Содержание к диссертации
Введение
1 Особенности сборки и сварки малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений (литературный обзор) 9
1.1 Назначение источников и конструкции герметизирующих узлов 9
1.2 Условия эксплуатации источников ионизирующих излучений 13
1.3 Способы герметизации источников ионизирующих излучений 15
1.4 Дефекты сварных соединений источников ионизирующих излучений и способы их предотвращения 21
1.5. Задачи исследования 32
2 Определение условий образования дефектов в сварных соединениях малогабаритных источников 33
2.1 Материалы, оборудование и методика выполнения экспериментов 33
2.2 Образование выплесков в кольцевых и торцовых сварных швах 36
2.3 Образование пор и оксидных включений в сварных швах корпусов источников, изготовленных из алюминиевых сплавов 49
2.4 Расчетная оценка термического воздействия способа сварки на корпус источника 58
3 Определение способов, обеспечивающих качественное формирование сварных соединений 68
3.1 Предупреждение образования выплесков в сварных швах источников 68
3.2 Определение способа и режимов сварки корпусов источников, изготовленных из алюминиевых сплавов 101
3.3 Совершенствование конструкции сварных соединений при разработке технологии герметизации корпусов источников 112
3.3.1 Повышение качества сварных соединений корпусов источников, изготовленных из стали марки 12X18Н1 ОТ И2
2 Повышение качества сварных соединений корпусов источников, изготовленных из алюминиевых сплавов 123
Оценка возможности применения результатов исследований 129
Опытно-промышленное применение результатов работ 135
Проверка работоспособности сварных соединений 135
Исследования состояния сварных соединений после эксплуатации 142
Оборудование для сварки источников ионизирующих излучений 144
Экономическая эффективность результатов работы 147
Заключение 150
Список литературы
- Способы герметизации источников ионизирующих излучений
- Образование пор и оксидных включений в сварных швах корпусов источников, изготовленных из алюминиевых сплавов
- Совершенствование конструкции сварных соединений при разработке технологии герметизации корпусов источников
- Проверка работоспособности сварных соединений
Введение к работе
Актуальность работы
Одним из основных направлений использования достижений атомной науки является радиационная техника с применением закрытых радионуклидных источников ионизирующих излучений (ИИИ). Федеральная целевая программа на период 2011-2016 г. г. «Развитие ядерной медицины в Российской Федерации» предусматривает увеличение объёма производства и потребления радионуклидной продукции в виде источников.
Для обеспечения безопасной эксплуатации малогабаритных ИИИ обязательной частью технологии их изготовления является процесс герметизации, который выполняется в условиях радиационно-защитных камер способами сварки плавлением. Но при этом не всегда обеспечивается требуемое качество сварных соединений: нарушается геометрическая форма шва, образуются дефекты в виде свищей, газовых полостей, пор и оксидных включений. Вопросам повышения качества сварных швов при сварке плавлением посвятили свои работы А.В. Петров, Г.А. Григорянц, Г.Д. Никифоров, В.В. Редчиц, В.В. Фролов, И.К. Походня и другие специалисты. Однако применение известных способов борьбы с перечисленными дефектами повышает трудоёмкость процесса герметизации ИИИ применительно к условиям радиационно-защитных камер.
Для обеспечения стабильного формирования сварных соединений и безопасного использования ИИИ в различных областях промышленности необходимо разрабатывать новые способы и технологические приёмы на основе исследований влияния процессов сварки на малогабаритные изделия.
Цель работы: повышение качества сварных соединений малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений путём разработки технологии, обеспечивающей стабильное формирование швов в процессе сварки плавлением.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Определены условия образования дефектов в сварных швах малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений.
-
Определены способы и технологические приемы, при которых происходит качественное формирование сварных соединений, выполненных аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом и лазерной сваркой.
-
Разработаны технологии сборки и сварки малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений в условиях радиационно-защитных камер, обеспечивающие получение сварных швов требуемой геометрической формы и сплошности.
Методы исследований
Основные задачи по исследованию процесса формирования сварных швов при герметизации ИИИ решались экспериментальными и расчётными методами. Качество сварных соединений оценивалось рентгенографическим, металлографическим методами контроля и методом электронной сканирующей микроскопии. Работоспособность сварных соединений
подтверждалась испытаниями источников на соответствие нормам степени жёсткости и классам прочности по ГОСТ 25926-90. Теоретические исследования по определению влияния теплового воздействия сварки на вероятность возникновения дефектов были выполнены с использованием пакета программ ANSYS. Для определения оптимальных режимов сварки использованы методы математического планирования эксперимента и регрессионного анализа.
Результаты работы апробированы в производственных условиях при изготовлении источников ионизирующих излучений на предприятии ОАО «ГНЦ НИИАР».
Научная новизна работы
Раскрыт механизм образования дефектов сварных швов в виде пор и выплесков расплавленного металла, включающий термокинетические и размерные факторы:
установлено, что дефекты зарождаются в зоне сплавления в условиях смачивания твёрдого основного металла собственным расплавом при давлении внутри корпуса, превышающем капиллярное давление в технологическом зазоре между корпусом и заглушкой, при длительности сварки, превышающей 0,4... 1,2 с;
оценка температурных полей в процессе сварки позволила установить, что дефекты отсутствуют при критической температуре в объёме корпуса, не превышающей 400... 450 С, при соблюдении следующих размерных факторов: в соединениях с заглушками при диаметре d корпуса до 12 мм и вылете корпуса из цанги h = (0,25...0,35)d, а в соединениях без заглушек при диаметре корпуса до 5 мм при отношении толщины кромки к диаметру корпуса не менее 0,2 и вылете корпуса из цанги h = (0,5... 0,7)d;
-на основе расчётов и анализа тепловых процессов аргонодуговой сварки (для корпусов из аустенитных сталей) и лазерной сварки (для корпусов из алюминиевых сплавов) с привлечением регрессионного анализа предложена инженерная методика определения параметров режимов бездефектной сварки корпусов для различных вариантов их конструктивного исполнения.
Практическая ценность результатов работы
-
По результатам исследований разработаны технологии сварки, при которых уменьшается тепловое воздействие на корпус источника и снижается количество брака из-за выплесков с 14 до 1...2%.
-
Определены технологические приёмы, способствующие повышению качества сварных швов путём использования конструкции соединения с удлинённой заглушкой, соединения без применения заглушки и соединения с канавкой в заглушке.
-
Разработан способ лазерной сварки алюминия (патент РФ № 2309033), позволяющий уменьшить количество брака с 30 до 2 % по порам и оксидным включениям по сравнению с аргонодуговой сваркой.
-
Разработано сварочное оборудование, позволяющее выполнять сварку малогабаритных корпусов источников в условиях радиационно-защитных камер (патенты РФ на полезную модель № 87381 и № 101957).
5. Результаты выполненных исследований были использованы при разработке более 20 технологических процессов изготовления источников ионизирующих излучений, применяемых на предприятии ОАО «ГНЦ НИИАР». Экономический эффект от внедрения результатов работ составил около 1 млн. руб.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Условия образования пор и выплесков металла сварочной ванны при аргонодуговой сварке малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений.
-
Зависимости вероятности образования дефектов сплошности в сварных соединениях малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений от теплового воздействия в процессе аргонодуговой сварки, полученные расчётными и экспериментальными методами.
-
Результаты исследований по определению оптимальных конструкций сварных соединений, технологических приемов, способов и режимов сварки, повышающих качество сварных соединений малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений из аустенитной стали и алюминиевых сплавов.
-
Результаты промышленного внедрения разработанных технологий сварки и сварочного оборудования для производства источников ионизирующих излучений в условиях радиационно-защитных камер.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства» (15-17 ноября 2006 г., 24-28 октября 2011 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), на IX российской конференции по реакторному материаловедению (14-18 сентября 2009 г., г. Димитровград), на 47 Международной конференции рабочей группы «Горячие лаборатории и дистанционное обслуживание» (20-22 сентября 2010 г., г. Димитровград).
Публикации
Основные результаты выполненных исследований отражены в 21 публикации, в том числе в 7 статьях в рецензируемых журналах («Сварочное производство», «Атомная энергия», «Технология машиностроения», «Вопросы материаловедения», «Сварка и диагностика»), в 10 публикациях в других журналах, сборниках докладов и тезисов, а также в 2 патентах РФ на изобретения и в 2 патентах на полезную модель.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы - 148 наименований. Содержит 167 страниц машинописного текста, 86 рисунков, 16 таблиц.
Способы герметизации источников ионизирующих излучений
Важной особенностью герметизации источников является высокая радиоактивность, характеризующаяся, прежде всего, интенсивностью потока ионизирующего излучения. Загрузка и выгрузка свариваемых изделий, их сборка, подготовка к сварке, непосредственно сварка, а также контроль качества сварных соединений выполняются с помощью манипуляторов с ограниченной видимостью места сварки [3, 5, 18, 52]. Перечисленные особенности сварки в дистанционных условиях необходимо учитывать при определении способов герметизации источников. Очевидно, что при сварке в таких условиях преимуществом должны пользоваться те способы и технологические приемы, реализация которых в условиях защитных камер будет выполнена с наименьшими затратами при обеспечении требуемого качества.
Ввиду особой радиационной опасности ИИИ, к сварным соединениям предъявляются высокие требования, как к форме и внешнему виду, так и к сплошности [33]. Согласно нормативно-техническим требованиям при оценке внешнего вида сварного шва к недопустимым дефектам относятся прожоги, несплавления, трещины, поры поверхностные, свищи, включения, подрезы. Геометрические размеры сварных швов должны быть строго регламентированы, так как источники используются в специальных капсулах аппаратов или вставляются в наружный корпус, для которого предусмотрены строго ограниченные внутренние размеры. Основными контролируемыми размерами сварного соединения источника является ширина шва, усиление и увеличение высоты корпуса после сварки (рис. 1.2). Во избежание выхода радиоактивного продукта изделие должно быть герметично, поэтому при оценке сплошности не допускаются трещины любой протяженности, непровары, включения, поры, размером более 0,2 толщины свариваемой кромки изделия, дефекты канального и плоскостного типа и другие, провоцирующие появление негерметичности при изготовлении изделий или способные раскрыться во время их эксплуатации [6, 47]. Глубина проплавлення сварного шва должна быть не менее толщины свариваемой кромки. Оценка сплошности сварных соединений производится в области контролируемого сечения. В торцовом точечном сварном соединении в качестве контролируемого сечения принимают участок шва в виде цилиндра, ограниченного внутренним и наружным диаметром корпуса и свободной поверхностью шва (рис. 1.3, а). Контролируемым сечением для стыко-замкового и торцового кольцевого сварного соединения является участок шва, ограниченный линиями сплавления и линией свободной поверхности шва (рис. 1.3, б, в). При таком достаточно высоком требовании к качеству сварных соединений источников, способ сварки должен иметь возможность автоматизации некоторых технологических операций сборки и сварки, что значительно повышает качество сварных швов. Сварные швы при этом должны контролироваться простыми и надежными способами, которые реализуются в дистанционных условиях.
Известные области, где производится сварка малогабаритных изделий - это микроэлектронная и электротехническая промышленность [41, 91]. Специально для изготовления микроэлектронных схем и электроприборов применяются такие способы сварки, как термокомпрессионная, ультразвуковая, микроплазменная, электронно-лучевая, лазерная. В некоторых случаях единственно возможным методом соединения малогабаритных деталей в микроэлектронике является пайка, а иногда и склейка.
При электронно-лучевой сварке малогабаритных изделий высокая концентрация энергии в луче обуславливает возможность получения небольшого объема сварочной ванны и минимальных размеров зоны термического влияния. Это в свою очередь обеспечивает незначительные термические деформации и небольшие геометрические размеры сварного шва [31, 33]. Однако применение этого способа при сварке источников в дистанцион 18
ных условиях невозможно из-за трудности наблюдения и контроля процесса. Достаточно сложно с помощью манипуляторов обслуживать вакуумную камеру, дополнительные приспособления и устройства электронно-лучевой установки.
Способ термокомпрессионной сварки разработан специально для соединения малогабаритных деталей в микроэлектронике [35, 41, 91, 100]. Преимущество способа заключается в том, что можно получить соединение деталей с толщиной кромок 0,5...5 мкм. Однако при применении термокомпрессионной сварки предъявляются определенные требования к конструкции соединения и к свариваемому материалу. Для получения качественного соединения при этом способе используются только материалы, обладающие высокой пластичностью, такие как алюминий, медь, золото. К тому же такой способ сварки в большинстве случаев применяется для получения соединений, к которым не предъявляются требования по герметичности.
Ультразвуковая сварка также успешно нашла применение в микроэлектронике при герметизации малогабаритных изделий. При этом способе можно получать соединения деталей толщиной 0,01...0,5 мм и производить сварку в зоне термочувствительных элементов, так как нагрев свариваемых кромок не превышает 50% от температуры плавления свариваемого материала [99, 100]. Однако при ультразвуковой сварке имеются ограничения по свариваемым материалам, в частности, материалы должны быть достаточно пластичные, такие как золото, платина, медь, пластмассы, так как с увеличением твердости материала значительно ухудшается его свариваемость [7, 8, 32].
Образование пор и оксидных включений в сварных швах корпусов источников, изготовленных из алюминиевых сплавов
В качестве конструкционного материала для изготовления корпусов в некоторых типах источников используются алюминиевые сплавы. Несмотря на все преимущества алюминиевых сплавов условия формирования швов при аргонодуговой сварке более сложны, чем при сварке аналогичных деталей, изготовленных из стали 12Х18Н10Т. Более интенсивный отвод тепла при сварке алюминиевых сплавов требует существенного увеличения погонной энергии сварки. При наличии на поверхностях деталей оксидной плёнки AI2O3, имеющей температуру плавления 2050 С, требуется повышенное теп-ловложение [53]. В результате по сравнению со стальными деталями, возможно, возрастает опасность перегрева корпуса источника и увеличение вероятности образования выплеска металла шва. Также известно, что при сварке изделий, изготовленных из алюминиевых сплавов, возникает ряд трудностей, связанных с обеспечением необходимого качества сварных соединений. Сложность сварки алюминиевых сплавов связана со склонностью металла сварного шва к повышенной пористости и образованию оксидных включений.
Из анализа литературных данных следует, что формирование зародышей газовых пузырьков при сварке алюминиевых сплавов может проходить за счет диффузии газов, находящихся внутри объема сварочной ванны и за счет выделения газов при реакции веществ на поверхности свариваемых кромок [53, 56, 117]. При сварке алюминиевых сплавов интенсивность механизма возникновения зародышей газовых пузырьков внутри объема сварочной ванны во многом зависит от системы легирования сплавов и растворенных примесей (в основном водорода). Наличие оксидной пленки и других загрязнений на поверхности свариваемых кромок также влияет на образование зародышей газовых пузырьков и других дефектов сплошности сварных соединений, например оксидных включений. Существенное влияние на образование пор и оксидных включений в сварных соединениях из сплавов алюминия может оказывать состояние конструктивных зазоров и качество их подготовки под сварку. Для получения качественных сварных соединений изделий, изготовленных из алюминиевых сплавов, необходимо как можно более точно знать причины происхождения образующихся во время сварки дефектов сплошности. Это в свою очередь дает возможность выбрать методы и приемы, позволяющие снизить образование дефектов в сварных швах.
В задачу исследования входило определить температурное воздействие на корпус источника в процессе АДС для определения вероятности возникновения выплесков, а также оценить склонность к образованию пор и оксидных включений сварных швов источников, изготовленных из сплава АД1.
С целью оценки температурного влияния АДС на корпус источника из алюминиевого сплава АД1 проводили измерение температуры. Чтобы провести анализ полученных результатов с ранее проведенными исследованиями схема измерения температуры и конструкция образца не изменялись (рис. 2.1). Данный эксперимент также дает возможность определить склонности конструкции соединения под сварку к образованию дефектов. Конст 51 рукция соединения кольцевая стыко-замковая 0 6,0 мм с толщиной кромки 0,5 мм. Стыко-замковое соединение имеет наибольшую площадь поверхности расплавляемого металла. Таким образом, увеличивается доля участия поверхностных слоев и содержащейся в них оксидной пленки в общем объеме сварочной ванны. Это позволяет наиболее достоверно оценить влияние поверхности свариваемых кромок на образование дефектов в сварных швах. Режимы сварки определялись экспериментально с учетом выполнения требований к форме сварного соединения и его проплавленню: Ісв=42,0 А, vCB=l,25 мм/с, lg=0,8...1,0 мм, h=3,0..3,5 мм, q=6,0...8,0 л/мин. Одновременно с этим проводился эксперимент по оценке состояния основного металла на склонность к порообразованию за счет внутренних наследственных дефектов и растворенных примесей, а также на вероятность образования оксидных включений. Для оценки склонности основного металла к образованию дефектов проводилась АДС на переменном токе по основному металлу сплава АД1 корпуса 06x0,5 мм кольцевым швом (технологическая проба). Сварку выполняли с полным проплавлением стенки корпуса. При сварке алюминия состояние поверхности основного металла влияет на качество сварного соединения. Известно, что достаточно эффективной операцией при подготовке свариваемых поверхностей является предварительная механическая (токарная) обработка образцов, которая проводится для удаления поверхностного слоя металла, содержащего гидратированную оксидную пленку и другие возможные загрязнения. Оксидная пленка образуется очень быстро и применительно к дистанционным условиям сборки и сварки ее удаление непосредственно перед сваркой не возможно. Время между обработкой поверхности и сваркой задавалось в среднем около 2...3 часов. Учитывалось, что при выполнении работ в условиях защитных камер и боксов, это время необходимо на подготовительные операции сборки (заполнение корпуса активной частью и сборка корпуса и заглушки), а также транспортировки к месту сварки. Подготовка поверхности состояла из следующих операций: механическая обра ботка; протирка спиртом; сушка [86 , 87 ].
Совершенствование конструкции сварных соединений при разработке технологии герметизации корпусов источников
Так, при диаметре корпуса источника 2 мм и при вылете 0,5; 0,6; 0,7 мм увеличение высоты корпуса после сварки происходит на 0,3; 0,35; 0,38 мм соответственно, а при диаметре корпуса 10 мм и при вылете 2,5; 3,0; 3,5 мм увеличение корпуса происходит на 1,4; 1,5; 1,6 мм.
Металлографические исследования, проведенные для корпусов 08 мм показали, что при вылете 2,0 мм высота сварного шва (її) меньше на величину 0,2 мм, чем высота сварного шва (12), полученная при вылете 2,8 мм (рис. 3.11). Это соответственно сказывается на геометрической длине всего корпуса источника (Li L2). На основании проведенного эксперимента следует, что при выборе вылета изделия необходимо ориентироваться на минимальную величину из рекомендуемого диапазона для сварки, так как при одинаковом качестве сварных соединений преимуществом обладает режим, обеспечивающий наименьшие геометрические размеры после сварки. Следует отметить, что для диаметров 10, 11, 12 мм размер увеличения после сварки достаточно большой и составляет 1,6... 1,9 мм. Если учитывать, что длина источников для таких диаметров находится в среднем в пределах 15...30 мм, то при рассмотрении вопроса о применимости данного способа сварки необходимо учитывать размер увеличения после сварки, особенно в тех случаях, когда геометрические размеры источника ограничены. В некоторых случаях необходимо рассматривать вопрос об изменении конструкции соединения на кольцевую торцовую. При герметизации корпусов источников АДС кольцевым торцовым швом увеличение длины корпуса после сварки составляет всего 0,1.. .0,2 мм (см. ниже).
В том случае, когда из-за конструктивных особенностей источников невозможно выполнить герметизацию АДС методом оплавления торца применяется АДС в импульсном режиме кольцевым швом. При этом конструкция соединения под сварку кольцевая торцовая или стыко-замковая. Предварительный расчет (п.2.4) показал, что при АДС в импульсном режиме температура в свободном объеме не превышает критическую температуру выплеска 400...450С, как при АДС оплавлением торца. Перечисленные обстоятельства предполагают необходимость определения режимов сварки, при которых обеспечивается не только геометрическая форма шва, но и требования по сплошности и герметичности.
Импульсная дуговая сварка, по сравнению с непрерывной, имеет большее число параметров режима: ток сварки (1св), время импульса (t„), вре 86 мя паузы (tn), скорость сварки (vCB), шаг сварки (s). Взаимное влияние этих параметров затрудняет исследование каждого из них в отдельности. Необходимые параметры режима сварки могут быть получены и определены с помощью методов математического планирования экспериментов. Основными параметрами режимов при расчете математической модели являлись время импульса, время паузы и сила тока. Значение скорости сварки оставалось таким же, как при аргонодуговой сварке в непрерывном режиме (V=l,25 мм/с), а значение шага сварки определялось впоследствии из выражения s=vCB(tH+tn). Эксперименты выполнялись на образцах, изготовленных из стали марки 12Х18Н10Т, 0 6 мм с толщиной свариваемой кромки 0,6 мм.
Для реализации этой модели необходимо поставить полный факторный эксперимент типа 23, который позволяет получить уравнение регрессии следующего вида: У = Ь0 + bjXi + Ь2Х2 + Ь3Х3 + Ьі2Х!Х2 + ЬізХ!Х3 + Ь2зХ2Хз + Ь12зХ!Х2Х3 Первоначально был проведен выбор основных уровней и интервалов варьирования параметров режима сварки (таблица 3.5) и составлена матрица планирования эксперимента 22 (таблица 3.6).
Вычисление дисперсии каждого опыта, дисперсии воспроизводимости и проверка однородности дисперсий выполнялась по выражениям (3.1), (3.2), (3.3). По результатам расчета дисперсии однородны (F3KC=2,5, FTa6n=19,2,
При вычислении коэффициентов уравнения регрессии (3.4) их значения составили: b0=430, bi=68,75, b2=-26,25, b3=45,25, b12=0,25, bi3=8,75, Ьгз=8,75, Ьі2з=0,25. Проверка значимости коэффициентов показала, что при доверительном интервале Abj=±tsb=20,2 (t =4,303 - табличное значение кри терия Стьюдента при уровне значимости 0,05, \ =—— = —- = 22,125- дис персия коэффициентов) коэффициенты bi2, Ьгз, Ьпз незначимы, так как их значения меньше, чем 20,2. В результате получаем уравнение регрессии следующего вида: у = 430 + 68,75xi - 26,25х2 + 45,25х3.
При проверке адекватности математической модели дисперсию адекватности и остаточную сумму квадратов находили по выражениям (3.5), (3.6). Проверку выполняли с помощью критерия Фишера: эш, -77=306/177=1,728, FTa6jI=19,3 - значение F-критерия для 5% уровня зна чимости. Так как F3KCn FTa6jl можно сказать, что модель адекватна с вероятностью 0,95 и уравнение регрессии описывает зависимость глубины проплав 88 ления сварного шва от параметров режима сварки - времени импульса, времени паузы и силы тока.
Интерпретация результатов.
Рассчитанную математическую модель использовали для нахождения оптимальных параметров режима сварки, при которых обеспечивается требуемая глубина проплавлення (600 мкм). Соответственно для того, чтобы значение у по уравнению регрессии составляло 600...800 мкм необходимо каждый параметр (хь Хг, х3) изменять в соответствии с коэффициентами уравнения. Для этого был определен шаг движения к оптимуму (0,02 с, 0,01 с, 4 А) и вычислены режимы сварки (шаг сварки + основной уровень). По результатам расчета определились ориентировочные режимы сварки, при которых обеспечивается требуемая глубина проплавлення (таблица 3.7). Расчетные параметры режимов сварки использовались при проведении экспериментов для определения оптимального диапазона времени импульса, времени паузы, силы тока, скорости сварки и шага сварки.
Проверка работоспособности сварных соединений
Повысить качество сварных соединений малогабаритных корпусов источников, как показали предыдущие исследования, можно применением АДС оплавлением торца, АДС в импульсном режиме и АДС с остановкой.
При применении АДС с остановкой или АДС в импульсном режиме вероятность образования выплеска металла сварного шва снижается до 1...2 % (рис. 3.22) Однако реализация данных технологий в дистанционные условия имеет свои особенности. Сварка в дистанционных условиях таких ответственных конструкций требует постоянного контроля за формированием сварочной ванны и за сварочной дугой, чтобы в случае нарушения технологии сразу же прекратить процесс во избежание выхода радиоактивного продукта. Реализация технологии импульсной АДС даже в автоматическом режиме требует наблюдения за процессом сварки, что оказывает большое влияние на утомляемость глаз. Известно [123], что пульсирующий световой поток при импульсной сварке по сравнению со сваркой в непрерывном режиме оказывает неблагоприятное воздействие на зрительные функции. В процессе импульсной АДС происходят более глубокие изменения таких зрительных функций, как устойчивость ясного видения и контрастная чувствительность по сравнению с АДС в непрерывном режиме. Для улучшений условий труда при работе с импульсной дуговой сваркой рекомендованы регламентированные перерывы. Поэтому при реализации технологии герметизации корпусов источников, чтобы не прерывать производство, необходима частая смена персонала, что в свою очередь ведет к повышению себестоимости продукции. Использование технологии АДС с остановкой ведет к увеличению длительности процесса сварки за счет остановки и времени выдержки для остывания корпуса. Это приводит к уменьшению количества выпускав 113 мых источников за смену, что также влияет на себестоимость продукции. Необходимость в применении АДС в непрерывном режиме все равно остается. Использование различных конструктивных приемов возможно позволит снизить склонность к образованию выплесков металла при АДС в непрерывном режиме.
При сварке источников АДС нагрев свободного объема газа внутри корпуса происходит в основном через заглушку (со стороны торца заглушки), так как стенки корпуса в процессе сварки охлаждаются медной теплоот-водящей цангой. Было предложено увеличить длину заглушки. Предположили, что это уменьшит нагрев газа в свободном объеме. Чем дальше торец заглушки находится от места сварки, тем меньше будет температура на торце заглушки, а, следовательно, и вероятность образования выплеска. С увеличением длины заглушки увеличивается протяженность технологического зазора, образованного между корпусом и заглушкой, что также может оказать влияние на склонность к выплескам. Как было показано (п. 2.2), выплеск может произойти только в том случае, когда необходимое количество газа пройдет через технологический зазор. При этом на сопротивление прохождению газа влияет длина технологического зазора, образующего лабиринтное уплотнение. При увеличении длины технологического зазора увеличивается расстояние, которое необходимо пройти газу, и уменьшается вероятность образования выплеска.
Для уточнения высказанного предположения проводили эксперименты на образцах кольцевой торцовой и стыко-замковой конструкций, изготовленных с заглушками длиной L=2; 3; 4; 5; 6; 7 мм. Образцы герметизировали АДС в непрерывном режиме и одновременно проводили измерение температуры в контролируемой точке с разными длинами заглушек. Полученные данные свидетельствуют, что с увеличением длины заглушки уменьшается температура газа, находящегося внутри свободного объема корпуса. Чем дальше торец заглушки находится от источника сварки, тем меньше он нагревается. На кольцевой торцовой конструкции при длине заглушки 2 мм максимальная температура в процессе сварки в точке А составляет 820 С, при длине 5 мм максимальная температура - 310 С (рис. 3.29, а). При сварке на стыко-замковой конструкции вылет изделия из цанги составляет около 3 мм и поэтому корпус охлаждается цангой не полностью (рис. 2.1). В связи с этим уменьшение температуры в свободном объеме на стыко-замковой конструкции происходило при большей длине заглушки (рис. 3.29, б).
По результатам предыдущих исследований было определено, что критическая температура в свободном объеме, при которой возникают выплески составляет 400...450 С. Можно сказать, что при АДС в непрерывном режиме необходимо выбрать ту длину заглушки, при которой температура на торце не превышала бы эту температуру. Из приведенного графика следует, что если длина заглушки на торцовой конструкции соединения будет не менее 4 мм, то температура не будет превышать (420 ±10) С. Для стыко-замковой конструкции соединения при длине заглушки не менее 7 мм температура в свободном объеме не будет превышать (440 ±10) С. В этих случаях АДС в непрерывном режиме приемлема для герметизации источников [144 , 146 ]. Когда высота источников ограничена и невозможно применить заглушку с большей длиной, необходимо использовать АДС в импульсном режиме или АДС с остановкой.
Герметизация источников выполняется в камерах с дистанционным управлением. Трудности получения качественных сварных соединений малогабаритных изделий в дистанционных условиях связаны также и с правильностью выполненной сборки корпуса и заглушки под сварку. Для получения качественного сварного соединения необходимо ориентировать заглушку точно относительно корпуса, что представляет определенную трудность при автоматизированном производстве и требует применения специальных устройств. Более технологично выполнение сварных соединений без заглушек, там, где это можно, что значительно упрощает операцию сборки. Наиболее приемлемый способ сварки в этом случае АДС методом оплавления торца. К тому же сварка без заглушки вероятно должна уменьшить склонность к выплескам. Так как нарастание давления происходит в начале процесса сварки (нагрев и расплавление металла), то заглушка в данном случае способствует задержанию нагретого газа в свободном объеме. В случае отсутствия заглушки воздух беспрепятственно проходит и повышение давления начинается не после расплавления металла как в случае соединения с заглушкой, а когда уже начинают смыкаться расплавленные кромки корпуса и формируется соединение. Тем самым сокращается время нахождения нагретого газа внутри замкнутого объема. Одним из главных ограничений применения такой конструкции может являться то, что в отсутствие заглушки не всегда будет достаточно расплавляемого металла для формирования соединения. Поэтому для реализации такой технологии необходимо установить геометрические параметры свариваемых кромок корпусов, при которых будет обеспечиваться стабильная форма сварных соединений. Была проведена оценка возможности получения сварных соединений без применения заглушек.
Проводился эксперимент по сварке корпусов источников с различным диаметром и толщиной кромки. Образцы были изготовлены из стали марки 12Х18Н10Т. Сила тока и время сварки соответствовали значениям ранее отработанных режимов для соединений с заглушками (рис. 3.16). При оценке качества контролировалась форма сварных соединений и их сплошность.
Стабильное формирование сварного шва было получено при герметизации корпусов диаметром от 1,0 до 5,0 мм (рис. 3.30). В этих случаях противление сварного шва соответствует толщине свариваемой кромки, и нет отклонений в размерах соединения. Основным параметром, определяющим формирование сварного соединения, является в данном случае вылет из цанги и соотношение толщины свариваемой кромки к диаметру корпуса. В данной конструкции соединения наблюдается дефицит металла для образования соединения. Экспериментально определено, что для компенсации недостатка металла необходимо, чтобы отношение толщины кромки к диаметру корпуса должно быть не менее 0,2 (c/d 0,2) (рис. 3.32).
