автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка технологии лазерной сварки коррозионностойкой стали с высоким содержанием бора

В настоящее время проблемы ядерной безопасности приобрели особо острый характер в результате накопления критических объемов отработанного ядерного топлива как на российских атомных электростанциях (АЭС), так и за рубежом. Термохимические комбинаты не успевают его перерабатывать, а стационарные приреакторные бассейны выдержки изначально не были приспособлены для хранения имеющихся сегодня количеств радиоактивных отходов [53]. В связи с этим, идет интенсивный поиск решений, среди которых важное место уделяется возможности увеличения объемов хранения отработанного топлива непосредственно на станциях за счет более плотного расположения тепловыделяющих сборок (TBC) в бассейнах выдержки. На нескольких энергоблоках с реакторами ВВЭР-1000 на Балаковской АЭС (Россия), Южно-Украинской АЭС (Украина), и на АЭС "Козлодуй" (Болгария) это удалось обеспечить в результате размещения в них специальных стеллажей, изготовленных из нержавеющей стали, содержащей бор, который значительно повышает сечение захвата нейтронов. Как следствие, удалось как минимум в 2-3 раза сократить расстояние между отдельными TBC и во столько же раз увеличить их количество в бассейнах выдержки. Одновременно существенно повышается срок хранения отработанного топлива на АЭС и радиоактивная безопасность.

Для изготовления указанных стеллажей использовалась сталь 04Х14ТЗР1Ф. При этом в качестве основных элементов конструкции служили шестигранные трубы размером "под ключ" 255 мм, длиной до 4500 мм, и толщиной стенки 5-6 мм. Сталь обладает низкой пластичностью и ударной вязкостью и относительно сложно поддается обработке давлением. *

В результате технология получения труб трудоемкая, и, как следствие, дорогостоящая. При их изготовлении велик процент брака.

Поэтому поиск и разработка новых эффективных технологических эешений, обеспечивающих изготовление указанных конструкций является своевременным и актуальным. Потребность в этом возрастает в связи с необходимостью освоения шестигранных труб меньшего сечения для хранения других типов TBC. Она диктуется также возрастающим стремлением увеличить плотность, а, следовательно, и объем находящегося на АЭС отработанного топлива. При этом естественным становится гребование обеспечить соответствующую радиационную надежность за счет повышения в стали содержания бора более 2%. С экономической точки зрения наиболее приемлемым, если не единственным решением становится сварной вариант изготовления конструкций из листа.

В этой связи особую важность приобретает проведение исследований свариваемости указанной стали и выбор оптимальных способов сварки. Проведенный анализ работ отечественных и зарубежных авторов, а также предварительных экспериментов позволяет рекомендовать в качестве источника нагрева при сварке стали 04Х14ТЗР1Ф лазерный луч [72].

Целью работы является разработка технологии лазерной сварки конструкций, предназначенных для хранения отработанного ядерного топлива на АЭС из хромистой коррозионностойкой нейтронопоглащающей стали с высоким содержанием бора, обеспечивающей:

• получение качественных сварных соединений по своим защитным характеристикам не уступающих основному металлу;

• значительное сокращение затрат на изготовление указанных конструкций;

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

1. С помощью математической модели температурного поля от эквивалентного источника теплоты изучить тепловые процессы, протекающие в зоне термического влияния и оценить влияние параметров режима сварки на ее структуру.

2. Оптимизировать режимы лазерной сварки.

3. Провести сравнительные исследования влияния лазерного и дугового нагрева на структуру и свойства сварного соединения стали 04Х14ТЗР1Ф и аналогичной стали без бора.

4. Исследовать служебные характеристики, коррозионную стойкость сварных соединений и их склонность к трещинообразованию.

5. Разработать технологию сварки чехлов тепловыделяющих элементов из стали 04Х14ТЗР1Ф.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Разработана методика оценки теплового воздействия в стыковых соединениях при сварке лазерным лучом. Методика основана на моделировании тепловых процессов в зоне термического влияния от комбинированного эквивалентного источника теплоты, учитывающего неравномерность распределения температур по толщине свариваемых деталей.

Установлена связь между основными параметрами режима лазерной сварки стали 04Х14ТЗР1Ф и величиной зоны интенсивного роста зерна 5-феррита, которая позволила определить оптимальные параметры режима сварки.

2. Показано, что применение лазера в качестве источника нагрева при сварке хромистых безникелевых сталей, легированных бором позволяет снизить перегрев околошовного металла по сравнению с дуговой сваркой, предотвратить рост зерен 8-феррита и их коагуляцию. При этом значительно повышается стойкость сварных соединений стали 04Х14ТЗР1Ф к охрупчиванию.

3. Установлено, что при дуговой сварке стали 04Х14ТЗР1Ф по границе сплавления образуется сплошная полоса боридов хрома и титана МеВг,

МезВг шириной до 0,04 мм, что отрицательно сказывается на пластических характеристиках сварных соединений. При лазерной сварке с погонной энергией менее 3,6кВт/см полоса боридов отсутствует.

Практическое значение работы состоит в следующем: Предложена технология изготовления сварных чехлов из стали 04Х14ТЗР1Ф для хранения на АЭС отработанных TBC, основанная на применении лазерной сварки. Она позволяет исключить сложный вариант прокатки шестигранных труб, характеризующийся низким выходом годного металла и перейти к изготовлению труб из листа. При этом значительно расширяется номенклатура подобных изделий.

Разработанная технология принята к реализации предприятиями Акционерного общества тяжелого и энергетического машиностроения «ТЭНМА». 9

ВЫВОДЫ ПО 4 ГЛАВЕ

1. Рассмотрены 2 варианта сварных конструкций шестигранных труб. В качестве базового предложено использовать сварной вариант из двух полукорыт с расположением сварных швов по середине противоположных граней. В целях обеспечения большей надежности предложена схема расположения чехлов в стеллажах.

2. Моделирование плоско-деформированного состояния шестигранных труб при наложении сварного шва, проведенное на энергии.

Предложен технологический процесс изготовления шестигранных труб из полукорыт при помощи лазерной сварки. Процесс включает в себя следующие операции: термическую обработку, профилирование листов в полукорыта с нагревом, термическую обработку полукорыт, контроль геометрических размеров, химическую обработку, ультразвуковой контроль граней, механическую обработку, обезжиривание, сборку и сварку, контроль геометрических размеров, ультразвуковой контроль сварных швов, проверку распределения бора в сварных швах, упаковку.

Экспериментальным путем определена зависимость необходимой для формирования стыкового соединения с полным проплавлением плотности мощности излучения от скорости сварки. В процессе сварки натурных образцов оптимизированы основные технологические параметры сборки и сварки шестигранных чехлов для хранения отработанного .ядерного топлива:

- величина зазора между кромками не более 0,15 мм смещение кромок по высоте относительно друг друга не более ±0,5 мм

- смещение луча относительно оси стыка в поперечном направлении не более ±0,25 мм.

- расход аргона для защиты лицевой стороны 7-9 л/мин

- расход аргона для защиты корня шва 5-6 л/мин.

ПНЫ ПГТТРГТГХтТР ппгтя ^рпмя Я-гЬрттгштя упппггытлр и гпгкшир трещины.

Ввиду того, что при использовании дуговых способов сварки не удается координально изменить интенсивность теплового воздействия целесообразно применение источника с меньшей погонной энергией - лазера.

Разработана методика оценки теплового воздействия в стьгковых соединениях при сварке лазерным лучом. Методика основана не моделировании тепловых процессов з зоне термического влияния от комбинированного эквивалентного источника теплотм. учитывающего неравномерность распределения температур по толщине свариваемых деталей. Установлена связь между параметрами режима лазерной сварки стали 04Х14ТЗР1Ф и величиной зоны интенсивного роста зерна 6-феррита, которая позволила определить оптимальные параметры режима сварки. Применение лазера, в качестве источника нагрева при сварке хромистых безникелевых сталей, легированных бооом позволяет снизить перегрев околошовного металла по сравнению с АРДС, подавить рост зерен §-феррита и их коагуляцию, что значительно повышает стойкость сварных соединений к охрупчиванию. Традиционно применяемый при сварке хромистых сталей предварительны,: высокий подогрев (до 400°С) приводит к увеличений ширины зоны интенсивного роста зерна 5-феррита более чем в 2 раза, а также времени пребывания в ней металла околошовной зоны в 3 раза. Скорость охлаждения металла при температуре мартенситного превращения (450°С) при этом снижается до значений 3-5°С/с. что обуславливает наличие большого количества структурно-свободного феррита в околошовной зоне, твердость которого возрастает до 1бОНЛ^. При АРДС стали 04Х14ТЗР1Ф по границе сплавления образуется сплошная полоса боридов хрома и титана МеВз. МезВ2 шириной до 0,04 мм, что отрицательно сказывается на пластических свойствах сварных соединений. При лазерной сварке с погонной энергией менее 3,6кВт/см полоса боридов отсутствует.

П РГХТПОКЯ и ЯР ГТЯПМ ППЛ11М ГтРГИТТГТт/^Г ппгту ТРПРН Я-гЬрППИТЯ ПП/Т 1 VI Г Ж. ^ V Ь« АА А А V -V А А.А А V V ^ -»А АА р А А А А. А. V А А» 1 Ч» А «^У А » V/ * ^ А V ^ А А А А А Ч/,¡-1, воздействием термического никла сварки. Последующая термическая обработка сварных соединений из стали 04Х14ТЗР1Ф (отпуск 760+10°С. Зч. с охлаждением на воздухе) приводит к росту

ТРПР1Т гЬрприТЯ Р 1 ПЯ'У!

V V А А V А А А V» «-» — МАЛ» »

Среднее содержание бора в сварных швах стали 04Х14ТЗР1Ф.

ЙЫПППНРННЫУ П;ПРППМ гпгтядтарт 1 Нрлякнпмрлнпртк ----------~—— , 1,. ».„^„^-------г------~ распределения бора не превышает 0ДО/о. что соответствует требованиям, предъявляемым к шестигранным чехлам для хранения отработанного ядерного топлива.

Наименьшие величины пределов прочности и текучести металла зоны термического влияния достигаются при скоростях охлаждения

30.40°С/сек, что соответствует значениям погонной энергии порядка 2,ЗкДж/см.

Сварочный нагрев оказывает крайне отрицательное влияние на пластические свойства сварного соединения и прежде всего на ударную вязкость, значения которой резко снижаются при увеличении скорости охлаждения и начиная с 10°С/с не превышают 10 Дж/см2. '

10.Стойкость сварных швов стали 04Х14ТЗР1Ф, выполненных лазерной сваркой как общей, так и к межкристаллитной коррозии мм смещение луча относительно оси шва в поперечном направлении -не более ±0,25 расход аргона для защиты лицевой стороны шва - 7-9 л/мин расход аргона для защиты обратной стороны шва -5-6 л/мин-12. Разработаны технолог и чсские рекомендации по лазерной сварке чехлов для хранения TBC. внедрение которых, на предприятиях АО тяжелого и энергетического машиностроения «ТЭНМА» обеспечивает снижение металлоемкости в 2,8 раза . себестоимости изготовления чехлов в 2,5 раза и позволяет расширить номенклатуру изделий за счет освоения шестигранных чехлов меньшего сечения.

-116

1. Баженов В.В., Федяева Т.Р., Электроды для сварки теплоустойчивой хромистой стали,- Сварочное производство, 1958, №3, с.26-29

2. Крянин И.Р., Бабушкина Г.И., Дегтярев А.Ф. Особенности отпуска нержавеющей стали 0Х12НДЛ,- Труды ЦНИИТмаш, 1973, №112, с.41-46

3. Штрикман М.М. Влияние 8-феррита на ударную вязкость сварного шва в соединении сталей переходного класса,- Сварочное производство, 1966 No 7, с.10-12.

4. Рымкевич А.И., Кленевскийц А.Г., Исследование и разработка технологии сварки нержавеющей стали,- Труды ЦНИИТмаш, 1974, №119, с.42-44

5. Меськин B.C., Основы легирования сталей,- М.: Металлургия, 1964, с. 684.

6. Козлов P.A., О стойкости сварных соединений против образования холодных трещин,- Сварочное производство, 1968, № 7, с. 1-3

7. Макаров Э.Л., Количественная методика испытания стали и электродных материалов на склонность к образованию холодных трещин в зоне термического влияния сварного шва,- Сб. межвузовской конференции по сварке. М.: Машгиз, 1958, с.27

8. Бахрах Л.П., Лившиц Л.С. Сварка конструкций из стали 0X13 (ЭИ-496). "Сварочное производство", 1963, №10, с.18-20

9. Приданцев И.В. , Астафьев A.C., Влияние примесей на развитие горячих тещин в наплавленном металле,- Сварочное производство, 1959, 3, с 18-22.

10. Ю.Прозоровский Е.В., Петров Г.Л., Вопросы дуговой сварки аустенитных хромистых сталей, легированных бором,- Автоматическая сварка, 1966, №1, с 1-5-117

11. Медовар Б.И., Пинчук Н.И., Чекотило JI.B., Аустенитно-боридные стали и сплавы для сварных конструкций,- Наукова Думка: Киев, 1970, с 145

12. Каховский Н.И., Фартушный В.Г., Ющенко К.А. Электродуговая сварка сталей.- Киев: Наукова думка", 1975, с.480.

13. Каховский Н.И. Понизовцев A.M., Вивсик С.Н., Николаенко М.Р. Сварка жаропрочной стали ЭИ-756. "Автоматическая сварка", 1966, №6 с. 50-54.

14. Э. Гудремон, Специальные стали. М.: Металлургия, 1996, с. 1274.

15. Лепилина Ж.А., Исследование хрупкости и улучшение свариваемости 14%-ных хромистых закаливающихся сталей. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук,- М. 1979, с. 210.

16. А.Г.Григорьянц, Основы лазерной обработки. Машиностроение, М.: 1989, с.301.

17. В.С.Коваленко, В.П.Дятел и др., Справочник по технологии лазерной обработки,- К: Техшка, 1985, 167 с:

18. А.Г.Григорьянц, И.Н.Шиганов, Оборудование и технология лазерной обработки материалов. М.: "Высшая школа", 1990, с. 158.

19. Г.В.Самсонов, Л.Я.Марковский, А.Ф.Жигач, М.Г.Валяшко, Бор, его соединения и сплавы. -Киев: Издательство АН УССР, 1960, с. 590

20. В.А.Мчедлишвили, В.В.Ховрина Бор, кальций, ниобий, цирконий в чугуне и стали,- М.: Металлургиздат, 1961, 460с

21. В.А.Судник, Математическое моделирование сварочных процессов., Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в соединении материалов,- Тула, 1995, с.15-18

22. В.А.Судник, Д.Радаи, В.А.Ерофеев, Компьютерная модель лазерно-лучевой сварки: модель и верификация. -Сварочное производство. 1997, №1, с.28-33-118

23. В.А.Судник, В.А.Ерофеев, Д.Радаи, Компьютерное моделирование лазерно-лучевой сварки: концепция и реализация,- Сварочное производство, 1996, №9, с34.-37

24. В.Д.Ходаков, Н.А.Волосов, С.И.Евсеев, М.А.Базанов, Н.А.Шевцова, А.С.Юдин, Ю.С.Милостанов, Механизированная аргоно-дутовая сварка труб из стали 08Х14МФ с трубной доской из стали 20,- Автоматическая сварка, 1990, №6, с.55-59

25. Knutsen A. Kromstat en oversikt over utvikling og hoytempraturanvendelser. "AJOUR-Tekn. inform.", 1966, 19 № 11, 613-614.

26. Нисио Я. Сварка высокохромистых нержавеющих сталей. Перевод № -77221. "Качаку соти", 1975,т.17, № 16 с.29-35.

27. Jolm С. Ion, Modelling of laser welding of carbon manganese steels.

28. A. Tore, Lasersveising sammenfoyning-steknikk for fremtiden.,Sveiseteknikk. -1990 -45 № l.-cl-5-Норв

29. C.Kluzinski, A.M. Lemaire, D. Marcgand, P.Piednoir, Les lasers en soudage., "La reviev politeknik" № 1473 3/86 p. 17

30. M.Beck, A survey of modeling laser deep welding., // Laser Treatment of Materials, ECLAT'92/ P.61-70.

31. Andrews J.G., Atthey D.R. Hydrodynamic limit to penetration of a material by high-power beam// Journal Physics D: Applied Physics/ 1976 №9 P.2182-2194.

32. A keyhole model in penetration welding with a laser// Journal Physics D: Applied Physics/ 1987 №20 P.36-44

33. Beck M., Berger P., Hugel H. Modeling of keyhole/melt interaction in laser deep penetration welding// Laser Treatment of Materials, ECLAT'92/ Obrursel: DGM Information-gesellschaft Verlag. 1992. P.963-698.

34. Fundamental approach to the laser weldability of aluminium- and cooper-<alloys/ Ju Rapp, M.Beck, F.Dausinger, H.Hugel//5-Th. European Conference on Lathe Treatment of Material, ECLAT'94. Bremen 1994 (Dusseldorf: DVS Verlag. Bericht Nr. 163)-119

35. Huet 1.1., Van Absbroueck Ph., Leroy V., Dispersio-Strenghtened ferritic steels for fast reactor structural materials. " Trans'Amer. Nucl. Soc", 1973, 17,200

36. Loria Edwards A., Jsaacs Hugh S. Nype 304 stainless steel with 0,5% boron for storage of spent nuclear fuel, "J. Metals", 1980, 32,№12,10-17.

37. Becker D. Shults W., Evaporation in deep penetration welding with laser radiation. Laser in der technik 93,1993

38. Rockstroh T.J., Mazimer J. J Appl. Physics 61(3) 1987 Steen

39. W.M.,Dowden J.M., Davis M.P., and line source model of laser keyhole welding., J.Appl Phys. Vol21, pp.1125.Swift-Hook D.T., Cjck A.F.E.,

40. Penetration welding with laser., Welding J. Vol 52, 1973, pp492

41. High speed welding. Journal of Laser Application., 1963 pp.18.

42. Рыкалин H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке,- М.: Машгиз, 1951.296 с

43. Резник А.А., Кайбышева JI.C. Основные проблемы ядерной безопасности,- "ТЭК" № 1-2, 1998 с. 53-55

44. Н.П.Жук Курс теории коррозии и защиты металлов,- М.Металлургия, 1976.472 с.

45. С.И.Думов Технология электрической сварки плавлением,- Л: Машиностроение 1987. 461 с.

46. Б.П.Демидович, И.А.Марон Основы вычислительной математики.-М.,"Наука",1970, 664 с

47. Е.А.Волков Численные методы,- М.: Изд МИФИ, 1980, 84 с.

48. Неклюдов С.Ю., Сорокин Л.М. Програмирование вычислительных процессов в интегрированной среде Турбо-Паскаль: СП. ГУВК СПб 1997 84 с

49. Самарский А.А. Введение в численные методы.- М.: Наука, 1987.-288 с.

50. Stainless Stell IND № 60,10 -11,1981

51. Stainless Stell IND № 16, 13 -15,1975

52. Bergeend Hutteman Monatsh, № 9, 1981-12053. А.С. 75-128 А№3902829, 1974

53. Introducing Boron 304-а Stainless steel for the nuclear industry "Stainless steel Ind", 1981,No50p. 10-115 5. Металловедение реакторных материалов, кн. 3. Материалы замедлителя, отражателя и регулирующих устройств,- М.: Госкоматомиздат, 1962, стр 114.

54. Симпозиум института материалов в Лондоне (март 1962 г.) Атомная энергия, 1962, 13, 5 стр. 500-505.

55. Balai N. Boron steel for control rods and thorm shulds "Nucloonies", 1958(46) p. 100-101.

56. Влияние титана на фазовый состав и деформируемость высокобористых сталей. Атомная энегрия, 1967, 22,5, стр. 384-389.

57. Ницима Ц. Влияние титана на свойства боросодержащей нержавеющей стали. 1 эцу то хаганэ, т. 49, №3, стр. 579-681.

58. Berger G.A. , Krene W.J. Anew stainless for atomic energy "Steel", 1956 (46)1, 145-147

59. Блантер M.E. Металловедение и термическая обработка,- М.: МАШГИЗ, 1963, 416.

60. Рыкалии Н.Н. Развитие теплофизики сварочных процессов,- Сварочное производсто, 1967, №11, с 13-15

61. Виль В.И., Рыкалик Н.Н., Пугин. А.И., Васильева В.А., Гельман А.С., Сандер М.П., Заксон Р.И., Вознесенский В.Д. Статьи Сварочное производство, 1959, №10

62. Beck М, Becker P. Hogez Н. The effect of plasma foundation on beam focusing on deep pentration welding with C02 kazers. J Phys. D. Appl Phys 28 1995 pp.2430

63. D.Rosenthal. Weld. J. 20 220s-243s (1941)

64. M.F.Ashby, K.E.Easterling, ActaMetall. 30 1969-1978

65. Beck M., Modelling des lasereffect Dessertation 1992

66. НПО ЦНИИТМАШ Отчет 72.0043.086 1992 г. 450с.

67. М.И.Аленко, A.C.Дубровник, Т.В.Дурейко Прикладная оптика. М. Машиностроение, 1992 г. 480 с.

68. Турытин H.A. Прикладная оптика. -М.: Машиностроение, 1966 г.,- 341 с.

69. Swell John R. Design fpr laser beam welding.- Welding Pes. And Fab., 1977, 50, No 6, 106-110.

70. Бекетов А.Б., Нестеров А.Ф. Применение лазерной сварки для сталей с высоким содержанием бора. Материалы 24 НТК «Гагаринские чтения».-М. МАТИ-РГТУ 1998, с33-34.

71. Нестеров А.Ф., Бекетов А.Б. Исследование тепловых процессов при лазерной сварке нержавеющих безникелевых сталей с высоким содержанием бора. Материалы Российской НТК «Новые материалы и технологии». М.: МАТИ-РГТУ 1998. с.

72. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ.-М.: Финансы и статистика, 1986 .-336 с.

73. Об использовании результатов диссертационной работы Бекетова А. Б.

74. Предложенная технология позволяет перейти от цельнотянутого варианта изготовления чехлов к листовому, а также существенно расширить номенклатуру выпускаемых изделий за счет освоения чехлов меньшего сечения.

75. Внедрение в производство технологии лазерной сварки чехлов из листа по предварительной оценке обеспечит снижение металлоемкости в 2.8 раза и снижение себестоимости продукции в 2.5 раз.

76. В настоящее время ведется работа по согласованию условий контрактов на изготовление СУХТ для Армянской АЭС и АЭС "Козлодуй" (Болгария), в которых предусматривается использованиеуказа1. Р.Н.Арутюнов