RU2268811C2

RU2268811C2 - Method for contact-butt welding of tube with plug

Info

Publication number: RU2268811C2
Application number: RU2002121915/02A
Authority: RU
Inventors: Александр Антонович Кислицкий (RU); Александр Антонович Кислицкий
Original assignee: Открытое акционерное общество "Новосибирский завод химконцентратов"
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2006-01-27
Also published as: RU2002121915A

Abstract

FIELD: machine engineering, namely processes for sealing tubular articles by means of contact-butt welding, for example fuel element in the form of tube with plug in nuclear reactors.

SUBSTANCE: method comprises steps of fixing tube end portion in attachment having recess; freely placing part of plug in electrode with possibility of its radial motion at welding process; compressing tube and plug whose maximum diameter is less than outer diameter of tube but more than tube inner diameter; heating parts by passing electric current; pressing-in plug inside tube for providing desired alignment of tube and plug.

EFFECT: stable quality of welded seam and the whole joint, simplified tuning of equipment.

1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к герметизации трубчатых изделий, в том числе тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) ядерных реакторов.The invention relates to mechanical engineering, in particular to sealing tubular products, including fuel elements (fuel elements) of nuclear reactors.

Известен способ герметизации контактной стыковой сваркой трубы-оболочки ТВЭЛа с заглушкой, диаметр которой выполнен меньшим наружного диаметра свариваемой трубы, при этом оболочку и заглушку зажимают в зоне сварки в соосно расположенных кольцевых разъемных электродах с последующим приложением к электродам усилия сжатия и пропускания через свариваемые детали импульса тока (см. а.с. СССР №1520763, МКИ В 23 К 11/02, приоритет от 03.11.87).A known method of sealing by flash butt welding of a fuel pipe-sheath of a fuel rod with a plug, the diameter of which is made smaller than the outer diameter of the pipe being welded, the sheath and the plug being clamped in the welding zone in coaxially arranged ring detachable electrodes with subsequent application of compression and transmission forces to the electrodes of the pulse through the parts to be welded current (see AS of the USSR No. 1520763, MKI B 23 K 11/02, priority from 11/03/87).

Недостатками способа являются необходимость обеспечения высокой соосности между электродами, остывание нагретого металла в заневоленном электродами положении, что приводит к увеличению уровня сварочных напряжений в сварном шве и снижению качества сварных соединений. Высокая соосность достигается как за счет первоначального расположения электродов относительно друг друга, так и наличием специального хвостовика на заглушке, обеспечивающего ее центровку относительно электрода, в котором она расположена. Это увеличивает металлоемкость заглушки и затраты на ее изготовление.The disadvantages of the method are the need to ensure high alignment between the electrodes, cooling of the heated metal in a position that the electrodes are in a state that leads to an increase in the level of welding stresses in the weld and a decrease in the quality of welded joints. High coaxiality is achieved both due to the initial arrangement of the electrodes relative to each other, and the presence of a special shank on the plug, ensuring its alignment relative to the electrode in which it is located. This increases the intensity of the plug and the cost of its manufacture.

Другим отрицательным моментом является то, что распределение сварочного тока происходит между торцевой частью заглушки, контактирующей с электродом, и ее частью, находящейся в электроде. В результате увеличивается неравномерность нагрева свариваемых деталей, уменьшается плотность тока в зоне стыка и скорость разогрева свариваемых деталей, что также отрицательно сказывается на стабильности качества сварки.Another negative point is that the distribution of the welding current occurs between the end part of the plug in contact with the electrode and its part located in the electrode. As a result, the unevenness of heating of the welded parts increases, the current density in the joint zone and the heating rate of the welded parts decrease, which also negatively affects the stability of the welding quality.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ контактно-стыковой сварки сопротивлением трубы с заглушкой (см. патент РФ №2127457, МКИ G 21 С 3/10, 21/00, 21/ 02, В 23 К 11/02, 15/00, бюл. №7 от 10.03.99) - прототип, используемый при изготовлении ТВЭЛов.Closest to the claimed technical essence and the achieved result is the method of flash-butt welding with pipe resistance with a plug (see RF patent No. 2127457, MKI G 21 C 3/10, 21/00, 21/02, 23 K 11/02 , 15/00, bull. No. 7 of 03/10/99) - a prototype used in the manufacture of fuel rods.

Способ заключается в фиксации с заглублением торца оболочки в приспособлении, сжатии его с заглушкой, имеющей максимальный диаметр меньше наружного диаметра трубки, но больше внутреннего ее диаметра и взаимный их нагрев электрическим током. Недостатками способа являются необходимость обеспечения высокой соосности между электродами, остывание нагретого металла в заневоленном электродами положении, что приводит к увеличению уровня сварочных напряжений в сварном шве и снижению качества сварных соединений, а также ухудшение стабильности сварки за счет уменьшения плотности тока в стыке из-за его частичного распределения в части заглушки, помещенной в электрод, и излишнего разогрева заглушки. Высокая соосность достигается как за счет первоначального расположения электродов относительно друг друга, так и наличием специального хвостовика на заглушке, обеспечивающего ее центровку относительно электрода, в котором она расположена. Это увеличивает металлоемкость заглушки и затраты на ее изготовление.The method consists in fixing with deepening the end face of the shell in the device, compressing it with a plug having a maximum diameter less than the outer diameter of the tube, but larger than its inner diameter and their mutual heating by electric current. The disadvantages of the method are the need to ensure high coaxiality between the electrodes, cooling of the heated metal in a position where the electrodes are worn, which leads to an increase in the level of welding stresses in the weld and a decrease in the quality of welded joints, as well as a decrease in the stability of welding due to a decrease in the current density in the joint due to its partial distribution in the part of the plug placed in the electrode, and excessive heating of the plug. High coaxiality is achieved both due to the initial arrangement of the electrodes relative to each other, and the presence of a special shank on the plug, ensuring its alignment relative to the electrode in which it is located. This increases the intensity of the plug and the cost of its manufacture.

Технической задачей изобретения является повышение стабильности качества сварных швов и соединения в целом, упрощение настройки оборудования, снижение затрат на изготовление заглушек.An object of the invention is to increase the stability of the quality of welds and joints in general, simplifying equipment setup, reducing the cost of manufacturing plugs.

Решение технической задачи достигается тем, что в известном способе, заключающемся в фиксации в приспособлении с заглублением торца трубы, сжатии его с заглушкой, имеющей максимальный диаметр меньше наружного диаметра трубы, но больше внутреннего ее диаметра, и взаимный их нагрев электрическим током и последующим вдавливанием заглушки внутрь трубы, согласно изобретению часть заглушки размещают в электроде свободно с возможностью ее радиального перемещения в процессе сварки, а требуемую соосность трубы и заглушки получают при вдавливании ее внутрь трубы.The solution to the technical problem is achieved by the fact that in the known method, which consists in fixing in the device with deepening the end of the pipe, compressing it with a plug having a maximum diameter less than the outer diameter of the pipe, but larger than its inner diameter, and their mutual heating by electric current and subsequent indentation of the plug inside the pipe, according to the invention, part of the plug is placed in the electrode freely with the possibility of its radial movement during the welding process, and the required alignment of the pipe and plug is obtained by pressing nii her inside the pipe.

Указанная совокупность признаков является новой и существенной для решения поставленной задачи, так как первоначальное свободное расположение части заглушки в электроде с возможностью ее радиального перемещения в дальнейшем при сварке с учетом зазора между внутренней поверхностью центрального отверстия электрода и этой частью заглушки упрощает настройку оборудования и дает возможность формироваться сварному соединению в свободном состоянии, уменьшающем уровень остаточных напряжений в сварном соединении, организует подвод тока практически только по торцу заглушки в зоне его контакта с торцом оболочки. Это в совокупности с получением высокой соосности между трубой и заглушкой в процессе перемещения последней внутрь трубы во время сварки обеспечивает равномерное формирование сварного соединения по периметру, повышает стабильность качества сварного соединения и позволяет уменьшить затраты на изготовление заглушки за счет уменьшения ее металлоемкости и требований по точности изготовления хвостовика до значений, определяемых конструкторской документацией на ТВЭЛы, тепловыделяющие сборки.The specified set of features is new and essential for solving the problem, since the initial free location of the part of the plug in the electrode with the possibility of its radial movement in the future when welding, taking into account the gap between the inner surface of the central hole of the electrode and this part of the plug, simplifies the setup of equipment and makes it possible to form to the welded joint in a free state, which reduces the level of residual stresses in the welded joint, organizes the supply of current Practical only end plug in its contact zone with the end of the shell. This, together with obtaining high alignment between the pipe and the plug during the movement of the latter inside the pipe during welding, ensures uniform formation of the welded joint along the perimeter, increases the stability of the quality of the welded joint and reduces the cost of manufacturing the plug by reducing its metal consumption and manufacturing accuracy requirements shank to the values determined by the design documentation for fuel elements, fuel assemblies.

Сущность изобретения поясняется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.

На чертеже схематично показан процесс реализации предлагаемого способа.The drawing schematically shows the process of implementing the proposed method.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Труба 1 фиксируется в электроде 2, имеющем требуемую величину омического сопротивления, с заглублением. Часть заглушки 3 помещается в электрод 4 с возможностью ее радиального перемещения, что достигается за счет разности диаметра этой части заглушки и диаметром осевого отверстия в электроде. После необходимых технологических операций, связанных, например, с созданием атмосферы заданного состава и давления, торец заглушки прижимается к торцу трубы сварочным усилием. Через образовавшийся контакт пропускают сварочный ток, который разогревает детали до пластического состояния, и заглушка вдавливается внутрь трубы. В процессе ее перемещения деформация внутренних слоев трубы и наружных слоев свариваемой части заглушки осуществляется по конической поверхности 5 с углом конусности С порядка 20-35°. Образование такой поверхности позволяет заглушке в процессе перемещения самоцентрироваться, если у нее есть возможность свободного радиального перемещения, что обеспечивается зазором А. При этом для оптимального случая должно соблюдаться условие гарантированного контакта торцов трубы и заглушки при их сжатии сварочным усилием по всему периметру стыка, то есть величина зазора А должна быть меньше минимально допустимой величины перекрытия D с учетом реальной соосности между электродами. Это также, с одной стороны, позволяет организовать подвод тока к заглушке практически только через торцевой контакт ее с электродом, что дает возможность максимально сконцентрировать сварочный ток I в стыке, в результате чего зона разогрева по диаметру заглушки получается практически соизмерима с площадью токоподводящей торцевой частью электрода 4. Поэтому даже на относительно мягких режимах сварки улучшается динамика процесса и повышается стабильность качества сварных швов. А с другой стороны - уменьшить длину хвостовика заглушки и точность его изготовления до величин, определяемых конструктивными особенностями ТВЭЛов и тепловыделяющих сборок. Однако, как и в общем случае, для повышения стойкости электрода и уменьшения выдавливания разогретого металла заглушки в зазор А сварку целесообразно выполнять на режимах со скоростью нарастания тока не более 12 кА/с при минимальных длительностях сварочного импульса в целом, обеспечивающего требуемую протяженность и герметичность сварного шва.The pipe 1 is fixed in the electrode 2 having the desired value of the ohmic resistance, with deepening. Part of the plug 3 is placed in the electrode 4 with the possibility of its radial movement, which is achieved due to the difference in the diameter of this part of the plug and the diameter of the axial hole in the electrode. After the necessary technological operations associated, for example, with the creation of an atmosphere of a given composition and pressure, the end face of the plug is pressed against the end of the pipe by welding force. A welding current is passed through the formed contact, which heats the parts to a plastic state, and the plug is pressed into the pipe. In the process of its movement, the deformation of the inner layers of the pipe and the outer layers of the welded part of the plug is carried out on a conical surface 5 with a taper angle C of the order of 20-35 °. The formation of such a surface allows the plug in the process of self-centering, if it has the possibility of free radial movement, which is provided by the gap A. In this case, for the optimal case, the condition of guaranteed contact of the pipe ends and the plug when they are compressed by welding force around the entire perimeter of the joint should be observed, i.e. the gap A must be less than the minimum allowable overlap D taking into account the real alignment between the electrodes. This also, on the one hand, makes it possible to organize the supply of current to the plug almost exclusively through its end contact with the electrode, which makes it possible to concentrate the welding current I at the junction as a result, as a result of which the heating zone along the plug diameter is almost commensurate with the area of the current-carrying end part of the electrode 4. Therefore, even in relatively mild welding modes, the process dynamics improves and the stability of the quality of welds increases. And on the other hand, to reduce the length of the shank of the plug and the accuracy of its manufacture to values determined by the design features of the fuel rods and fuel assemblies. However, as in the general case, in order to increase the resistance of the electrode and reduce the extrusion of the heated metal of the plug into the gap A, it is advisable to perform welding in modes with a current rise rate of not more than 12 kA / s with minimum duration of the welding pulse as a whole, providing the required length and tightness of the welded seam.

Способ реализован при сварке труб 9,13 мм с заглушками из сплава циркония. Перед сваркой торцы труб обрезались под прямым углом и по радиусной поверхности с радиусом, примерно равным половине толщины оболочки. Перекрытие торцов трубы и заглушки составляло в пределах 0,2-0,6 от толщины стенки трубы на радиус. Длина сварочной части заглушки, участвующей в образовании сварного соединения, составляла 3,5-4,5 мм, а общая длина заглушки составляла 1-1,5 максимального диаметра заглушки. Для сварки использовались промышленные автоматы контактно-стыковой сварки ТВЭЛов типа АССК, модернизированные для работы с такой заглушкой. Заглушка помещалась в электрод с зазором, составляющим 0,1-1 от величины взаимного перекрытия торцов деталей. Сварка выполнялась при скорости нарастания сварочного тока 8-12 кА/с, при сварочном усилии в контакте между свариваемыми деталями 250-300 кг и величине сварочного тока 12-16 кА. Выполненные после сварки замеры соосности трубы в зоне сварного шва и заглушки показали, что она не превышает 50% от максимально допустимой. Качество сварных швов по всем параметрам соответствовало установленным требованиям.The method is implemented when welding pipes 9.13 mm with plugs made of zirconium alloy. Before welding, the ends of the pipes were cut at a right angle and along a radius surface with a radius approximately equal to half the shell thickness. The overlap of the ends of the pipe and the plug was in the range of 0.2-0.6 of the pipe wall thickness per radius. The length of the welding part of the plug involved in the formation of the welded joint was 3.5-4.5 mm, and the total length of the plug was 1-1.5 of the maximum diameter of the plug. For welding we used industrial automatic butt-contact welding machines of fuel assemblies of the АССК type, modernized to work with such a plug. The cap was placed in the electrode with a gap of 0.1-1 of the magnitude of the mutual overlap of the ends of the parts. Welding was performed at a rate of increase of the welding current of 8-12 kA / s, with a welding force in contact between the parts to be welded of 250-300 kg and a welding current of 12-16 kA. The measurements made after welding of the pipe alignment in the area of the weld and plug showed that it does not exceed 50% of the maximum allowable. The quality of the welds in all respects corresponded to the established requirements.

Claims

A method of contact-butt welding of a pipe with a plug, including fixing the end of the pipe in the fixture, compressing the ends of the pipe and the plug having a maximum diameter smaller than the outer diameter of the pipe, but larger than its internal diameter, subsequent heating by welding current and pressing the plug inside the pipe, characterized in that part of the plug is freely positioned in the electrode with the possibility of its radial movement during welding, and the required alignment of the pipe and plug is obtained by pressing it into the pipe.