Изобретение относится к машиностроению, в частности к оборудованию для контактной стыковой сварки сопротивлением, и может быть использовано для герметизации стержневых тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных реакторов с металлическими оболочками. Основным требованием, определяющим работоспособность твэлов, является их герметичность, которая в значительной степени зависит от качества сварных швов. В настоящее время все большее развитие в производстве твэлов получает контактная стыковая сварка сопротивлением. Для использования этого метода необходимо специальное устройство, которое выполняет одновременно несколько функций и от надежности работы которого зависит качество сварки. Устройство должно фиксировать оболочку в заданном положении, не допуская ее осевых перемещений при приложении сварочного усилия, предохранять конец оболочки в зоне сварки от недопустимых деформаций, обеспечивать равномерный по периметру соединения токоподвод и теплоотвод в процессе сварки, иметь определенную величину электрического сопротивления, которое зависит от электротехнических и механических свойств свариваемых материалов и геометрических размеров сварного соединения. Работа устройства сопровождается циклическими термическими и механическими нагрузками, действующими в радиальном по отношению к оболочке и осевом направлениях, в условиях наличия мелкодисперсной абразивной пыли двуокиси урана таблетками, из которой загружаются твэлы. The invention relates to mechanical engineering, in particular to equipment for resistance butt welding, and can be used to seal rod fuel elements (fuel elements) of nuclear reactors with metal shells. The main requirement that determines the operability of fuel rods is their tightness, which largely depends on the quality of the welds. At present, resistance butt welding is getting more and more development in the production of fuel elements. To use this method, you need a special device that performs several functions simultaneously and the quality of welding depends on the reliability of its operation. The device must fix the shell in a predetermined position, preventing its axial movements when applying welding force, protect the end of the shell in the welding zone from unacceptable deformations, ensure a uniform current supply and heat dissipation during the welding process, have a certain amount of electrical resistance, which depends on electrical and mechanical properties of the materials being welded and the geometric dimensions of the welded joint. The operation of the device is accompanied by cyclic thermal and mechanical loads acting radially with respect to the shell and axial directions, in the presence of finely dispersed abrasive dust of uranium dioxide by tablets, from which fuel rods are loaded.
Известно устройство для формирования соединения при контактной сварке (см. А.С. СССР N 664785 B 23 K 11/02 1979г.) Недостатком известного устройства является большое электрическое сопротивление пакета, состоящего из скрепленных между собой и электрически изолированных друг от друга металлических пластин. Подбор сопротивления за счет изменения толщины пакета неэффективен. При толщине пластин более 1 мм как правило не удается получить сварные соединения с требуемой сплошностью швов. На поверхности оболочки по стыку пластин отмечаются кольцевые черные полосы (поджоги), переходящие с уменьшением толщины пластин в сплошную черную поверхность. Наличие поджогов ухудшает коррозионные свойства оболочки в зоне сварки и является недопустимым дефектом. Устройство быстро выходит из строя в результате повышенного нагрева стыков пластин и взаимодействия с ними выдавливаемого из стыка сварного соединения металла "грата". Известно устройство для формирования соединения при контактно стыковой сварке трубы с заглушкой (АС СССР N 1508458 B 23 K 11/02 1987 г.). Недостатком устройства является нестабильность работы из-за изменения переходного сопротивления между шунтами и пакетом КУХ и низкой стойкостью из-за механических повреждений стыков пластин выдавливаемым металлом. A device is known for forming a joint in resistance welding (see AS USSR N 664785 B 23 K 11/02 1979). A disadvantage of the known device is the high electrical resistance of the stack consisting of metal plates bonded to each other and electrically isolated from each other. The selection of resistance by changing the thickness of the package is ineffective. With a plate thickness of more than 1 mm, as a rule, it is not possible to obtain welded joints with the required continuity of the seams. On the surface of the shell, at the junction of the plates, annular black stripes (arson) are noted, passing with a decrease in the thickness of the plates into a solid black surface. The presence of arson affects the corrosion properties of the shell in the welding zone and is an unacceptable defect. The device quickly fails as a result of increased heating of the joints of the plates and the interaction with them squeezed out of the joint of the welded metal "grata". A device is known for forming a joint in flash butt welding of a pipe with a plug (USSR AS N 1508458 B 23 K 11/02 1987). The disadvantage of this device is the instability of the work due to changes in the transient resistance between the shunts and the package KUH and low resistance due to mechanical damage to the joints of the plates by extruded metal.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для формирования соединения при контактной стыковой сварке сопротивлением трубы с заглушкой, состоящее из секторов, образованных собранными между собой в пакет при помощи конусных диэлектрических заклепок токоподвода, обоймы из неэлектропроводного материала в которой расположен кольцевой упор-холодильник (КУХ), выполненный из набора электрически изолированных друг от друга металлических пластин, соединенных электрически посредством специально устанавливаемых в конусные отверстия при помощи шпилек пластинчатых шунтов (см. А.С. СССР N 1676768 A2 B 23 K 11/02 1987 г.). Известное решение позволяет получить необходимую величину электрического сопротивления. Однако, так как шунт устанавливается только в центральной части сектора и имеет ограниченную диаметром отверстия поверхность, которая к тому же уменьшается, по мере необходимости увеличения сопротивления, нарушается равномерность распределения тока по периметру соединения. Из-за неравномерности токоподвода и быстротечности процесса (менее 50 м•с), соединение прогревается неравномерно, условия образования соединения по периметру оболочки получаются не одинаковыми, что приводит к появлению сварных швов с дефектами. Сложность получения идентичных ответных конусных поверхностей отверстий секторов и шпилек, между которыми зажимаются шунты, приводит к нестабильному усилию их поджатия как по ширине КУХ, так и от сектора к сектору. Нестабильность сопротивления между секторами может быть скомпенсирована подбором сечения шунта, однако неравномерность поджатия шунтов, естественное окисление контактирующих поверхностей, наличие термомеханических нагрузок приводит к увеличению переходного сопротивления. На шунтах появляются поджоги. Качество сварки ухудшается, устройство становится не пригодным для дальнейшей работы. Перед сваркой торец оболочки, чтобы не допустить увеличение ее диаметра, устанавливается с заглублением внутрь КУХ примерно на 0,5 мм. Толщина пластин, как правило, находится в пределах 0,25-0,6 мм. Ширина пояска выдавленного из стыка и деформированного металла заглушки достигает 0,5 мм. Таким образом, практически всегда имеется возможность взаимодействия грата с пластинами КУХ по месту их стыка. Механическое давление нагретого до температуры более 800oC грата на стыки пластин приводит к быстрому износу их кромок. Стык расширяется, металл оболочки, грата вдавливается в образовавшиеся раковины. Сварные соединения формируются с выпуклостями, ухудшающими их качество и выводящими наружный диаметр твэла за допустимые пределы.Closest to the technical nature of the present invention is a device for forming a joint in flash butt welding by resistance of a pipe with a plug, consisting of sectors formed into bundles by means of conical dielectric rivets of a current lead, a holder of non-conductive material in which an annular stop-cooler is located (KUH), made of a set of electrically isolated metal plates, electrically connected by means of a special about installed in the tapped holes using stud plate shunts (see. AS USSR N 1676768 A2 B 23 K 11/02 1987). The known solution allows you to get the required amount of electrical resistance. However, since the shunt is installed only in the central part of the sector and has a surface limited by the diameter of the hole, which also decreases, as the resistance increases, the uniformity of the current distribution along the perimeter of the connection is violated. Due to the non-uniformity of the current supply and the speed of the process (less than 50 m • s), the connection is heated unevenly, the conditions for the formation of the connection along the perimeter of the shell are not the same, which leads to the appearance of welds with defects. The difficulty of obtaining identical mating conical surfaces of the openings of the sectors and studs between which the shunts are clamped leads to an unstable force of their compression both in the width of the KUH and from sector to sector. The instability of resistance between sectors can be compensated by the selection of the cross-section of the shunt, however, the unevenness of the compression of the shunts, the natural oxidation of the contacting surfaces, the presence of thermomechanical loads leads to an increase in transition resistance. Arson appears on the shunts. The welding quality deteriorates, the device becomes unsuitable for further work. Before welding, the end face of the shell, in order to prevent an increase in its diameter, is installed with a depth of approximately 0.5 mm in the interior of the KUH. The thickness of the plates, as a rule, is in the range of 0.25-0.6 mm The width of the girdle of the stub extruded from the joint and the deformed metal reaches 0.5 mm. Thus, almost always there is the possibility of interaction of the burr with KUH plates at the place of their junction. The mechanical pressure of the burr heated to a temperature of more than 800 o C at the joints of the plates leads to rapid wear of their edges. The joint expands, the shell metal, grata is pressed into the formed shells. Welded joints are formed with bulges that worsen their quality and bring the outer diameter of the fuel element beyond acceptable limits.
Задачей изобретения является повышение надежности работы устройства и качества сварки. The objective of the invention is to increase the reliability of the device and the quality of welding.
Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для формирования соединения при контактной стыковой сварке трубы с заглушкой, состоящем из секторов, образованных собранными между собой в пакет при помощи конусных диэлектрических заклепок, кольцевого токоподвода, обоймы из неэлектропроводного материала, в которой расположены кольцевой упор-холодильник, выполненный из набора электрически изолированных по плоскости друг от друга металлических пластин, соединенных электрически посредством пластинчатых шунтов, устанавливаемых при помощи шпилек в конусных отверстиях секторов, обойма выполнена составной из изолятора и материала подобного материалу пластин КУХ, причем металлическая ее часть является также частью КУХ, пластины которого в каждом секторе попарно соединены между собой, а крайние - соответственно с токоподводом и с металлической частью обоймы электропроводным неразъемным соединением, таким образом, что каждый сектор в развертке имеет вид "гармошки", длина гибкой части которой (L) равна n•h, где n - количество пластин, шт., h - ширина пластины, мм. The problem is solved in that in the known device for forming a joint in flash butt welding of a pipe with a plug, consisting of sectors formed assembled together by means of conical dielectric rivets, a ring current supply, a cage of non-conductive material, in which the ring stop a refrigerator made of a set of metal plates electrically isolated on a plane from each other, connected electrically by means of plate shunts, setting cores with the help of studs in the conical holes of the sectors, the cage is made up of an insulator and a material similar to the material of KUH plates, its metal part being also part of the KUH, the plates of which in each sector are paired together, and the extreme ones, respectively, with the current supply and with the metal part clips with a conductive permanent connection, so that each sector in the scan has the form of an "accordion", the length of the flexible part of which (L) is n • h, where n is the number of plates, pcs., h is the width of the plate, mm.
Между пластинами, токоподводом и обоймой расположены жесткие металлические прокладки, образующие с ними в углах "гармошки" неразъемные электропроводные соединения. Наличие в обойме металлической массивной части, являющейся продолжением КУХ, позволяет устанавливать торец оболочки гарантированно за пластинами пакета КУХ. Выдавливаемый из стыка грат взаимодействует с массивной монолитной обоймой, не причиняя ей вреда. Стыки пластин не разрушаются. Повышается надежность работы устройства и качество сварки. Соединение изолированных пластин попарно между собой с токоподводом и обоймой неразъемным электропроводным соединением таким образом, что развертка сектора получает вид "гармошки", исключает необходимость применения шунтов. Требуемое сопротивление КУХ обеспечивается материалом пластины сечением, длиной изогнутой ленты "гармошки" и сопротивлением переходов в местах соединения металлических пластин и прокладок. Длина ленты определяется количеством пластин (n) и их шириной (h). Устройство и работа предлагаемого решения поясняется чертежами: фиг. 1- общий вид устройства; фиг.2 - развертка сектора; фиг. 3 - схема работы устройства. Between the plates, the current lead and the holder are hard metal gaskets, forming with them in the corners of the "accordion" inseparable conductive connections. The presence in the holder of a metal massive part, which is a continuation of the KUH, allows you to install the end face of the shell guaranteed behind the plates of the KUH package. The grata squeezed out of the joint interacts with a massive monolithic clip without causing harm to it. Joints of plates are not destroyed. Increases the reliability of the device and the quality of welding. The connection of the insulated plates in pairs with each other with a current lead and a clip with a one-piece conductive connection in such a way that the sector scan takes the form of an "accordion" eliminates the need for shunts. The required KUH resistance is provided by the cross-sectional material of the plate, the length of the bent accordion tape, and the transition resistance at the junctions of metal plates and gaskets. The length of the tape is determined by the number of plates (n) and their width (h). The device and operation of the proposed solution is illustrated by drawings: FIG. 1- general view of the device; figure 2 - scan sector; FIG. 3 - diagram of the operation of the device.
Устройство для формирования соединения при контактной стыковой сварке оболочки с заглушкой состоит из секторов 1, образованных собранными между собой в пакет при помощи заклепок (винтов) 2, кольцевого токоподвода 3, обоймы, состоящей из металлической части 4 и диэлектрической части 5. В обойме распложен кольцевой упор-холодильник, состоящий из металлических пластин с изолирующим покрытием 6, например из бронзы БрНБТ, толщиной 0,25 - 0,6мм, между которыми размещены жесткие металлические прокладки 7 из материала с большим удельным сопротивлением, например из сплава 50НХС, толщиной до 0,1 мм. A device for forming a joint in flash butt welding of a shell with a plug consists of sectors 1 formed by rivets (screws) 2 assembled together, a ring current supply 3, a holder consisting of a metal part 4 and a dielectric part 5. A ring is arranged in the holder emphasis cooler, consisting of metal plates with an insulating coating 6, for example of BrNBT bronze, 0.25-0.6 mm thick, between which are placed rigid metal gaskets 7 made of a material with high resistivity, for example, from 50NXC alloy, up to 0.1 mm thick.
Соединение пластин 6, прокладок 7, токоподвода 3 и металлической части 4 обоймы с пластинами и прокладками осуществляется сварными швами 8, выполняемых лазерной сваркой, определяется требуемой величиной сопротивления сектора. Устройство работает следующим образом. The connection of the plates 6, gaskets 7, current lead 3 and the metal part 4 of the cage with the plates and gaskets is carried out by laser welds 8, determined by the required value of the sector resistance. The device operates as follows.
Устройство для формирования соединения закрепляют в цанговом зажиме 9 при помощи винтов 10. Свариваемую трубу 11 помещают в устройство и выставляют так, чтобы ее торец заходил примерно на 0,5 мм на металлическую часть 4 обоймы. Изолирующая часть 5 обоймы исключает контакт КУХ с цанговым зажимом 9. Сжимают цанговый зажим 9 и фиксируют трубу от осевых перемещений. К торцу трубы 11 прижимают сварочным усилием P заглушку 12. Включают источник сварочного тока 13. Ток в соответствии с законом Ома, распределяясь по сечению трубы и КУХ, разогревает ее. Заглушка вдавливается внутрь трубы. Образовавшийся грат, не контактируя с пластинами, выходит наружу в зоне металлической части обоймы. Прокладки препятствуют образованию паразитных шунтирующих цепей за счет натиров. The device for forming the connection is fixed in the collet clamp 9 using screws 10. The welded pipe 11 is placed in the device and set so that its end fits approximately 0.5 mm onto the metal part 4 of the cage. The insulating part 5 of the cage eliminates the contact of the KUH with the collet clamp 9. The collet clamp 9 is compressed and the pipe is fixed from axial movements. The plug 12 is pressed against the end of the pipe 11 by a welding force P. The welding current source 13 is turned on. The current, in accordance with Ohm's law, is distributed over the pipe section and the KUH, and heats it. The plug is pressed into the pipe. The resulting burr, without contacting the plates, goes outside in the area of the metal part of the holder. Gaskets prevent the formation of parasitic shunt circuits due to natra.