Способ сварки дистанционирующих решеток тепловыделяющих сборок ядерных реакторов

 

Использование: для повышения качества изготовления дистанционирующих решеток тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, повышения стабильности сварки и обеспечения необходимых эксплуатационных характеристик решетки в процессе ее длительной эксплуатации, универсальности процесса при сохранении его высокой производительности. Сущность изобретения: подвергают поле решетки, состоящее из ячеек дополнительному обжатию с сохранением его в течение всего времени сварки, в процессе перемещения электродов осуществляют контроль отсутствия несанкционированного касания электродами свариваемых ячеек, при наличии которого выполняют корректировку позиционирования электродов, с последующим повтором этого контроля до устранения касания, при этом расстояние между боковой поверхностью электрода и выступом, фиксирующим тепловыделяющий элемент, всегда меньше расстояния от края рабочей поверхности электрода до грани, смежной со свариваемой. Сварку выполняют порядно с пропуском ячеек, расположенных в местах прохода направляющих каналов, с предварительным деформированием свариваемых поверхностей за счет подогревающего импульса без образования между ними металлической связи и при необходимости автоматической зачистки рабочих поверхностей электродов без снятия их со сварочных клещей. 7 ил.

Изобретение относится к сварке и может быть использовано для изготовления дистанционирующих решеток тепловыделяющих сборок ядерных реакторов.

Тепловыделяющие элементы в тепловыделяющих сборках ядерных реакторов располагают, как правило, в строго определенном порядке, который определяется каркасом тепловыделяющей сборки, состоящим из направляющих каналов и установленных на этих каналах дистанционирующих решетках. Нередко дистанционирующие решетки представляют собой сотовые конструкции, собираемые из отдельных, свариваемых между собой ячеек, в которые затем устанавливают тепловыделяющие элементы. Для обеспечения работоспособности тепловыделяющей сборки к решеткам предъявляется ряд требований. Во-первых, они должны обеспечивать заданную геометрию расположения тепловыделяющих элементов, что определяется допуском на диаметр вписанной в ячейку окружности и позиционным допуском на этот диаметр. Во-вторых, они должны быть достаточно упругими, чтобы тепловыделяющие элементы легко и без зазоров входили в свои ячейки, а также имели возможность беспрепятственно удлиняться под воздействием высоких температур и радиационного облучения. В-третьих, они должны быть достаточно жесткими, чтобы тепловыделяющие элементы не изменяли с течением времени своего первоначального положения под воздействием транспортно-технологических и эксплуатационных нагрузок. Перечисленные служебные характеристики решеток в значительной мере определяются стабильностью свойств сварных соединений. Расчетно-экспериментальными методами установлено, что предъявляемым требованиям в наибольшей степени отвечают решетки, у которых диаметр сварных точек находится в пределах 0,8-1,1 мм.

Известен способ изготовления дистанционирующих решеток, собранных из отдельных ячеек шестигранной формы (см. патент РФ N 17855370, МКИ G 21 C 3/35, 1995 г.), в котором ячейки предварительно выкладываются по форме дистанционирующей решетки, соединяются между собой контактной точечной сваркой по площадкам взаимного контакта. Недостатком данного способа является отсутствие гарантированного сжатия перед сваркой свариваемых поверхностей, что затрудняет получение решеток с требуемой точностью геометрических размеров, нарушается требование по позиционному допуску осей их отверстий, кроме того, не учитываются особенности контактной сварки, в результате которых размер литого ядра сварной точки колеблется в широких пределах, что делает нестабильным жесткость решетки в целом. К таким особенностям относится, в первую очередь, шунтирование сварочного тока через боковую поверхность электродов, касающуюся во время сварки грани, смежной привариваемой, а также необходимость обеспечения гарантированной площади контакта между свариваемыми деталями, которая может меняться в зависимости от качества сборки решетки и точности позиционирования электродов. Износ и даже незначительное повреждение рабочей поверхности электродов требует их зачистки со снятием со сварочных клещей, что снижает производительность и требует дополнительного контроля и настройки оборудования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является способ сварки сотовых конструкций (см. а.с. N 867563, МКИ B 23 K 11/10, 1979 г.) - прототип. Способ заключается в подаче свариваемой конструкции к сварочным головкам при помощи стола, перемещающегося в вертикальном направлении и по круговой траектории при помощи шаговых двигателей, и сварку тремя сварочными головками. Недостатками данного способа является то, что сварка осуществляется посредством взаимного перемещения нескольких устройств, что препятствует позиционированию электродов с требуемой точностью, производительность способа снижается из-за значительных временных затрат, связанных с настройкой оборудования, для реализации способа требуется специальное оборудование. Траектория, по которой выполняется сварка, не является оптимальной, так как зависит от количества и расположения сварочных головок. В результате во время сварки поля образуются жесткие контуры, препятствующие получению сварных точек со стабильными свойствами. Все это в конечном итоге приводит к снижению качества сварки. Кроме того, на практике, в связи с отсутствием у оборудования возможности автоматического определения местоположения отверстий под направляющие каналы, сварка выполняется с предварительным удалением ячеек из этих мест, что ухудшает качество сборки и, соответственно, сварки. Это также способствует получению отверстий под направляющие каналы с большим разбросом диаметров, что ухудшает жесткость тепловыделяющих сборок. Износ и даже незначительное повреждение рабочей поверхности электродов требует их зачистки со снятием со сварочных клещей, в результате снижается производительность и качество сварки.

Технической задачей изобретения является повышение качества изготовления решеток, стабильности сварки и обеспечение необходимых эксплуатационных характеристик решетки в процессе ее длительной эксплуатации, универсальности процесса, при сохранении его высокой производительности.

Решение технической задачи достигается тем, что в известном способе, заключающемся в контактной сварке дистанционирующей решетки тремя сварочными головками с предварительной подачей этой решетки при помощи стола, перемещающегося в вертикальном направлении и по круговой траектории, собранное и установленное на неподвижном столе поле решетки, состоящее из ячеек количеством, равным количеству тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, согласно изобретению подвергают дополнительному обжатию с сохранением его в течение всего времени сварки поля решетки, в процессе перемещения электродов осуществляют контроль отсутствия несанкционированного касания электродами свариваемых ячеек, при наличии которого выполняют корректировку позиционирования электродов, с последующим повтором этого контроля до устранения касания, при этом расстояние между боковой поверхностью электрода и выступом, фиксирующим тепловыделяющий элемент, всегда меньше расстояния от края рабочей поверхности электрода до грани, смежной со свариваемой. Сварку выполняют порядно с пропуском ячеек, расположенных в местах прохода направляющих каналов, с предварительным деформированием свариваемых поверхностей за счет подогревающего импульса без образования между ними металлической связи и при необходимости автоматической зачистки рабочих поверхностей электродов без снятия со сварочных клещей.

Достижение требуемого результата обеспечивается всей совокупностью признаков. Повышение качества сварки и решетки в целом достигается в результате дополнительного сжатия набранного поля ячеек дистанционирующей решетки, сохраняющегося в течение всего времени сварки, и сварки его без предварительного удаления ячеек в местах прохода направляющих каналов. Это позволяет перед сваркой зафиксировать ячейки в положении, обеспечивающем гарантированный контакт по свариваемым поверхностям и поддерживать его во время работы, а также стабилизировать размеры отверстий под направляющие каналы. В значительной мере этому также способствует то, что сварные точки за счет выполнения контроля несанкционированного касания ячеек электродами и последующего их позиционирования, исключающего шунтирование сварочного тока, выполняются вне зоны радиусов, по которым происходит сопряжение смежных граней ячейки. Требуемая точность позиционирования обеспечивается минимально допустимой площадью рабочей поверхности электрода, равной 2,5-3,5 площади сварной точки, наличием на электродах в местах перехода рабочей поверхности в боковую фасок, которые выполнены под углом большим, чем угол между смежными гранями ячейки, и соотношением толщины электрода к диаметру вписанной в ячейку окружности, равным 2-2,5, что позволяет устанавливать электроды на плоских участках ячеек при сохранении высокой стойкости электродов. Так как рабочая поверхность электродов подвергается воздействию высоких температур и удельных давлений, она с течением времени теряет свою форму и требует восстановления. Восстановление рабочей поверхности электродов осуществляется ее зачисткой абразивной лентой, и от качества ее выполнения напрямую зависит качество сварки. Выполнение ее специальным устройством без снятия электродов с клещей позволяет повысить производительность, стабильность сварки за счет уменьшения количества настроек оборудования, исключения субъективных погрешностей при установке электродов. Для реализации способа не требуется специального оборудования, он может быть осуществлен с использованием стандартных робототехнических комплексов, имеющих точность позиционирования рабочего органа не мене 0,1 мм.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена ячейка, из каких набирается поле решеток.

На фиг. 2 - собранное для сварки поле решетки. Номерами с 1 по 321 обозначены ячейки, которые служат для закрепления тепловыделяющих элементов. Не пронумерованы 19 ячеек, которые дальнейшем удаляются, освобождая проходы под направляющие каналы.

На фиг. 3 показано непосредственно поле дистанионционирующей решетки, состоящее из 32 ячеек. Стрелками показаны направления дополнительного обжатия в процессе сварки и три направления перемещения сварочных клещей во время сварки сопрягаемых граней ячеек.

На фиг. 4 приведены возможные положения электродов (1,2,3) относительно свариваемых ячеек.

На фиг. 5 показана циклограмма сварочного тока и стадии образования сварного соединения.

На фиг. 6 изображена схема зачистки электродов.

На фиг. 7 - готовая решетка, состоящая из 321 ячейки с учетом 19, удаленных из мест, где должны проходить направляющие каналы.

Способ реализуется следующим образом.

Заготовки ячеек нарезаются в определенный размер из длинномерной оболочки таким образом, чтобы на их торцах отсутствовали заусенцы, после чего специальным штамповочным приспособлением они формуются до получения ячейки заданной формы (фиг. 1), имеющей необходимый размер под ключ S (например, для оболочки диаметром 12,5 мм с толщиной стенки 0,25-0,3 мм он находится в пределах 12,7-12,8 мм), требуемой величины внутреннего диаметра вписанной окружности D и зоны непосредственного контакта соседних граней ячеек B. Отмытые и обезжиренные от применяющейся при штамповке антифрикционной жидкости ячейки 1 по количеству тепловыделяющих элементов и каналов в сборке помещаются в специальный кондуктор 2 (фиг. 2), где происходит их центрирование и предварительное сжатие по межячеечным отверстиям при помощи штырей 3 и упругого технологического обода 4, имеющего определенный размер и в дальнейшем позволяющего выполнять транспортировку собранного поля с позиции сборки на неподвижный стол позиции сварки. На позиции сварки (фиг. 3) собранное из 340 (321+19) ячеек 1 поле решетки вместе с технологическим ободом 4 в кондукторе 5 подвергается дополнительному обжатию в области упругой деформации ячеек без удаления 19 ячеек из мест постановки направляющих каналов (выделены цветом). Направление обжатия показано стрелкой (фиг. 3). Этим также достигается гарантированный контакт между свариваемыми гранями в течение всего времени сварки и уменьшаются перемещения ячеек относительно друг друга в процессе сварки. Выполняется сварка двух пробных ячеек, используемых в качестве технологических образцов для контроля готовности оборудования и предыдущих операций по изготовлению ячеек. При положительных результатах контроля разрешается сварка поля решетки, для чего сварочные электроды устанавливаются над двумя свариваемыми ячейками 1,6 (фиг. 4). Специальным электронным устройством (на фиг. 4 не показано) в момент опускания электродов 7 вовнутрь ячеек контролируется отсутствие между ними электрического контакта. Наличие такого контакта свидетельствует, что при совершении рабочего хода (сжатия) рабочая поверхность 8 электродов 7 будет находиться вне плоской части свариваемой грани В ячейки (фиг. 1), что приведет к некачественной сварке. Поэтому до сжатия электродов рабочие поверхности выводятся из ячеек и электроды смещаются на заданное расстояние (0,05-0,2 мм), затем вновь опускаются внутрь ячеек. При наличии контакта (положение 1, фиг. 4) процесс повторяется, при этом электроды 7 последовательно перемещаются то в положительном, то в отрицательном направлении по осям x и у (фиг. 4).

После заданного числа перемещений, если контакт электрод-ячейка устранить не удалось, работа устройства прекращается. Вызывается оператор, который принимает необходимые решения. Если контакт устраняется или отсутствует (положение 2, фиг. 4) при первой попытке, происходит сжатие электродов (положение 3, фиг. 4). Сварка выполняется в двухимпульсном режиме. За время прохождения первого импульса выбираются возможные неточности формовки ячеек и их сборки, формируется зона будущей сварки без образования участков с металлической связью. Последующим импульсом осуществляется сварка. Пример режима сварки приведен на фиг. 5, где 9 - циклограмма тока сварки, 10-12 - стадии образования сварного соединения. Перемещение клещей осуществляется со скоростью не менее 250 мм/сек, что в сочетании с порядной схемой сварки по трем направлениям (фиг. 6) обеспечивает максимальную производительность. В процессе сварки контролируется наличие сварочного тока, после чего выполняется контроль разжатия электродов путем проверки наличия электрического контакта между клещами и решеткой, при наличии такого контакта процесс прекращается, вызывается оператор, который принудительно разжимает электроды и дает команду на зачистку электродов. Робот-манипулятор переносит клещи с электродами 7 на позицию зачистки и устанавливает их так, чтобы гибкая абразивная лента 13 устройства зачистки 14 находилась между электродами (фиг. 6), электроды по очереди прижимаются к абразивной ленте и в соответствии с заложенной программой совершают сложные движения в течение 1-2 минут в вертикальной и горизонтальной плоскости, после чего клещи возвращаются на позицию, где была прекращена сварка. Процесс продолжается. После окончания сварки ячейки, расположенные в местах прохода направляющих каналов, удаляются, и к полю решетки на последующих операциях приваривается обод 15 (фиг. 7).

Формула изобретения

Способ сварки дистанционирующих решеток тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, включающий сборку поля решетки из отдельных ячеек, подачу его к сварочным головкам с перемещением в вертикальном направлении и по круговой траектории, последующую сварку тремя сварочными головками, отличающийся тем, что собранное поле решетки подвергают дополнительному обжатию, в процессе перемещения электродов осуществляют контроль отсутствия несанкционированного касания электродами свариваемых ячеек, при наличии которого выполняют корректировку позиционирования электродов, с последующим повтором этого контроля до устранения касания, при этом расстояние между боковой поверхностью электрода и выступом, фиксирующим тепловыделяющий элемент, всегда меньше расстояния от края рабочей поверхности электрода до грани, смежной свариваемой, а сварку выполняют порядно с пропуском ячеек, расположенных в местах прохода направляющих каналов, при неподвижной детали и с предварительным деформированием свариваемых поверхностей за счет подогревающего импульса, с автоматической зачисткой их рабочих поверхностей без снятия со сварочных клещей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7