способ изготовления пресс-формы-холодильника-токоподвода к агрегату контактной стыковой сварки

Формула изобретения

1. Способ изготовления пресс-формы-холодильника-токоподвода к агрегату контактной стыковой сварки, включающий нарезку заготовок прокладок из стального листа толщиной 0,02...0,05 мм, нарезку заготовок в виде пластин из листовой бронзы толщиной 0,3...0,5 мм, изготовление шайбы жесткости из бронзы со шлифовкой одной плоскости, изготовление кольца токоподвода из бронзы со шлифовкой одной плоскости, сборку шайбы жесткости, заготовок прокладок из стали, заготовок пластин из бронзы в чередующемся порядке и кольца токоподвода в кондукторе, маркирование шайбы жесткости и кольца токоподвода по одной линии, выполнение центрального отверстия и отверстия для крепежа, нарезание резьбы в отверстиях для крепежа и в шайбе жесткости, разборку пакета, маркирование пластины из бронзы, обезжиривание, термическое окисление заготовок прокладок из стали и пластин из бронзы с образованием на них устойчивой однородной по цвету окисной пленки, осуществление предварительной сборки, при которой в кольцо токоподвода собирают пакет в соответствии с маркировкой в чередующейся последовательности в виде заготовки пластины из бронзы, затем заготовки стальной пластины, размещение на шлифованной поверхности кольца токоподвода сверху шайбы жесткости шлифованной поверхностью внутрь пакета и сжатие с выдержкой по времени, закрепление пакета винтами, заливку промежутков между винтами и пакетом смесью эпоксидной смолы с отвердителем, установку изоляторов и проведение окончательной стяжки пакета винтами, выдержку в сжатом состоянии, обработку внешней поверхности пакета в заданный размер, резку пакета на три сектора по числу лепестков трехлепестковой цанги, чистовую обработку поверхностей секторов и их притирку, закрепление секторов пакета в трехлепестковой цанге с образованием пресс-формы-холодильника-токоподвода, обжатие и подтяжку крепежных винтов до упора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для заготовок прокладок используют сталь 50НХС.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для заготовок пластин используют бронзу БрХЦР с твердостью не менее 110 НВ.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для шайбы жесткости и для кольца токоподвода используют бронзу БрНБТ.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическое окисление заготовок прокладок осуществляют при температуре 600650С в течение 10-15 мин с получением изолирующих прокладок.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическое окисление пластин из бронзы осуществляют при температуре 600650С в течении 3545 с.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие пакета осуществляют с усилием 50005100 кгс и выдержкой в течение 56 мин.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что выдержку при окончательной стяжке осуществляют 7274 ч при температуре 2021С.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что обжатие прессформы-холодильника-токоподвода в цанге осуществляют с усилием 25002600 кгс.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение в герметизации тепловыделяющих элементов.

Основным требованием к тепловыделяющим элементам (ТВЭЛам), представляющим собой циркониевые трубки, снаряженные таблетированным ядерным топливом и загерметизированные в атмосфере гелия, является непроницаемость сварных швов, герметизирующих заглушки к оболочке с двух концов, и устойчивость к коррозионному воздействию.

В настоящее время большая часть ТВЭЛов для атомных электростанций (АЭС) изготавливается путем электронно-лучевой сварки заглушки к циркониевой оболочке и после снаряжения таблетированным ядерным топливом и установки фиксаторов в открытый конец циркониевой оболочки герметизации другого ее конца контактной стыковой сваркой заглушки к оболочке под давлением инертного газа внутри оболочки.

Известен “канадский” способ контактно-стыковой сварки, используемый для герметизации ТВЭЛов “Канду”, при котором оболочка ТВЭЛа с помощью зажимных (охватывающих) приспособлений - токоподводов стыкуется под давлением с заглушкой, обеспечивая сопряжение двух равнотолщинных элементов - оболочки и заглушки.

При пропускании импульса тока металл в зоне контакта мгновенно нагревается до температур, близких к солидусу. В этот момент происходит осадка свариваемых элементов с образованием грата металла, вытесняемого из зоны совместной деформации в обе стороны от шва, требующего его удаления механическими методами (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 2. Под ред. Ф.Г. Решетникова. - М.: Энергоатомиздат, 1995, стр. 217-218, рис. 20.16).

Пресс-формой-холодильником-токоподводом (ПХТ) в известном агрегате является разъемное зажимное приспособление.

К недостаткам “канадского” метода следует отнести:

1. необходимость использования разъемных зажимных приспособлений, что ухудшает центровку свариваемых элементов и затрудняет создание полностью автоматизированных линий;

2. наличие грата, исключающего использование неразрезных цанг и возможность извлечения из сварочного устройства загерметизированного ТВЭЛа простым перемещением его вдоль оси. Требуется удалять грат механической обработкой с обоих концов ТВЭЛа, используя вращающийся инструмент, либо вращать снаряженный ТВЭЛ, что нежелательно;

3. протяженность зоны соединения практически равна толщине оболочки, что с учетом происшедших изменений структуры в зоне шва недостаточно (см. там же, стр. 219).

Второй способ контактной стыковой сварки, названный КСС-2, разработан в России. В отличие от предыдущего способа, формирование сварного соединения при КСС-2 производится в условиях всестороннего обжатия зоны сварки кольцевой оправкой (см. там же, рис, 20.17, стр. 218-219).

Для сварки используют заглушки уменьшенного диаметра по сравнению с наружным диаметром герметизируемой оболочки, и внешний грат не выходит за размеры наружного диаметра оболочки.

Пресс-формой-холодильником-токоподводом в известном агрегате является кольцевая оправка.

Как в “канадском” способе, так и в “российском” способе в качестве пресс-формы-холодильника-токоподвода использованы в первом случае разъемное зажимное приспособление, а во втором случае кольцевая оправка. При зажиме тепловыделяющего элемента в разъемном зажимном приспособлении или в кольцевой оправке толщину оболочки можно рассматривать как суммарную толщину оболочки и разъемного зажимного приспособления и как суммарную толщину оболочки и кольцевой оправки.

При этом из-за увеличения тока шунтирования через цанговый зажим (зажимное приспособление или кольцевая оправка) нагрев оболочки уменьшается, зона нагрева выше температуры рекристаллизации выходит на наружную поверхность соединения оболочки с заглушкой, захватывая место перехода оболочки в торец заглушки, что недопустимо с точки зрения коррозионной стойкости сварного соединения. Сварное соединение, полученное в сплошном цанговом зажиме (зажимное приспособление или кольцевая оправка), ограничено не более 1,5S, где S - толщина оболочки. Запас прочности соединения и коррозионная стойкость такого соединения низки. Объясняется это тем, что электрическое сопротивление цангового зажима зажимного приспособления или кольцевой оправки ниже сопротивления оболочки.

В результате участок оболочки прогревается не полностью, что и ограничивает глубину запрессовки заглушки на величину, равную толщине оболочки, то есть на длину соединения - 1,5S, где S - толщина оболочки.

Технической задачей изобретения является повышение выхода годных тепловыделяющих элементов, надежности их сварных соединений и повышение срока службы устройства в виде пресс-формы-холодильника-токоподвода.

Поставленная техническая задача решается тем, что способ изготовления пресс-формы-холодильника-токоподвода к агрегату контактной стыковой сварки включает нарезку заготовок прокладок из стального листа толщиной 0,02...0,05 мм, нарезку заготовок в виде пластин из листовой бронзы толщиной 0,3...0,5 мм, изготовление шайбы жесткости из бронзы со шлифовкой одной плоскости, изготовление кольца токоподвода из бронзы со шлифовкой одной плоскости, сборку шайбы жесткости, заготовок прокладок из стали, заготовок пластин из бронзы в чередующемся порядке и кольца токоподвода в кондукторе, маркирование шайбы жесткости и кольца токоподвода по одной линии, выполнение центрального отверстия и отверстия для крепежа, нарезание резьбы в отверстиях для крепежа и в шайбе жесткости, разборку пакета, маркирование пластины из бронзы, обезжиривание, термическое окисление заготовок прокладок из стали и пластин из бронзы с образованием на них устойчивой однородной по цвету окисной пленки, осуществление предварительной сборки, при которой в кольцо токоподвода собирают пакет в соответствии с маркировкой в чередующейся последовательности в виде заготовки пластины из бронзы, затем заготовки стальной пластины, размещение на шлифованной поверхности кольца токоподвода сверху шайбы жесткости шлифованной поверхностью внутрь пакета и сжатие с выдержкой по времени, закрепление пакета винтами, заливку промежутков между винтами и пакетом смесью эпоксидной смолы с отвердителем, установку изоляторов и проведение окончательной стяжки пакета винтами, выдержку в сжатом состоянии, обработку внешней поверхности пакета в заданный размер, резку пакета на три сектора по числу лепестков трехлепестковой цанги, чистовую обработку поверхностей секторов и их притирку, закрепление секторов пакета в трехлепестковой цанге с образованием пресс-формы-холодильника-токоподвода, обжатие и подтяжку крепежных винтов до упора.

Задача решается также и тем, что для заготовок прокладок используют сталь 50НХСГОСТ 10994-74, для заготовок пластин используют бронзу БрХЦР ТУ 48-21-5050-82 с твердостью не менее 110 НВ для шайбы жесткости и для кольца токоподвода используют бронзу Бр.НТБ ТУ 48-21-92-72, термическое окисление заготовок прокладок осуществляют при температуре 600...650С в течение 10...15 мин.

С получением изолирующих прокладок термическое окисление пластин из бронзы осуществляют при температуре 600...650С в течение 35...40 сек, сжатие пакета осуществляют с усилием 5000...5100 кгс с выдержкой в течение 5...6 мин, выдержку при окончательной стяжке осуществляют 72...74 часа при температуре 20...21С, обжатие пресс-формы-холодильника-токоподвода в цанге осуществляют с усилием 2500...2600 кгс.

Размещение с внутренней стороны трехлепестковой цанги и закрепление в ней пресс-формы-холодильника-токоподвода, выполненного разрезным по числу лепестков цангового зажима, совмещающего в себе пресс-форму, холодильник (средство отвода тепла от места сварки) и токоподвод с шайбой жесткости и чередующимися окисленными бронзовыми пластинами и изолирующими стальными прокладками между ними, зафиксированными винтами, изолированными от бронзовых пластин и изолирующих пресс-форму-холодильник-токоподвод изоляторами и эпоксидной смолой, при формировании металла шва в условиях объемного сжатия при больших удельных давлениях, кратковременном цикле сварки и интенсивном отводе тепла от наружных слоев зоны нагрева в сочетании с возможностью вести процесс в твердой фазе, т.е. без расплавления металла свариваемых оболочки и заглушки, позволяет получить:

- мелкое (на уровне максимальных размеров в основном металле) зерно в зоне шва,

- минимальную по сравнению с другими способами сварки зону термического влияния;

- высокую металлическую сплошность металла шва (отсутствие в нем дефектов);

- высокий уровень прочности металла шва и соединения в целом;

- высокую коррозионную стойкость соединения, обусловленную сохранением в его наружных слоях в том числе, в наиболее опасном сечении - в месте перехода оболочки тепловыделяющего элемента к торцу заглушки исходной структуры основного металла. Это обусловлено тем, что пресс-форма-холодильник-токоподвод выполняет следующие функции: предотвращает раздорновку конца оболочки при запрессовке в нее в процессе сварки рабочей части заглушки; частично воспринимает осевое сварочное усилие (для полного устранения проскальзывания оболочки в зажатом пресс-форме-холодильнике-токоподводе; предотвращает выход наружного грата за пределы наружного диаметра оболочки тепловыделяющего элемента; обеспечивает возможность создания условия объемного сжатия металла шва в процессе формирования сварного соединения; подводит к оболочке сварочный ток; отводит тепло от оболочки тепловыделяющего элемента в зоне сварки, предотвращая нагрев выше температуры рекристаллизации и обеспечивая тем самым сохранение исходной структуры металла оболочки тепловыделяющего элемента, т.е. циркония; обеспечивает заданный режим температурного поля в оболочке тепловыделяющего элемента, что повышает надежность герметизации и выход годных тепловыделяющих элементов. Отвод тепла и заданный режим температурного поля обеспечивается чередующимися бронзовыми окисленными пластинами и изолирующими стальными прокладками между ними с высоким электрическим сопротивлением.

Кроме того, изолирующие стальные прокладки придают пресс-форме-холодильнику-токоподводу жесткость и предохраняют деформацию пресс-формы-холодильника-токоподвода при многократных сжатиях цангового зажима, что повышает выход годных тепловыделяющих элементов и повышают срок службы пресс-формы-холодильника-токоподвода.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен общий вид агрегата;

на фиг.2 - конструкция пресс-формы-холодильника-токоподвода;

на фиг.3 - положение оболочки и заглушки в начале сварки;

на фиг.4 - окончательный момент сварки оболочки с заглушкой;

на фиг.5 - технологическая схема изготовления пресс-формы-холодильника-токоподвода;

на фиг.6 - устройство подачи заглушки.

Агрегат контактной стыковой сварки тепловыделяющих элементов автоматической линии их изготовления содержит, по крайней мере, две установки для контактной стыковой сварки тепловыделяющих элементов, каждая из которых включает подвижную сварочную камеру, выполненную с перпендикулярным ее оси разъемом 1, разделяющим рабочую полость на две части 2, 3, установленные на станине с возможностью автономного возвратно-поступательного перемещения, снабженные сквозными соосными каналами 4, 5 со средствами 6 создания разряжения и подачи нейтрального газа из баллона 7, устройства 8 подачи снаряженной таблетированным ядерным топливом оболочки 9 тепловыделяющего элемента, устройства 10 подачи заглушки 11 в рабочую полость и механизмы их захвата в виде трехлепестковых цанг 12 для оболочек и цанговых зажимов 13 для заглушек с трубчатыми тягами 14 и 15, расположенными в сквозных каналах и связывающими цанги 12, 13 с соответствующими приводами 16, 17, смонтированными на торцах сварочной камеры по обе стороны от разъемов 1, при этом приводы 18 сварочного давления связаны жестко с приводами 17 трубчатых тяг с возможностью совместного перемещения. Источник 19 сварочного тока соединен с кольцом токоподвода 20, совмещенным с пресс-формой 21 и средством 22 отвода тепла от места сварки, образующими пресс-форму-холодильник-токоподвод.

Каждая трехлепестковая цанга 12 для оболочки 9 снабжена с наружной стороны сменной металлической с полированной внутренней поверхностью втулкой 23 с твердостью выше, чем твердость ответных поверхностей трехлепестковых цанг, с углом внутреннего конуса, равным ответному углу трехлепестковых цанг 12, образующих одну половину сварочной камеры, во внутренней полости которой размещен съемный пресс-форма-холодильник-токоподвод 24, разрезанный по секторам 25 по числу лепестков трехлепестковой цанги 12, совмещающий в себе пресс-форму 21, средство 22 отвода тепла от места сварки (холодильник) и токоподвод 20 к свариваемой снаряженной таблетированным ядерным топливом 26 с фиксаторами 27 оболочке 9, выполненные из шайбы 28 жесткости и чередующихся пластин 29 из бронзы с окисленной поверхностью в качестве изоляторов друг от друга и изолирующих окисленных стальных прокладок 30, плоскости которых перпендикулярны плоскости разъема пресс-формы-холодильника-токоподвода 24, зафиксированных винтами 31, изолированными от бронзовых пластин 29, и изолирующих стальных прокладок 30 пресс-формы-холодильника-токоподвода 24 изоляторами 32 и эпоксидной смолой.

Канал 6 каждой сварочной камеры, сообщающейся со средствами создания разряжения и подачи нейтрального газа, выполнен в стенке трубчатой тяги в частях 2 на образующей 33 сварочной камеры.

Каждое устройство 10 подачи заглушек 11 в камеры сварки агрегата контактной стыковой сварки выполнено из установленных на общем основании с вибратором 34 двух виброчаш 35 с раздельной подачей заглушек 11 через лотки 36 в наклонные желоба 37 с фотодатчиками 38 и отсекателями 39 поштучной подачи в горизонтальные ложементы 40, каждый из которых снабжен пневмоцилиндром 42 горизонтальной подачи заглушки 11 в цанговый зажим 13 и пневмоцилиндром 43 ввода ложемента 40 с заглушкой 11 в камеру сварки 1 и вывода ложемента из камеры сварки.

Устройство 8 подачи оболочки тепловыделяющего элемента 9 выполнено в виде рольгангов с реверсными двигателями с роликовыми зажимами 44 и пневматическими зажимами 45. Средства 6 создания разряжения и подачи нейтрального газа из баллона 7 имеют патрубок 46, сообщенный с вакуумной системой (не показана).

Изготовление пресс-формы-холодильника-токоподвода к агрегату контактной стыковой сварки осуществляют следующим образом.

Из стального листа 50НХС ГОСТ 10994-74 толщиной 0,02...0,05 мм нарезают заготовки прокладок и из листа бронзы Бр.ХЦР ТУ 48-21-5050-82 с твердостью не менее 110НВ толщиной 0,3...0,5 мм нарезают заготовки пластин.

Изготавливают шайбу жесткости 28 из бронзы Бр.НБТ ТУ 48-21-92-72 со шлифовкой одной плоскости и изготавливают кольцо токоподвода 20 из бронзы Бр.НБТ 48-21-92-72 со шлифовкой одной плоскости.

Осуществляют сборку шайбы жесткости 28, заготовок прокладок из стали и заготовок пластин из бронзы в чередующемся порядке и кольца токоподвода 20 в кондукторе. Маркируют шайбу жесткости 28 и кольцо токоподвода 20 по одной линии, выполняют центральное отверстие и отверстия для крепежа, нарезают резьбу в отверстиях для крепежа и в шайбе жесткости 28, разбирают пакет, маркируют пластины из бронзы, обезжиривают заготовки прокладок из стали и пластин из бронзы для получения необходимого электрического сопротивления, подвергают термическому окислению заготовки прокладок при температуре 600...650С в течение 10...15 мин с получением изолирующих прокладок 30 с устойчивой однородной по цвету окисной пленкой, подвергают термическому окислению бронзовые пластины 29 при температуре 600...650С в течение 35...40 сек с получением устойчивой однородной по цвету окисной пленкой. Осуществляют предварительную сборку, при которой собирают пакет в соответствии с маркировкой в чередующейся последовательности, т.е. заготовку пластины из бронзы 29, затем заготовку прокладки (в дальнейшем изолирующие прокладки 30) и т.д., на шлифованной поверхности кольца токоподвода 20 размещают сверху шайбу жесткости 28 шлифованной поверхностью внутрь пакета и подвергают сжатию с усилием 5000...5100 кгс с выдержкой 5...6 мин. Обрабатывают внешнюю поверхность пакета в заданный размер, производят резку пакета на три сектора 25 по числу лепестков трехлепестковой цанги 12, чистовую обработку поверхности секторов 25 и их притирку. Закрепляют сектора 25 пакета (в дальнейшем пресс-форма-холодильник-токоподвод 24) в трехлепестковой цанге, проводят обжатие с усилием 2500...2600 кгс с выдержкой 72...74 часа при температуре 20...25С, после чего проводят подтяжку крепежных винтов 31, изолированных от пластин 29 и изолирующих прокладок 30 изоляторами 32 и эпоксидной смолой.

Параметры изготовления пресс-формы-холодильника-токоподвода 24 оптимальны, и любое отклонение в меньшую или большую сторону приводит к браку при контактной стыковой сварке оболочки 9 тепловыделяющего элемента с заглушкой 11, и при этом обеспечивается необходимое электрическое сопротивление.

Агрегат контактной стыковой сварки тепловыделяющего элемента в автоматической линии работает следующим образом.

С помощью реверсивных двигателей устройству 8 задается правое либо левое вращение. По сигналу датчиков (не показаны) при вращении устройства 8 снаряженная таблетированным ядерным топливом 26 с закрепленными фиксаторами 27 оболочка 9 вводится открытым торцом в одну из сварочных камер 1 и закрепляется роликовым зажимом 44 и пневматическими зажимом 45.

Одновременно при работе вибратора 34 из двух виброчаш 35 заглушки 11 через лотки 36 поступают в наклонный желоб 37, и через фотодатчик 38 поштучно через отсекатель 39 заглушка укладывается в ложемент 40, доталкивается пневмоцилиндром 41 и пневмоцилиндром 43 и устройством 10 вводится в одну из камер сварки 1, где пневмоцилиндром 42 заглушка 11 вводится в цанговый зажим 13, а ложемент 40 выводится из зоны сварки пневмоцилиндром 43.

С помощью трубчатых тяг 14, размещенных в сквозных каналах 4 установок и привода 16, трехлепестковая цанга 12 фиксирует оболочку 9 тепловыделяющего элемента в части 3, а с помощью трубчатых тяг 15, размещенных в сквозных каналах 5, с помощью привода 17 заглушка 11 фиксируется в части 2 в цанговом зажиме 13. Затем части 2 и 3 смыкаются, образуя зоны сварки по образующей 33. Средство 6 сообщается с вакуумной системой через патрубок 46. После вакуумирования полость тепловыделяющего элемента заполняется нейтральным газом (гелием) из баллона 7, а привод сварочного давления 18, воздействуя на привод 17, состыковывает заглушку 11 с оболочкой 9 тепловыделяющего элемента. От источника 19 сварочного тока через пресс-форму-холодильник-токоподвод 24, совмещающий пресс-форму 21, токоподвод 20 и средство 22 для отвода тепла, на свариваемую оболочку 9 и заглушку 11 подают импульс сварочного тока длительностью 0,02...0,06 сек, при этом сварочный ток протекает через наружные цилиндрические слои рабочей части заглушки 11 и все поперечное сечение свариваемого участка оболочки 9, нагревая на заглушке только ее наружные слои, тогда как на свариваемом участке оболочки 9 нагреваются внутренние слои, в результате чего сопротивление деформации наружных слоев заглушки 11 и внутренних слоев оболочки 9 падает и заглушка входит в конец трубы.

Благодаря пресс-форме-холодильнику-токоподводу 24, совмещающему пресс-форму 21 при сварке предотвращается раздорновка конца оболочки при запрессовке в нее заглушки 11, выход наружного грата за наружный диаметр оболочки, обеспечивается возможность создания условий объемного сжатия металла шва в процессе формирования сварочного соединения.

Благодаря пресс-форме-холодильнику-токоподводу 24, совмещающему токоподвод 20, осуществляется подвод сварочного тока к оболочке 9.

Благодаря пресс-форме-холодильнику-токоподводу 24, совмещающему средство 22 отвода тепла, выполненное из чередующихся пластин 29 из окисленной бронзы, изолирующих стальных прокладок 30, тепло от наружных слоев оболочки 9 в зоне сварки отводится, предотвращая их нагрев выше температуры рекристаллизации и обеспечивая тем самым сохранение в этих слоях исходной структуры основного металла оболочки 9, обеспечивая температурное поле в оболочке 9, при котором ее внутренние слои нагреваются до температуры, равной температуре наружных слоев рабочего участка заглушки 11.

По окончании сварки разжимаются зажимы 44, 45 трехлепестковой цанги 12, включаются реверсивные двигатели на обратный ход, и тепловыделяющий элемент выводится по рольгангу 8 из агрегата.

Поскольку происходит многократное движение цанговых зажимов во втулке 23, которая исключает повреждение корпуса цанговых зажимов при сварочных циклах, то и исключается брак тепловыделяющего элемента.