Способ изготовления сварных соединений из циркониевых сплавов Российский патент 2021 года по МПК B23K9/16 B23K9/23 C21D9/50 

Изобретение относится к технологии изготовления сварных соединений из циркониевых сплавов сваркой плавлением в вакууме с последующей обработкой зон сварных соединений, и может быть использовано при изготовлении изделий атомных реакторов средних частей технологических каналов и труб с переходником.

Изделия атомных реакторов - средние части технологических каналов и трубы с переходником представляют собой конструкции, в которых трубы из циркониевых сплавов соединены с переходниками электронно - лучевой сваркой. Переходники представляют собой биметаллические изделия, внутренняя поверхность которых изготовлена из циркониевого сплава, наружная - из нержавеющей аустенитной стали. Финишной операцией изготовления средних частей технологических каналов и труб с переходником является автоклавирование в пароводяной смеси для нанесения окисной пленки и выявления участков с низкой коррозионной стойкостью.

Известен способ изготовления изделий из циркония и его сплавов, включающий сварку плавлением в защитной среде, пескоструйную обработку на глубину от 20 до 70 мкм с последующим травлением поверхности сварного шва и зоны термического влияния на глубину от 5 до 20 мкм, последующий отжиг и нанесение окисной пленки (патент РФ №2043890, опубл. 20.09.1995 г.). Недостатком известного способа является проведение трудоемких и затратных операций пескоструйной обработки и химического травления в азотно - плавиковом растворе для удаления остатков кремния после пескоструйной обработки, для выполнения которых требуется специальное оборудование и материалы. Кроме этого, после химического травления с использованием плавиковой кислоты на поверхности изделий присутствуют ионы фтора. Известно, что ионы фтора отрицательно влияют на коррозионную стойкость циркониевых сплавов. Например, на участке стыковки наружной и внутренней поверхностей переходника, наличие ионов фтора может создать условия для щелевой коррозии в реакторных условиях. После автоклавирования изделий окисная пленка на участке стыковки наружной и внутренней поверхностей переходника отличается по цвету от основного металла более светлым оттенком, что свидетельствует о более интенсивной коррозии.

Известен способ изготовления сварных соединений из циркония и его сплавов, включающий подготовку свариваемых кромок к сварке, сварку плавлением в защитной среде, зачистку сварного шва и поверхностную обработку сварного шва и зоны термического влияния безабразивной ультразвуковой обработкой на глубину 1 - 150 мкм, последующий отжиг и нанесение оксидной пленки (патент РФ №2430818, опубл. 10.10.2011 г., бюл. №28).

Недостаткам данного способа является то, что ввиду высокой пластичности циркониевого сплава под воздействием безабразивной ультразвуковой обработки на поверхности зон сварного соединения образуется волнистость, что не соответствует предъявляемым требованиям к состоянию поверхности изделий для атомных реакторов, поэтому использование известного способа является невозможным.

Наиболее близким аналогом предлагаемому техническому решению, принятому за прототип, является способ изготовления сварных соединений из циркониевого сплава, включающий подготовку свариваемых кромок к сварке, сварку плавлением в вакууме, зачистку зон сварного соединения неабразивными и абразивными материалами, травление в азотно - плавиковом растворе, обкатку сварных соединений роликами с последующим отжигом при 580°С в течение 10 часов и нанесение окисной пленки в пароводяной смеси (Комплект документов технологического процесса изготовления изделия «Труба с переходником» черт.15.751.000 140.02100.00360 АО ЧМЗ 1995 г., Маршрутная карта. Часть средняя канала РБМ-К.5 Сб.31;-01 140.10200.01641 АО ЧМЗ 2002 г.). Недостатком прототипа является то, что он не обеспечивает повышение коррозионной стойкости изделий в условиях эксплуатации и снижение себестоимости изготовления ввиду необходимости трудоемкой и затратной операции химического травления после зачистки. Травление в азотно - плавиковом растворе снижает коррозионную стойкость изделий из циркониевых сплавов в условиях эксплуатации ввиду наличия ионов фтора на поверхности, и, особенно, на участке стыковки наружной и внутренней поверхностей переходника. Эти недостатки устраняются предлагаемым техническим решением.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении коррозионной стойкости изделий атомных реакторов в условиях эксплуатации и снижение их себестоимости с обеспечением требуемого состояния поверхности.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления сварных соединений из циркониевых сплавов, включающем подготовку свариваемых кромок к сварке, сварку плавлением в вакууме, зачистку зон сварного соединения, обкатку роликами, отжиг при температуре 580°С в течение 10 часов с последующим нанесением окисной пленки. Зачистку зон сварного соединения проводят в несколько этапов: начальный этап зачистки выполняют сочетанием неабразивного и абразивного материалов или только неабразивным материалом, а окончательный этап зачистки выполняют доводкой неабразивным материалом с использованием щетки с нейлоновым ворсом и лезвийного инструмента или только лезвийным инструментом до получения требуемой шероховатости поверхности.

В предлагаемом техническом решении начальный этап зачистки зон сварного соединения выполняют неабразивными материалами, такими как фреза, напильники, затем возможно применение абразивных материалов, таких как шлифовальные шкурки, материал Scotch Brite, но в обоих случаях окончательный этап зачистки выполняют доводкой неабразивным материалом с использованием щетки с нейлоновым ворсом и лезвийного инструмента (шабера). Выполнение зачистки зон сварного соединения в несколько этапов по предлагаемому способу позволяет исключить операцию травления и, следовательно, наличие ионов фтора на поверхности изделий атомных реакторов, повысить этим коррозионную стойкость в условиях эксплуатации и снизить себестоимость изделий, обеспечивая при этом требуемое состояние поверхности.

Сравнение предлагаемого способа с другими техническими решениями в данной области техники показывает, что известна зачистка зон сварного соединения неабразивными материалами. Так например, выполнение зачистки зон сварного соединения на токарном станке с использованием резца, который относится к неабразивным материалам, приводит к врезанию резца в основной металл, ввиду, несоосности и биения длинномерного изделия. Кроме того, неравномерный съем металла при зачистке на токарном станке с использованием резца приводит к несоответствию изделий по диаметру, что влечет к снижению производительности и увеличению себестоимости изделий. При использовании на окончательном этапе зачистки щетки из нержавстальной проволоки приводит к увеличению шероховатости и появлению прижогов на зачищенной поверхности изделий из циркониевых сплавов для атомных реакторов, что не соответствует предъявляемым требованиям к состоянию их поверхности.

Однако сама по себе зачистка неабразивными материалами не позволяет обеспечить выполнение поставленной задачи. Только совокупность известных и заявленных существенных признаков в предлагаемой последовательности позволяет получить новый технический результат, заключающийся в повышении коррозионной стойкости изделий в условиях эксплуатации и снижении себестоимости изделий.

Способ обработки сварных соединений из циркониевого сплава по прототипу приведен в примере 1. Предлагаемый способ зачистки успешно опробован в производственных условиях и приведен в примерах 2,3.

Пример 1.

Изготовили изделие - среднюю часть технологического канала, соединив концы трубы 88х79,5 мм из циркониевого сплава с биметаллическими переходниками. Для этого провели подготовку кромок трубы и переходников к сварке путем их разделки и обезжиривания, выполнили электронно - лучевую сварку в вакууме, зачистку зон сварных соединений неабразивным (бор-фрезой) и абразивным (шлифовальными шкурками различной зернистости, кругами лепестковыми Scotch Brite) материалами. После зачистки выполнили травление изделия в азотно - плавиковом растворе, отмывку, затем обкатку сварных соединений роликами, обезжиривание изделия и последующий отжиг сварных швов в раздельных камерах в вакууме при 580° С в течение 10 часов. После отжига изделие направили на автоклавирование в пароводяной смеси при температуре от 275 до 290 ° С, давлении от 78 до 90 кгс/см² (8,8 Мпа) в течение 120 часов. После автоклавирования состояние поверхности сварных соединений проконтролировали на соответствие требованиям, предъявляемым к состоянию поверхности изделий для реакторостроения. Характерное состояние поверхности сварного соединения средней части технологических каналов приведено на фиг.1.

Пример 2

Изготовили изделие - среднюю часть технологического канала, соединив концы трубы 88х79,5 мм из циркониевого сплава с биметаллическими переходниками. Для этого провели подготовку кромок трубы и переходников к сварке путем их разделки и обезжиривания, выполнили электронно - лучевую сварку в вакууме, затем выполнили начальный этап зачистки зон сварных соединений неабразивным (бор-фрезой) и абразивным (шлифовальными шкурками различной зернистости, кругами лепестковыми Scotch Brite) материалами. Окончательный этап зачистки зон сварных соединений и по наружной, и внутренней поверхности выполнили щеткой с нейлоновым ворсом, обезжирили и довели зачистку лезвийным инструментом (шабером) до шероховатости поверхности не хуже Ra 2,0. После выполнили обкатку роликами и отжиг сварных швов в вакууме при 580° С в течение 10 часов. Затем изделия подвергли обработке в автоклаве в пароводяной смеси при температуре от 275 до 290 ° С, давлении от 78 до 90 кгс/см² (8,8 Мпа) в течение 120 часов.

После автоклавирования на наружной и внутренней поверхностях зон сварных соединений, а также на участке стыковки наружной и внутренней поверхностей переходников сформировалась равномерная, плотная, темная, окисная пленка, что свидетельствует о высокой коррозионной стойкости материала, фиг. 1.

Пример 3

Изготовили макеты изделия «Труба с переходником» черт.15.751.000, приваривая электронно - лучевой сваркой в вакууме к одному концу трубы 12х6,5 мм из циркониевого сплава биметаллический переходник, к другому - заглушку из циркониевого сплава, предварительно подготовив кромки к сварке разделкой и обезжириванием. Выполнили зачистку зон сварных соединений неабразивными материалами - на начальном этапе напильниками с различными насечками, а окончательный этап - лезвийным инструментом (шабером) до шероховатости поверхности не хуже Ra 2,0. После зачистки выполнили локальное обезжиривание, обкатку роликами, затем отжиг сварных соединений в вакууме при 580° С в течение 10 часов и направили макеты изделия на автоклавирование в пароводяной смеси при температуре от 275 до 290° С, давлении от 78 до 90 кгс/см² (8,8 Мпа) в течение 120 часов. После автоклавирования на поверхности сварных соединений сформировалась равномерная, плотная, темная, окисная пленка. Состояние поверхности сварных соединений после автоклавирования приведено на фиг.2.

Результаты изготовления сварных соединений из циркониевых сплавов, приведенные на фиг. 1 и 2, показывают, что выполнение зачистки зон сварного соединения по предлагаемому способу позволяет исключить операцию травления, обеспечивая высокую коррозионную стойкость материала и требуемое состояние поверхности.

Изобретение может быть использовано при получении сварных соединений из циркониевых сплавов сваркой плавлением с последующей обработкой зон сварного соединения изделий атомных реакторов. Способ включает подготовку свариваемых кромок к сварке, сварку плавлением в вакууме и последующую зачистку зон сварного соединения в несколько этапов. Начальный этап зачистки выполняют сочетанием неабразивного и абразивного материалов, а окончательный этап зачистки выполняют доводкой неабразивным материалом с использованием щетки с нейлоновым ворсом и лезвийного инструмента до получения требуемой шероховатости поверхности. Далее проводят обкатку роликами, отжиг сварного соединения при температуре 580°С в течение 10 часов и наносят окисную пленку. Техническим результатом изобретения является повышение коррозионной стойкости изделий в условиях эксплуатации. 2 ил., 3 пр.

Способ изготовления сварного соединения из циркониевых сплавов, включающий подготовку свариваемых кромок к сварке, сварку плавлением в вакууме, зачистку зон сварного соединения, обкатку роликами, отжиг при температуре 580°С в течение 10 часов с последующим нанесением окисной пленки в пароводяной смеси, отличающийся тем, что зачистку зон сварного соединения проводят в несколько этапов, при этом на начальном этапе проводят неабразивную зачистку с использованием борфрезы или напильника или последовательно проводят упомянутую неабразивную зачистку и абразивную зачистку, а на окончательном этапе зачистки осуществляют доводку зон сварного соединения до получения шероховатости поверхности не хуже Ra 2,0, при этом доводку выполняют лезвийным инструментом или с последовательным использованием щетки с нейлоновым ворсом и лезвийного инструмента.