Содержание к диссертации
Введение
1. Пути повышения стабильности качества соединений при контактной точечной микросварке. Анализ факторов, влияющих на формирование сварных соединений 15
1.1. Электрические и физические процессы при формировании сварного соединения 15
1.2. Фазовые и структурные изменения в ядре и зоне термического влияния. Влияние термической обработки... 21
1.3. Особенности формирования литого ядра при сварке тонкостенных деталей 25
1.4. Причины нарушения стабильности качества соединений.
при точечной микросварке и методы их устранения 28
1.5. Анализ расчетных методов оценки дестабилизирующих факторов, влияющих на качество точечных сварных соединений 41
1.6. Цель работы и задачи исследования 48
2. Материалы и методы исследования 55
3. Стабилизация начальных условий формирования соединения при точечной микросварке деталей из циркониевого сплава Э110 73
3.1. Влияние степени износа электродов на стабильность формирования литого ядра 73
3.2. Расчетная оценка влияния дестабилизирующих факторов. 84
3.3. Стабилизация контактных сопротивлений на этапе подогрева 95
3.3.1. Изменение соотношения контактных и собственных сопротивлений деталей при нагреве протекающим током.. 95
3.3.2.Влияние амплитудно-временных параметров импульса тока на стабилизацию значений сопротивления участка электрод-электрод 102
3.4. Выводы 112
4. Стабилизация свойств соединений при точечной микросварке деталей из циркониевого сплава Э110 114
4.1. Влияние длительности импульса сварочного тока на структуру металла литого ядра и механические свойства соединения 114
4.2. Влияние длительности спада сварочного тока на структуру металла литого ядра и механические свойства соединения 123
4.3. Выводы 126
Основные выводы 127
Список литературы.. 129
Приложения 149
- Электрические и физические процессы при формировании сварного соединения
- Материалы и методы исследования
- Влияние степени износа электродов на стабильность формирования литого ядра
Введение к работе
Точечная сварка получила широкое применение при изготовлении тонколистовых конструкций во многих отраслях промышленности, в том числе и на предприятиях атомной промышленности. Актуальной научно-технической задачей, стоящей перед предприятиями Федерального агентства по атомной энергии (Росатома) является создание и производство таких компонентов реакторов атомных электростанций (АЭС) и атомных тепловых станций (АТС), которые минимизируют вероятность возникновения аварийных ситуаций в процессе их эксплуатации. Одним из элементов, определяющим безотказность работы реактора АЭС, является активная зона ядерного реактора.
Конструкция элементов и материалы активной зоны атомных реакторов (АР) должны обеспечивать устойчивость формы и размеров тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) за весь период работы их в реакторе. Обеспечение размерной устойчивости требует большой предварительной экспериментальной проверки элементов активной зоны АР как в лабораторных условиях, так и в условиях облучения в реакторе. Конструкция элементов АР должна обеспечивать надежную прочность всех узлов в рабочих условиях эксплуатации (при тепловых ударах: от комнатной до рабочей температуры 30СН380 °С, а в случае потери теплоносителя до 110СН-1200 °С), переменных термических напряжениях, статических, динамических и вибрационных внешних нагрузках, действующих в условиях рабочих температур в течение всего срока эксплуатации, который для элементов активной зоны АР составляет не менее трех лет [53, 78]. Значительное влияние на работоспособность тепловыделяющих сборок (ТВС) оказывают сварные соединения ТВЭЛов и опорных узлов, выполненные аргонодуговой и контактной сваркой [99]. В связи с вышеизложенным к сварным соединениям ТВС предъявляют требования по прочности (в том числе жаропрочности), коррозионной и эрозионной стойкости, жаростойкости, способности выдерживать вибрационные и ударные нагрузки определенное количество теплосмен, без разрушения в процессе эксплуатации.
Расположенные между опорными узлами ТВС, имеют длину около 4 м при диаметре 9 мм и обладают практически нулевой осевой жесткостью. Для того, чтобы иметь достаточно жесткую конструкцию пучка ТВС, ТВЭЛы и трубки позиционируются относительно друг друга стенками ячеек дистанционирующих решеток (ДР). Основные требования, предъявляемые к материалу ДР [53, 78]: минимальный паразитный захват нейтронов; механическая надежность, постоянство формы и размеров; высокая теплопроводность, обеспечивающая длительную теплопередачу без чрезмерно высоких термических напряжений в оболочке; коррозионная и эрозионная стойкость оболочки в теплоносителе и в контакте с ядерным горючим ТВЭЛа. Из материалов, удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям, наиболее широко для изготовления элементов АР применяются циркониевые сплавы и нержавеющие стали [78].
Сплавы на основе циркония являются конструкционным материалом важнейших элементов активных зон легководных энергетических реакторов ВВЭР (PWR) и РБМК (BWR). Базой отечественного реакторостроения стала система Zr-Nb: Э110 (0,9-1,1% ниобия), Э125 (2,3-2,5% ниобия), Э635 (0,9-1,1% ниобия, 1-И ,5% олово, 0,3-0,5% железа), а за рубежом получили распространение циркалои -сплавы системы Zr-Sn (Zry-2 и Zry-4). Из сплава Э110 и Э635 производят оболочки трубы, прутки для заглушек ТВЭЛов, а также изделия, образующие каркас ТВС - центральные трубы, направляющие каналы для поглощающих элементов и ДР [31].
Основным показателем качества сварного соединения, установленным конструкторской документацией, являются размеры литого ядра сварной точки [157].
В соответствии с требованиями технологической документации (ТД) контроль размера литого ядра сварной точки проводится на технологических образцах после их разрушения. Сварное соединение считается качественным, если вырыв происходит по основному металлу и литое ядро превышает минимально допустимые размеры.
Традиционные технологии на разрушающего контроля сварных соединений трудны в реализации и недостаточно объективны с точки зрения определения прочностных свойств [84], а учитывая указанные выше особенности изготовления ДР, в настоящее время еще не разработан метод неразрушающего контроля сварных соединений ячеек ДР Описанный в работе [80] метод неразрушающие сварных точек с помощью тепловизора неприменим на практике, т. к. «...работой «Исследования тепловизионного метода неразрушающего контроля литого ядра изделий типа ЦДР» не установлена четкая и однозначная связь между зоной диффузионного схватывания и ее тепловым изображением. При наиболее опасном сварочном дефекте -непроваре, когда отсутствует литое ядро, а вместо него имеется зона диффузионного схватывания, данный способ контроля может оказаться беспомощным» [81].
Внедрение в производство современных источников питания с программным управлением для контактной микросварки, позволяющих задавать необходимые амплитудно-временные параметры (АВП) импульса тока, открывает новые возможности в повышении качества сварных соединений и, соответственно, надежности производимых конструкций. Однако, в литературных источниках отсутствуют четкие рекомендации по заданию АВП импульса тока для точечной микросварки циркониевых сплавов. В настоящее время в используемой технологии изготовления ДР применяют импульс сварочного тока, АВП которого заданы по аналогии с конденсаторными машинами предыдущего поколения. Внесены лишь незначительные изменения для возможности измерения напряжения между электродами и компенсации искажения данных переходными процессами, происходящими в сварочном контуре при изменении тока. Проведенные нами исследования показали, что в сварных соединениях, выполненных по используемой в настоящее время технологии, происходит образование неравновесных структур, высокая концентрация напряжений и увеличение плотности дефектов за счет быстрого охлаждения материала. Это приводит к значительному снижению прочности соединений.
Для полноценного использования современные сварочные комплексы, возникает необходимость всестороннего изучения влияния алгоритма модуляции тока на свойства и характеристики выполняемых соединений.
На основании изложенного можно констатировать, что необходимы дальнейшие исследования, направленные на совершенствование процесса точечной сварки деталей малых толщин.
Электрические и физические процессы при формировании сварного соединения
Формирование соединения при точечной сварке происходит в несколько этапов: сжатие деталей электродами, нагрев и плавление металла в контакте между деталями, формирование литого ядра и кристаллизация металла зоны сварки. Особенностью точечной сварки является кратковременность процесса, невозможность наблюдения за формированием соединения и корректирования вручную в процессе сварки параметров режима [2].
При сжатии свариваемые детали контактируют с электродами и между собой поверхностями по небольшому числу отдельных точек зерен чистого металла с оксидными пленками [1, 4, 5, 22, 24, 28 и др.], которые почти во всех случаях являются по своей природе. Л полупроводниками [5, 22]. В литературных источниках введено понятие «контурная площадь контакта», которой является суммарная площадь контакта всех микровыступов. Номинальной площадью контакта является размер площади сечения всей свариваемой детали или размер предельно возможной площади контактирования деталей. В работе [28] утверждается, что контурная площадь контакта не превышает 1% от номинальной. Авторы работы [4] утверждают, что сопротивление контакта определяется туннельным эффектом (способностью электронов с относительно невысоким уровнем энергии проникать сквозь узкий потенциальный барьер, создаваемый тонкими пленками) и сопротивлением стягивания, описанным в работе [19].
Известно, что свариваемый контакт нельзя уподоблять статическому контакту между металлическими поверхностями [5].
Контактное сопротивление обусловливается главным образом шероховатостью контактирующих поверхностей, вследствие чего резко снижается сечение проводника в зоне контакта. Оксидные пленки на соприкасающихся поверхностях имеют низкую электропроводность [5, 22, 24] и покрыты жировыми, газовыми молекулами и парами воды [109], что также увеличивает сопротивление контакта. Полностью удалить масляные покрытия с металла практически невозможно, поскольку адсорбционная связь жировых молекул и металла представляет собой связь чисто электрическую (жировые молекулы образуют с металлом двойной электрический слой, что и обеспечивает весьма прочную связь металла и пленки одномолекулярной толщины). Жировые молекулы обладают свойством глубоко проникать во все микротрещины на поверхности металла, при этом одномолекулярные жировые слои внутри щелей оказывают сильное расклинивающее давление [109].
Состояние поверхности металла существенно различается после - обработки различными способами. Микрогеометрия (шероховатость) обусловлена способом обработки, качеством инструмента и материалом. Поверхностные слои металла имеют разные свойства в связи с различной степенью их деформации. После механической обработки шлифованием поверхностные слои в значительной степени насыщены структурными дефектами (дислокациями, вакансиями и др.) и, следовательно, находятся в особом физико-химическом состоянии. Такое состояние поверхности не может не сказаться на ее свойствах, а также на кинетике различных процессов, протекающих при последующем нагреве [109].
Контактирующие поверхности всегда отличаются друг от друга различной степенью волнистости и шероховатости, о чем свидетельствует большой разброс контактных сопротивлений [22].
Материалы и методы исследования
В качестве материала для изготовления оболочек ТВЭЛов и других деталей, используемых в активной зоне АР охлаждаемых водой, используют сплав Э110 (Zr-1% Nb).
На рисунке 2.1 приведена диаграмма состояния системы цирконий-ниобий, построенная при медленных скоростях нагрева и охлаждения.
Структура бинарных сплавов циркония с ниобием, применяемых в атомной энергетике (с массовым содержанием ниобия до 5,0%), при комнатной температуре состоит из смеси а-твердого раствора ниобия в цирконии с гексагональной плотноупакованной решёткой и 3-твердого раствора циркония (имеющего ОЦК решетку) в ниобии, с содержанием последнего и 85% [78]. В сплаве Zr-V/a Nb основой является а-фаза, что приближает этот сплав по характеру текстуры и анизотропии к чистому цирконию, который в значительной степени меняет текстуру в процессе обработки давлением и обладает анизотропией физико-механических свойств. Легирование циркония 1% ниобия (сплав Э110) объясняется следующими причинами [53, 134]:
у ниобия небольшое сечение захвата нейтронов, поэтому он лишь незначительно повышает сечение захвата сплава;
1% ниобия в цирконии существенно изменяет роль вредных примесей, стабилизирует коррозионную стойкость нелегированного циркония, устраняет вредное влияние малых количеств таких примесей, как кремний (до 0,4%), никель (до 0,18%), железо (до 0,3%), углерод, алюминий, титан, имеющихся в реакторно-чистом цирконии, однако, по мере повышения содержания ниобия коррозионная стойкость падает;
ниобий эффективно снижает долю водорода, поглощаемую циркониевым сплавом. В процессе изготовления труб и пластин из циркониевых сплавов в них развивается предпочтительная ориентация, которая влияет на текстуру и механические свойства изделий, изготовленных по различным технологиям (приводит к более высокому значению предела текучести в поперечном направлении по сравнению с продольным). На качество изделий из циркониевых сплавов значительное влияние оказывает структура металла (величина и форма зерна, дисперсность фаз, текстура), а также состояние поверхности, от которого напрямую зависит коррозионная стойкость (сильная шероховатость препятствует надежной отмывке поверхности от кислот и фтора, способствует сохранению на поверхности посторонних веществ) [53]. Любая неоднородность окисной пленки может приводить к локальному усилению коррозии, образованию язв, сильному местному гидрированию и, в предельном случае, к аварии ТВЭЛа. Для обеспечения равномерности и однородности окисной пленки необходима её мелкозернистость и высокая дисперсность избыточных фаз.
Изучению фазовых превращений в сплавах циркония с ниобием при различных режимах термообработки необходимо придавать большое значение. На разных стадиях обработки, а также в процессе эксплуатации могут происходить изменения фазового состава сплавов, связанные с образованием метастабильных фаз, что сопровождается изменением механических и коррозионных свойств [53, 94]. К настоящему времени экспериментально установлено, что в сплавах системы Zr-Nb при закалке из области образуются метастабильные фазы: а , со и J3 [53, 94], которые ухудшают коррозионную стойкость сплава в перегретом паре [94]. Характер фазовых превращений, образование той или иной метастабильной фазы связан с содержанием ниобия в сплаве.
В сплавах, содержащих до 5% ниобия, в процессе быстрого охлаждения из -области образуется метастабильная « -фаза, представляющая собой пересыщенный твердый раствор ниобия в а-модификации циркония и имеющая гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку. Рентгеноструктурные исследования показывают, что а -фаза характеризуется размытием линий решетки яг-фазы, что свидетельствует о наличии больших внутренних напряжений, вызывающих значительное увеличение прочности и твердости сплавов и снижение их пластичности, а -фаза подобна мартенситу в закаленных, сплавах железо-углерод и ее микроструктура характеризуется игольчатым строением.
Влияние степени износа электродов на стабильность формирования литого ядра
Известно, что стабильность формирования соединений при контактной точечной микросварке во многом зависит от состояния поверхности, формы и размеров рабочей части электродов, а также скорости их сжатия [1, 4, 7, 8 и др.].
С целью уточнения влияния изменений, происходящих в электродах по мере износа, на механические свойства сварных соединений при изготовлении ДР из ячеек толщиной 0,25 мм (сплав Э110) были проведены дополнительные исследования. В частности, произвели оценку влияния количества выполненных точек на деформацию сферы и площадь деформированной поверхности (рисунок 3.1), шероховатость, структуру и микротвердость металла рабочей части электродов, а также на площадь литого ядра и прочность выполняемых с их использованием соединений [122]. Одновременно определяли возможность контроля качества выполняемых соединений (площади литого ядра и прочности на отрыв) по изменению сопротивления участка электрод-электрод при формировании литого ядра по мере износа электродов путем статистической обработки экспериментально определенных значений. Исследуемые параметры оценивали отдельно для каждой ДР в связи с особенностью ее конструкции, так как в процессе соединения ячеек между собой образуются жесткие контуры, что негативно влияет_на стабильность начальных условий и качественные показатели каждой последующей точки (общее количество точек при производстве ДР составляет 1632 шт.).
Исследования проводили с использованием электродов из бронзы Бр.ХЦр со сферической рабочей поверхностью радиусом 4 мм. Усилие сжатия электродов F, задавали равным 300+40 Н. Сварку ячеек ДР осуществляли с использованием АВП импульсов тока, осциллограммы которых приведены на рисунке 3.2. С целью компенсации уменьшения плотности тока в связи с износом рабочей части электродов амплитуду основной части импульса тока 1св увеличивали после сварки первой ДР (1632 точки) с 2750 А до 3000 А, после сварки следующих шести ДР (9792 точки) - с 3000 А до 3250 А. Ресурс электродов составляет 15000 сварных точек.
На первой партии электродов (7) изготавливали одну ДР (1632 точки) с использованием АВП тока 1 (1св = 2750 А) (рисунок 3.2); на второй партии (электроды II) - сначала изготавливали одну ДР (1632 точки) с использованием АВП импульса тока 1 (1св = 2750 А), затем шесть ДР (9792 точки) - АВП импульса тока 2 (1св = 3000 А); на электродах третьей партии (электроды III) -сначала сваривали одну ДР- (1632 точки) с использованием АВП импульса тока 1 (1св = 2750 А), затем шесть ДР (9792 точки) - АВП импульса тока 2 (1св = 3000 А), после чего еще две ДР (3264 точки) - АВП импульса тока 3 (1св = 3250 А).
На рисунке 3.3-я представлена зависимость изменения шероховатости рабочей поверхности электродов Ra в процессе их износа, из которой следует, что после изготовления 11000 точек шероховатость уменьшается до значений, присущих поверхности ячеек ДР (Ra =0,1 мкм) и при сварке дальнейших 4500 точек не изменяется. Деформация сферы рабочей поверхности электродов А (рисунок З.З-б) и рост площади ее деформированной части S (рисунок 3.3-е) наиболее значительно происходит в начальный период их эксплуатации (1500- 2000 точек), когда поверхности прирабатываются.
