DE2236758A1

DE2236758A1 - Schweissverfahren und vorrichtung zu seiner durchfuehrung

Info

Publication number: DE2236758A1
Application number: DE2236758A
Authority: DE
Inventors: Eugene S Boyko; Robert W Fink
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1971-08-20
Filing date: 1972-07-26
Publication date: 1973-03-22
Also published as: IT964098B; US3725635A; FR2150404A1; FI51747B; CA939013A; GB1341822A; JPS5324370B2; SE400407B; NL7211399A; ES404922A1; CH556709A; AT321685B; BE787697A; FR2150404B1; JPS4829655A; FI51747C

Description

W. 57b

Augsburg, den 26. Juli 1972

PATENTANWALT

ing. K. HOLZEB

» AÜGSBÜBO

i ■»*»

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania, 15 222, V.St.v.A.

Schweißverfahren und Vorrichtung zu seiner Durchführung

Die Erfindung bezieht sich, allgemein auf Schweißverfahren bei Brennstoffsätzen von Kernreaktoren und im besonderen auf ein neues und verbessertes Verfahren zum Einschweißen metallischer Versohlußstopfen in die Enden metallischer

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Brennstoffrohre, in denen der Kernbrennstoff enthalten ist, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei Brennstoffelementen bzw. Brennstoffstäben für Kernreaktoren ist das Spaltmaterial gewöhnlich in dünnwandigen Hüllen oder Rohren eingeschlossen, die dem Kernbrennstoff während des Reaktorbetriebes Halt geben. Die Hülle verhindert auch einen Kontakt sowie chemische Reaktionen zwischen dem Brennstoff und seiner Umgebung, beispielsweise mit Wasser bei einem Druckwasserreaktor, und sie kapselt die radioaktiven Spaltprodukte ab. Die Hülle muß korrosionsfest, nicht-reaktionsfähig und wärmeleitend sein, wobei als gebräuchlichstes Material hierfür rostfreier Stahl, wie z.B. Stahl 3O'I oder eine Zirkonlegierung, wie z.B. Zircaloy-2 oder Zircaloy-4, verwendet wird. Zirkonlegierungen sind rostfreiem Stahl vorzuziehen, da Zirkon einen relativ geringen Auffangquerschnitt für thermische Neutronen besitzt.

Der Kernbrennstoff, der gewöhnlich in Form zylindrischer Pellets aus mit U angereichertem Urandioxyd (U0_) verwendet wird, wird in den dünnwandigen Rohren oder Hüllen hermetisch eingeschlossen. Da ein üblicher Kernreaktor,

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wie er für die Herstellung elektrischer Energie verwendet wird, tausende einzelner Brennstoffrohre besitzt, von denen jedes zwei Endverschlüsse benötigt, und da es von wesentlicher Bedeutung ist, daß die Endverschlüsse gasdicht und mechanisch fest sind, um die radioaktiven Spaltprodukte aufnehmen zu können, sind diese Endverschlüsse Gegenstand eingehender Untersuchungen gewesen. Es wurden bereits viele verschiedene Verfahren zum Verschließen der Enden solcher Rohre vorgesehlagen. Mit den mechanischen Methoden, wie z.B. Quetschen, Kröpfen, Einschnüren, u.a., werden häufig undichte Verbindungen hergestellt.. Schweißverfahren, wie etwa die Lichtbogenschweißung, wobei Verschlußstopfen mit den Rohrenden verschweißt werden, führen häufig zu Fehlern wie Rißbildung, Porosität, Verziehen des an die innere Verlängerung des Verschlußstopfens angrenzenden Rohrteiles, sowie zu einer Verringerung der Wandstärke des Rohres an der Schweißstelle, der sogenannten Einbrandkerbe.

Es ist demnach Hauptziel der Erfindung gasdichte, mechanisch feste und korrosionsfeste Endverschlüsse für Kernbrennstoffhüllen zu schaffen, wobei Verfahren und Vorrichtungen verwendet werden, bei denen die Möglichkeit des-. Auftretens fehlerhafter Verschlüsse auf einen nur geringen Prozentsatz reduziert wird.

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Angesichts dieser Aufgabe besteht die Erfindung in einem Verfahren zum Einschweißen eines metallischen Verschlußstopfens in ein Ende eines Brennstoffrohres für einen Kernreaktor, wobei das Brennstoffrohr, das einen Stumpfstoß zwischen dem Ende des Brennstoffrohres und einer Schulter am Verschlußstopfen aufweist, in eine Schweißkairaner eingeführt, eine Schweißelektrode über der Stoßfuge ausgerichtet, die Schweißkammer mit einem Edelgas belüftet wird, Brennstoffrohr und Verschlußstopfen um die Längsachse des Brennstoffrohres gedreht werden und zwischen der Schweißelektrode und dem rotierenden Brennstoffrohr samt Verschlußchopfen ein Lichtbogen aufgebaut wird. Das .erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißens das vom Lichtbogen erzeugte Plasma vom Körper des Brennstoffrohres abgelenkt und in die Stoßfuge zwischen Brennstoffrohr und Verschlußstopfen gelenkt wird. Ein Plasmadeflektor, der vorzugsweise so angeordnet ist, daß er mit dem Brennstoffrohr zusammen rotieren kann, lenkt das vom Lichtbogen gebildete Plasma vom Körper des dünnwandigen Brennstoffrohres oder der Brennstoffhülle ab und richtet es in die Stoßfuge. Dank des Plasmadeflektors kann die Schweißelektrode mit Erfolg unmittelbar über die Stoßfuge geführt werden, ohne daß das Brennstoffrohr überhitzt wird, wodurch man dichte Schweißnähte hoher Pestig-

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keit erhält. Weiters wird durch die Verwendung des Plasmadeflektors eine verminderte Empfindlichkeit gegenüber Parameterschwankungen, wie Stromstärke, Spannung, Rotationsgeschwindigkeit und Elektrodenlage erreicht.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnung näher beschrieben. Fig. 1 zeigt bruchstückartig eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer gemäß der Erfindung aufgebauten und angeordneten Schweißvorrichtung. In den Pig. 2 und 3 sind Teilansichten von typischen Schweißverbindungen im Querschnitt dargestellt, wie sie an Kernbrennstoffsätzen nach dem bekannten Stand der Technik bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angelegt wurden. In Pig. 4 ist bruchstückartig eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Variante der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung von Pig. I gezeigt.

In der Zeichnung, im besonderen, in Fig. 1, ist eine Ausführungsform eines Kernbrennstoffstabes oder einer Kernbrennstoff an Ordnung 10 gezeigt, auf die das Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann. Die Brennstoffanordnung 10 umfaßt eine Anzahl von zylindrischen Pellets 12 aus Kernbrennstoff, beispielsweise aus mit U angereicher-

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tem UO₀, die innerhalb der Halle oder des FVrennctofi'rohros 1^J! hintereinander angeordnet sind. Das Brennstoffrohr 1h ist ein längliches dünnwandiges Rohr, wobei ein übliches Brennstoffrohr einen Außendurehmesser von weniger air. 1,27 cm hat, die Wandstärke, die von der Art des Umhüllungsmaterials und davon abhängt, ob das Innere des Brennstoffrohres Druck ausgesetzt werden soll, aber für gewöhnlich zwischen etwa 0,41 und 0,58 mm beträgt und eine Länge besitzt, die in weiten Grenzen schwanken kann. AIc, Umhüllungsrnaterial kann ein austenitischer, rostfreier Stahl, wie z.B. Stahl JOh, der die Verwendung ziemlich groCJer Verhältnisse von Durchmesser zu Wandstärke ermöglicht, oder eine Zirkonlegierung verwendet werden, die rostfreiem Stahl hinsichtlich Neutronenabsorption vorzuziehen ist, aber mit etwas geringeren Verhältnissen von Durchmesser zu Wandstärke verwendet werden muß. Eine solche Zirkonlegierung kann beispielsweise 1,2 bis 1,7 Gew.-% Zinn, 0,07 bis 0,20 Gew.-% Eisen, 0,05 bis 0,15 Gew.-% Chrom, 0,0^ bis 0,08 Gew.-% Nickel und 97,87 bis 98 Gew.-^ Zirkon enthalten. Eine besondere Zirkonlegierung kann 1,5 Gew.-% Zinn, 0,12 Gew.-^ Eisen, 0,10 Gew.-% Chrom, 0,05 Gew.-^ Nickel und Rest Zirkon enthalten.

Die Enden des Brennstoffrohres 14 sind mit Verschlußstopfen (Fig. 1) verschlosrsen, die aus dem gleichen Material bestehen,

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wie das Brennstoffrohr. Eine Luftkammer 18 ist im Inneren des Brennstoffrohres 14 zwischen dem einen Ende des axial angeordneten Stapels von Brennstoffpellets 12 und dem angrenzenden Verschlußstopfen 16 vorgesehen. Die einzelnen Pellets 12 werden durch eine zwischen dein Ende des Stapels von Brennstoffpellets und dem Verschlußstopfen angeordnete Feder 20 in der gewünschten Lage gehalten und am Verschieben beim Transport gehindert.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Brennstoff anordnung 10 ist ein ähnlicher Verschlußstopfen wie der Stopfen 16 bereits in das andere Ende des Brennstoffrohres eingeschweißt. Das Brennstoffrohr wird dann mit den Brennstoffpellets 12 gefüllt, die Feder 20 wird am Ende des Stapels angeordnet und der Verschlußstopfen 16 in das offene Ende des Brennstoffrohres 14 hineingepreßt, wobei die Feder 20 zusammengedrückt wird. Die zylindrische Mantelfläche 22 des Verschlußstopfens 16 hat einen Durchmesser, der so bemessen ist, daß mit dem Innendurchmesser des Brennstoffrohres ein Preßsitz geschaffen wird, damit der Verschlußstopfen nach dem Einsetzen in seiner Lage gehalten wird, während die Feder 20 gegen den Stapel von Brennstoffkörpern gepreßt wird.

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Mit dem Verschweif3en des Verschlußstopfens 16 mit dem Brennstoffrohr 14 kann dan Abdichten des Brennstoffrohres 14 beendet sein oder aber es kann der letzte der beiden Verschlußstopfen, der noch in das Brennstoffrohr eingeschweißt werden soll, wie eben Verschlußstopfen 16, mit einer kleinen axialen Bohrung (nicht gezeigt) versehen sein, die zwischen seinen beiden Enden verläuft, wenn das Innere des BrennstoffStabes 10 mit einem Edelgas unter Druck gesetzt werden soll. Wenn der Brennstoffstab 10 unter Druck gesetzt werden soll, erfolgt dies nach dem Verschweißen des Verschlußstopfens 16 mit dem Brennstoffrohr 14. In den Uf.-Anmeldungen Ser.No. 680.86? und 96.153

sind Verfahren

zum Verschließen der axialen Bohrungen in Verschlußstopfen bei unter Druck stehenden Brennstoffstäben beschrieben.

Der Verschlußstopfen 16 besitzt zwei Enden 17 bzw. 19 und eine zv/ischen ihnen liegende zylindrische Außenfläche 24, die den größten Außendurchmosijer der; 'ersohlußstopfens bildet, wobei dieser Durchmesser im wesentlichen dem Außendurchmesser des Brennstoffrohres 14 entspricht. Das Ende des Stopfens 16, das im eingebauten Zustand des Verschlußstopfens außerhalb des Brennstoffrohres liegt, hat einen kleineren Durchmesser als die Mantelfläche 24, die über

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eine konische Fläche 26 mit dem Ende 17 des Verschlußstopfenn 16 j η Verbindung steht. Das andere Ende 1^CJ des Stopfens 16 ist innerhalb des Brennstoffrohren 14 angeordnet, wobei die Außenfläche 24 senkrecht nach innen zur zylindrischen Fläche 22 hin abgestuft ist, so daß · eine Schulter 28 zwischen den Flächen 22 und 24 gebildet wird, die dem äußersten Ende des Brennstoffrohres anliegt, wodurch ein Stumpfstoß ^O zwischen Brennstoffrohr und Verschlußstopfen entsteht. Die Fläche 22 hat,wie bereits erwähnt, einen solchen Durchmesser, daß ein Preßsitz mit dem Innendurchmesser des.Brennstoffrohres gewährleistet is L, wodurch der Verschlußstopfen 16 in eingebautem Zustand im Brennstoffrohr gehalten und so eine Stütze und metallische Unterlage für das dünnwandige Brennstoffrohr während des Schweißvorganges gebildet wird. Eine leicht konisch verlaufende Fläche j52 erstreckt sich von der Fläche zum Ende 19 des Verschlußstopfens 16, wobei das Ende 19 einen etwas geringeren Durchmesser besitzt als die Zylinderfläche 22, damit der Verschlußstopfen 16 leichter in das Rohr 14 eingeführt und beim Hineindrücken in das Brennstoffrohr ordentlich mit diesem ausgerichtet werden kann.

Der Verschlußstopfen 16 wird an dem Stumpfstoß 30 mit dem· Brennstoffrohr 14 verschweißt, indem eine Schweißelektrode

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nahe an den Stumpfstoß J>0 geführt und zwischen Elektrode und Grundmetall ein Lichtbogen gezündet wird. Die Verbindung und das hermetische Abdichten wird durch lokales allmähliches Schmelzen und ein dadurch bedingtes Ineinanderfließen angrenzender Kanten der Stoßfuge sowie durch ein abdichtendes Erstarren des die Stoßfuge umgebenden Metalles bewirkt, während Brennstoffrohr 14 und Verschlußstopfen um die Längsachse des Brennstoffrohres neben der ortsfesten Schweißelektrode gedreht werden.

Bei einer Stumpfstoßnaht wird die Schweißelektrode vorzugsweise so angeordnet, daß ihre Symmetrieachse im wesentlichen mit der Stoßnaht fluchtet. Bei dem dünnwandigen Brennstoffrohr mit dem Verschlußstopfen führt ein Anlegen der Schweißelektrode unmittelbar über dem Stumpfstoß 30 unter Verwendung bekannter Schweißgeräte und Schweißverfahren zu einer Überhitzung des Drennstoffrohres, wenn man eine für den Verschlußstopfen 16 erforderliche Eindringtiefe erzielen will. Es ist daher nötig, die Lage der Schweißelektrode bezüglich der Stoßfuge so zu verschieben, daß die Elektrode auf der Verschlußstopfenseite der Fuge j30 angeordnet ist. Durch eine solche Anordnung wird eine Schweißnaht erhalten, die ziemlich tief in den Verschlußstopfen eindringt, wobei zur

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Erzielung optimaler Ergebnisse die Naht·bis zu dem Ende des Brennstoffrohres nahe dessen Innenkante übergreifen sollte. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Stoßfuge und eine übliche Schweißnaht $0, wie sie durch Lichtbogenschweißung zwischen Verschlußstopfen und Brennstoffrohr erhalten wird, wenn die Schweißelektrode auf der Verschlußstopfenseite der Stoßfuge ^O angeordnet ist.

Wie bereits erwähnt, wurden die besten Ergebnisse hinsichtlich einer Verringerung von Schweißfehlern dann erzielt, wenn die Schweißnaht in das Brennstoffrohr bei oder in Nähe seiner Innenkante übergreift. Es ist jedoch schwierig, eine solche Schweißnaht zu erhalten und bei jedem Schweißvorgang zu reproduzieren, wenn die Schweißelektrode auf der Verschlußstopfenseite der Stoßfuge angeordnet wird. Die entstandene Naht ist äußerst anfällig gegenüber Schwankungen der Parameter, wie Stromstärke, Spannung, Drehgeschwindigkeit und · Elektrodenstellung. Schweißfehler irn Brennstoff stab sind beispielsweise das Verziehen des Brennstoffrohres unmittelbar an der Stelle, wo das Brennstoffrohr innen nicht mehr vom Verschlußstopfen gestützt ist, Einbrand, wodurch die Wandstärke des Brennstoffrohres unter das noch zulässige Mindestmaß■verringert wird, und Porosität, wodurch das Brennstoffrohr bei

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den hohen Innen- und Außendrücken, denen es im Betrieb ausgesetzt ist, undicht sein oder werden kann. Die Schweißverbindung ist infolge wiederholter thermischer Kontraktion und Expansion der Brennstoffpellets 12 als Folge zyklischer Leistungsanforderungen an den Reaktor starken Belastungen ausgesetzt. Die oben angeführten Schweißfehler werden hauptsächlich durch überhitzung und Spannungsfreiglühen des Brennstoffrohres, Lichtbogenwanderung und Schwierigkeiten bei der Erzielung einer einheitlichen Breite des Schweißbades verursacht. Einige Fehler, wie z.B. Porosität und Einbrand, können auch durch schlechte Ausrichtung zwischen Brennstoffrohr und Verschlußstopfen verursacht werden.

Die. vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf ein neues verbessertes Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Verschweißen von Endstopfen mit Brennstoffrohren, wodurch das Auftreten von Schweißfehlern wesentlich vermindert, die Ausrichtung erleichtert und das Ausmaß der Aufschweißung, also die Stärke der Schweißnaht automatisch geregelt wird.

Im besonderen ist in Fig. 1 eine neue Schweißvorrichtung 40 dargestellt, die aus einer Schweißkammer 42 mit drehbarem' Endanschlag 44, einer mit dem Endanschlag 44 koaxial fluchten -

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den Einführöffnung 46, einer Schweißelektrode 48, einer elektrischen Energiequelle 50, einer drehbaren, angetriebenen Spanneinrichtung 51, beispielsweise einem pneumatischen Spannfutter, und einer Vorrichtung 52 zur Zufuhr eines Edelgases, das eine gute Schutzatmosphäre für die Lichtbogenschweißung bildet, besteht. Als Gas eignen sich beispielsweise Argon, Helium sowie Helium-Ärgon-Gemische, wobei vorzugsweise Helium verwendet wird.

Die Elektrode 48 ist eine nicht-abschmelzende Elektrode, vorzugsweise aus mit 2 % Thorium legiertem Wolfram. Die Elektrode 48 ist an eine Seite der Energiequelle 50, beispielsweise an die negative Polklemme eines herkömmlichen Gleichstromschweißgerätes angeschlossen, während die positive Polklemme zum Anschluß an das Werkstück oder an das zu schweißende Brennstoffrohr ausgelegt ist.

Ein Plasmadeflektor 60 dreht sich mit dem Brennstoffrohr während des Schweißens, wobei der Plasmadeflektor das Plasma, d.i. vom elektrischen Lichtbogen gebildetes ionisiertes Gas, vom Brennstoffrohr ablenkt und es in die Stoßnaht 30 zurücklenkt. Der Plasmadeflektor wirkt nicht als Kühlblock und ist im Gegensatz zu einem solchen während des Schweißvorganges in einem bestimmten Abstand vom Brennstoffrohr 14 angeordnet,

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wie später noch beschrieben wird. Herkömmliche KUhlblöcke sind ungeeignet, da sie die Schweißstelle verunreinigen und Korrosion und ein späteres Reißen der Schweißnaht verursachen können. Der Plasmadeflektor 60 kann auch die wichtige Funktion der Ausrichtung des Brennstoffrohres und des Verschlußstopfens beim Schweißen erfüllen, was wesentlich ist, will man dauerhafte Schweißnähte erhalten, und kann das Brennstoffrohr automatisch auf das maximale Ausmaß der Aufschweißung untersuchen und justierm.

Im besonderen ist der Plasmadeflektor 60 eine rohrförmige, längliche Baugruppe mit zwei Enden 62 und 64. Um Verunreinigungen der Schweißstelle zu verhindern, ist die Stirnfläche 62 mit dem gleichen Material verkleidet, aus dem das Brennstoffrohr besteht. Wenn also Zircaloy-4 für das Brennstoffrohr 14 verwendet wird, wird ein rohrförmiges Element 66 aus Zircaloy-4 am Ende 62 des Plasmadeflektors angeordnet. Der Innendurchmesser des rohrförmigen Endelementes 66 ist so bemessen, daß zwischen diesem und dem Außendurchmesser des Brennstoffrohres 14 ein vorbestimmter Zwischenraum freibleibt. Der Mindestzwischenraum entspricht dem größten Ausmaß der Aufiichweißung, also der Stärke der Schweißnaht und der größte Zwischenraum ist der Raum, bei dessen Überschreitung der elektrische Lichtbogen und das Plasma in die öffnung ein-

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zudringen beginnen.. Wählt man den Zwischenraum so, daß der PlasiTiadeflektor 60 gerade noch vom Brennstoff rohr über die Schweißstelle entfernt werden kann* wenn die Schweißnaht ihr Höchstausmaß erreicht hat, dann dient der Plasmadeflektor als automatisches Meßgerät für die Aufschweißung, Da die höchstzulässige Aufschxveißung gewöhnlich etwa 0,254 mm beträgt, kann der Innendurchmesser des Endelementes 66 um 0,25*1- mm größer sein als der Außendurchmesser des Brennstoffrohres 14. Ein Spielraum von insgesamt 0,254 mm .ist nicht zu groß, um Plasma und elektrischen Lichtbogen in den Bereich unter das Endstück eindringen zu lassen. Ein Gesamtspielraum von 0,254 mm reicht auch aus, um das Schutzgas aus der Schweißkammer entweichen zu lassen und doch einen Überdruck von Schutzgas in der Kammer aufrecht zuhalten, um eine ausreichende Abschirmung des SchweißVorganges zu gewährleisten.

Das Endstück 66 erstreckt sich von der Stirnfläche 62 über eine Länge von etwa j5,175 mm und ist dann senkrecht nach innen zu einer Fläche mit kleinerem Durchmesser hin abgestuft, wodurch ein Plansch oder eine Schulter 6? zur Aufnahme eines rohrförmigen Zwischengliedes 68 aus Metall, gebildet wird. Da das Zwischenglied 68 vom Brennstoffrohr um

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das Endstück 66 entfernt ist, wird das Brennstofi'rohr in der Nähe der Schweißnaht nicht durch das Zwischenglied verunreinigt und dieses kann daher aus einem Material wie z.B. Kupfer bestehen. Das zweite Ende 64 weist ein rohrförmiges Endstück 70 auf, das ähnlich geformt sein kann wie das erste Endstück 66 und besitzt einen Innendurchmesser, der etwa um 0,254 mm größer ist als der Außendurchmesser des Brennstoffrohres 14, sowie eine Schulter zur Aufnahme und Abstützung des anderen Endes des rohrförmigen Zwischengliedes 68. Da das zweite Endstück 70 weder mit heißem Metall in Berührung kommt, noch an dieses angrenzt, kann es aus einem Isolationsmaterial, wie z.B. Polytetrafluorathylen oder einem Polyamid, bestehen.

Ein genaues Ausrichten von Brennstoffrohr 14 und Verschlußstopfen 16 ist von größter Wichtigkeit, wenn auf Dauer fehlerfreie Schweißnähte hergestellt werden sollen. Der Plasmadeflektor kann zur Erleichterung und Beibehaltung der nötigen Ausrichtung dienen, wenn der Außendurchmesser des Plasmadeflektors und der Durchmesser der Einführöffnung 46 so gewählt werden, daß zwischen beiden ein Gesamtspielraum von weniger als 0,0254 mm verbleibt, und wenn der Schweißvorgang bei teilweise innerhalb und teilweise außerhalb der

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Kammer 42 liegendem, Flasmadeflektor durchgeführt wird..---Die-Wand der Kammer 42, durch die die öffnung 46 geführt ist, soll verhältnismäßig dick sein,, beispielsweise 2,54 "bis 10,16 cm« Wegen des geringen Spielraums zwischen Plasmadeflektor 60 und Einftihröffnung 46 und wegen der verhältnismäßig dicken Wand ist eine freie Drehung des Plasmadeflektors mit dem rotierenden Brennstof frohr 14 nur dannmöglich, wenn die Achsen von Spanneinrichtung: *$X_r Brennstoff rohr 14, Verschlußstapfen 16 und Endanschlag 44 richtig fluchten.

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Wie bereits erwähnt, wird der Plasmadeflektor 60 während des Schweißvorgange^ zusammen mit dem Brennst ofJTstab T'4 gedreht, um eine Überhitzung^: seines Endstückes 66 während; des Sehweißvorganges zu verhindern. Die Drehung, des: Plasmadef lektors 60 kann dadurch bewirkt werden, daß der Deflektor, wie in Pig« 1 gezeigt, am Brennstoffstab 14 befestigt wird» So kann beispielsweise ein Hing.element 72 verwendet werden, dessen öffnung so bemessen ist, daß es über das Brennstoffrohr 14 geschoben werden kann. Das Ringelement 72 ist mit einer Vielzahl von über seinen Umfang verteilten Stell- oder Klemmschrauben versehen, deren Längsachsen, senkrecht zur Mittelachse des Ringelementes verlaufen. In Fig. 1 sind nur zwei Klemmschrauben 74 und 76 abgebildet,

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es wären aber drei oder vier erforderlich. Der Innendurchmesser des Ringelementes ist so bemessen, daß das Brennstoff rohr 14 leicht eingeschoben werden kann. Das Ringelement 72 ist angrenzend an das Ende 64 des Plasmadeflektors 60 angeordnet. Es ist durch jede beliebige geeignete Vorrichtung mit dem Plasmadeflektor 60 mechanisch verbunden, beispielsweise durch Zapfen 78* die in entsprechend dimensionierten öffnungen im Ende, 64 des Plasmadef lektors einrasten. Durch Peststellen der Stellschrauben wird nicht nur der Plasmadeflektor am Brennstoffrohr fixiert, sondern es kann der Plasmadeflektor 60 auch leicht in gleichbleibendem Abstand zu dem Brennstoffrohr 14 gehalten werden.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung zur Rotation des Plasmadeflektors 60 mit dem Brennstoffrohr 14 erfordert eine Neueinstellung des Plasmadeflektors bei jedem Schweißvorgang. Fig. 4 zeigt eine Teilansicht einer Schweißvorrichtung 40 ' ähnlich der in Fig. 1 gezeigten Schweißvorriehtung 40, nur dahingehend abgeändert, daß der Plasmadeflektor 60 unmittelbar von der angetriebenen Spanneinrichtung 51 gedreht wird. Eine Anzahl von Stabelementen, etwa die Stäbe SO₁ $2 dient zur mechanischen Koppelung zwischen der Spannelnirtohtung 51 und dem Ende 64 des Plasmadeflektors 60. Bei der Anordnung

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nach Pig. 4 muß der Plasmadeflektor 60, wenn das Spannfutter einmal richtig justiert ist und den Plasmadeflektor 60 innerhalb der Einführöffnung 46 in der richtigen Stellung hält, nicht für jeden SchweißVorgang neu eingestellt tverden. Spanneinrichtung und Schweißkammer können auf einer gemeinsamen Stahlunterlage montiert und nach erfolgter Ausfluchtung mit Heftbolzen fixiert werden. Der Abstand zwischen der Spanneinrichtung 51 und dem Auflager 44 sollte möglichst kurz gehalten werden, um ein Durchbiegen des Bronnstoffrohres 14 zu verhindern.

Bei Betrieb der Schweißvorrichtung 40 oder 40^f wird-ein Ende des Brennstoffrohres 14 mit eingepreßtem ■Verschlußstopfen 16 durch die Spanneinrichtung 51, den Plasmadeflektor 60 und die Einführöffnung 46 in die Schweißkam-" mer 42 eingeführt. Das Brennstoffrohr wird soweit.in die Kammer 42 eingeführt, bis das Ende VJ des Verschlußstopfens 16 am drehbaren Auflager 44 anliegt. Die Spanneinrichtung 51 kann dann betätigt werden, um das Brennstoff rohr zu erfassen. Die Schweißelektrode 48 wird unmittelbar über der Stoßfuge 30 und in entsprechendem Abstand davon, z.B. etwa 1,587 mm, ausgerichtet. Der Plasmadef lektor 60. wird so angeordnet, daß sein Ende 62 auf der Brennstofirohrseite der Stoßfuge 30 etwa 0,51 bis 1,78 mm

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von der Stoßfuge entfernt ist. Durch die genaue Lage des Endes 62 innerhalb dieses Bereiches kann die Stellung der Elektrode 48 etwas beeinflußt werden, damit ein Schmelzen des der Elektrode benachbarten Endes des Plasmadeflektors verhindert wird. Sobald das Ende 62 zur Stoßfuge JO in richtigem Abstand liegt, wird der Plasmadeflektor am Brennstoffrohr oder Spannfutter derart befestigt, daß er sich zugleich mit dem Brennstoffrohr 14 dreht. Die Schweißkammer 42 wird dann mit einem Edelgas, wie etwa Helium, unter Druck gesetzt. Die Kammer 42 wird durch eine Öffnung (nicht gezeigt) gereinigt, durch die die Luft in der Kammer durch das Edelgas verdrängt werden kann. Hierauf wird der

Antrieb zum Drehen der Spanneinrichtung 51 betätigt. An die Elektrode 48 wird der Schweißstrom angelegt. Mit einer Drehgeschwindigkeit von 15-17 U/min, einer Stromstärke von jj6 bis 48 A und einer Lichtbogenspannung von 14 bis 18 V wurden ausgezeichnete Schweißergebnisse schon bei einer Umdrehung des Brennstoffstabes bei konstanter Stromstärke und bei einer folgenden Verringerung der Stromstärke alle 2 bis 4 Sekunden bis zur allmählichen Reduzierung des Schweißstromes auf Null erzielt. Bei justiertem Plasmadeflektor haben sich die Parameter Stromstärke, Spannung, Drehgeschwindigkeit und Elektrodenstellung als weniger kritisch erwiesen. Weiters

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kann durch Ablenkung des Plasmas vom Rohr weg in die' Stoßfuge 30 die Elektrode 48 mit Erfolg im wesentlichen unmittelbar über die Stoßfuge 30 angeordnet werden, da die Schweißverbindung mit einer einzigen Umdrehung bei. konstanter Stromstärke hergestellt werden kann. Das Plasma wird in den gewünschten Bereich bei der Füge 30 gelenkt, ohne daß das Brennstoffrohr überhitzt wird. Dadurch ergibt sich eine Schweißnaht 3^» wie sie in Fig. 3 gezeigt ist und die bezüglich Brennstoffrohr und Verschlußstopfen im wesentlichen symmetrisch verläuft. Durch diese rasche Erhitzung im Bereich der Stoßfuge 30 ohne überhitzung des Brennstoffröhres werden Schweißfehler infolge Durchhängens, Porosität und Ver-. minderung der Rohrstärke (Einbrand) wesentlich reduziert. Durch den Plasmadeflektor 60 wird die Ausrichtung des Brennst of frohres auch unterstützt und beibehalten, wodurch ebenfalls fehlerhafte Schweißverbindungen vermieden werden. ,Weiters kann durch richtige Dimensionierung des Innendurchmessers der Endstücke des Plasmadeflektors 60, wenn der Plasmadeflektor nach dem Schweißen ohne Nachbearbeitung der Schweißstelle vom Brennstoffrohr entfernt werden kannj das Ausmaß der Aufschweißung innerhalb der gewünschten Toleranzen gehalten werden.

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Die neue Schweißvorrichtung 40 aus Fig. 1 bzw. die Schweißvorrichtung 40^f aus Fig. 4 kann zum Einschweißen eines metallischen Verschlußstopfens in das Ende eines Reaktorrohres aus Metall verwendet werden. Hiebe! ist eine Schweißkammer 42 mit einer EinfUhröffnung 46 vorgesehen. Die Schweißelektrode 48 wird innerhalb der Schweißkammer 42 ausgerichtet. Es ist ferner ein Brennstoffrohr 14 mit einem in einem Ende eingesetzten Verschlußstopfen 16 vorgesehen, wobei zwischen dem Ende des Brennstoff rohres und einer Schulter 28 am Verschlußstopfen 16 ein stumpfer Stoß 30 besteht. Brennstoffrohr und Verschlußstopfen werden durch die EinfUhröffnung 46 in die Schweißkammer 42 eingeführt, wobei die Schweißelektrode 48 über dem stumpfen Stoß ausgerichtet ist. Die Schweißkammer wird dann mit einem Edel-

gas unter Druck gesetzt und Brennstoffrohr und Verschlußstopfen werden um ihre Längsachsen gedreht. Ein elektrischer Lichtbogen wird zwischen der Schweißelektrode 48 und dem rotierenden Brennstoffrohr mit Verschlußstopfen gezündet und das vom Lichtbogen erzeugte Plasma wird vom Körper des Brennstoffrohres abgelenkt und in die Stoßfuge 30 zurückgelenkt. Für eine Umdrehung des Brennstoflrohres wird eine konstante Stromstärke beibehalten, dann wird der Schweißstrom reduziert, wodurch eine abdichtende Erstarrung des die Stoßfuge 30 umgebenden flüssigen Metalles ermöglicht wird. Die Ablenkung des Plasmas, das von dem

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an die Rohrseite der Stoßfuge angrenzenden Lichtbogen gebildet wurde, vom Rohr weg in die Stoßfuge kann durch einen Plasmadeflektor erfolgen, der auch zum Ausrichten des Brennstoff rohres und zur automatischen Regelung der Stärke der Aufschweißung dienen kann.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein neues verbessertes Verfahren sowie eine Vorrichtung zur wesentlichen Reduzierung von Schweißfehlern beim Einschweißen von Verschlußstopfen in die Enden von Brennstoffstäben für Kernreaktoren geoffenbart. Die bedeutende Verminderung von Schweißfehlern wird ohne Verunreinigung des Schweißbereiches durch ein Ablenken und Zurücklenken von dem durch den Lichtbogen erzeugtem Plasma bewirkt, im Gegensatz zu bekannten Methoden, bei denen straff sitzende Kiihlblöcke verwendet wurden, die unmittelbar neben der Schweißstelle am Brennstoffrohr angebracht waren. Der gemäß der Erfindung verwendete Plasmadeflektor ist verhältnismäßig billig und kann so bemessen sein, daß er in Zusammenwirkung mit einer Schweißkammer die Ausrichtung des Brennstoffrohres während des Schweißvorganges unterstützt und aufrechthält, sowie das Ausmaß der durch den SchweißVorgang gebildeten Aufschweißung automatisch kontrolliert.

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Claims

P a t e η t a η r, ρ r U cn e :

schlußstopfens in ein Ende eines Brennstoffrohres für Kernreaktoren, wobei das Brennstoffrohr, das einen Stumpfstoß zwischen dem Ende des Brennstoffrohres und einer Schulter am Verschlußstopfen aufweist, in eine Schweißkammer eingeführt, eine Schweißelektrode über der Stoßfuge ausgerichtet, die Schweißkammer mit einem Edelgas belüftet wird, Brennstoffrohr und Verschlußstopfen um die Längsachse des Brennstoffrohres gedreht werden und zwischen der Schweißelektrode und dem rotierendem Brennstoffrohr samt Verschlußstopfen ein Lichtbogen aufgebaut wird, dadurch gekenn zeichnet, daß während des Schweißens das vom Lichtbogen erzeugte Plasma vom Körper des Brennstoffrohres abgelenkt und in die Stoßfuge zwischen Brennstoff rohr und Verschlufistopfen gelenkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma durch einen langgestreckten Plasmadeflektor abgelenkt wird, der mit einer öffnung versehen ist, die so beniest;'?]! ist, daß das Brennstoff rohr mit Spiel darin auf ge-

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nommen werden kann, und der als Maß für den maximalen-Außendurchmesser des Brennstoffstabes im Bereich der 'S-ehwe !!Ehrst»-- bindung nach Abschluß des Schweißvorganges dient., wobei der Plasmadeflektor während des Schweißens mit dem Brennstoffrohr gedreht wird.
3-. Verfahren aaaeh Anspruch 2, dadurch f daß zumindest -das Ende des Plasmadeflökteors:, #as an <äfae Seh we ißverbindang In anstand von dieser angrenzi;., amis demf selben Metall wie das Brennst of fr ohr besteht..
4. Schweißvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3j bestehend aus einer ί kammer mit darin angjeordnet'er Schweißelektrode, einem In der { Schweißkammer vorgesehenen Endanschlag, einer Vorrichtung zur j Schaffung einer Edelgasatmosphäre in der Sohweißkammer und j einer angetriebenen Spanneinrichtung, die außerhalb der \ Schweißkammer neben der Einführöffnung angeordnet ist., wo-

bei die Achsen von Spanneinrichtung, Einführöffnung und Endanschlag Im wesentlichen miteinander fluchten und die Spanneinrichtung so beschaffen ist, daß sie das Brennstoffrohr aufnehmen, festhalten und drehen kann, gekennzei'ehn&t durch einen langgestreckten, !zylindrischen Plasmadeflektor (60) mit einer Öffnung, die ein Brennstoffrohr (14) mit einem

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vorbestimmten Spielraum zwischen dem Außendurchmes«ei· des Brennstoffrohres (14) und dem Innendurchmesser der öffnung im l'lasmadeflektor (bO) aufnehmen kann, wobei der Plasma-' deflektor in der Schweißkammer (42) so ausgerichtet 1st, daß ein Ende (62) innerhalb der Schweißkammer (42) angrenzend an, aber in Abstand von der Stoßfuge (30) zwischen dem Brennstoffrohr (14) und dem Verschlußstopfen (1b) ist, wenn das Brennstoffrohr (14) und der Verschlußstopfen (16) durch die Spanneinrichtung (5"I) und den Plasmadeflektor (60) gegen den Endanschlag (44) eingeschoben werden.
5· Schweißvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Plasmadeflektors (60) so bemessen ist, dad eine freie Drehung des Plasmadeflektors (6ü) bezüglich der Schweißkammer (42) nur möglich ist, wenn die Achsen von Spanneinrichtung (51)» Plasmadeflektor (60) und Endanschlag (44) im wesentlichen fluchten.
6. Schweißvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das innere Endstück (66) des Plasmadeflektors (60) aus demselben Metall wie da3 Lirennfjtoffrohr (14) besteht.
7. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche H bis 6, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Koppeln des Plasma-

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deflektors (60) mit dem Brennstoffrohr (14), wenn das _? ' Brennstoffrohr durch den Plasmadeflektor geführt worden ist, wodurch der Plasmadeflektor mit dem Brennstoffrohr. gedreht werden kann, wenn dieses von der'Spanneinrichtung (51) gedreht wird. . .
8. Schweißvorrichtuni¹; hach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet jdurch eine Vorrichtung zum Koppeln der Spanneinrichtung (51) mit dem Plasmadeflektor (60), durch die der Plasmadeflektor direkt mit der Spanneinrichtung (51) gedreht werden kann.

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