DE1190596B

DE1190596B - Process for TIG welding of end caps on nuclear reactor fuel element casings

Info

Publication number: DE1190596B
Application number: DEU8236A
Authority: DE
Inventors: James Thomas Stockdale; Alan Frederick Taylor
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1960-08-04
Filing date: 1961-08-02
Publication date: 1965-04-08

Description

Verfahren zum WIG-Schweißen von Endkappen auf Kernreaktor-Brennelementhüllen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verschweißen von gebördelten Endkappen mit kreiszylindrischen Rohrteilen im Lichtbogen unter Inertgas mit nicht abschmelzender Elektrode, insbesondere für Kernreaktor-Brennelementhüllen.Process for TIG welding of end caps on nuclear reactor fuel element cladding The invention relates to a method for welding flanged end caps with circular cylindrical tube parts in an arc under inert gas with non-melting Electrode, especially for nuclear reactor fuel element casings.

Zur Fertigung derartiger Brennelemente verwendet man üblicherweise ein Hüllrohr, das durch Endkappen verschlossen wird; diese verbindet man mit dem Hüllenrohr mittels Wolfram-Inertgas-Schweißung (WIG). Zur Vorbereitung der Schweißnaht werden V-förmige Vertiefungen oder Abfasungen vorgesehen.For the production of such fuel assemblies one usually uses a cladding tube that is closed by end caps; one connects these with the Cladding tube by means of tungsten inert gas welding (TIG). To prepare the weld V-shaped recesses or chamfers are provided.

Es hat sich jetzt herausgestellt, daß die Zuverlässigkeit einer derartigen Schweißung von ihrer Eindringtiefe beeinflußt wird und daß diese bessere Durchschweißung und die sich damit ergebende erhöhte Zuverlässigkeit dadurch erzielt werden kann, daß für die Schweißnaht eine U-förmige Vertiefung vorbereitet wird (die breiter als die Spitze der Schweißelektrode ist) und die Schweißung durchgeführt wird, während die Spitze der Elektrode tiefer als die Oberkante der U-förmigen Vertiefung liegt.It has now been found that the reliability of such Weld is influenced by its depth of penetration and that this better penetration weld and the resulting increased reliability can be achieved by that a U-shaped recess is prepared for the weld seam (the wider one than is the tip of the welding electrode) and the welding is carried out while the tip of the electrode is lower than the top of the U-shaped recess.

Die Erfindung besteht daher darin, daß eine symmetrische U-förmige Nahtfuge in den gegeneinanderstoßenden Kanten der Wandungen von Hülle und gebördelter Endkappe gebildet wird und daß die Elektrodenspitze während des Schweißvorganges nahe dem Grunde der U-förmigen Nut, aber mit Abstand von diesem, geführt wird.The invention is therefore that a symmetrical U-shaped Seam joint in the abutting edges of the walls of the shell and the flanged End cap is formed and that the electrode tip during the welding process near the bottom of the U-shaped groove, but at a distance therefrom.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Wände der U-förmigen Vertiefung beim nach oben gerichteten übergang von der gekrümmten Bodenfläche gegenüber der Senkrechten nach außen geneigt sind.An expedient development of the invention is that the Walls of the U-shaped recess in the upward transition from the curved Floor surface are inclined outwards from the vertical.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt F i g. 1 eine Schnittdarstellung eines Brennelementendes für Kernreaktoren, F i g. 2 eine teilweise schematische Darstellung einer Schweißmaschine für Brennelemente, mit der sich Schweißungen gemäß der Erfindung ausführen lassen, während die F i g. 3 und 4 verschiedenartige Profile für eine in der Schweißmaschine nach F i g. 2 verwendete Kurvenscheibe wiedergeben.The invention will now be illustrated by way of example Drawing explained in more detail, namely shows F i g. 1 is a sectional view of a End of fuel element for nuclear reactors, FIG. 2 is a partially schematic representation a welding machine for fuel assemblies, with which welds according to the invention can be carried out while the F i g. 3 and 4 different profiles for one in the welding machine according to FIG. 2 reproduce the cam disc used.

In F i g. 1 ist das Ende eines Reaktorbrennelementes 1 mit einem Hüllrohr 2 aus einer Magnesiumlegierung dargestellt, das durch eine Endkappe 3, ebenfalls aus einer Magnesiumlegierung, verschlossen ist. (Das Hüllrohr 2 und die Endkappe 3 können beispielsweise aus einer Magnesium-Beryllium-Legierung bestehen, die in der britischen Patentschrift 776 649 beschrieben wird. Hüllrohr und Endkappe können andererseits auch aus einer handelsüblichen Magnesiumlegierung hergestellt sein, die etwa 0,05 bis 1 ü/m Zirkon enthält; ein typischer Legierungszusatz beträgt 0,45 bis 0,70/a.) Das Hüllrohr 2 besitzt eine Wanddicke von 1,5 mm (0,060"), während die Endkappe 3 ebenfalls eine Wanddicke von 1,5 mm und eine kleinste Innenhöhe von 4,75 mm (0,187") aufweist. Die Endkappe 3 sitzt in dem Ende des Hüllrohres 2 fest, wobei die Stirnkante der Endkappe 3 mit der des Hüllrohres 2 bündig ist. In diese bündigen Kanten der Endkappe 3 und des Hüllrohres 2 wird eine U-förmige Naht 4 eingearbeitet. Der Radius R der U-förmigen Vertiefung 4 an ihrem Boden beträgt etwa 0,75 mm (0,030") um einen Mittelpunkt, der wenigstens etwa 1,0 mm (0,040") unterhalb der Oberkante der U-förmigen Vertiefung 4 liegt. Die Wände der U-förmigen Vertiefung 4 sind zweckmäßigerweise jeweils um 15° aus der Senkrechten nach außen geneigt, so daß die Breite der Vertiefung 4 an der Oberkante ungefähr 2,0 mm (0,080") ausmacht.In Fig. 1 is the end of a reactor fuel element 1 with a cladding tube 2 made of a magnesium alloy shown by an end cap 3, also made of a magnesium alloy, is closed. (The duct 2 and the end cap 3 can for example consist of a magnesium-beryllium alloy, which is shown in British Patent 776,649. Cladding tube and end cap can on the other hand, also be made of a commercially available magnesium alloy, which contains about 0.05 to 1 o / m zirconium; a typical alloy addition is 0.45 to 0.70 / a.) The cladding tube 2 has a wall thickness of 1.5 mm (0.060 "), while the end cap 3 also has a wall thickness of 1.5 mm and a smallest inner height of 4.75 mm (0.187 "). The end cap 3 is firmly seated in the end of the cladding tube 2, wherein the front edge of the end cap 3 is flush with that of the cladding tube 2. In these flush edges of the end cap 3 and the cladding tube 2, a U-shaped seam 4 is incorporated. The radius R of the U-shaped recess 4 at its bottom is about 0.75 mm (0.030 ") about a center point that is at least about 1.0 mm (0.040 ") below the top edge the U-shaped recess 4 is located. The walls of the U-shaped recess 4 are expedient inclined outwards by 15 ° from the vertical, so that the width of the recess 4 is approximately 2.0 mm (0.080 ") at the top.

In F i g. 2 ist eine Schweißmaschine dargestellt, mit der sich eine Schweißnaht zwischen dem Hüllrohr 2 und der Endkappe 3 des in F i g. 1 gezeigten Brennelementes herstellen läßt. Die Maschine enthält eine Spannvorrichtung 6, in der das Brennelement 1 gehalten wird. Die Spannvorrichtung 6 ist auf einer Welle 7 befestigt. Die Welle 7 ist ferner an eine Bremse 8 angeschlossen und kann mit der Abtriebswelle 9 eines untersetzten bzw. ein Getriebe aufweisenden Motors 10 über eine elektromagnetische Kupplung 11 gekuppelt werden. Die Welle 7 treibt über die Zahnräder 12 und 13 eine vornliegende Welle 14 an, auf der die Kurvenscheiben 15, 16, 17 und 18 sitzen, von denen die Mikroschalter 19, 20, 21 und 22 betätigt werden. Die Abtriebswelle 9 des Motors 10 treibt über die Zahnräder 23 und 24 eine hinterliegende Welle 25 an, auf der zwei Kurvenscheiben 26 und 27 sitzen, die Mikroschalter 30 und 31 steuern. Die hirtenliegende Welle 25 treibt über das Kegelradpaar 34, 35 eine Schweißbrenner-Kurvenscheibe 36 an, die je nach der anzuwendenden Schweißfolge eine der in den F i g. 3 und 4 gezeigte Form aufweist. Die Kurvenscheibe 36 führt einen Schlitten 37, auf dem gegenüber dem Ende des zu verschweißenden Brennelementes 1 ein Schweißbrenner 38 befestigt ist. Der Schweißbrenner 38 ist von Düsenbauart und ist mit einer 20o/oig thorierten Wolframelektrode ausgestattet mit etwa 3,2 mm (I/9") Durchmesser, der in der Endlänge von etwa 12,7 mm (1/$") auf etwa 2,0 mm (0,080") Durchmesser heruntergeschliffen worden ist.In Fig. 2 shows a welding machine with which a weld seam is formed between the cladding tube 2 and the end cap 3 of the in FIG. 1 can be produced fuel assembly. The machine contains a clamping device 6 in which the fuel assembly 1 is held. The clamping device 6 is fastened on a shaft 7. The shaft 7 is also connected to a brake 8 and can be coupled to the output shaft 9 of a geared motor 10 via an electromagnetic clutch 11. The shaft 7 drives a front shaft 14 via the gears 12 and 13, on which the cam disks 15, 16, 17 and 18 sit, from which the microswitches 19, 20, 21 and 22 are operated. The output shaft 9 of the motor 10 drives a rear shaft 25 via the gears 23 and 24, on which two cam disks 26 and 27 sit, which control microswitches 30 and 31 . The shepherd's shaft 25 drives a welding torch cam disk 36 via the bevel gear pair 34, 35 which, depending on the welding sequence to be used, one of the functions shown in FIGS. 3 and 4 has the shape shown. The cam 36 guides a slide 37 on which a welding torch 38 is attached opposite the end of the fuel assembly 1 to be welded. The welding torch 38 is of the nozzle type and is equipped with a 20 ° thoriated tungsten electrode about 3.2 mm (1/9 ") in diameter, which in the final length of about 12.7 mm (1 / $") extends to about 2, 0 mm (0.080 ") diameter has been ground down.

Der Schweißbrenner 38 wird mit 110 V Wechselstrom-Halbwellen und zeitlich gesteuerten überspannungsimpulsen betrieben. Durch den Brenner 38 strömen 61 Argon je Minute.The welding torch 38 is operated with 110 V alternating current half-waves and time-controlled overvoltage pulses. 61 argon flow through the burner 38 per minute.

Bei Benutzung der Maschine wird das Brennelement 1 von Hand in die Spannvorrichtung 6 eingeführt, worauf sich der folgende Schweißvorgang abspielt: 1. Die Elektrode des Schweißbrenners 38 wird bezüglich der Oberkante der U-förmigen Naht 4 mittels eines Meßfühlers auf einen Abstand von etwa 0,075 mm (0,003") eingestellt.When using the machine, the fuel assembly 1 is inserted by hand into the clamping device 6, whereupon the following welding process takes place: 1. The electrode of the welding torch 38 is with respect to the upper edge of the U-shaped seam 4 by means of a sensor at a distance of about 0.075 mm (0.003 ") is set.

z. Bei Betätigung des Einschalters beginnt der Motor 10 umzulaufen und der Lichtbogen zu zünden (Gleichstrom, 61 A).z. When the on / off switch is actuated, the motor 10 begins to rotate and the arc to ignite (direct current, 61 A).

3. Zunächst treibt der Motor 10 die hirtenliegende Welle 25 und damit die Kurvenscheibe 36, die die Bewegung des Schweißbrenners 38 steuert. Die Kurvenscheibe besitzt die in F i g. 3 dargestellte Form mit einem niedrigen Abschnitt 39 (kleiner Radius), an den sich ein mittelhoher Abschnitt 40 (mittelgroßer Radius) über eine Stufe 41 anschließt, wobei der Mittelabschnitt 40 über eine Stufe 43 zu einem hohen Abschnitt 42 (großer Radius) führt; zwischen dem hohen und dem niedrigen Abschnitt liegt die Stufe 44. Der Schweißbrenner wird auf Grund der Stufe 41 der Kurvenscheibe 36 um 1,09 mm (0,043") in Richtung auf die U-förmige Vertiefung 4 geführt, worauf die Stellung des Schweißbrenners 38 von dem mittelhohen Kurvenabschnitt 40 gesteuert wird. Es ist Sorge getragen, daß sich der Brenner 38 in der Mitte der U-förmigen Vertiefung 4 befindet, wie in F i g. 1 dargestellt ist. Der Brenner 38 wird während einer Zeitdauer von 8 Sekunden einwärts getrieben, in der die Kupplung 11 ausgerückt ist, so daß sich das Brennelement 1 nicht dreht.3. First, the motor 10 drives the shepherdess shaft 25 and thus the cam disk 36, which controls the movement of the welding torch 38. The cam has the in F i g. 3 with a low section 39 (small radius), which is followed by a medium-high section 40 (medium-large radius) via a step 41 , the central section 40 leading via a step 43 to a high section 42 (large radius); step 44 lies between the high and low sections. The welding torch is guided by 1.09 mm (0.043 ") in the direction of the U-shaped recess 4 due to the step 41 of the cam disk 36, whereupon the position of the welding torch 38 from the mid-height curve portion 40. Care is taken that the torch 38 is in the center of the U-shaped recess 4 as shown in Figure 1. The torch 38 is propelled inward for a period of 8 seconds , in which the clutch 11 is disengaged so that the fuel assembly 1 does not rotate.

4. Die Kurvenscheibe 26 auf der hirtenliegenden Welle 25 betätigt den Mikroschalter 30, um die Kupplung 11 zu erregen und das Spannfutter 6 sowie die vornliegende Welle 14 in Drehung zu versetzen. Eine Umdrehung des Brennelementes 1 dauert 22 Sekunden.4. The cam 26 on the shepherd's shaft 25 is actuated the microswitch 30 to energize the clutch 11 and the chuck 6 as well to set the forward shaft 14 in rotation. One turn of the fuel assembly 1 lasts 22 seconds.

5. Das Brennelement 1 führt eine Drehbewegung um eine Umdrehung plus 30° (390°) aus; anschließend treibt bzw. bewegt die Stufe 43 auf der Kurvenscheibe 36 den Schweißbrenner 38 während der Zeitdauer von 1 Sekunde um weitere 0,25 mm (0,010") in die U-förmige Vertiefung 4, worauf die Stellung des Schweißbrenners 38 von dem hohen Abschnitt 42 der Kurvenscheibe 36 gesteuert wird.5. The fuel assembly 1 rotates by one revolution plus 30 ° (390 °) off; then drives or moves the stage 43 on the cam 36 the welding torch 38 during the period of 1 second by a further 0.25 mm (0.010 ") into the U-shaped recess 4, whereupon the position of the welding torch 38 is controlled by the high section 42 of the cam 36.

6. Das Brennelement 1 führt eine weitere Drehbewegung um eine Umdrehung plus 30° (390°) aus, wenn die Kurvenscheibe 16 auf der vornliegenden Welle 14 den Mikroschalter 20 betätigt, um den Strom während 2 Sekunden auf 35 A zu begrenzen. Während die Stromstärke abnimmt, bewirkt die Stufe 44 auf der Kurvenscheibe 36 eine Rückwärtsbewegung des Schweißbrenners 38, bis dessen Stellung von dem niedrigen Abschnitt 39 der Kurvenscheibe 36 gesteuert oder bestimmt wird.6. The fuel assembly 1 performs a further rotary movement by one revolution plus 30 ° (390 °) when the cam 16 on the shaft 14 in front Microswitch 20 actuated to limit the current to 35 A for 2 seconds. While the current decreases, the step 44 on the cam 36 causes a Backward movement of the welding torch 38 until its position from the low Section 39 of the cam 36 is controlled or determined.

7. Die Kurvenscheiben 17 und 18 auf der vornliegenden Welle 14 betätigen die Mikroschalter 21 bzw. 22, wodurch der Schweißstrom abgeschaltet und die Kupplung 11 ausgerückt wird. Schließlich schaltet die Kurvenscheibe 27 auf der hirtenliegenden Welle 25 über den Mikroschalter 31 den Motor 10 ab.7. Actuate the cams 17 and 18 on the shaft 14 in front the microswitches 21 or 22, whereby the welding current is switched off and the clutch 11 is disengaged. Finally, the cam disk 27 switches to the shepherd lying Shaft 25 from the motor 10 via the microswitch 31.

Wenn auch die Elektrode des Schweißbrenners 38 während des größten Teils des Schweißvorganges innerhalb der U-förmigen Vertiefung 4 verbleibt, ist bei der fertiggestellten Schweißnaht die U-förmige Vertiefung 4 ausgefüllt. Die Eindringtiefe der Schweiße in der Berührungszone zwischen dem Hüllrohr 2 und dem Endkappenrand 3 beträgt typischerweise etwa 1,5 mm (0,060"), wodurch eine 50o/oige Erhöhung der Eindringtiefe ohne Zusatz von Füllmetall erreicht ist.Even if the electrode of the welding torch 38 during the largest Part of the welding process remains within the U-shaped recess 4 is when the weld seam is completed, the U-shaped recess 4 is filled. the Penetration depth of the weld in the contact zone between the cladding tube 2 and the End cap margin 3 is typically about 1.5 mm (0.060 "), making a 50% Increase in the penetration depth is achieved without the addition of filler metal.

Eine andere, in einem einzigen Arbeitsgang stattfindende Schweißfolge geht folgendermaßen vor sich: 1. Die Elektrode des Schweißbrenners 38 wird bezüglich der Oberkante der U-förmigen Vertiefung 4 auf einen Abstand von etwa 0,075 mm (0,003") eingestellt.Another welding sequence that takes place in a single operation proceeds as follows: 1. The electrode of the welding torch 38 is referred to the top of the U-shaped recess 4 to a distance of about 0.075 mm (0.003 ") set.

2. Der Motor 10 wird eingeschaltet und der Lichtbogen gezündet (Gleichstrom, 64 A).2. The motor 10 is switched on and the arc ignited (direct current, 64 A).

3. Der Motor 10 treibt die hirtenliegende Welle 25 und somit die Kurvenscheibe 36, die die Bewegung des Schweißbrenners 38 steuert. Es wird eine Kurvenscheibe 36 in der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsart verwendet. Diese Kurvenscheibe 36 besitzt einen niedrigen Abschnitt 45 (kleiner Radius), der über Zwischenstufen 47 und 48 in einen hohen Abschnitt 46 (großer Radius) übergeht. Der Schweißbrenner 38 wird durch die Stufe 47 auf der Kurvenscheibe 36 um etwa 1,09 mm (0,043") in die U-förmige Vertiefung 4 geführt, bis die Stellung des Schweißbrenners 38 von dem hohen Abschnitt 46 gesteuert wird. Der Schweißbrenner wird während einer Zeitdauer von 8 Sekunden einwärts getrieben, und die Kupplung 11 ist während dieser Zeit ausgerückt, so daß sich das Brennelement 1 nicht dreht. Die auf der hintenliegenden Welle 25 sitzende Kurvenscheibe 26 betätigt den Mikroschalter 30, um die Kupplung 11 zu erregen und das Brennelement 1 sowie die vornliegende Welle 14 in eine Drehbewegung zu versetzen. Die Zeitdauer für eine Umdrehung des Brennelementes 1 beträgt 30 Sekunden, und die Drehbewegung beginnt 61/2 Sekunden nach Zündung des Bogens.3. The motor 10 drives the shepherd's shaft 25 and thus the cam disk 36 which controls the movement of the welding torch 38. There is a cam 36 in the in F i g. 4 is used. This cam disk 36 has a low section 45 (small radius), which merges into a high section 46 (large radius) via intermediate steps 47 and 48. The welding torch 38 is passed through the step 47 on the cam 36 by approximately 1.09 mm (0.043 ") into the U-shaped recess 4 until the position of the welding torch 38 is controlled by the high section 46. The welding torch is during a A period of 8 seconds is driven inward, and the clutch 11 is disengaged during this time so that the fuel assembly 1 does not rotate as well as to set the shaft 14 in front in a rotary motion .. The time period for one revolution of the fuel assembly 1 is 30 seconds, and the rotary motion begins 61/2 seconds after the arc has been ignited.

Das Brennelement 1 wird um eine Umdrehung plus 72° (432°) gedreht; 26 Sekunden nach der Bogenzündung wird durch die Drehung der Kurvenscheibe 15 oder der vornliegenden Welle 14 der Mikroschalter 19 betätigt, der den Schweißstrom während 5 Sekunden von 64 A auf 58 A herabsetzt.The fuel assembly 1 is rotated by one revolution plus 72 ° (432 °); 26 seconds after arc ignition, turning the cam 15 or the forward shaft 14 of the microswitch 19 is operated, the welding current during Reduced from 64 A to 58 A in 5 seconds.

38 Sekunden nach der Zündung des Bogens betätigt die Kurvenscheibe 16 auf der vornliegenden Welle 14 den Mikroschalter 20, um den Strom während 4 Sekunden auf 30 A herabzusetzen; während die Stromstärke im Lichtbogen abnimmt, führt bzw. bewegt die Stufe 48 auf der Kurvenscheibe 36 den Schweißbrenner 38 immer weiter zurück, bis dieser von dem niedrigen Abschnitt 45 auf der Kurvenscheibe 36 gesteuert wird.38 seconds after the arc is ignited, the cam is actuated 16 on the forward shaft 14 the microswitch 20 to the current for 4 seconds reduce to 30 A; while the current intensity in the arc decreases, leads or The step 48 on the cam 36 moves the welding torch 38 on and on back until this is controlled by the low section 45 on the cam 36 will.

Die Kurvenscheiben 17 und 18 auf der vornliegenden Welle 14 betätigen die Mikroschalter 21 bzw. 22, um den Schweißstrom abzuschalten und die Kupplung 11 auszurücken. Schließlich schaltet die auf der hintenliegenden Welle 25 sitzende Kurvenscheibe 27 über den Mikroschalter 31 den Motor 10 ab. Die für den Arbeitsablauf der Schweißfolgen oben angegebenen Stromstärken gelten für das Verschweißen der obenerwähnten Magnesium-Beryllium-Legierung. Das Verschweißen der handelsüblichen Magnesiumlegierung mit Zirkonzusatz erfordert eine höhere Schweißstromstärke, nämlich bis zu einem Maximalwert von 80 A.Actuate the cams 17 and 18 on the shaft 14 in front the microswitches 21 and 22 to switch off the welding current and the clutch 11 disengage. Finally, the one sitting on the rear shaft 25 switches Cam disk 27 from the motor 10 via the microswitch 31. The ones for the workflow of the welding sequences given above apply to the welding of the magnesium-beryllium alloy mentioned above. The welding of the commercially available Magnesium alloy with zirconium addition requires a higher welding current strength, namely up to a maximum value of 80 A.

Claims

Claims: 1. Method for welding flanged end caps with circular cylindrical tube parts in an arc under inert gas with non-melting Electrode, in particular for nuclear reactor fuel element casings, characterized in that that a symmetrical U-shaped seam joint (4) in the abutting edges the walls of the shell (2) and flanged end cap (3) is formed and that the Electrode tip during the welding process near the bottom of the U-shaped groove (4), but at a distance from it.

2. The method according to claim 1, characterized in that the walls of the U-shaped recess (4) are inclined in the upward transition from the curved bottom surface relative to the vertical to the outside. Documents considered: German Patent No. 921 764; British Patent No. 367,756; U.S. Patent Nos. 1532 842, 1787 580, 1857 526, 2,862,288.