RU2480314C2

RU2480314C2 - Device for sealing fuel element shells using plugs and butt welding

Info

Publication number: RU2480314C2
Application number: RU2011123927/02A
Authority: RU
Inventors: Андрей Михайлович Куркин; Евгений Иванович Авдеев; Александр Олегович Басихин; Александр Алексеевич Градович; Михаил Михайлович Нехода; Александр Владимирович Струков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Новосибирский завод химконцентратов"
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2013-04-27
Also published as: RU2011123927A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: proposed device may be used for sealing fuel cells of nuclear power reactors. Tight welding chamber all-in-one housing has through channel for feeding parts in welding zone. Part lock mechanisms composed of collets furnished with appropriate drives are arranged in said housing. Welding force drive and shell extra lock are rigidly coupled with aforesaid housing accommodating two electrodes. Plug electrode may displace relative to said housing while shell electrode is fixed relative thereto. Said housing is coupled with device base via one-degree-of-freedom sliding pair displacing in direction coincident with that of welding force and may be forced back into initial position.

EFFECT: higher quality of weld joint.

1 dwg

Description

Изобретение относится к атомной энергетике и может применяться в установках для контактно-стыковой сварки, герметизирующих с помощью заглушек стержневые тепловыделяющие элементы (твэлы) тепловыделяющих сборок энергетических ядерных реакторов.The invention relates to nuclear energy and can be used in installations for flash butt welding, sealing with the help of plugs rod fuel elements (fuel elements) of fuel assemblies of nuclear power reactors.

Твэлы являются наиболее ответственными и напряженными конструктивными элементами активной зоны ядерного реактора, в которых за счет расщепления ядер делящихся нуклидов генерируется тепловая энергия. Типовая конструкция стержневого твэла состоит из герметичной оболочки, заполненной гелием, внутри которой размещается ядерное топливо и накапливаются радиоактивные продукты деления. Оболочка обеспечивает механическую прочность и стабильность формы конструкции твэла, а также изолирует ядерное топливо и продукты деления от воздействия теплоносителя. Герметизация оболочки производится приваркой по ее торцам концевых деталей - заглушек. В настоящее время эта технологическая операция для твэлов реакторов типа ВВЭР и РБМК в основном осуществляется на установках контактно-стыковой сварки, встроенных в автоматические линии с высокой степенью автоматизации производственных и контрольных операций. Главная задача герметизации - сохранить герметичность твэла в течение всего срока эксплуатации и последующего хранения вплоть до операции регенерации топлива.Fuel elements are the most responsible and stressed structural elements of the active zone of a nuclear reactor, in which thermal energy is generated by fissioning the nuclei of fissile nuclides. A typical design of a rod fuel element consists of a sealed shell filled with helium, inside which nuclear fuel is placed and radioactive fission products are accumulated. The shell provides mechanical strength and shape stability of the fuel element, and also isolates nuclear fuel and fission products from the influence of the coolant. The shell is sealed by welding on its ends of the end parts - plugs. Currently, this technological operation for VVER and RBMK type fuel rods is mainly carried out on contact-butt welding installations built into automatic lines with a high degree of automation of production and control operations. The main task of sealing is to maintain the fuel rod integrity during the entire period of operation and subsequent storage up to the fuel recovery operation.

Герметичность оболочек твэлов в значительной мере зависит от качества сварного соединения. Основным элементом установок контактной стыковой сварки твэлов, обеспечивающим качество сварки заглушки с оболочкой, является электрод оболочки.The tightness of the cladding of the fuel rods largely depends on the quality of the welded joint. The main element of the contact butt welding of fuel rods, ensuring the quality of welding of the plug with the cladding, is the cladding electrode.

Известен способ контактно-стыковой сварки стержневых твэлов (см. а.с. СССР №664785, опубл. 30.05.79, бюлл. №20, а.с. СССР №1520763, опубл. 30.04.91, бюлл. №16) и устройства для его осуществления, особенности которых связаны с конструкцией электрода оболочки.A known method of contact-butt welding of rod rods (see AS USSR No. 664785, publ. 05/30/79, bull. No. 20, AS USSR No. 1520763, publ. 04/30/91, bull. No. 16) and devices for its implementation, the features of which are associated with the design of the shell electrode.

Электрод оболочки выполнен в виде трехлепесткового цангового зажима. На каждом лепестке цанги со стороны охватывающих поверхностей закреплен сменяемый по мере износа, набранный из отдельных бронзовых деталей и чередующихся пластин из бронзы и материала с высоким электрическим сопротивлением сектор, имеющий также охватывающую цилиндрическую поверхность, расточенную под диаметр свариваемой оболочки твэла. Цанговый зажим осуществляет несколько функций: в процессе зажатия оболочки деформирует ее только в пределах упругой деформации; фиксирует оболочку от осевого смещения при приложении сварочного усилия; подводит сварочный ток к оболочке и по заданному закону (за счет наличия чередующихся пластин) распределяет его по сечению и длине нагреваемого участка; препятствует деформированию оболочки (увеличению ее наружного диаметра и потери цилиндричности) при вдавливании в нее заглушки; отводит тепло от места сварки; формирует наружный грат сварного соединения, препятствуя его выдавливанию за наружный диаметр оболочки.The electrode of the shell is made in the form of a three-leaf collet clamp. On each petal of the collet, on the side of the enclosing surfaces, there is fixed a sector, recruited from individual bronze parts and alternating plates of bronze and a material with high electrical resistance, having also a cylindrical surface bored to the diameter of the fuel rod to be welded. The collet clamp performs several functions: in the process of clamping the shell deforms it only within the limits of elastic deformation; fixes the shell from axial displacement when a welding force is applied; brings the welding current to the shell and according to a given law (due to the presence of alternating plates) distributes it according to the cross section and length of the heated section; prevents deformation of the shell (increase in its outer diameter and loss of cylindricity) when pressing plugs into it; removes heat from the place of welding; forms the outer fillet of the welded joint, preventing it from extruding beyond the outer diameter of the shell.

Особым требованием к конструкции оболочки твэла является отсутствие овальности и стабильность геометрических размеров и шероховатости поверхности (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. В 2 кн. Кн.1. / Ф.Г.Решетников, Ю.К.Бибилашвили, И.С.Головнин и др. / Под ред. Ф.Г.Решетникова - М. Энергоатомиздат, 1995, стр.201). Для выполнения этих требований охватывающие контактные поверхности новых секторов цангового зажима, например, под диаметр оболочки 9,1 мм растачиваются на диаметр 9,03 мм и выводятся из эксплуатации при достижении диаметра 9,08 мм. Выполнение этого требования значительно ограничивает срок службы электрода оболочки в связи с ухудшением возможности удержания оболочки от смещения в момент действия сварочного усилия. Насечки и прочие конструктивные элементы, повышающие коэффициент трения, на контактных поверхностях секторов электрода не допускается. Для продления срока службы электрода оболочки сварочные установки оснащаются дополнительным зажимом, воспринимающим, наряду с электродом оболочки, действие сварочного усилия, но при этом не подводящим сварочный ток.A special requirement for the design of the cladding of a fuel rod is the lack of ovality and the stability of the geometric dimensions and surface roughness (see Development, production and operation of fuel elements of power reactors. In 2 books Kn. 1 / F.G. Reshetnikov, Yu.K. Bibilashvili, I.S. Golovnin et al. / Under the editorship of F.G. Reshetnikov - M. Energoatomizdat, 1995, p. 201). To fulfill these requirements, the covering contact surfaces of new collet clamp sectors, for example, under a sheath diameter of 9.1 mm, are bored by a diameter of 9.03 mm and are taken out of service when a diameter of 9.08 mm is reached. The fulfillment of this requirement significantly limits the service life of the sheath electrode due to the deterioration in the possibility of holding the sheath from displacement at the time of the welding force. Notches and other structural elements that increase the coefficient of friction are not allowed on the contact surfaces of the electrode sectors. To extend the life of the sheath electrode, welding plants are equipped with an additional clamp, which, along with the sheath electrode, perceives the action of the welding force, but without supplying welding current.

Известна установка для контактно стыковой сварки твэлов, содержащая подвижную разъемную камеру с перпендикулярным ее оси разъемом, разделяющим рабочую полость на две части, каждая из которых установлена на станине с возможностью автономного возвратно-поступательного перемещения и снабжена цанговыми зажимами механизма захвата свариваемых деталей и трубчатыми тягами, расположенными в сквозных каналах и связывающими захваты с соответствующими приводами, смонтированными на торцах сварочной камеры по обе стороны от разъема, при этом привод сварочного давления связан жестко с одним из приводов трубчатых тяг с возможностью совместного перемещения. Кроме этого, установка снабжена вынесенным за пределы сварочной камеры дополнительным механизмом (дополнительным зажимом) для удержания в процессе сварки свариваемой оболочки твэла. Этот механизм выполнен в виде пары пневмоцилиндров, на штоках которых закреплены губки, зажимающие оболочку (см. а.с. СССР №941070, Мкл 3 В23К 11/04 от 07.07.82 г., бюлл. №25).A known installation for contact butt welding of fuel rods, comprising a movable detachable chamber with a connector perpendicular to its axis, dividing the working cavity into two parts, each of which is mounted on the bed with the possibility of autonomous reciprocating movement and is equipped with collet clamps of the gripping mechanism of the welded parts and tubular rods, located in the through channels and connecting the grippers with the corresponding drives mounted on the ends of the welding chamber on both sides of the connector, while welding pressure water is connected rigidly to one of the actuators of tubular rods with the possibility of joint movement. In addition, the installation is equipped with an additional mechanism (an additional clamp) that has been moved outside the welding chamber to hold the fuel cladding to be welded during welding. This mechanism is made in the form of a pair of pneumatic cylinders, on the rods of which are fixed jaws that clamp the shell (see AS USSR No. 941070, Mcl 3 V23K 11/04 of 07/07/82, bull. No. 25).

На практике для надежного зажатия оболочки без ее пластической деформации длина охватывающих поверхностей губок может превышать 100 мм.In practice, for reliable clamping of the shell without its plastic deformation, the length of the covering surfaces of the jaws can exceed 100 mm.

Недостатком данной установки является то, что на период сварки подвижные части сварочной камеры, а через них и цанговый зажим оболочки специальными механизмами жестко связываются со станиной. При этом дополнительный зажим, также постоянно жестко связанный со станиной, расположен вне сварочной камеры на значительном удалении от электрода оболочки. Например, на установках первого поколения, в которых реализуется техническое решение по а.с. №941070, это расстояние составляет примерно 600 мм, на современных 300 мм. При приложении сварочного усилия, которое в зависимости от режима сварки составляет 2500-4000 Н, участок оболочки, с одной стороны жестко зажатый дополнительным зажимом (проскальзывание не допускается по условиям сварки), а с другой (со стороны свариваемого торца) - изношенным в процессе работы электродом оболочки, при определенных условиях может проскользнуть в электроде и упруго деформироваться, сжимаясь в осевом направлении. При этом смещение торца оболочки, например, у трубы из циркониевого сплава с наружным диаметром 9,1 мм на отрезке 600 мм может доходить до 0,7 мм. В результате происходит продольное перемещение поверхности оболочки относительно изношенной охватывающей поверхности электрода. Наличие движущихся поверхностей в момент прохождения через них сварочного тока приводит к возникновению прижогов. Прижоги на поверхности электрода вызывают в дальнейшем его катастрофический износ. Твэл с прижогами на поверхности оболочки бракуется.The disadvantage of this installation is that during the welding period the movable parts of the welding chamber, and through them the collet clamp of the shell, are rigidly connected to the bed by special mechanisms. At the same time, an additional clamp, also permanently rigidly connected to the bed, is located outside the welding chamber at a considerable distance from the sheath electrode. For example, in first-generation plants in which a technical solution for AS is implemented No. 941070, this distance is approximately 600 mm, on modern 300 mm. When a welding force is applied, which, depending on the welding mode, is 2500-4000 N, the portion of the shell that is rigidly clamped with an additional clamp on one side (slipping is not allowed under the welding conditions), and on the other (from the side to be welded) - worn out during operation the sheath electrode, under certain conditions, can slip in the electrode and elastically deform, compressing in the axial direction. In this case, the displacement of the end face of the shell, for example, for a pipe made of zirconium alloy with an outer diameter of 9.1 mm over a segment of 600 mm can reach up to 0.7 mm. The result is a longitudinal movement of the surface of the shell relative to the worn covering surface of the electrode. The presence of moving surfaces at the moment of passage of the welding current through them leads to the occurrence of burns. Burns on the surface of the electrode subsequently cause its catastrophic wear. A fuel rod with burns on the surface of the shell is rejected.

Известен способ (см. SU 1520763) и устройство (см. SU 1490829) для контактной стыковой сварки твэлов, в которых используется дополнительный зажим, расположенный в сварочной камере, и страховочный зажим, находящийся вне сварочной камеры. Расположение дополнительного зажима внутри сварочной камеры непосредственно за электродом оболочки позволяет устранить негативное влияние от продольного сжатия оболочки при приложении сварочного усилия. Фактически это техническое решение разделяет функции электрода оболочки на силовое удержание и подвод тока в процессе сварки, но при этом и не исключает использование известного решения - страховочного зажима, расположенного вне сварочной камеры. Данное техническое решение, кроме несомненных положительных свойств дополнительного зажима, расположенного внутри камеры, имеет и ряд недостатков. Например, в SU 1520763 описана конструкция дополнительного зажима с длиной губок 80 мм и расположенного на расстоянии 30 мм от электрода оболочки. Это ведет к увеличению объема сварочной камеры и повышенному расходу гелия, которым заполняется твэл перед герметизацией. Кроме этого, для сохранения требуемого состава атмосферы внутри твэла придется увеличить время вакуумирования камеры, что приведет к снижению производительности линии или к установке более мощного вакуумного оборудования. Дополнительный зажим внутри камеры требует наличия дополнительного пневмопривода, что усложняет конструкцию устройства, а дополнительное уплотнение скользящего штока пневмопривода уменьшает надежность герметизации сварочной камеры при заполнении ее гелием под высоким давлением. Таким образом, достижение эффекта отсутствия проскальзывания оболочки в электроде будет достигнуто удорожанием производства твэлов.A known method (see SU 1520763) and a device (see SU 1490829) for flash butt welding of fuel elements that use an additional clamp located in the welding chamber, and a safety clip located outside the welding chamber. The location of the additional clamp inside the welding chamber immediately after the electrode of the shell eliminates the negative impact of the longitudinal compression of the shell when a welding force is applied. In fact, this technical solution divides the functions of the sheath electrode into power holding and current supply during the welding process, but at the same time it does not exclude the use of the well-known solution - a safety clip located outside the welding chamber. This technical solution, in addition to the undoubted positive properties of the additional clamp located inside the chamber, has several disadvantages. For example, SU 1520763 describes the construction of an additional clamp with a jaw length of 80 mm and located at a distance of 30 mm from the sheath electrode. This leads to an increase in the volume of the welding chamber and an increased helium consumption, which the fuel rod is filled before sealing. In addition, in order to maintain the required atmosphere composition inside the fuel rod, it will be necessary to increase the evacuation time of the chamber, which will lead to a decrease in line productivity or to the installation of more powerful vacuum equipment. An additional clamp inside the chamber requires an additional pneumatic actuator, which complicates the design of the device, and additional sealing of the sliding rod of the pneumatic actuator reduces the reliability of sealing the welding chamber when filling it with helium under high pressure. Thus, the effect of the absence of cladding of the cladding in the electrode will be achieved by increasing the cost of fuel rod production.

Известны также другие технические решения, предусматривающие расположение дополнительного зажима внутри сварочной камеры, например RU 2152091, опубл. 27.06.2000 г., бюлл. №18. Дополнительный зажим данного устройства также увеличивает объем сварочной камеры, кроме этого, не обеспечивает отсутствия осевого сжатия трубы, которое может вызывать проскальзывание (используются роликовые опоры или эластичные элементы). Эластичные элементы также не смогут обеспечить осевую устойчивость оболочки даже в упругой области деформации, так как сами могут деформироваться. Кроме этого, затрудняется подача через устройство оболочки на позицию сварки в сварочную камеру. Эластичные элементы могут интенсивно истираться торцом оболочки и крошка попадать в твэл и сварочную камеру. Для защиты эластичных элементов от истирания необходимо применение дополнительных устройств.Other technical solutions are also known, providing for the location of an additional clamp inside the welding chamber, for example, RU 2152091, publ. 06/27/2000, bull. Number 18. An additional clamp of this device also increases the volume of the welding chamber, in addition, it does not ensure the absence of axial compression of the pipe, which can cause slippage (using roller bearings or elastic elements). Elastic elements will also not be able to provide axial stability of the shell even in the elastic region of deformation, since they themselves can be deformed. In addition, it is difficult to feed through the device shell to the welding position in the welding chamber. Elastic elements can be intensively abraded by the end face of the shell and crumbs can fall into the fuel rod and welding chamber. To protect the elastic elements from abrasion, the use of additional devices is necessary.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому решению является установка контактно-стыковой сварки (см. патент №2275282, опубл. 27.04.2006 г., бюлл. №12) - прототип, содержащая сварочную камеру, механизмы ее герметизации, устройство подачи свариваемых деталей тепловыделяющего элемента в зону сварки, механизмы захвата, фиксации свариваемых деталей и токоподвода к ним с соответствующими приводами, пневмопривод сварочного усилия, в которой сварочная камера представляет собой сборную конструкцию, не раскрывающуюся при работе установки, и содержит устройство для подачи оболочки и заглушки твэла в зону сварки, при этом на расстоянии от электрода, исключающем недопустимое смещение торца оболочки за счет осевого ее сдвига и возникновения ее продольного изгиба на этом участке, расположен дополнительный зажим. Согласно описанию этого технического решения дополнительный зажим расположен вне сварочной камеры. Минимальное расстояние его расположения определяется наличием нескольких конструктивных элементов, которые в обязательном порядке должны находиться между дополнительным зажимом и электродом оболочки. В первую очередь это ложемент для приема заглушки из загрузочного устройства. Ложемент располагается перед входом оболочки в сварочную камеру и является непременным атрибутом неразъемной камеры, так как заглушка подается через тот же канал, что и труба. Если отказаться от использования ложемента и использовать дополнительное устройство подачи заглушки через отверстие в стенке неразъемной камеры, то это приведет к усложнению конструкции камеры и снижению надежности ее работы. Элементы герметизации оболочки в канале сварочной камеры также располагаются между электродом и дополнительным зажимом. Эти элементы, активные и управляемые пневмоприводами (неподвижные элементы не обеспечат должной степени герметизации и быстро сотрутся торцом оболочки), еще больше отодвигают дополнительный зажим. В целом минимальное расстояние между электродом оболочки и дополнительным зажимом в установках, использующих это техническое решение, составляет 300 мм. Расчет по известным формулам (см. Справочник по сопротивлению материалов / Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В.; Отв. ред. Писаренко Г.С. - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Наук. думка, 1988, стр.144 и стр.450-450) показывает, что при приложении оптимального сварочного усилия 3000 Н упругая деформация (укорочение) оболочки диаметром 9,1 мм и длиной 300 мм из циркониевого сплава составит 0,5-0,7 мм. Потеря упругих свойств оболочки (необратимые пластические деформации) наступит при осевой нагрузке 4400 Н, что превышает значение максимального сварочного усилия - 4000 Н. Критическая сила, при которой произойдет потеря продольной устойчивости оболочки, при этом составляет 5300-7000 Н. Следовательно, при расположении дополнительного зажима на минимально возможном расстоянии устраняется возможность проскальзывания оболочки в изношенном электроде в результате потери продольной устойчивости, но сохраняется возможность проскальзывания, ведущего к передаче сварочного тока через подвижный контакт, в результате продольного укорочения оболочки под действием сварочного усилия.The closest in technical essence and the achieved effect to the claimed solution is the installation of flash butt welding (see patent No. 2275282, publ. 04/27/2006, bull. No. 12) - a prototype containing a welding chamber, its sealing mechanisms, feed device parts of the fuel element to be welded into the welding zone, gripping mechanisms, fixing of the parts to be welded and current supply to them with corresponding drives, pneumatic drive of the welding force, in which the welding chamber is a prefabricated structure that does not open and the operation of the installation, and contains a device for supplying the cladding and plugs of the fuel rod to the welding zone, and an additional clamp is located at a distance from the electrode, which excludes unacceptable displacement of the clad end face due to its axial shift and the occurrence of its longitudinal bending. According to the description of this technical solution, an additional clamp is located outside the welding chamber. The minimum distance of its location is determined by the presence of several structural elements, which must necessarily be between the additional clamp and the electrode of the shell. First of all, this is a tool tray for receiving the plug from the boot device. The lodgement is located in front of the shell entrance to the welding chamber and is an indispensable attribute of the integral chamber, since the plug is supplied through the same channel as the pipe. If you refuse to use the tool tray and use an additional feed device for the plug through the hole in the wall of the integral camera, this will complicate the design of the camera and reduce the reliability of its operation. The sealing elements of the shell in the channel of the welding chamber are also located between the electrode and the additional clamp. These elements, active and controlled by pneumatic actuators (fixed elements do not provide a proper degree of sealing and will quickly be erased by the end of the shell), further push back the additional clamp. In general, the minimum distance between the sheath electrode and the additional clamp in installations using this technical solution is 300 mm. Calculation according to well-known formulas (see the Handbook on the resistance of materials / Pisarenko G.S., Yakovlev A.P., Matveev V.V .; Edited by G. Pisarenko - 2nd ed., Revised and additional . - Kiev: Science Dumka, 1988, pp. 144 and pp. 450-450) shows that when applying the optimum welding force of 3000 N, the elastic deformation (shortening) of the shell with a diameter of 9.1 mm and a length of 300 mm made of zirconium alloy will be 0 5-0.7 mm. The loss of the elastic properties of the shell (irreversible plastic deformation) will occur with an axial load of 4400 N, which exceeds the maximum welding force of 4000 N. The critical force at which the longitudinal stability of the shell will be lost, is 5300-7000 N. Therefore, when additional clamping at the shortest possible distance eliminates the possibility of slipping the shell in the worn electrode as a result of loss of longitudinal stability, but the possibility of slipping, leading the transmission of a welding current through the movable contact, resulting in longitudinal shell under the effect of shortening the welding force.

Технической задачей изобретения является повышение качества сварного соединения путем стабилизации сварочного процесса за счет исключения возможности возникновения подвижного контакта между электродом установки контактно-стыковой сварки и оболочкой твэла в момент прохождения сварочного тока.An object of the invention is to improve the quality of the welded joint by stabilizing the welding process by eliminating the possibility of a movable contact between the contact butt welding electrode and the fuel cladding at the moment of passage of the welding current.

Решение задачи достигается тем, что в устройстве для герметизации оболочек тепловыделяющих элементов контактно-стыковой сваркой с помощью заглушек, содержащем расположенные на основании неразъемный в процессе работы корпус герметичной сварочной камеры со сквозным каналом для подачи деталей в зону сварки, расположенные в корпусе сварочной камеры механизмы захвата и фиксации свариваемых деталей в виде цанг с соответствующими приводами, жестко связанными с корпусом сварочной камеры, расположенные на основании привод сварочного усилия и механизм дополнительного зажима оболочки, который неподвижно связывает оболочку с основанием на период сварки, расположенные внутри корпуса сварочной камеры два электрода, один из которых (электрод заглушки) имеет возможность перемещаться относительно корпуса герметичной сварочной камеры, а другой электрод (электрод оболочки) неподвижен относительно корпуса герметичной сварочной камеры, согласно изобретению неразъемный в процессе работы корпус герметичной сварочной камеры соединен с основанием устройства через одноподвижную поступательную кинематическую пару с возможностью перемещения в направлении, совпадающем с направлением действия сварочного усилия в процессе герметизации, и снабжен механизмом принудительного возврата в исходное положение.The solution to the problem is achieved in that in a device for sealing the shells of fuel elements by flash butt welding using plugs containing a sealed welding chamber body that is inseparable during operation and has a through channel for supplying parts to the welding zone, gripping mechanisms located in the welding chamber body and fixing the parts to be welded in the form of collets with corresponding drives rigidly connected to the body of the welding chamber located on the base of the welding force drive and a mechanism for additional clamping of the shell, which motionlessly connects the shell to the base for the welding period, two electrodes located inside the body of the welding chamber, one of which (plug electrode) has the ability to move relative to the body of the sealed welding chamber, and the other electrode (shell electrode) is stationary relative to the body of a sealed welding chamber, according to the invention, the body of the sealed welding chamber, which is integral during operation, is connected to the base of the device via tupatelnuyu kinematic pair is movable in a direction coinciding with the direction of action of force during the welding seal, and provided with a mechanism of forced reset.

Указанная совокупность признаков позволяет достигнуть решения поставленной технической задачи, так как смещение под действием сварочного усилия неразъемного корпуса герметичной сварочной камеры и неподвижного относительно корпуса электрода оболочки вместе с зажатым в нем герметизируемым (свариваемым) концом оболочки твэла позволяет исключить в момент прохождения сварочного тока взаимное проскальзывание охватывающих поверхностей электрода оболочки и охватываемой поверхности конца оболочки твэла, в который вдавливается заглушка. При этом стабилизируется контактное сопротивление и, как следствие, параметры сварочного процесса, что приводит к повышению качества сварного соединения оболочки с заглушкой твэла.The indicated set of features makes it possible to achieve the solution of the technical problem, since the displacement under the action of the welding force of the one-piece body of the sealed welding chamber and the shell fixed relative to the electrode body together with the sealed (welded) end of the fuel cladding clamped in it eliminates the mutual slipping of the enveloping the surfaces of the cladding electrode and the covered surface of the end of the cladding of the fuel element into which the plug is pressed. In this case, the contact resistance and, as a consequence, the welding process parameters are stabilized, which leads to an increase in the quality of the welded joint of the cladding with the fuel plug.

Синхронное с электродом смещение сварочной камеры позволит упростить конструкцию устройства за счет исключения подвижного уплотнения тяги электрода, корпуса камеры и фланца-токоподвода.The offset of the welding chamber synchronous with the electrode will simplify the design of the device by eliminating the movable seal of the electrode rod, chamber body and current supply flange.

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

На фигуре представлена схема устройства для герметизации оболочек тепловыделяющих элементов контактно-стыковой сваркой с помощью заглушек.The figure shows a diagram of a device for sealing the shells of fuel elements by flash butt welding using plugs.

Устройство для герметизации оболочек тепловыделяющих элементов контактно-стыковой сваркой с помощью заглушек имеет общее основание (1) с жесткостью, достаточной для обеспечения отсутствия его прогиба при приложении сварочного усилия к свариваемым деталям. На основании (1) располагаются: корпус сварочной камеры (2), имеющий опору (3) в виде одноподвижной поступательной кинематической пары для синхронного перемещения с электродом оболочки (4) под действием сварочного усилия, механизм дополнительного зажима оболочки (5), привод (6) создания зазора между свариваемыми деталями, привод сварочного усилия (7) и механизм (8) принудительного возврата корпуса сварочной камеры в исходное положение после завершения цикла сварки. К корпусу (2) накидной гайкой (9) герметично присоединен фланец-токоподвод (10), который образует внутренний рабочий объем сварочной камеры. Во фланце-токоподводе (10) имеется центральное отверстие, через которое подаются в сварочную камеру свариваемые детали - заглушка (11) и оболочка (12). Для герметизации центрального отверстия с размещенной в нем оболочкой на наружном торце фланца-токоподвода расположен механизм герметизации (13). В состав механизма герметизации (13) входит ложемент (14) для приема заглушек из загрузочного устройства (15). Подвижные части механизма герметизации (13) сварочной камеры жестко связаны со своим приводом (16). На торец фланца-токоподвода, находящийся внутри камеры, опираются торцы секторов кольцевого разъемного электрода оболочки (4), закрепленные на внутренней поверхности подпружиненных лепестков цанги (17). Лепестки цанги своими коническими поверхностями опираются на посадочный конус полой тяги (18), которая жестко связана со своим приводом (19), который, в свою очередь, закреплен на корпусе сварочной камеры (2). Между корпусом (2) и тягой (18) имеется кольцевое скользящее регулируемое уплотнение (20), обеспечивающее герметизацию рабочего объема сварочной камеры и свободное перемещение тяги при работе привода (19). В отверстии полой тяги (18) помещен полый шток (21), жестко связанный с приводом (6). Шток (21) состоит из двух оболочек - наружной и внутренней, разделенных слоем электроизоляционного материала. Оболочки штока (21) не имеют взаимного перемещения как в осевом, так и в радиальном направлении. Уплотнение тяги (18) и штока (21) осуществляется кольцевым скользящим регулируемым уплотнением (22). В коаксиальном отверстии полого штока (21) размещена тяга (23) электрода заглушки (24), жестко связанная через электроизолирующую прокладку (25) с приводом (26). Корпус привода (26) жестко связан с полым штоком (21). Тяга (23) соединена с электродом заглушки (24), выполненным в виде трехлепестковой бронзовой цанги. Лепестки своими рабочими коническими поверхностями опираются на посадочный конус внутренней оболочки полого штока (21). Во внутренний диаметр электрода (24) помещается хвостовик заглушки (11), торец которой упирается в торец оболочки (12). Уплотнение тяги (23) и штока (21) осуществляется кольцевым скользящим регулируемым уплотнением (27). Шток (21) и фланец-токоподвод (10) подключены к сварочному источнику питания (28) и через сектора кольцевого разъемного электрода оболочки (4), оболочку (12), заглушку (11) и электрод заглушки (24) образуют вторичный сварочный контур.A device for sealing the shells of fuel elements by flash butt welding using plugs has a common base (1) with a rigidity sufficient to ensure that it does not deflect when a welding force is applied to the parts being welded. On the basis of (1) are located: the body of the welding chamber (2), having a support (3) in the form of a one-moving translational kinematic pair for synchronous movement with the electrode of the shell (4) under the action of a welding force, an additional clamping mechanism for the shell (5), a drive (6 ) creating a gap between the parts to be welded, a welding force drive (7) and a mechanism (8) for forcing the welding chamber body to return to its original position after the completion of the welding cycle. A flange-current lead (10) is tightly connected to the housing (2) with a union nut (9), which forms the internal working volume of the welding chamber. In the current supply flange (10) there is a central hole through which the parts to be welded are fed into the welding chamber - a plug (11) and a shell (12). To seal the central hole with a shell placed in it, a sealing mechanism is located on the outer end of the current-supply flange (13). The sealing mechanism (13) includes a lodgement (14) for receiving plugs from the loading device (15). The movable parts of the sealing mechanism (13) of the welding chamber are rigidly connected to their drive (16). The ends of the sectors of the annular detachable electrode of the shell (4), fixed on the inner surface of the spring-loaded collet petals (17), rest on the end face of the current supply flange inside the chamber. Collet petals with their conical surfaces rest on the landing cone of the hollow rod (18), which is rigidly connected to its drive (19), which, in turn, is mounted on the body of the welding chamber (2). Between the body (2) and the rod (18) there is an annular sliding adjustable seal (20), which provides sealing of the working volume of the welding chamber and free movement of the rod during operation of the drive (19). In the hole of the hollow rod (18) is placed a hollow rod (21), rigidly connected to the drive (6). The rod (21) consists of two shells - external and internal, separated by a layer of electrical insulation material. The stem shells (21) do not have mutual displacement both in the axial and in the radial direction. The thrust (18) and the rod (21) are sealed by an annular sliding adjustable seal (22). In the coaxial hole of the hollow rod (21) there is a rod (23) of the plug electrode (24), rigidly connected through an electrically insulating gasket (25) to the drive (26). The drive housing (26) is rigidly connected to the hollow stem (21). The rod (23) is connected to the electrode plugs (24), made in the form of a three-leaf bronze collet. Petals with their working conical surfaces rest on the landing cone of the inner shell of the hollow rod (21). The shank of the plug (11) is placed in the inner diameter of the electrode (24), the end of which abuts against the end of the shell (12). The thrust (23) and rod (21) are sealed by an annular sliding adjustable seal (27). The rod (21) and the current lead flange (10) are connected to the welding power source (28) and through the sectors of the ring detachable electrode of the shell (4), the shell (12), the plug (11) and the plug electrode (24) form a secondary welding circuit.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Из загрузочного устройства (15) заглушка (11) подается в ложемент (14), ориентируясь хвостовиком по направлению движения. Оболочка (12) устройством подачи свариваемых деталей (на фиг. не показано) смещается в осевом направлении через раскрытый механизм дополнительного зажима (5), ложемент (14), раскрытый механизм герметизации (13), центральное отверстие фланца-токоподвода (10) и раскрытые сектора электрода оболочки (4). При этом торец оболочки проталкивает из ложемента находящуюся там заглушку на позицию сварки в сварочную камеру. Заглушка своим хвостовиком попадает в отверстие электрода (24), а буртиком упирается в торцы его лепестков и остается в таком положении, испытывая осевое давление со стороны оболочки, которое создается устройством подачи свариваемых деталей. Это исходное состояние изображено на фигуре.From the loading device (15), the plug (11) is fed into the tool tray (14), being guided by the shank in the direction of movement. The shell (12) with a feed device for welded parts (not shown in Fig.) Is displaced axially through the open additional clamping mechanism (5), the lodgement (14), the open sealing mechanism (13), the central hole of the current supply flange (10) and open sectors of the shell electrode (4). In this case, the end face of the shell pushes the plug located there from the lodgement to the position of welding into the welding chamber. The plug ends with its shank in the hole of the electrode (24), and abuts against the ends of its petals and remains in this position, experiencing axial pressure from the side of the shell, which is created by the device for feeding the welded parts. This initial state is depicted in the figure.

Включается привод (26), который перемещает в осевом направлении относительно полого штока (21) тягу (23), связанную с электродом заглушки (24). Лепестки электрода смыкаются, зажимая хвостовик заглушки (11). После зажатия заглушки включается привод (19), жестко связанный с полой тягой (18). Полая тяга (18), перемещаясь в осевом направлении относительно корпуса сварочной камеры (2), воздействует конической поверхностью на конические поверхности лепестков цанги (17). Перемещаясь в радиальном направлении, лепестки цанги (17) охватывающими поверхностями сектора кольцевого разъемного электрода (4) зажимают оболочку (12) с таким усилием, чтобы сила трения, создаваемая охватывающими поверхностями электрода на охватываемой поверхности оболочки, превышала трение покоя в подвижной опоре сварочной камеры и была достаточной для создания плотного электрического контакта. В осевом направлении лепестки цанги не могут перемещаться, так как жестко связаны с секторами кольцевого разъемного электрода (4). После зажатия оболочки цангой закрывается механизм дополнительного зажима (5), который не допускает осевого смещения трубы в результате воздействия сварочного усилия, от которого не могут удержать нагретую оболочку, в силу своих конструктивных особенностей, сектора кольцевого разъемного электрода (4). После срабатывания механизма дополнительного зажима (5) включается привод герметизации (16) сварочной камеры со стороны оболочки, жестко связанный с подвижными элементами механизма герметизации оболочки в сварочной камере (13). Производится герметизация центрального отверстия фланца-токоподвода (10), в котором находится оболочка (12). Одновременно с приводом (16) включается привод (6) создания зазора между свариваемыми деталями, который жестко связан с полым штоком (21). Полый шток перемещается в осевом направлении вместе с электродом заглушки (24), в котором зажата заглушка (11), и отводит ее от торца оболочки, создавая зазор определенной величины, необходимый для вакуумирования и наполнения инертным газом внутреннего объема оболочки твэла. Зазор между торцом оболочки и заглушкой определяется ходом привода (6), который ограничен фиксатором, жестко связанным с приводом сварочного усилия (7). После постановки подвижной части привода (6) на фиксатор осуществляется вакуумирование сварочной камеры и внутреннего объема оболочки. Устройства вакуумирования и напуска газа на фигуре не показаны. При достижении заданного остаточного давления производится напуск инертного газа. После заполнения внутреннего объема оболочки твэла инертным газом включаются на прямой ход привод сварочного усилия (7) и на обратный ход привод создания зазора (6). Оба привода работают совместно, преодолевая противодавление газа (2,3 МПа), заполняющего сварочную камеру, и создавая необходимое для сварки усилие. Полый шток (21) перемещается до упора торца заглушки (11) в торец оболочки (12), создается холодный контакт между свариваемыми деталями. При этом происходит продольное укорочение оболочки от приложенной нагрузки, и электрод (4) вместе с зажатым в нем концом оболочки смещается в направлении действия сварочного усилия, передавая нагрузку на фланец-токоподвод. Поскольку фланец-токоподвод жестко связан с корпусом (2) сварочной камеры, то под действием сварочного усилия она смещается в подвижной опоре (3) относительно основания (1). После выдержки времени, необходимого для осуществления всех перемещений и стабилизации сварочного усилия, включается сварочный источник питания (28). При пропускании сварочного тока через припуски под сварку и осадку свариваемых деталей происходит их нагрев. Под воздействием сварочного усилия заглушка вдвигается в трубу, происходит взаимная пластическая деформация припусков под сварку и осадку, сварочный ток выключается, образуется сварное соединение. В случае дополнительной продольной деформации оболочки при вдавливании заглушки процесс смещения электрода и сварочной камеры продолжается по схеме, описанной выше. После образования сварного соединения срабатывает привод (26), лепестки электрода заглушки (24) раскрываются, освобождая от захвата хвостовик заглушки. Привод сварочного усилия (7) возвращается в исходное состояние. Из сварочной камеры сбрасывается инертный газ. Привод (19) полой тяги (18) возвращается в исходное состояние, цанга (17) освобождает от захвата оболочку (12). Привод (16) и механизм дополнительного зажима трубы (5) возвращаются в исходное состояние. Герметизированный твэл выгружается из сварочной камеры, механизм (8) возвращает корпус сварочной камеры в исходное состояние, устройство готово к следующему циклу сварки.The drive (26) is turned on, which moves in the axial direction relative to the hollow rod (21) the rod (23) connected with the electrode of the plug (24). The petals of the electrode close by clamping the shank of the plug (11). After clamping the plug, the drive (19) is switched on, rigidly connected with the hollow rod (18). The hollow rod (18), moving in the axial direction relative to the body of the welding chamber (2), acts with a conical surface on the conical surface of the petals of the collet (17). Moving in the radial direction, the collet petals (17) by the covering surfaces of the sector of the annular detachable electrode (4) clamp the shell (12) with such a force that the friction force created by the covering surfaces of the electrode on the covered surface of the shell exceeds the static friction in the movable support of the welding chamber and was sufficient to create a tight electrical contact. In the axial direction, the collet petals cannot move, since they are rigidly connected with sectors of the annular detachable electrode (4). After clamping the shell with a collet, the additional clamping mechanism (5) closes, which prevents axial displacement of the pipe as a result of the welding force, from which the heated shell cannot hold, due to its design features, the sectors of the ring detachable electrode (4). After the additional clamping mechanism (5) is activated, the sealing drive of the welding chamber (16) of the welding chamber is turned on, rigidly connected to the movable elements of the sealing mechanism of the shell in the welding chamber (13). The central hole of the current-supply flange (10), in which the shell (12) is located, is sealed. Simultaneously with the actuator (16), the actuator (6) is activated to create a gap between the parts to be welded, which is rigidly connected to the hollow rod (21). The hollow rod moves in the axial direction together with the plug electrode (24), in which the plug (11) is clamped, and moves it away from the end of the cladding, creating a gap of a certain size necessary for evacuation and filling with an inert gas the internal volume of the fuel cladding. The gap between the end of the shell and the plug is determined by the stroke of the actuator (6), which is limited by a latch rigidly connected to the actuator of the welding force (7). After setting the movable part of the drive (6) on the latch, the welding chamber and the inner volume of the shell are evacuated. Vacuum and gas inlet devices are not shown in the figure. When the specified residual pressure is reached, inert gas is blown. After filling the internal volume of the cladding of the fuel rod with inert gas, the welding force drive (7) and the clearance gap drive (6) are switched on for a direct stroke. Both drives work together, overcoming the back pressure of the gas (2.3 MPa) filling the welding chamber, and creating the force necessary for welding. The hollow rod (21) is moved all the way to the end of the plug (11) in the end of the shell (12), a cold contact is created between the parts to be welded. In this case, the shell is longitudinally shortened from the applied load, and the electrode (4), together with the shell end clamped in it, is displaced in the direction of the welding force, transferring the load to the current supply flange. Since the current-supply flange is rigidly connected with the housing (2) of the welding chamber, under the action of the welding force, it moves in the movable support (3) relative to the base (1). After holding the time required for all movements and stabilizing the welding force, the welding power source is turned on (28). When the welding current is passed through the allowances for welding and the draft of the welded parts, they are heated. Under the influence of the welding force, the plug is inserted into the pipe, mutual plastic deformation of the allowances for welding and upsetting occurs, the welding current is turned off, and a welded joint is formed. In the case of additional longitudinal deformation of the shell when the plug is pressed in, the process of displacement of the electrode and the welding chamber continues according to the scheme described above. After the welded joint is formed, the actuator (26) is actuated, the petals of the plug electrode (24) open, freeing the plug end from the grip. The welding force drive (7) returns to its original state. Inert gas is discharged from the welding chamber. The drive (19) of the hollow thrust (18) returns to its original state, the collet (17) frees the shell (12) from gripping. The drive (16) and the additional clamping mechanism of the pipe (5) are returned to their original state. The sealed fuel rod is unloaded from the welding chamber, mechanism (8) returns the housing of the welding chamber to its initial state, the device is ready for the next welding cycle.

Claims

A device for sealing the shells of fuel elements by flash-butt welding using plugs, containing a sealed welding chamber located on the base with a body that is inseparable during operation and has a through channel for supplying parts to the welding zone, gripping and fixing mechanisms of the parts being welded in the body of the welding chamber in the form collet with corresponding drives rigidly connected to the body of the welding chamber, a welding force drive and an additional clamping mechanism for the tubular product shell located inside the body of the welding chamber, a plug electrode that is movable relative to the body of the sealed welding chamber, and a shell electrode fixed stationary relative to the body of the sealed welding chamber, characterized in that the body of the sealed welding chamber, which is inseparable during operation, is connected to the base through a single-moving translational kinematic a pair with the ability to move in the direction coinciding with the direction of action of the welding force in the sealing process tion, and is equipped with a mechanism for forced return to its original position.