Управление процессом контактной точечной микросварки циркониевых сплавов

В настоящее время для безопасности атомных электростанции (АЭС)
предъявляют исключительно жесткие требования к качеству их основных
элементов – тепловыделяющих сборок (ТВC). Важнейшей составляющей
ТВC является диcтанционирующая решетка (ДР), в ячейках которой
помещаются тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) [1]. Значительное влияние
на работоспособность ТВС оказывает сварные соединения тонкостенных
ячеек ДР, выполненные контактной точечной микросваркой.
Конструкция элементов активной зоны атомных реакторов (АР) и их
материалы должны обеспечивать надежную прочность всех узлов при
рабочих условиях эксплуатации (при высоких тепловых нагрузках, больших
температурных градиентах, высоких механических и переменных
термических напряжениях) в течение трех лет или более. Для изготовления
элементов ТВС наиболее широко применяют циркониевые сплавы и
нержавеющие аустенитные стали. В частности ячейки ДР изготавливают из
циркониевого сплава Э110 или нержавеющей аустенитной стали 12Х18Н10Т,
что обусловлено прочностью и коррозионной стойкостью в воде и водяном
паре при повышенных температурах [2].
К числу существующих проблем контактной точечной сварки
тонкостенных деталей (толщиной менее 0,5 мм) при производстве ДР
относится необходимость стабилизации качества соединений. Наиболее
критическое влияние на стабильность формирование соединений оказывает
первоначальные значения сопротивления между электродами, зависящие от
следующих факторов: материала электродов, геометрии их рабочей
поверхности и усилия сжатия; материала и толщины свариваемых деталей;
состояния контактирующих поверхностей. Значительное количество реально
возможных комбинаций этих факторов является одной из основных причин
отсутствия стабильности количества выделенного в зоне сварки тепла и, как
следствие, характеристик сварного соединения. Для снижения разброса
значений контактных сопротивлений предложено использовать
подогревающий импульс тока относительно небольшой амплитуды и
длительности [3], которую возможно реализовать на современных
источниках питания с программным управлением. Однако, в литературных
источниках отсутствуют четкие рекомендации по заданию амплитудно-
временных параметров (АВП) импульса подогревающего тока для точечной
микросварки циркониевых сплавов и нержавеющих аустенитных сталей.
Помимо этого, в настоящее время отсутствуют четкие обоснования
необходимой формы рабочей части электродов. Приведены лишь
рекомендации, что радиус сферы рабочей поверхности, независимо от
свариваемых материалов, должен быть 15…25 мм [4]. Также нет обоснований
оптимальных значений усилия сжатия электродов. Еще одной актуальной
задачей является возможность прогнозирования значений сопротивления
между электродами с помощью расчетных методов для конкретного периода
протекания тока.
Целью работы является определение влияния алгоритма изменения
тока, усилия сжатия и геометрии рабочей поверхности электродов, на
величину общего сопротивления металла между электродами для
подогревающего этапа контактной точечной микросварки, а также оценка
возможности его прогнозирования. Для достижения поставленной цели
необходимо было решить следующие задачи:
1. Выполнить теоретические расчеты сопротивлений между
электродами по методикам, изложенным в относительно недавно
опубликованных обзорах по данной теме.
2. Провести многофакторный эксперимент по оценке влияния на
первоначальное сопротивление между электродами усилия их
сжатия и геометрии рабочей части, а также сравнить полученные
данные с расчетными значениями.
3. Сделать оценку возможности стабилизации контактных
сопротивлений путем применения подогревающего импульса
модулированного тока с различными алгоритмами его нарастания.
Научная новизна работы заключается в проведении
многофакторного эксперимента, который позволил выявить степень влияния
алгоритма изменения тока, усилия сжатия и геометрии рабочей поверхности
электродов на величину сопротивления металла между электродами для
подогревающего этапа контактной точечной микросварки циркониевого
сплава Э110 толщиной 0,25+0,25 мм и нержавеющей аустенитной стали
12Х18Н10Т толщиной 0,30+0,30 мм.
Практическая значимость. Результаты исследований могут быть
внедрены в ПАО «Новосибирский завод химических концентратов»
(г. Новосибирск).
Апробация работы. Результаты данного исследования была
изложена и обсуждена на международном научном конференции студентов и
молодых ученных «Молодежь, наука, технологии: новые идеи и
перспективы» (г. Томск, 2017 г.).
1 Обзор литературы