автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Сварка малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений

На правах рукописи

Иванович Юлия Витальевна

СВАРКА МАЛОГАБАРИТНЫХ КОРПУСОВ ИСТОЧНИКОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Специальность 05.02.10 - «Сварка, родственные процессы и технологии»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

21 МАР 2013

Ростов-на-Дону - 2013

005050844

Работа выполнена в ОАО «Государственный научный центр научно-исследовательский институт атомных реакторов» (г. Димитровград)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Казаков Юрий Васильевич, ФГБОУ ВПО «Тольятгинский государственный университет», г. Тольятти

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Чуларис Александр Александрович, ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет», г. Ростов-на-Дону

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ронский Владимир Леонидович, федеральное государственное унитарное предприятие «РОСДОРНИИ» Северо-Кавказкий филиал, г. Ростов-на-Дону

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский и

конструкторский институт монтажной технологии - Атомстрой», г. Москва

Защита диссертации состоится 26.03.2013 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д212.058.01 при ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ДГТУ, ауд. 252

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ. Автореферат разослан <с/¿7» ру 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета Д212.058.01.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Д.В. Рогозин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 A.B. 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:

1. Определены условия образования дефектов в сварных швах малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений.

2. Определены способы и технологические приемы, при которых происходит качественное формирование сварных соединений, выполненных аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом и лазерной сваркой.

3. 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 А^УБ. 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 <1 корпуса до 12 мм и вылете корпуса из цанги Ь = (0,25...0,35)(1, 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 Ь = (0,5.. Д7)<1;

-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

1.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 %.

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.

3. 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.

4. 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:

1. Условия образования пор и выплесков металла сварочной ванны при аргонодуговой сварке малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности выбранной темы, сформулированы цель работы и решаемые задачи, изложены новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе показана область применения ИИИ и условия их эксплуатации. Рассмотрены особенности сварки малогабаритных изделий и методы повышения качества сварных соединений. Дана оценка возможности использования различных способов сварки при изготовлении источников.

Область применения ИИИ очень разнообразна: в медицине - для диагностики и лечения онкологических заболеваний, в промышленности -для радиографического контроля изделий, а так же для космических исследований. В общем виде данный источник представляет собой герметичный корпус, внутри которого расположена активная часть, содержащая радиоактивный материал. Практически все источники имеют малые размеры: диаметр корпусов 1,0...10,0 мм, толщина свариваемых кромок 0,1...0,6 мм. В качестве конструкционных материалов используются аустенитная сталь марки 12Х18Н10Т и алюминиевые сплавы. Типовыми конструкциями герметизирующих соединений ИИИ являются: кольцевая стыко-замковая, кольцевая торцовая и точечная торцовая (рис. 1).

Рис. 1. Конструкции герметизирующих соединений источников: а - кольцевая стыко-замковая; б - кольцевая торцовая; в - точечная торцовая

При разработке технологии изготовления источников необходимо обеспечить надежную герметизацию радиоактивного вещества, что является одним из важнейших условий безопасной эксплуатации ИИИ. Процесс герметизации малогабаритных ИИИ осуществляется в условиях радиационно-защитных камер аргонодуговой сваркой (АДС) неплавящимся электродом. Но при этом иногда образуются свищи, газовые полости, поры и оксидные включения, нарушающие работоспособность изделия. Все это определяет необходимость борьбы с образованием дефектов сплошности в сварных соединениях корпусов источников.

Из анализа литературных данных установлено, что образование газовых полостей и свищей связано с повышением давления в свободном объёме внутри изделия при нагреве газа до высокой температуры и выплеском расплавленного металла сварочной ванны. Для борьбы с подобными дефектами применяют способы, основанные на уменьшении давления газа, находящегося внутри изделия, или на повышении давления над сварочной

ванной. Однако при этом происходит изменение давления внутри изделия, что неприемлемо для источников. Известен способ изготовления технологического отверстия в заглушке, предназначенного для выхода расширяющегося газа. Но для герметизации отверстия необходимо размещение в камере дополнительного сварочного оборудования.

При сварке источников, изготовленных из алюминиевых сплавов, кроме перечисленных дефектов возникают трудности, связанные с образованием пор и оксидных включений. Для сокращения количества дефектов применяют флюсы, разрушающие оксидную плёнку, или воздействуют в процессе сварки на ванну продольным магнитным полем для дегазации расплава. Однако использование в условиях защитных камер дополнительных технологических операций и приспособлений повышает трудоёмкость изготовления ИИИ.

Другой подход к решению задачи качественного формирования сварных соединений может быть связан с регулированием тепловложения за счёт применения аргонодуговой сварки методом оплавления торца, а также аргонодуговой и лазерной сварки в импульсном режиме. При этих способах сварки сокращается время нахождения металла в расплавленном состоянии и ограничивается время, в течение которого происходит образование и рост пор. Однако, несмотря на преимущество данных способов, в этом случае также могут возникнуть дефекты сплошности. Для повышения эффективности борьбы с образованием перечисленных дефектов необходимо определить условия их возникновения в сварных швах и установить оптимальные параметры технологии сварки.

В результате анализа известных решений были сформулированы задачи работы.

Во второй главе работы приведены результаты исследований по определению условий образования выплесков, газовых полостей, пор, оксидных включений в сварных швах малогабаритных корпусов ИИИ.

Для определения условий образования выплесков расплавленного металла в процессе аргонодуговой сварки кольцевым швом измеряли температуру в контролируемой точке А, максимально приближенной к участку расположения свободного объёма. При этом допустили, что температура в точке измерения соответствует температуре газа, находящегося в свободном объеме (рис. 2, а). Эксперименты проводили на образцах 0 6 мм с толщиной свариваемой кромки 0,6 мм, изготовленных из стали марки 12Х18Н10Т.

Было определено, что в момент выплеска расплавленного металла температура составила (855 ± 25) °С (рис. 2, б). Газ, нагреваясь, расширяется и через технологический зазор между корпусом и заглушкой попадает в сварочную ванну, образуя газовый пузырь. В зависимости от времени существования сварочной ванны к моменту кристаллизации металла газовый пузырь может зафиксироваться в сварном шве в виде газовой полости (рис. 3, б) или выйти наружу с частью расплавленного металла с образованием дефекта типа свища (рис. 3, а).

Гвыш|1 ска- (8 >5 ± 25) •с

'N \

О 2 4 6 8 10 12 14 ъ С

а б

Рис. 2. Схема измерения температуры в процессе сварки (а): 1 - термопара, 2 - источник, 3 - контролируемая точка, 4 - свободный объем, 5 - медная цанга; зависимость температуры от времени сварки (б): л- завершение процесса сварки

а б

Рис. 3. Внешний вид (а, х5) и структура (б, хЗО) сварного соединения с дефектом

При герметизации источников диаметром от 1 мм предложен способ АДС методом оплавления торца. Для определения условий образования выплесков выполняли герметизацию корпусов 0 5 мм из стали марки 12Х18Н10Т с разным временем сварки и регистрировали изменение размера и расположение газовой полости в сечении сварного шва. Было установлено, что на образование дефектов в основном влияет продолжительность процесса сварки: при времени I сварки от 0,9 до 1,4 с происходит образование и всплытие газового пузыря к поверхности сварочной ванны (рис. 4). При этом средняя скорость всплытия газового пузыря составляет4...6 мм/с.

100

90

80

-в- 70

о 60

О 50

м

о. 40

ю

о 30

20

У X 10

о 0

______ зоеание й полост*

\ Обр« —5

V /

\ /

I " ""

Непропла^ление

0,3

0.9

1,1

1,5

1.С

Газовая полость

Рис. 4. Влияние времени сварки на образование дефектов в сварном

шве

Из полученных результатов следует, что, ограничивая время на образование газового пузыря за счет регулирования тепловложения, можно снизить температуру в свободном объёме и склонность к образованию выплесков. Экспериментальная проверка возможности уменьшения температуры в свободном объёме корпуса источника достаточна трудоемкая. С помощью методики расчёта в модуле ANSYS CFX в среде Workbench, основанной на применении конечно-элементных кодов, было определено

термическое влияние АДС методом оплавления торца на корпус источника.

При выполнении расчётов были

использованы следующие исходные данные:

геометрические размеры изделия, контактное

термическое сопротивление между цангой и корпусом источника, теплофизические свойства материала в

от

плотность потока, режимами

• 1975

¡1780

11585

11390

¡1195

¡1000

¡805

¡610

¡415

¡220

125

ШР№

Рис. 5. Распределение температурного поля в корпусе источника и значение температуры в контролируемой точке при аргонодуговой сварке методом оплавления торца

зависимости температуры, теплового определяемая сварки.

Расчетная оценка показала, что при сокращении времени сварки до 0,8 с в процессе АДС методом оплавления торца корпуса источника 0 5 мм температура в свободном объеме составила 410 °С. Полученное значение существенно меньше температуры образования выплесков (рис. 5).

При сварке корпусов источников, изготовленных из алюминиевых сплавов, кроме борьбы с образованием выплесков необходимо осуществлять технологические мероприятия для снижения количества пор и оксидных включений.

Склонность к образованию пор и оксидных включений определялась с помощью технологических проб, выполняемых аргонодуговой сваркой по основному металлу сплава АД1 и стыковому соединению. Показано, что интенсивность образования пор в соединении (рис. 6, а) по сравнению с основным металлом (рис. 6, б) значительно больше. Это говорит о влиянии оксидных пленок в конструктивных зазорах на образование дефектов. Для подтверждения полученных результатов проводили исследования сварных швов методами сканирующей электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа (рис. 7). Было установлено, что оксидные плёнки большой протяжённости выходят из зазора между свариваемыми поверхностями в зону литого металла и уменьшают рабочее сечение сварного шва.

Область повышенной I концентрации кислорода в оксидной плёнке

Рис. 6. Результаты металлографического контроля сварного соединения с дефектом в виде поры (а, х100) и технологической пробы по основному металлу сплава АД 1(6, хЗО)

Рис. 7. Структура сварного соединения с оксидным включением (а, х200) и элементная карта (б)

На основании известных формул был проведен расчёт и определено, что предупреждение образования пористости в сварных соединениях малогабаритных конструкций из алюминиевых сплавов возможно за счёт применения способов сварки, при которых время существования металла в расплавленном состоянии должно быть меньше времени образования пор браковочного размера и составлять 0,01...0,05 с.

В третьей главе определены способы получения качественных сварных соединений при АДС методом оплавления торца, АДС в импульсном режиме, АДС с остановкой, для корпусов, изготовленных из стали марки 12Х18Н10Т, и в процессе лазерной сварки для корпусов, изготовленных из сплава алюминия. Экспериментальным и расчётным путём определены оптимальные режимы этих способов сварки. Показана возможность снижения вероятности образования дефектов за счёт совершенствования конструкции соединения под сварку.

Исследования по определению оптимальных параметров, влияющих на вероятность образования выплесков, при АДС оплавлением торца выполнены с помощью методов математического планирования эксперимента и регрессионного анализа. Был проведён двухфакторный эксперимент на двух уровнях варьирования каждого фактора. В результате получено уравнение регрессии следующего вида:

у = 417 + 44 X] + 26 Х2, (1)

где XI - время сварки, с; х2 - сила тока, А; у - глубина проплавления сварного шва, мкм.

Проверка адекватности уравнения (1) выполнялась по методике, приведенной в работе Адлера Ю.П., Маркова Е.В., Грановского Ю.В. Экспериментально полученные зависимости влияния времени сварки и силы тока на качество сварного соединения показали, что оптимальный диапазон режимов сварки не имеет значимых расхождений с расчётными режимами. Установлено, что при сокращении времени сварки до 0,4... 1,2 с в зависимости от диаметра корпуса возможно снизить вероятность возникновения газовых полостей и выплесков до 1 % (рис. 8, а). Для получения требуемого проплавления сварного шва сила тока должна составлять 20...300 А в зависимости от диаметра корпуса источника

(рис. 8, б). При этом температура в свободном объёме не превышает значения (425 ± 25) °С. Полученные значения температуры в свободном объёме были приняты как критические, при превышении которых вероятность образования выплесков увеличивается.

Определено, что для формирования сварного соединения АДС методом оплавления торца требуемых геометрических размеров вылет корпуса источника из цанги должен составлять в среднем Ь = (0,25.. ,0,35)с1 (рис. 9).

Расчётным путём было получено, выражение для определения максимального диаметра корпуса источника, при котором реализуется аргонодуговая сварка методом оплавления торца:

240

\срл>'2(2е)и2(Тт -Г„)' где 0 - эффективная тепловая мощность дуги, Дж; с - теплоемкость материала, Дж/г-К; р - плотность материала, г/см3 г; Т„ - начальная температура, К; Тга- температура плавления материала, К.

Экспериментально подтверждено, что при аргонодуговой сварке можно получить торцовое соединение при диаметре корпуса не более 12 мм (из стали марки 12Х18Н10Т).

ттЗштЛгшяЗш....... Газрвы* поло от»

■Н шш> •ОКИ

и Г

■ •П|Ю1

И,мм

Рис. 8. Влияние времени сварки (а) и силы тока (б) на качество сварных соединений при АДС методом оплавления торца

Когда в конструкции источников применяются кольцевые торцовые или стыко-замковые соединения (рис. 1, а, б), герметизацию корпусов можно выполнить с помощью АДС в импульсном режиме. С

использованием расчётной модели температурного поля было определено, что в процессе импульсной АДС температура в свободном объеме не превышает

10 11 12 с!, мм

Рис. 9. Изменение вылета изделия из цанги в зависимости от диаметра корпуса источника при АДС методом оплавления торца

критическую температуру выплеска. Режимы герметизации корпусов источников, при которых уменьшается вероятность возникновения выплесков, находили расчётным и экспериментальным путём. Было установлено, что при времени импульса 0,06...0,12 с (рис. 10, а) и времени паузы 0,14...0,2 с (рис. 10, б) количество газовых полостей и выплесков снижается до 1 %. Для получения требуемого проплавления сварного шва при толщине свариваемой кромки корпуса источника 0,6 мм сила тока должна составлять 50.. .70 А.

Оптимальный диапазон

Оптимальный диапазон

Рис. 10. Влияние силы тока, времени импульса (а) и паузы (б) на качество сварных соединений

В работе предложено предотвращать вероятность возникновения выплесков путём сварки с остановкой. Так как выплеск происходит при завершении процесса сварки, в момент, когда температура и давление в корпусе максимальные, остановку необходимо производить через % продолжительности цикла сварки. Установлено, что для снижения температуры в корпусе источника до 25 °С достаточно 1,5 мин, после чего сварку можно возобновить. При этом максимальная температура в корпусе

источника при завершении процесса сварки не превышает (440 ± 10)°С(рис. 11).

т,°с 500 400 300 200 100 0

2

^ та ч= (440 ± IV) Ч.

/1 3

—■-3

Рис. П. Зависимость температуры от времени при АДС с остановкой: 1 - начало сварки; 1-2- сварка; 2-3 - пауза; 3-4 - сварка; 4 - завершение сварки

20

40

60

80

100

I, с

Результаты проведенных исследований показали, что применение АДС в импульсном режиме, АДС с остановкой и АДС методом оплавления торца позволяет снизить вероятность возникновения выплесков с 14 до 1... 2% (рис. 12, а).

£ 12 -9- _

14%

1% 2% 1%

АДСВ непрерывном режим*

АДСв иклульсном

АДСс остановкой

АД С методом оплавления торца

* 35 1 30

а

% 25 •&

ф

ч 20

о ш

О 15 «

.1 Ю

30%

я 26%

н 20'/

11 Я

: я 1

■

_ 1 ш 1 2%

£ДС методом непрерывном оплавления

Рис. 12. Влияние способов сварки на количество дефектов в сварных швах корпусов источников, изготовленных из стали 12Х18Н10Т (а) и из сплава АД1(б): о - новая технология герметизации корпусов источников

С целью уменьшения порообразования в сварных соединениях источников, изготовленных из алюминиевого сплава, выполняли сварку способами, при которых обеспечивается наименьшее время нахождения металла в расплавленном состоянии. Результаты контроля показали, что наилучшее качество сварных швов обеспечивается при применении лазерной импульсной сварки (рис. 12, б).

Поиск оптимальных режимов лазерной сварки выполняли методом математического планирования эксперимента и регрессионного анализа. Полученные результаты расчёта хорошо согласуются с экспериментальными данными. Максимальная температура контролируемой точке в процессе

лазерной сварки в оптимальном режиме составила не более (60 ± 5) °С, что значительно ниже критической температуры выплеска.

Методом сканирующей электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа проводились исследования по обнаружению оксидных плёнок. Было выявлено, что оксидные пленки под воздействием импульсного лазерного излучения за счёт активного перемешивания металла сварочной ванны располагаются в сварном шве в виде небольших раздробленных включений (рис. 13, а, б). При кратковременном импульсном цикле ограничивается рост пор до размеров меньше предельно-допустимых (рис. 13, в).

Область повышенной концентрации кислорода в оксидной пленке

Рис. 13. Структура сварного соединения, выполненного лазерной сваркой: а -раздробленные оксидные включения (х200); б - элементная карта; в - микропоры, х10000

Уменьшить склонность к возникновению газовых полостей и выплесков, а также к образованию оксидных включений можно за счёт совершенствования конструкции сварных соединений.

Снизить температуру в свободном объёме возможно с помощью АДС в непрерывном режиме кольцевым швом с удлинённой заглушкой в корпусе источника. Было установлено, что при длине заглушки не менее 4 мм на кольцевой торцовой конструкции соединения и 7 мм на стыко-замковой конструкции максимальная температура в свободном объёме не превышает критического значения и составляет (420 ± 10) °С (рис. 14).

Рис. 14.Зависимость максимальной температуры в свободном объёме от длины заглушки (Ь) в торцовой (а) и стыко-замковой (б) конструкции соединения

Ь, мм

Повысить качество сварных соединений возможно при герметизации корпусов источников АДС методом оплавления торца без применения заглушек. Экспериментально установлено, что стабильное формирование сварного соединения получается при герметизации корпусов, изготовленных из стали марки 12Х18Н10Т, диаметром от 1,0 до 5,0 мм при соотношении толщины свариваемой кромки (с) к диаметру корпуса не менее 0,2 и вылете изделия из цанги Ь= (0,5...0,7)<1 (рис. 15).

(1, мм

<1, мм

Рис. 15. Изменения толщины свариваемой кромки (а) и вылета изделия из цанги (б) в зависимости от диаметра корпуса при образовании сварного соединения без заглушки

Уменьшить количество оксидных включений в сварных швах корпусов источников, изготовленных из алюминиевых сплавов, можно на стыко-замковой конструкции соединения при изготовлении канавки в посадочном месте заглушки. Установлено, что наименьшее количество оксидных включений достигается при глубине канавки не менее 1 мм (рис. 16).

Рис. 16. Влияние глубины Ь канавки на количество дефектов

В четвертой главе проведено обоснование общепромышленного применения результатов работ. Определена работоспособность сварных соединений корпусов источников. Показано созданное технологическое оборудование для производства источников ионизирующих излучений и экономическая эффективность результатов работ.

Для оценки состояния сварных соединений и их работоспособности проводили испытания источников на устойчивость к возможным внешним воздействиям в условиях эксплуатации и аварийных нагрузок. Методы испытаний источников регламентированы ГОСТ 25926-90. Приведён пример результатов испытаний источников (имитаторов), выполненных АДС методом оплавления торца (рис. 17), во «Всероссийском научно-исследовательском институте технической физики и автоматизации» (г. Москва). Результаты испытаний показали, что сварные соединения источников сохранили работоспособность при максимальных нагрузках.

О

* _ Я 8

б 4

без канавки

Ь, мм

а б в г

Рис. 17. Результаты испытаний имитаторов источника, выполненных с помощью аргонодуговой сварки методом оплавления торца (хЗ): а - образец до испытаний; б - после испытания на прокол; в - после испытания на воздействие удара; г - после испытания на воздействие температуры

Для реализации результатов исследований созданы специализированные сварочные комплексы для аргонодуговой и лазерной сварки, адаптированные к условиям радиационно-защитных камер и боксов. Экономическая эффективность применения результатов исследования при изготовлении годовой программы источников составила в 2012 г. около 1 млн руб.

Основные выводы и результаты работы

1. Установлено, что в процессе аргонодуговой сварки малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений при нагреве газа, находящегося внутри изделия, свыше критической температуры 400...450 °С

происходит образование газового пузыря и выплеск расплавленного металла сварочной ванны. При этом выплеск образуется из-за всплытия газового пузыря в сварочной ванне со скоростью 4,0...6,0 мм/с и приводит к нарушению герметичности и сплошности сварных соединений.

2. Определено, что ограничивая время на образование газового пузыря до 0,4... 1,2 с регулированием тепловложения при аргонодуговой сварке методом оплавления торца можно уменьшить количество брака в сварных соединениях до 1 %.

3. Применение аргонодуговой сварки кольцевым швом позволяет уменьшить количество брака в сварных соединениях до 1...2 % при использовании импульсного режима или сварки с остановкой через V* продолжительности цикла сварки.

4. Установлено, что обеспечить качественное формирование сварных швов при аргонодуговой сварке методом оплавления торца можно:

- в соединениях с применением заглушек для корпусов диаметром до 12 мм и вылете из цанги h = (0,25...0,35)d;

- в соединениях без применения заглушек для корпусов диаметром до 5 мм при соотношении толщины свариваемой кромки к диаметру корпуса не менее 0,2 и вылете из цанги h = (0,5...0,7)d.

5. При герметизации лазерной импульсной сваркой корпусов источников, изготовленных из алюминиевых сплавов, происходит разрушение оксидных включений и ограничение времени для развития пор с вероятностью 2 % брака. При этом температура в свободном объёме не превышает (60 ± 5) °С, что значительно меньше критической температуры образования выплеска металла.

6. Повышено качество сварных швов при герметизации корпусов источников из аустенитных сталей при использовании заглушек длиной от 4 до 7 мм и корпусов из алюминиевых сплавов с использованием заглушек с канавкой глубиной не менее 1 мм

7. Разработана расчётная модель температурного поля при сварке малогабаритных источников для определения температуры в любой точке корпуса для различных размеров и материалов.

8. Результаты испытаний источников на воздействия условий эксплуатации и аварийных нагрузок подтверждают высокое качество сварных соединений. Разработанное и внедрённое сварочное оборудование позволило реализовать результаты исследований и обеспечить выпуск источников на предприятии ОАО «ГНЦ НИИАР». Экономический эффект от внедрения результатов работ составил около 1 млн руб. Это подтверждает достижение цели работы.

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Табакин, Е.М. Особенности сварки плавлением оболочек из дисперсионно-упрочненных сталей применительно к конструкции тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, В.И. Байкалов и др. // Сварочное производство. - 2005. - № 5. - С. 3-7. (Welding international. -2006. - V. 20. - N. 10. - P. 802-805, лично автором 2 п.с.).

2. Табакин, Е.М. Способы улучшения сплошности тонкостенных оболочек из алюминиевых сплавов / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, О.Ю. Макаров // Технология машиностроения. - 2006. - № 10. - С. 40-45 (лично автором 3 п.с.).

3. Табакин, Е.М. Технологические особенности сварки плавлением тонкостенных оболочек из сплава алюминия в дистанционных условиях / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, С.И. Давыдов и др. И Сварочное производство. - 2006. - № 11. - С. 813 (лично автором 3 п.с.).

4. Табакин, Е.М. Особенности сварки плавлением оболочек из дисперсионно-упрочненных сталей применительно к конструкции тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, В.И. Байкалов и др. II Вопросы материаловедения. - 2007. - № 3 (51). - С.161-168 (лично автором 2 п.с.).

5. Табакин, Е.М. Исследование распределения оксида иттрия в сварных соединениях оболочек из дисперсионно-упрочненной стали твэлов быстрых реакторов / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, C.B. Кузьмин // Атомная энергия. -2007. -№ 6. - С. 348-350 (лично автором 1 п.с.).

6. Иванович, Ю.В. Особенности сварки корпусов малогабаритных источников ионизирующих излучений / Ю. В. Иванович, Е.М. Табакин // Сварочное производство. - 2009. - № 4. — С. 29-32 (лично автором 3 п.с.).

7. Иванович, Ю.В. Способы предотвращения образования дефектов в сварных швах корпусов малогабаритных источников ионизирующих излучений / Ю.В. Иванович, Е.М. Табакин, Ю.В. Казаков // Сварка и диагностика. - 2011. -№ 3. -С. 43-47 (лично автором 3 п.с.).

Публикации в других изданиях:

8. Табакин, Е.М. Оценка возможности снижения порообразования в сварных соединениях оболочек из дисперсионно-упрочненных сталей ферритного и мартенситного класса / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, В.И. Байкалов и др. // Сборник трудов НИИАРа. -2004. - Вып. 2. - С. 38-43 (лично автором 2 п.с.).

9. Табакин, Е.М. Определение возможности улучшения качества сварных швов ампул-накопителей, изготавливаемых из алюминиевых сплавов / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, Г.В. Мирошниченко и др. II Сборник трудов НИИАРа. - 2006. -Вып. 2. - С. 18-25 (лично автором 3 п.с.).

10. Табакин, Е.М. Оценка возможности герметизации оболочек из дисперсионно-упрочненных сталей, тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, В.И. Байкалов и др. // Экспериментальное обоснование проектных, конструкторских и технологических решений в инновационных разработках ядерной энергетики: сб. тезисов НТК. Димитровград: ФГУП «ГНЦ РФ НИИАР», 2006. - С. 32 (лично автором 0,5 п.с.).

11. Костюченко, H.A. Технологический комплекс для лазерной сварки изделий активных зон и изотопной продукции в дистанционных условиях / H.A. Костюченко, Е.М. Табакин, Г.В. Мирошниченко, Ю.В. Иванович // Экспериментальное обоснование проектных, конструкторских и технологических решений в инновационных разработках ядерной энергетики: сб. тезисов НТК. Димитровград: ФГУП «ГНЦ РФ НИИАР», 2006. - С. 35 (лично автором 0,3 п.с.).

12. Табакин, Е.М. Особенности сварки плавлением оболочек из дисперсионно-упрочненных сталей применительно к конструкции тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, В.И. Байкалов // Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства. Всероссийская НТК. Тольятти: ТГУ, 2006. - С. 65-67 (лично автором 1 п.с.).

13. Табакин, Е.М. Некоторые технологические особенности сварки плавлением тонкостенных оболочек из алюминиевых сплавов / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, В.И. Байкалов и др. // Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства: сб. статей по докладам Всероссийской НТК. Тольятти: ТГУ, 2006. - С. 60-64 (лично автором 2 п.с.).

14. Табакин, Е.М. Особенности сварки плавлением оболочек из дисперсионно-упрочненных сталей применительно к конструкции тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, М. Секи и др. // Прочность и долговечность сварных конструкций в тепловой и атомной энергетике: Сб. статей по докладам НТК. Санкт-Петербург, 2007. - С. 61- 63 (лично автором 1 п.с.).

15. Табакин, Е.М. Некоторые технологические особенности сварки плавлением тонкостенных оболочек из алюминиевых сплавов изделий активных зон ядерных реакторов / Е.М. Табакин, Ю.В. Иванович, Г.В. Мирошниченко, H.A. Костюченко // IX Российская конференция по реакторному материаловедению: Сб. тезисов по докладам. Димитровград: ОАО «ГНЦ НИИАР», 2009. - С.26-28 (лично автором 1 п.с.).

16. Tabakin, Е.М. Equipment to weld experimental samples and items of nuclear reactor cores / E.M. Tabakin, N.A. Kostychenko, G.V. Miroshnichenko, Yu.V. Ivanovich, S.A. Frolov. Hot Laboratories and Remote Handling: The 47tb Annual Meeting of the Working Group: abstract. Dimitrovgrad: JSC «SSC RIAR», 2010. -P.29 (лично автором 0,5 п.с.).

17. Иванович, Ю.В. Способы повышения качества сварных соединений корпусов малогабаритных источников ионизирующих излучений / Ю.В. Иванович, Е.М. Табакин // Сборник трудов НИИАР. - 2011. - Вып. 2, - С. 14-21 (лично автором 5 ас.).

Патенты и полезные модели:

18. Патент Há изобретение № 2309033 Российская Федерация, МПК В23К 26/20. Способ сварки плавлением / Е.М. Табакин, H.A. Костюченко, Г.В. Мирошниченко, Ю.В. Иванович. - №2005130284/02; заяв. 28.09.2005; опубл.

27.10.2007, Бюл. №30.

19. Патент на изобретение № 2336982 Российская Федерация, МПК В23К 26/20. Способ сварки плавлением / Е.М. Табакин, H.A. Костюченко, Г.В. Мирошниченко, Ю.В. Иванович. - № 2006140199/02; заяв. 14.11.2007; опубл.

27.10.2008. Бюл. №30.

20. Патент на полезную модель № 87381 Российская Федерация, МПК В23К 26/08. Установка дистанционной лазерной сварки / Е.М. Табакин, H.A. Костюченко, Г.В. Мирошниченко, Ю.В. Иванович. - №2009124985/22; заяв. 29.06.2009 г; опубл. 10.10.2009, Бюл. № 28.

21. Патент на полезную модель № 101957 Российская Федерация, МПК В23К 9/095. Установка дистанционной аргонодуговой сварки / H.A. Костюченко, Г.В. Мирошниченко, Е.М. Табакин, Ю.В.Иванович, A.A. Соловьев, В.А. Атаманов. -№ 2010144705/02; заяв. 01.11.2010; опубл. 10.02.2011, Бюл. № 4.

Личный вклад автора

В работах [1-21], выполненных в соавторстве с другими исследователями, автор принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении исследований и обсуждении полученных результатов. В работах [6, 7, 17] автором получены результаты исследований влияния теплового воздействия в процессе сварки на вероятность образования выплесков в корпусах источниках и способы повышения качества сварных соединений. Автором получены и проанализированы результаты исследований [1-5, 8-10] условий образования пор в малогабаритных изделиях, изготовленных из алюминиевых сплавов и других металлов, склонных к повышенной пористости. Разработаны технологические рекомендации [12-15, 18, 19] для сварки тонкостенных малогабаритных изделий. В работах [11,16, 20, 21] автор принимал участие в разработке оборудования для сварки источников ионизирующих излучений.

Подписано в печать 14.02.2013 Заказ № 165 Тираж 110 экз. Печ. л. 1,25. Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Отпечатано в ОАО «Государственный научный центр — Научно—исследовательский институт атомных реакторов» 433510, г. Димитровград Ульяновской обл.

Открытое акционерное общество «Государственный научный центр -Научно - исследовательский институт атомных реакторов»

На правах рукописи УДК 621.791.753.93:539.12.04

Иванович Юлия Витальевна

Сварка малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений

Специальность 05.02.10 Сварка, родственные процессы и технологии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Г5 00 ю

со й

О ° см ^

С\] Научный руководитель:

^ докт. техн. наук,

профессор Ю.В Казаков

Димитровград - 2013

Содержание

Введение_______________________________ 4

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 12Х18Н10Т_________ 112

3.3.2 Повышение качества сварных соединений корпусов источников, изготовленных из алюминиевых сплавов____________________123

3.4 Оценка возможности применения результатов исследований__129

4 Опытно-промышленное применение результатов работ___135

4.1 Проверка работоспособности сварных соединений________135

4.2 Исследования состояния сварных соединений после эксплуатации_________________________________142

4.3 Оборудование для сварки источников ионизирующих излучений____________________________________________________________________144

4.4 Экономическая эффективность результатов работы______________147

4.6 Заключение__________________________________________________________150

Список литературы__________________________________________________152

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Одним из основных направлений использования достижений атомной науки является радиационная техника с применением закрытых радионук-лидных источников ионизирующих излучений (ИИИ). Федеральная целевая программа на период 2011-2016 г.г. «Развитие ядерной медицины в Российской Федерации» предусматривает увеличение объема производства и потребления радионуклидной продукции в виде источников.

Область применения ИИИ очень разнообразна. Они используются в медицине для диагностики и лечения онкологических заболеваний. В промышленности источники применяются для контроля технологических процессов, разведки полезных ископаемых, в радиационной дефектоскопии.

Для обеспечения безопасной эксплуатации малогабаритных ИИИ обязательной частью технологии их изготовления является процесс герметизации. Сложность разработки технологии герметизации обуславливается малыми размерами изделий и выполнением операций в условиях радиационно-защитных камер и боксов. Наиболее широкое применение для герметизации ИИИ находят способы сварки плавлением. Такие способы сварки являются одними из наиболее технологичных и успешно автоматизируются в условиях радиационно-защитных камер. 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 A.B. Петров, Г.А. Славин, А.Г. 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 трудоемкость процесса герметизации ИИИ применительно к условиям радиационно-защитных камер.

Для обеспечения стабильного формирования сварных соединений необходимо разрабатывать новые способы и технологические приемы на основе исследований влияния процессов сварки на малогабаритные изделия. Таким образом, проблема получения качественных сварных соединений ИИИ и соответственно безопасного их использования в различных областях промышленности является актуальной.

Цель работы: повышение качества сварных соединений малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений путем разработки технологии, обеспечивающей стабильное формирование швов в процессе сварки плавлением.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Определены условия образования дефектов в сварных швах малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений.

2. Определены способы и технологические приемы, при которых происходит качественное формирование сварных соединений, выполненных ар-гонодуговой сваркой неплавящимся электродом и лазерной сваркой.

3. Разработаны технологии сборки и сварки малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений условиях радиационно-защитных камер, обеспечивающие получение сварных швов требуемой геометрической формы и сплошности.

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 твердого 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 объеме корпуса, не превышающей 400...450 °С, при соблюдении следующих размерных факторов: в соединениях с заглушками при диаметре с1 корпуса до 12 мм и вылете корпуса из цанги (0,25...0,35)с1, 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 (0,5.. .0,7)с1;

- на основе расчетов 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

1. 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 %.

2. Определены технологические приемы, способствующие повышению качества сварных швов путем использования конструкции соединения с удлиненной заглушкой, соединения без применения заглушки и соединения с канавкой в заглушке.

3. 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.

4. Разработано сварочное оборудование, позволяющее выполнять сварку малогабаритных корпусов источников в условиях защитных камер (патенты РФ на полезную модель № 87381 и № 101957).

5. Результаты выполненных исследований были использованы при разработке более 20 технологических процессов изготовления источников ио-

низирующих излучений, применяемых на предприятии ОАО «ГНЦ НИИАР». Экономический эффект от внедрения результатов работ составил около 1 млн. руб.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Условия образования пор и выплесков металла сварочной ванны при аргонодуговой сварке малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений.

2. Зависимости термического влияния процесса аргонодуговой сварки на вероятность образования дефектов сплошности в сварных соединениях малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений, полученные расчетными и экспериментальными методами.

3. 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.

4. 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 2009г., 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.

Личный вклад автора

Во всех работах соискатель принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении исследований и обсуждении полученных результатов. Соискателем работ проведены исследования по определению причин образования выплесков и пор в сварных соединениях источников ионизирующих излучений при сварке плавлением, разработаны технологии аргоно-дуговой и лазерной сварки, разработаны технологические приемы для повышения качества сварных швов. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат результаты, сформулированные в защищаемых научных положениях и выводах. Разработка математической модели температурного поля выполнялась совместно с научным сотрудником ОАО «ГНЦ НИИАР» Гатауллиной Г.Д. Результаты промышленного внедрения разработанного сварочного оборудования для производства источников ионизирующих излучений в условиях радиационно-защитных камер проводились совместно с сотрудниками отдела главного сварщика ОАО «ГНЦ НИИАР».

Глава 1 Особенности сварки малогабаритных корпусов источников ионизирующих излучений

1.1 Назначение источников и конструкции герметизирующих

узлов

Различные области применения источников определяют разнообразие конструкций, способы их изготовления и герметизации. В общем виде конструкция закрытого радионуклидного источника представляет собой герметичный корпус, внутри которого расположена активная часть, содержащая радиоактивный материал. Одной из важных особенностей источников является малый размер корпусов. Источники, применяемые в медицине во внут-риполостной и внутритканевой лучевой терапии, должны иметь диаметр, сравнимый с диаметром игл для инъекций [3, 4, 39]. Размеры корпусов промышленных источников не превышают диаметр 10 мм [24, 26].

При проектировании источников используют однокорпусные и двух-корпусные конструкции изделий. На менее ответственных конструкциях используются источники с одним герметизирующим корпусом (рис. 1.1, а, б). В качестве конструкционных материалов используются коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т или алюминиевые сплавы. Двухкорпусные конструкции источников представляют собой два последовательно герметизированных корпуса из стали 12Х18Н10Т (рис. 1.1, в, г). Алюминиевые сплавы используются в связи с малым сечением поглощения тепловых нейтронов по сравнению, например, со сталью марки 12Х18Н10Т, для получения необходимого потока ионизирующего излучения во избежание больших потерь низкоэнергетического компонента активной части. Данные материалы хорошо освоены промышленностью, пригодны для работы в различных условиях, приемлемы по стоимости, обладают превосходными механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью, необходимыми ядерными параметрами. Большой опыт по применению этих материалов для ядерных реакторов и

различных устройств ядерной техники позволяет использовать их для корпусов источников [30, 45]. При оптимальном сочетании указанных свойств материалов с хорошей технологичностью и свариваемостью обеспечиваются надежные эксплуатационные свойства, предъявляемые к источникам.

По виду излучения источники подразделяются на источники бета-излучения, альфа-излучения, нейтронного и фотонного излучения. Источники бета-излучения изготавливаются на основе радионуклидов 908г+90У, 147Рт, 204Т1,3Н, 85Кг [24, 61, 68, 92, 103]. Источники используются в приборах и информационных системах технологического контроля, применяются в конструкции офтальмологического аппликатора для бета-терапии при онкологических заболеваниях глаза и в качестве нейтрализаторов статического электричества во многих отраслях промышленности. Источники альфа-излучения на основе радионуклидов 238Ри, 239Ри, 241Ат, 244Ст, 241Ст, 210Ро используются в приборах технологического контроля и анализа состава вещества, а также в радиационно-технологических облучательных установках [2, 15, 16, 66, 74, 108]. Наиболее массовое применение источники альфа-излучения нашли в нейтрализаторах, дымо- и пожароизвещателях и в других устройствах газовой хроматографии. К источникам фотонного излучения относятся источники гамма-излучения. Наибольшее применение находят источники на основе радионуклида 60Со, 1921г, 758е (рис. 1.1, б, в, г). Источники используются для диагностики и изучения различных биологических процессов в организме, для лечения злокачественных заболеваний, в промышленной дефектоскопии, ядерно-аналитических и контрольно-измерительных приборах [14, 15, 17, 20-23, 26, 107, 110]. Среди нейтронных источников

252 248

особое место занимают источники на основе радионуклидов С£ Сш (рис. 1.1, а). Нейтронные источники широко используются в медицине и промышленности [5, 39]. Разведка нефтяных и газовых месторождений методом нейтронного каротажа, поиск рудных полезных ископаемых, нейтронный активационный анализ, приборы для измерения влажности различ-

ных материалов, радиографические исследования деталей и изделий, пуск реакторов, а также в медицине для лечения злокачественных новообразований - это различные области применения нейтронных источников.

2 мм

в г

Рис. 1.1. Внешний вид медицинских источников на основе калифорния-252 (а), ко-балъта-60 (б) и промышленных источников на основе селена-75 (в) 1, иридия-192 (г)

Типовыми конструкциями герметизирующих сварных соединений источников являются: стыко-замковые, торцовые кольцевые и торцовые точечные. Одним из наиболее распространенных соединений является торцовое точечное (рис. 1.2, а). В процессе сварки часть пробки совместно с торцом корпуса оплавляется. Шов формируется, как капля, в полусферу, опирающуюся на поверхность оплавления и тем самым исключает образование растягивающих напряжений, способствующих возникновению трещин. К тому же имеющиеся несплошности и включения в металле переплавляются, а растущие снизу вверх кристаллиты оттесняют их в купольную часть и выводят наружу [33]. Толщина свариваемых кромок при данной конструкции не ограничена и не влияет на процесс сварки. Единственным недостатком является то, что применение данной конструкции имеет ограничения по диаметру корпуса.

10 мм I-

Рис. 1.2. Конструкции торцового точечного (а), торцового кольцевого (б) и кольцевого стыко-замкового (в) соединений герметизирующих узлов: а - ширина сварного шва; g■ усиление сварного шва; 5 -увеличение высоты корпуса после сварки

контролируемое

сечение

�