенки оболочки от торца заглушки, который находится внутри тепловыделяющего элемента, точечных неоднородностей в виде отдельных точек или цепочки таких точек, не образующих непрерывную линую и имеющих максимальный размер не более десяти толщин сварного шва, а контроль сварного шва осуществляют по равномерности наружного грата. Протяжённость участка с нарушенным формированием грата не превышает десяти процентов от периметра соединения. Техническим результатом изобретения является повышение качества сварных швов и увеличение надежности герметизации ТВЭЛов. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления тепловыделяющих элементов, включающий подготовку оболочки, сборку тепловыделяющего элемента, приварку, по крайней мере, одной из заглушек контактно-стыковой сваркой в сварочном оборудовании с задаваемой величиной электрического сопротивления и последующий контроль сварных швов, отличающийся тем, что сварку осуществляют при величине электрического сопротивления сварочного оборудования, не превышающей тридцатипятикратного значения сопротивления участка оболочки, образующего сварное соединение с отсутствием или наличием в поперечном контролируемом сечении сварного шва, расположенного на расстоянии двух-трех толщин стенки оболочки от торца заглушки, который находится внутри тепловыделяющего элемента, точечных неоднородностей в виде отдельных точек или цепочки таких точек, не образующих непрерывную линию и имеющих максимальный размер не более десяти толщин сварного шва, а контроль сварного шва осуществляют по равномерности наружного грата.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что равномерность наружного грата определяют как отношение длин участков с отсутствием грата к общей длине сварного шва, не превышающее 10%.