Магнитная рука: на стройплощадке ОДЭК применяют редкий вид сварки

Опытно-демонстрационный энергокомплекс (ОДЭК) с реактором на быстрых нейтронах БРЕСТ-ОД-300, сооружаемый на Сибирском химкомбинате в Северске, — полигон инноваций. Одни разрабатываются специально под уникальные задачи ОДЭК. Другие, известные многие годы, обретают вторую жизнь. К ним относится сварка дугой, управляемой магнитным полем (ДУМП).

Родословная метода

Метод ДУМП разработали в Научно-исследовательском и конструкторском институте монтажной технологии (сейчас «НИКИМТ-Атомстрой») в 1966 году — прежде всего для того, чтобы варить детали ядерных установок из особо тугоплавких материалов, в частности титана. Инновация усовершенствовала метод аргоно-дуговой сварки неплавящимся электродом, называемый TIG (Tungsten Inert Gas).

При TIG-сварке электрическая дуга горит между вольфрамовым электродом и изделием в среде инертного газа, обычно аргона. Формирующий шов присадочный материал (пруток) подается в зону дуги отдельно. Электрическая дуга нагревает основной металл до расплавления, образуя сварочную ванну. В это время горелка подает аргон, который вытесняет воздух и защищает расплавленный металл от окисления атмосферным кислородом и азотом. Дуга не разрушает электрод, поскольку температура плавления вольфрама чрезвычайно высока — 3422 °C. Шов получается ровным, блестящим, без пор.

Однако производительность такого способа в два-три раза ниже по сравнению с традиционными. Кроме того, он требует высокой квалификации сварщика. Поэтому TIG-сварку применяют в основном в критически важных производствах: аэрокосмической отрасли, при изготовлении химического и фармацевтического оборудования, соединении трубопроводов высокого давления, производстве деталей атомных реакторов, турбоагрегатов и твэлов.

Управление дугой

При сварке методом ДУМП для управления сварочной дугой используется не движение горелки или электрода, а внешнее магнитное поле. Под его воздействием дуга отклоняется, колеблется или даже вращается.

«После возбуждения дуги магнитное поле специальной формы отклоняет дугу на периферию торца и вращает ее, — объясняет сотрудник ОДЭК Владимир Кравченко. — Торец изделия, например заглушка и стенка оболочки твэла, оплавляется. Образуется единый сварной шов по замкнутому контуру с полукруглым оформлением торцевой части. Этот метод позволяет производить тонкий подбор технологического режима сварки для различных видов сталей».

Поперечное переменное магнитное поле заставляет дугу колебаться из стороны в сторону. Благодаря этому получается расширить сварной шов и получить более плавный переход к основному металлу, а также управлять формой сварочной ванны. При этом вращающееся магнитное поле «гонит» дугу по кругу, что особенно важно при сварке труб и других цилиндрических деталей: для формирования сварного шва не нужно поворачивать само изделие.

У метода ДУМП есть преимущество и при изготовлении толстостенных сосудов давления и крупногабаритных конструкций (частный случай применения метода). При сварке толстого металла часто делают очень узкую разделку кромок. Магнитное поле раскачивает дугу, чтобы она поочередно проваривала то одну, то другую стенку зазора, формируя качественный шов.

Кроме того, магнитное поле установки для ДУМП-сварки можно настроить так, чтобы оно «поддерживало» сварочную ванну снизу. Это позволяет получать швы с нулевой выпуклостью с обратной стороны, без бусины, что критически важно для трубопроводов и емкостей, где недопустимы внутренние неровности.

Узкая специализация

Установки для ДУМП-сварки по заказу атомщиков произвела компания «Лаборатория электроники», основанная выпускниками Московского государственного технического университета им. Баумана.

«Метод ДУМП положительно зарекомендовал себя на Горно-химическом комбинате в Железногорске при изготовлении твэлов с МОКС-топливом, — продолжает Владимир Кравченко. — Его также применяют на Машиностроительном заводе в Электростали и химико-металлургическом заводе Сибирского химкомбината. Критически важно, что данный метод исключает человеческий фактор в процессе изготовления изделий. Главное — подобрать необходимый технологический режим: параметры подачи защитного газа, силу тока и время сварки, частоту вращения дуги в магнитном поле».

В Северске метод ДУМП применяют на производстве смешанного нитридного уранплутониевого топлива на модуле фабрикации-рефабрикации. СНУП-топливо обладает высокой радиоактивностью, а установка «Лаборатории электроники» позволяет полностью автоматизировать процесс и не требует присутствия человека в зоне сварки. Наряду с высоким качеством и надежностью сварного соединения метод обеспечивает безопасность персонала.

СЛОВАРЬ

Сварочная ванна — локальный объем расплавленного металла, который образуется в точке нагрева при сварке плавлением. В ее пределах основной материал соединяемых деталей смешивается с присадочным (электродом или проволокой), и после остывания образуется сварной шов. От правильного формирования и контроля сварочной ванны на 100 % зависит качество будущего шва.

Сварочная дуга — поток заряженных частиц (плазма), на который воздействует магнитное поле, создаваемое специальными электромагнитами возле зоны сварки. Под воздействием силы Лоренца дуга отклоняется перпендикулярно направлению тока и магнитного поля. Меняя характеристики поля (силу, частоту, направление), можно с высокой точностью управлять поведением дуги. Эта «невидимая рука» позволяет сварщику делать то, что невозможно или очень сложно при обычной сварке.

Сила Лоренца — сила, с которой магнитное поле воздействует на движущуюся в нем электрически заряженную частицу. Она всегда направлена перпендикулярно вектору скорости частицы и вектору магнитной индукции, поэтому заставляет заряды двигаться по окружности или винтовой линии.