На правах рукописи

Табакин Евгений Мордухович

СНИЖЕНИЕ ПОРИСТОСТИ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ

СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ ТОНКОСТЕННЫХ

ОБОЛОЧЕК ИЗ ДИСПЕРСИОННОУПРОЧНЕННЫХ ОКСИДАМИ СТАЛЕЙ

Специальность 05.03.06

Технологии и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград – 2008 2

Работа выполнена в ОАО «ГНЦ Научно-исследовательский институт атомных реакторов» (г. Димитровград)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Казаков Юрий Васильевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лапин Игорь Евгеньевич.

кандидат технических наук Кириличев Николай Васильевич

Ведущая организация – ФГУП ВНИИНМ им. А.А Бочвара

Защита диссертации состоится «» 2008 г в _часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.02 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу:

400131, г. Волгоград, ул. Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «_» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Кузьмин С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одно из перспективных направлений развития атомной энергетики – эксплуатация реакторов на быстрых нейтронах (РБН).

Федеральная целевая программа «Развитие атомного комплекса России до 2015 года» предусматривает активное строительство и коммерческое использование РБН. Наиболее ответственными изделиями активной зоны РБН являются оболочки тепловыделяющих элементов (твэлов). Для более полной реализации экономических возможностей таких реакторов японскими специалистами предложено использование в качестве конструкционного материала тонкостенных оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) сталей ферритного и мартенситного классов, изготовленных методом порошковой металлургии и дисперсионно упрочненных наночастицами оксида Y2O3 (ОДС сталей).

Обязательной частью технологии изготовления твэлов реакторов является процесс их герметизации с помощью сварки. Изучению вопроса сварки металлов, изготовленных методом порошковой металлургии, посвящены работы В.В. Редчица, Г.Д. Никифорова, Г.Х. Гессингера, С. Укаи и других специалистов. Из мировой практики Японии, США, Франции известно, что задача формирования качественных сварных соединений металлов, изготовленных методом порошковой металлургии, в большинстве случаев решается с применением способов сварки, обеспечивающих соединение деталей в твердой фазе или с минимальным расплавлением кромок: контактно-стыковой, диффузионной, магнитно-импульсной. Однако технология герметизации оболочек твэлов, выполняемая в дистанционных условиях защитных боксов, предполагает использование менее трудоемких и более экономически оправданных способов сварки плавлением аргонодуговой сварки неплавящимся электродом (АДС) и лазерной сварки (ЛС). О широком применении этих способов сварки свидетельствуют работы Ю.И. Казеннова, Л.И. Ревизникова, А.Г. Григорянца, И.Е. Лапина. Но при сварке плавлением изделий из рассматриваемых сталей в сварных соединениях наблюдается повышенная склонность к образованию пор, дефектов, приводящих к нарушению их сплошности и, как следствие, к недопустимому снижению работоспособности твэлов.

Актуальность работы подтверждается ее выполнением в рамках международного контракта № 392/20553876/125166 между фирмами JAЕR (Япония) и ОАО «ГНЦ НИИАР» (Россия) «Исследование оксидных упрочненных сталей для их использования в качестве оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах».

Цель работы. Повышение качества сварных соединений тонкостенных оболочек твэлов из дисперсионно-упрочненных оксидами сталей (ОДС) путем уменьшения образования пор при сварке плавлением в дистанционных условиях.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Исследованы причины и условия образования пор при сварке плавлением тонкостенных оболочек из ОДС сталей.

2. Определены основные технологические параметры процесса сварки плавлением тонкостенных оболочек твэлов из ОДС сталей в дистанционных условиях защитных боксов, обеспечивающие повышение качества сварных соединений.

3. Проверена работоспособность сварных соединений в условиях эксплуатации.

Методы исследований. В работе использованы как общепринятые, так и разработанные автором расчетные и экспериментальные методики исследования процесса образования пор при сварке дисперсионноупрочненных сталей. Качество сварных соединений оценивалось методами рентгенографического, масс-спектрометрического и металлографического контроля. Работоспособность сварных соединений определялась с применением методик электронной сканирующей микроскопии (для изучения распределения оксида иттрия), испытаниями на конструктивную прочность растяжением и нагружением внутренним давлением на образцах специально разработанной конструкции. Теоретические исследования по определению влияния теплового воздействия сварки на время существования металла сварного шва в расплавленном состоянии были выполнены с использованием пакета программ ANSYS и расчетных кодов SOLID70.

Экспериментальные исследования технологии сварки проводились на отечественном и импортном сварочном оборудовании (для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом и лазерной сварки), адаптированном к дистанционным условиям изготовления твэлов. Результаты работы апробированы при изготовлении экспериментальных тепловыделяющих сборок для облучения в реакторе БОР-60. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием сертифицированных методик, известных положений, сходимостью расчетных и экспериментальных данных, а также промышленной проверкой.

Научная новизна работы заключается в установлении взаимосвязей времени нахождения металла сварного шва оболочки из ОДС стали в расплавленном состоянии и доли участия этой стали в формировании сварного шва со скоростью увеличения размеров пор, изменением средней концентрации и равномерностью распределения частиц оксида иттрия в сечении шва.

1. Установлено, что причиной образования пор при сварке оболочек из ОДС сталей является состояние металла, изготовленного методом порошковой металлургии, содержащего в микронесплошностях аргон. При этом диаметр пор увеличивается со скоростью от 0,1 до 0,6 мм/с пропорционально доле участия ОДС стали в формировании сварного шва, по механизму коалесценции мелких пор в крупные. Поры браковочного размера образуются при нагревании металла до температуры более 1440 С и при его расплавлении.

2. Определено, что частицы упрочняющей фазы, введенной в матрицу металла механическим легированием, и имеющие плотность меньше основы, всплывают, перемешиваясь в сварочной ванне. При этом, соприкасаясь, они коагулируют в скопления при температуре плавления основы, причем часть этих скоплений выходит на поверхность сварного шва. Средняя концентрация оксида иттрия в сварном шве изменяется пропорционально доле участия ОДС стали в его формировании, а равномерность распределения его дисперсных частиц пропорционально времени tж нахождении свариваемого металла в расплавленном состоянии. При tж более 0,3 с большая часть упрочняющих оксидов находится в шве в виде скоплений.

3. Установлено, что при сварке ОДС сталей за счет повышения давления инертного газа над сварочной ванной ограничивается процесс образования пор и при давлении большем 0,5 МПа поры в сварных соединениях отсутствуют.

Практическая ценность результатов работы. На основании экспериментальных данных установлены основные причины образования пор в сварных соединениях оболочек тепловыделяющих элементов из ОДС сталей, заключающиеся в длительном пребывании свариваемого металла, содержащего аргон при температуре, превышающей 1440 С. Разработаны конструкции сварных соединений с оптимальной долей участия используемых материалов оболочки (ОДС сталь) и заглушки (сталь 05Х12Н2М). С использованием экспериментальных и расчетных методик определены технологические приемы и режимы АДС и импульсной лазерной сварки, при которых за счет нахождения металла шва в расплавленном состоянии менее 0,15 с при 100 %-й и 0,8 с при 15 %-й долях участия ОДС стали в формировании соединения ограничивается процесс образования пор и повышается качество сварных соединений. Отработаны технологические приемы исправления дефектов сплошности сварных соединений за счет повторной сварки в условиях повышенного давления инертного газа и многократной ремонтной сварки. С помощью исследования состояния сварных соединений после эксплуатации твэлов в течение двух с половиной лет в реакторе БОР-60 и испытаний на конструктивную прочность проведено обоснование их работоспособности. Результаты выполненных исследований использованы при производстве экспериментальных тепловыделяющих элементов РУ БОР-60 для проведения дальнейших исследований по обоснованию повышенного ресурса эксплуатации оболочек из ОДС сталей.

Экономический эффект внедрения результатов работ составил около 300 тыс.

руб. Основная часть эффекта получена за счет уменьшения вероятности образования пор в сварных соединениях при герметизации годовой программы производства оболочек твэлов тепловыделяющих сборок РУ БОР-60. Это подтверждает достижение цели работы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Сварка и смежные технологии» (28-30 ноября 2000 г., г.

Москва), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства» (15- ноября 2006 г., г. Тольятти), на научно-технической конференции, посвященной 50-летию НИИАРа «Экспериментальное обоснование проектных, конструкторских и технологических решений в инновационных разработках ядерной энергетики» (4-8 декабря 2006 г., г. Димитровград), на научно-практической конференции «Прочность и долговечность сварных конструкций в тепловой и атомной энергетике» (25-27 сентября 2007 г., г.Санкт-Петербург).

Публикации. Основные результаты выполненных исследований отражены в 22 публикациях, в том числе в восьми статьях в рецензируемых журналах («Сварочное производство», «Атомная энергия», «Технология машиностроения», «Вопросы материаловедения»), в 12 публикациях в других журналах, сборниках докладов и тезисов, а также в двух патентах РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников из наименований. Содержит 167 страниц машинописного текста, 82 рисунка, таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, сформулирована цель работы.

В первой главе проанализированы технология изготовления и особенности сварки тонкостенных оболочек из дисперсионно-упрочненных оксидами сталей и других металлов, изготавливаемых методом порошковой металлургии. Рассмотрены условия эксплуатации сварных соединений твэлов реакторов на быстрых нейтронах. Дана оценка возможности использования различных конструкций сварных соединений и способов сварки при изготовлении твэлов с оболочками из ОДС сталей в дистанционных условиях защитных боксов.

Высокое качество сварных соединений в металлах, изготовленных методом порошковой металлургии, можно получить за счет применения контактно-стыковой, диффузионной и других способов сварки, обеспечивающих соединение элементов конструкций в твердой фазе или с минимальным расплавлением кромок. Однако так как технология герметизации твэлов с оксидным уран-плутониевым топливом определяет необходимость выполнения сварки в боксах с дистанционным управлением процесса, более экономически оправдано использование способов сварки плавлением. Но при сварке плавлением таких сталей в сварных соединениях образуются поры, нарушающие их сплошность и работоспособность.

Согласно результатам исследований, проведенных ранее сотрудниками института имени академика А.А. Бочвара, установлено, что прочность сварных соединений оболочек твэлов толщиной 0,4 мм обеспечивается, если диаметр пор не превышает 0,08 мм. Такие жесткие требования определяют необходимость борьбы с образованием дефектов сплошности в сварных соединениях оболочек твэлов из ОДС сталей.

Проведенный анализ типовых конструкций сварных соединений, применяемых при герметизации тонкостенных изделий активных зон, показал, что одним из наиболее распространенных соединений является торцовое точечное. Выполнение таких швов легко автоматизируется, технология сборки под сварку в дистанционных условиях защитных боксов значительно упрощается. Отличительной особенностью такой конструкции и разновидности способа аргонодуговой сварки является возможность применения режимов, позволяющих регулировать время существования металла в расплавленном состоянии в большом диапазоне. Стыко-замковая конструкция соединения под сварку в большинстве случаев предполагает использование оболочки и заглушки с технологическим буртом. Такие конструкции соединений часто применяют при аргонодуговой, электронно– лучевой и лазерной способах сварки.

Технология навивки и крепления дистанционирующей проволоки из аустенитной стали (ЧС-68) на оболочку твэла из трудно свариваемого материала, какой является ОДС сталь, предусматривает ее приварку к концевым элементам изделия внахлестку.

Сварные соединения нижней части твэла эксплуатируются в условиях меньших радиационных (D = 4…6 сна (смещения на атом)) и тепловых нагрузок (Т = 300…320 С), чем верхние соединения (D = 10…14 сна, Т = 650…700 С) и зона топливного столба (D > 100 сна, Т = 700…720 С).

Максимальное давление газовых продуктов деления внутри твэла не превышает 7 МПа. Разные условия эксплуатации позволяют использовать различный подход при разработке технологии сварки, выборе сварочных материалов и определении работоспособности сварных соединений.

Для порошковых сталей, как и для других металлов, одним из способов снижения пористости при сварке является регулирование времени существования сварочной ванны. При максимальном увеличении времени сварки происходит дегазация сварочной ванны, что способствует уменьшению количества пор. Однако использование такого метода ограничено при сварке малогабаритных тонкостенных изделий из-за большой вероятности образования дефектов, нарушающих требуемую форму сварного шва, и может быть недостаточно эффективно при сварке порошковых металлов. Сокращение времени сварки и пребывания металла шва в расплавленном состоянии, напротив, способствует ограничению процесса зарождения и роста газовых пузырьков в сварочной ванне. Однако при применении жстких режимов сварки повышается вероятность нарушения формы сварного шва из-за активных динамических процессов, происходящих в сварочной ванне. Поэтому необходимо определить оптимальные параметры технологии сварки, конструкции сварных соединений, методы и технологические приемы, позволяющие при обеспечении требуемой формы сварных соединений повысить их сплошность. Так как сведения об образовании пор при сварке ОДС сталей ограничены и недостаточны для определения методов борьбы с ними, необходимо исследовать причины и условия их формирования в сварных швах. Сварка плавлением, по сообщению Г.Х. Гессингера, влияет на состояние ОДС стали, на концентрацию и равномерность распределения оксида иттрия в сварных соединениях, что в свою очередь сказывается на их работоспособности при высоких температурах.

Анализ известных решений в области сварки позволил установить, что для получения качественных сварных соединений тонкостенных оболочек твэлов из ОДС сталей необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать причины и условия образования пор при сварке плавлением тонкостенных оболочек из ОДС сталей.

2. Определить основные технологические параметры процесса сварки плавлением тонкостенных оболочек твэлов из ОДС сталей в дистанционных условиях защитных боксов, обеспечивающие повышение качества сварных соединений.

3. Проверить работоспособность сварных соединений в условиях эксплуатации.

Во второй главе работы приведены результаты исследований по установлению причин и условий образования пор в сварных соединениях.

Определены основной источник, механизм и скорость образования дефектов при температурных условиях сварки и различной доле участия ОДС стали в формировании сварного соединения. Произведена расчетная оценка влияния применяемых дистанционно способов сварки на время существования сварочной ванны.

Склонность ОДС стали к образованию дефектов сплошности определялась с помощью технологических проб, выполняемых аргонодуговой сваркой по основному металлу и стыковому соединению (рис.

(wppm) Массовая доля Ar в образце, млн Установлено, что в процессе сварки содержание аргона в околошовной зоне (ОШЗ) уменьшается за счет его перехода в металл шва. Исходя из этого, предположили, что, несмотря на то, что часть аргона покидает металл шва, его поступление из ОШЗ препятствует дегазации и поддерживает процесс образования пор.

Скорость увеличения размеров пор из микрозародышей в поры браковочного размера определялась многократным оплавлением торцовой конструкции сварного соединения, выполняемым АДС, с поэтапным рентгенографическим контролем. Оценка проводилась для разных соотношений свариваемых сталей, в конструкции сварных соединений, предусматривающих применение различных способов сварки (рис. 4): 1) % сталь 05Х12Н2М+15 % ОДС (для АДС оплавлением торца), 2) 50 % сталь 05Х12Н2М+50 % ОДС (для лазерной сварки), 3) соединение с применением 100 % ОДС стали (для любого способа сварки плавлением).

Диаметр поры, мм Установлено, что при герметизации оболочек твэлов критичным, с точки зрения образования пор браковочного размера (диаметром (dкр) более 0,08 мм), при различном соотношении свариваемых металлов, является время от 0,15 с до 0,8 с. Результаты рентгенографического контроля многократно расплавляемого металла сварного шва показали, что увеличение размеров пор происходит за счет объединения микропузырьков по механизму коалесценции.

Время существования сварочной ванны (ВССВ) при АДС и импульсной лазерной сварке рассчитывалось с применением метода конечных элементов.

Была предложена расчетная модель решения прямой задачи теплопроводности при одиночном импульсном воздействии на поверхность изделия, характерном для обоих способов сварки.

В качестве начальных условий было принято, что температура в начальный момент времени во всех точках свариваемой поверхности равнялась 0 С, удельный тепловой поток qс = 0, площадь поверхности тепловой нагрузки, определяемая диаметром пятна нагрева лазерного луча (d = 0,8 мм), геометрия свариваемого изделия ( 6,9х0,4 мм). Поглощенная энергия оценивалась по фактическому объему расплавляемого металла от одного импульса с учетом теплофизических свойств материала (удельной теплоемкости и удельной теплоты плавления).

Принимая граничные условия 2-го рода, можно считать, что граница рассматриваемого тела во время кратковременного воздействия импульса адиабатична.

Согласно проведенным расчетам величина ВССВ в процессе лазерной сварки составила 3…4 мс. При АДС методом оплавления торца значение этого параметра составило 0,6…0,7 с. Полученные значения времени существования сварочной ванны хорошо соотносятся с данными, опубликованными Рыкалиным Н.Н.

В третьей главе приведены результаты исследований по определению основных технологических параметров процесса сварки, при реализации которых обеспечивается повышение сплошности сварных соединений тонкостенных оболочек твэлов из ОДС сталей. Показана возможность снижения порообразования за счет уменьшения доли участия ОДС стали в формировании сварного соединения и ограничения времени существования сварочной ванны. На основании полученных зависимостей определены режимы и технологические приемы АДС и лазерной импульсной сварки.

Отработана технология исправления дефектов сплошности в сварных соединениях, забракованных при использовании АДС из-за наличия пор браковочного размера. Показана возможность снижения вероятности образования дефектов за счет совершенствования конструкции соединения под сварку. Установлена зависимость изменения средней концентрации и равномерности распределения оксида иттрия в сварных соединениях от доли участия ОДС стали в формировании соединения и времени нахождения металла в расплавленном состоянии. Определена возможность крепления дистанционирующей проволоки к концевым элементам твэла с помощью аргонодуговой сварки.

Снижение порообразования за счет уменьшения влияния провоцирующих факторов возможно, если при формировании сварного соединения вместе с ОДС сталями использовать сталь, не склонную к пористости. В торцевой конструкции твэла этого можно достичь, применяя в качестве материала заглушки, например литую сталь ферритномартенситного класса 05Х12Н2М. Проведенные эксперименты показали, что наилучшим при аргонодуговой сварке методом оплавления торца с учетом сохранения геометрии сварного соединения можно считать соотношение ОДС стали и стали 05Х12Н2М как 15:85. Увеличение доли ОДС стали при этом способе сварки способствует значительному увеличению пористости, а уменьшение повышает вероятность нарушения требуемой формы сварного шва.

По результатам экспериментальной оценки были получены зависимости (рис. 5) влияния времени нахождения металла сварного шва в расплавленном состоянии (tж), соответствующего определенному режиму и способу сварки, на вероятность получения сварных соединений с порами браковочного размера. Основными параметрами режимов сварки, определяющими время tж при применении этих способов, являются: время сварки и сила тока для АДС, напряжение накачки, частота импульсов, скорость вращения изделия для лазерной сварки. При отработке режимов с использованием установленных зависимостей определено, что в случае применения АДС на максимально жестких режимах, при которых обеспечивается требуемая форма сварного шва, и минимальной доле участия ОДС стали возможно снижение брака до 15…20 % (рис. 6; 7, а).

При импульсной лазерной сварке практически любой реализуемый режим с различной долей участия ОДС стали позволяет получить сварные соединения с минимальным количеством пор и 2…3 % брака (рис. 6; 7, б).

Образцы с порами (партия 100 шт), % Рис. 5. Зависимость влияния времени нахождения металла сварного шва в расплавленном состоянии (tж) на вероятность образования пор браковочного размера при различной Iсв=180...200 A Iсв=250…260 А Icв=270...280 A Установлено, что дегазация металла шва за счет увеличения времени сварки практически невозможна из-за поступающего из ОШЗ аргона (рис. 8).

При применении многократной (до 4-5 циклов) повторной аргонодуговой сварки с использованием первоначальных режимов ограничивается поступление аргона в металл шва из ОШЗ и обеспечивается возможность получения соединения с требуемой сплошностью за счет дегазации.

Экспериментальными исследованиями установлена взаимосвязь изменения размеров пор и величины давления гелия над сварочной ванной.

Определено, что поры браковочного размера, возникающие при применении отработанной технологии аргонодуговой сварки, могут быть устранены повторной ремонтной сваркой в условиях повышенного давления гелия более 0,5 МПа (рис. 9). Результаты металлографических исследований и механических испытаний сварных соединений показали преимущество применения ремонтной сварки в условиях повышенного давления инертного газа для исправления дефектов сплошности.

Рис. 8. Результаты масс-спектрометрических измерений содержания аргона в основных зонах сварных соединений, выполненных АДС оплавления торца; – однократная сварка (Iсв = 160 А; tсв = 3,0…3,2 с); - пятикратная ремонтная сварка (Iсв = 270 А;

Дистанционирующая проволока из аустенитной стали приваривалась в дистанционных условиях с применением АДС на максимально жестких режимах к верхней заглушке и к нижнему сварному шву твэла. Результаты исследования мест приварки проволоки показали, что в большинстве случаев дефекты сплошности в соединениях отсутствуют.

Расчетная и экспериментальная проверки позволили установить, что при применении импульсной лазерной сварки возможно формирование качественного сварного соединения и при сварке обеих деталей из ОДС стали.

Рис. 9. Зависимость изменения диаметра пор от давления гелия над сварочной ванной (Iсв= 140…145 А; tсв = 0,7…0,8 с, длина дуги 3 мм) В сварных соединениях, выполненных АДС методом оплавления торца, оболочек твэлов из ОДС сталей с вероятностью около 30…40 % образуются одиночные поры диаметром до 1,5 мм. Как правило, располагаются они в центральной части купола сварного соединения, вблизи линии сплавления, и не являются браковочными, но их присутствие может повлиять на работоспособность твэла. Для предотвращения появления такого дефекта была изменена конструкция заглушки. В ней изготавливалось осевое отверстие диаметром 1,0 мм, облегчающее выход находящегося в металле газа за пределы сварочной ванны до ее полной кристаллизации. Из-за незначительных размеров отверстия корректировка режимов сварки не требуется.

С использованием методик электронной сканирующей микроскопии было изучено распределение оксида иттрия в сварных соединениях, выполненных АДС и лазерной сваркой. Определено, что при tж более 0,3 с большинство оксидных частиц коагулируют в отдельные скопления (рис. 10).

Также установлено, что основное влияние на среднюю концентрацию оказывает изменение доли участия ОДС стали в формировании сварного шва, и, в меньшей степени, время нахождения последнего в расплавленном состоянии (рис. 11).

Доля Y2O3, перешедшего Рис. 10. Зависимость изменения доли частиц Y2O3, коагулирующих в скопления, от времени нахождения металла в расплавленном состоянии Рис. 11. Зависимость изменения средней концентрации Y2O3 от tж, при различной доле участия ОДС стали: 1) 100 %, 2) 50 %, 3) 15 % По результатам проведенных исследований показано, что при применении лазерной импульсной сварки возможно получение качественных сварных соединений при более высокой доле участия ОДС стали в формировании сварного соединения и при меньшем времени нахождении металла в расплавленном состоянии. При этом средняя концентрация и равномерность распределения оксида иттрия в этих сварных соединениях выше, чем при АДС. Такие данные свидетельствуют о возможном сохранении более высоких жаропрочных свойств сварных соединений.

В четвертой главе проведено обоснование общепромышленного применения результатов работ. Определена работоспособность сварных соединений нижнего узла герметизации твэла и мест крепления дистанционирующей проволоки. Исследовано состояние сварных соединений после их эксплуатации в условиях облучения в реакторе БОР-60.

Показана возможность применения разработанных технологий для улучшения сплошности сварных соединений и при сварке тонкостенных ампул из сплава алюминия. Проанализирована возможность применения результатов исследований для сварки различных конструкций из ОДС сталей. Показана экономическая эффективность результатов работ.

Для подтверждения работоспособности сварных соединений твэла на специально разработанных образцах проводились испытания на конструктивную прочность нагружением внутренним давлением и растяжением при температуре эксплуатации 400 °С (рис. 12 ).

Рис. 12. Образец после испытания внутренним давлением (х 1,5) Результаты испытаний при нагружении внутренним давлением и растяжении показали, что все сварные швы, выполненные аргонодуговой и лазерной сваркой (в том числе и после ремонтной сварки), сохранили свою работоспособность при максимальных нагрузках, определенных условиями эксплуатации твэлов.

Разработанные методы и технологические приемы были успешно использованы для борьбы с порами при сварке тонкостенных ампул из алюминия. Результатами расчетной и экспериментальной оценок установлено, что при лазерной сварке удается не только существенно снизить количество пор в сварном шве, но и уменьшить объем и протяженность оксидных включений в соединениях.

Для реализации результатов исследований и проведения общепромышленной проверки при изготовлении твэлов с оболочками из ОДС сталей созданы специализированные сварочные комплексы для аргонодуговой и лазерной способов сварки, адаптированные к дистанционным условиям «защитных» боксов.

Твэлы, изготовленные с использованием аргонодуговой сварки неплавящимся электродом, в составе экспериментальной тепловыделяющей сборки облучались в течении двух лет в реакторе БОР-60. Результаты оценки состояния сварных соединений после 2,5 лет облучения (до 10 % выгорания, при повреждающей дозе в зоне сварного соединения 2,5…3,5 сна, температуре 300…320 °С) показали, что условия эксплуатации твэла в течение длительного срока не оказали влияния на качество сварных соединений. Изделия не потеряли герметичность, не произошло изменений геометрических размеров сварных соединений, не отмечено появления дефектов как в сечении шва, так и на его поверхности.

Экономическая эффективность применения результатов исследования в случае изготовления годовой программы твэлов с оболочками из ОДС сталей для реактора БОР-60 составляет около 300 тыс. руб.

Общие выводы 1. Основной причиной образования пор в сварных соединениях тонкостенных оболочек из ОДС сталей твэлов быстрых реакторов является состояние металла, изготовленного методом порошковой металлургии, содержащего аргон. Поры образуются в металле шва и прилегающей к нему зоне по механизму коалесценции при нагреве сварочным источником тепла выше температуры 1440 С°.

2. Сварка с использованием способов и режимов, при которых время существования сварочной ванны не превышает 0,15...0,7 с, позволяет снизить или полностью избежать образования пор в сварных соединениях с различной долей участия в их формировании оболочек из ОДС сталей.

3. При аргонодуговой сварке оплавлением торца на максимально жестких режимах при 15%-й доле участия ОДС стали и времени нахождения металла в расплавленном состоянии не более 0,65 с обеспечивается требуемая сплошность в сварных соединениях тонкостенных оболочек твэлов из ОДС сталей в 80…85 % случаев.

4. При герметизации оболочек твэлов с помощью лазерной импульсной сварки на режимах, обеспечивающих требуемую форму сварного шва, при 50%-й доле участия ОДС стали и времени нахождения металла в расплавленном состоянии 3,0…4,0 мс сплошность сварных соединений обеспечивается в 97…98 % случаев.

5. Исправление пористости, сформировавшейся в сварных соединениях оболочек твэлов в процессе аргонодуговой сварки, возможно путем повторной сварки в условиях повышенного давления гелия (выше 0,5 МПа).

6. Средняя концентрация оксида иттрия в сварных соединениях изменяется в основном в зависимости от доли участия в их формировании ОДС стали. В соединении, выполненном лазерной импульсной сваркой, она понижается по сравнению с основным металлом до 0,10 %, в соединении, сваренном АДС методом оплавления торца, до 0,065 %. Равномерность распределения оксида иттрия зависит от времени существования сварочной ванны, и при лазерной сварке выше, чем при аргонодуговой сварке методом оплавления торца.

7. Результаты проведенных исследований подтверждают, что разработанные технологии сварки и исправления дефектов оболочек твэлов из ОДС сталей в совокупности обеспечивают хорошее качество сварных соединений. Экономический эффект в 300 тыс. руб. достигнут при применении лазерной сварки и повторной ремонтной сварки для изготовления годовой потребности твэлов РУ БОР-60. Это свидетельствует о достижении поставленной цели работы.

Результаты диссертационного исследования опубликованы в работах:

1. Цыканов, В.В. Дуговая сварка тонкостенных труб из ванадиевого сплава с хромовым покрытием / В.В. Цыканов, Е.М. Табакин // Сварочное производство, 1987. № 3. - С. 10 - 11.

2. Цыканов, В.В. Предупреждение образования пор при сварке капсул малогабаритных радионуклидных источников / В.В. Цыканов, Е.М.

Табакин // Сварочное производство, 1989. № 5. - С. 33-34.

3. Табакин, Е.М. Оценка возможности снижения порообразования в сварных соединениях оболочек из дисперсионно-упрочненных сталей ферритного и мартенситного класса / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, В.И.

Байкалов // Сборник трудов НИИАРа, 2004. Вып. 2. С. 38-43.

4.Табакин, Е.М. Технологические особенности сварки плавлением тонкостенных оболочек из сплава алюминия в дистанционных условиях / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, С.И. Давыдов // Сварочное производство, 2006. № 11. - С. 8-13.

5. Табакин, Е.М. Способы улучшения сплошности тонкостенных оболочек из алюминиевых сплавов / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, О.Ю. Макаров // Технология машиностроения, 2006. № 10. - С. 40-45.

6. Табакин, Е.М. Особенности сварки плавлением оболочек из дисперсионно-упрочненных сталей применительно к конструкции тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах / Е.М.

Табакин, Ю.В. Иванович, В.И. Байкалов // Сварочное производство, 2005.

№ 5. - С. 3-7.

7. Табакин, Е.М. Определение возможности улучшения качества сварных швов ампул-накопителей, изготавливаемых из алюминиевых сплавов / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, Г.В. Мирошниченко // Сборник трудов НИИАРа, 2006. Вып. 2. С. 18-25.

8. Зинковский, В.И. Сварка малогабаритных источников нейтронного излучения из калифорния / В.И. Зинковский, Е.М. Табакин, С.А. Фролов // Сварка и смежные технологии. Сб. докладов Всероссийской научнотехнической конференции.- М., 2000. – С. 29-32.

9. Табакин, Е.М. Оценка возможности герметизации оболочек из дисперсионно-упрочненных сталей, тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, В.И.

Байкалов // Экспериментальное обоснование проектных, конструкторских и технологических решений в инновационных разработках ядерной энергетики. Научно-техническая конференция. Димитровград, 2006.- С… 10. Байкалов, В.И. Сварка при повышенном давлении инертных газов материаловедческих образцов для внутриреакторных испытаний / В.И.

Байкалов, Е.М. Табакин, Г.В. Мирошниченко // Экспериментальное обоснование проектных, конструкторских и технологических решений в инновационных разработках ядерной энергетики. Научно-техническая конференция. Димитровград, 2006.- С. 51-55.

11. Костюченко, Н.А. Технологический комплекс для лазерной сварки изделий активных зон и изотопной продукции в дистанционных условиях / Н.А. Костюченко, Е.М. Табакин, Г.В. Мирошниченко, Ю.В. Иванович // Экспериментальное обоснование проектных, конструкторских и технологических решений в инновационных разработках ядерной энергетики. Научно-техническая конференция. Димитровград, 2006.- С. 48Табакин, Е.М. Особенности сварки плавлением оболочек из дисперсионно-упрочненных сталей применительно к конструкции тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах / Е.М.

Табакин, Ю.В. Иванович, В.И. Байкалов // Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства. Всероссийская научно-техническая конференция. Тольятти, 2006.- С. 65-67.

13. Табакин, Е.М. Некоторые технологические особенности сварки плавлением тонкостенных оболочек из алюминиевых сплавов / Е.М.

Табакин, Ю.В. Иванович, В.И. Байкалов // Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства. Всероссийская научно-техническая конференция. Тольятти, 2006.- С. 60-64.

14. Байкалов, В.И. Установка для исследования возможности сварки кольцевых швов при повышенном давлении инертного газа / В.И. Байкалов, Е.М.Табакин, Г.В. Мирошниченко // Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства. Всероссийская научнотехническая конференция. Тольятти, 2006.- С. 69-72.

15. Байкалов, В.И. Устранение пористости сварных швов малогабаритных изделий дуговым переплавом в инертном газе при повышенном давлении / В.И. Байкалов, Е.М. Табакин, Г.В. Мирошниченко // Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства.

Всероссийская научно-техническая конференция. Тольятти, 2006.- С. 119Табакин, Е.М. Особенности сварки плавлением оболочек из дисперсионно-упрочненных сталей применительно к конструкции тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах / Е.М.

Табакин, Ю.В. Иванович, В.И. Байкалов // Вопросы материаловедения, 2007. № 3 (51). - С.161-168.

17. Tabakin, E.M. Special features of fusion welding shells of dispersionhardenet steels used in the structures of heat-generating elements of fast neutron reactors / E.M. Tabakin, Yu.V. Ivanovich, V.I. Baikalov // Welding international, 2006. V. 20. N. 10. - P. 802-805.

18. Пат. 2309033 Российская федерация, МПК В23К 26/20. Способ сварки плавлением / Табакин Е.М., Костюченко Н.А., Иванович Ю.В. // Бюл., 2007. № 30.

19. Табакин, Е.М. Особенности сварки плавлением оболочек из дисперсионно-прочненных сталей применительно к конструкции тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, М. Секи. Прочность и долговечность сварных конструкций в тепловой и атомной энергетике // Сб. статей по докладам. СанктПетербург, 2007. – С. 61- 63.

20. Табакин, Е.М. Исследование распределения оксида иттрия в сварных соединениях оболочек из дисперсионно-упрочненной стали твэлов быстрых реакторов / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, С.В. Кузьмин // Атомная энергия, 2007. № 6.- С. 348-350.

21. Табакин Е.М. Оценка влияния времени существования сварочной ванны на качество сварных соединений при лазерной сварке тонкостенных оболочек / Е.М. Табакин, В.А. Узиков, И.И. Семидоцкий // Сварочное производство, 2007. № 11. - С. 13-16.

22. Пат. 2336982 Российская федерация, МПК В23К 26/20. Способ сварки плавлением / Табакин Е.М., Костюченко Н.А., Иванович Ю.В. // Бюл., 2008. № 30.

Личный вклад автора. Во всех работах [1-22] автор принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении исследований и обсуждении полученных результатов. В работах [3, 6, 9, 16] автором получены и проанализированы результаты исследования причин и условий образования пор в соединениях оболочек из ОДС сталей. В работах [10, 11, 14, 15, 18, 21, 22] автором выполнен и обоснован подбор методик для доказательства возможности снижения порообразования и проверки работоспособности сварных соединений Подписано в печать 15. 04. 2008г. Заказ № Тираж 110 экз. Печ. л. 1, Форма 60 х 90 1/16 Бумага офсетная. Печать офсетная.

Отпечатано в ОАО «Государственный научный центр Научноисследовательский институт атомных реакторов»

433510, г. Димитровград Ульяновская обл.