Сварка как искусство

Специалисты ВНИИНМ им. А. А. Бочвара делятся секретами мастерства

Многие привыкли думать, что сварка металла — это относительно несложный процесс, которому может обучиться почти любой человек. Но когда речь заходит о сварке изделий для атомной отрасли, оказывается, что это ювелирная работа с использованием сложного оборудования, а разработка технологий сварки — настоящая наука, требующая знаний в самых различных областях. Секретами мастерства с читателями «Вестника атомпрома» поделились настоящие профессионалы — сварщики, инженеры-технологи ВНИИНМ им. А. А. Бочвара Владимир Попов (на фото слева) и Олег Круглов (на фото справа), трудовой стаж которых насчитывает по 4–5 десятилетий.

«Это ювелирная работа, как блоху подковать»: электронно-лучевая сварка урановых изделий

Работа в вакууме

«Я сварщик, инженер-технолог, занимаюсь разработкой технологий электронно-лучевой сварки, которые затем внедряются на производстве при выпуске изделий из различных металлов и сплавов, — рассказывает Владимир Сергеевич Попов. — В случае возникновения каких-либо проблем при сварке изделия на заводе специалисты нашего отдела вместе с заводчанами ищут причину, чтобы исправить ситуацию».

«Как известно, уран и ряд других металлов при нагревании начинают активно взаимодействовать с воздухом и при высоких температурах могут даже вспыхнуть», — напоминает Владимир Сергеевич. По этой причине сварка таких изделий осуществляется исключительно в вакууме. Изделие размещается внутри камеры сварочной установки, стальная дверь камеры плотно закрывается, после чего откачивается воздух. Внутри и снаружи сварочной камеры установлены специальные системы видеонаблюдения, позволяющие следить за процессом сварки со всех сторон — как в реальном времени, так и в видеозаписи. Внедрение таких систем дало возможность обеспечить новый уровень безопасности персонала.

Зона высокой ответственности

Сварочные работы сопряжены с высокой ответственностью. Конструкция сварочной пушки предусматривает наличие электронного затвора, который в случае непредвиденных обстоятельств сможет отсечь луч от изделия и остановить сварку, чтобы не испортить ответственное изделие. Установка для электронно-лучевой сварки включает в себя большое количество сложного технологического оборудования. Вакуумная техника, диффузионные насосы, электроника, измерительные приборы, система циркуляции воды для охлаждения, а также вытяжка и другое оборудование требуют своевременного и тщательного обслуживания. Работа проходит в условиях высокого напряжения, больших токов и высоких температур. Ранее для обеспечения стабильной работы машины помимо сварщика — инженера-технолога необходимо было иметь в штате еще 5 человек, которые отвечали за электронику, ремонт и обслуживание оборудования, технологию сварки и т. д. «Выглядело это так: один варит, а пятеро одновременно вокруг “суетятся”», — шутит Владимир Сергеевич. Сейчас же многие процессы упрощены и автоматизированы, внедрены современные технологии, налажена работа по обслуживанию и ремонту оборудования, а специалисты стали универсалами.

Эксплуатация сложного оборудования требует неукоснительного соблюдения правил техники безопасности. Безопасность персонала и проводимых работ всегда в приоритете. «Как и в работе с другой сложной техникой, у нас существуют свои риски, — говорит Владимир Сергеевич. — Например, до внедрения систем видеонаблюдения оператор смотрел на процесс сварки через защитное смотровое стекло, расположенное в вакуумной камере. Несмотря на то, что это стекло выполнено с добавлением свинца, оно, как и любое другое стекло, может лопнуть. И тогда воздух вместе с кусками стекла сперва врывается в камеру, а затем осколки выбрасывает наружу. Поэтому мы в свое время это предусмотрели и стали устанавливать для подстраховки одно за другим сразу три смотровых стекла — это нам гарантировало дополнительную защиту и безопасность».

Магия металла

Металлы при сварке в вакууме ведут себя абсолютно по-разному. Например, цирконий при высокотемпературном нагреве может начать синеть или желтеть, покрываясь окисной пленкой. По его цвету можно определить факт попадания в камеру частиц воздуха вследствие ее недостаточной герметизации. Вольфрам при нагревании свыше 2 тыс. градусов начинает светиться, да так, что свет от него становится ярче, чем от системы освещения рабочего помещения. Медь при температуре свыше 2,5 тыс. градусов закипает и начинает испаряться. «Пучок электронов невидим, но когда пары меди поднимаются в направлении излучателя, луч электронов начинает светиться волшебным сине-фиолетовым свечением», — восхищается Владимир Сергеевич.

Ювелирная работа

В 2000-е годы установки для электронно-лучевой сварки в лаборатории ВНИИНМ серьезно модернизировали. Например, одним из этапов модернизации стала установка шаговых двигателей, что позволило расширить диапазон скорости сварки в несколько раз. «Мы даже боялись, что при такой скорости стол может слететь с направляющих и повредить дверь камеры, — вспоминает Владимир Сергеевич. — Параметры были расширены до таких значений, что я раньше и не мечтал! Современные установки позволяют варить сразу два шва, луч работает как игла швейной машины, причем с такой высокой скоростью, что человеческий глаз этого не может увидеть, частота достигает сотен герц. Машина может производить микроточечную сварку, это ювелирная работа, как блоху подковать!»

На последнем рубеже

Для разработки технологий сварки, которые затем тиражируются на заводах-производителях, мало иметь установку с различными диапазонами режимов работы, дающую широкие возможности для исследований. Сварщик-технолог должен досконально разбираться в составе сплавов, их структуре и характеристиках. «Иначе ты будешь обыкновенным “варилой” — нажал кнопку “пуск”, кнопку “стоп”, вот и вся работа, таких можно прямо на улице набрать, — говорит Владимир Сергеевич. — Я же беру материал, анализирую его свойства, пробую различные режимы сварки, затем отбираю тот, что показал наилучшие результаты».

Отдельно необходимо отметить, что сварка — завершающий и поэтому чрезвычайно ответственный этап при создании изделия, от качества выполнения которого во многом зависит прочность, надежность и долговечность. «У нас эта технологическая операция последняя, завершающая выпуск изделия, — подчеркивает Владимир Сергеевич. — И если ошибиться — готовое изделие забраковывается, но если делать все по правилам и с головой, такого не произойдет. К слову, некоторые режимы сварки, которые мы выставили на заводе более 40 лет назад, используются и по сей день, их пробовали менять, но оптимальнее подобрать так и не удалось».

«Наша технология должна быть безупречной»: контактно-стыковая сварка твэлов

Сварить, но не расплавить

«Сварка — один из основных технологических процессов при изготовлении тепловыделяющих элементов, — рассказывает Олег Анатольевич Круглов, технолог по контактно-стыковой сварке. — Когда я пришел во ВНИИНМ после окончания МВТУ, то сразу включился в работу над технологией контактно-стыковой сварки твэлов энергетических реакторов в группе, возглавляемой кандидатом технических наук Львом Тихоновичем Бабкиным.

У этой технологии есть ряд преимуществ перед сваркой плавлением — за счет упрощения как самой конструкции твэлов, так и технологии изготовления на производстве». Сегодня эта технология широко используется для сварки твэлов энергетических реакторов из циркониевых сплавов на АО «МСЗ», ПАО «НЗХК» и АО «СХК». В чем же ее уникальность? «Технология контактно-стыковой сварки позволяет произвести герметизацию твэлов без расплавления свариваемых деталей за счет их пластической деформации, вызываемой нагревом током большой величины и сварочным усилием, — объясняет Олег Анатольевич. — В шве проходят диффузионные процессы и получается неразъемное герметичное соединение без трещин и пор, присущих сварке плавлением. Все происходит за десятые доли секунды, поэтому изделие не окисляется, что важно для циркониевых сплавов, из которых изготавливаются оболочки и герметизирующие заглушки».

Для этого типа сварки разработан специальный электрод, который позволяет сделать протяженность сварного соединения более чем 2,5 толщины стенки оболочки твэла (при обычной сварке длина сварного соединения не превышает толщину стенки оболочки). Большая длина соединения значительно повышает надежность изделия и безопасность его эксплуатации в реакторе.

Почти детективная история

Процесс внедрения контактно-стыковой сварки не проходил гладко. В начале 1980-х годов были отмечены отдельные случаи разгерметизации твэлов в реакторе типа РБМК с разрушением оболочки в области сварного шва. Чтобы выяснить причину их возникновения, была разработана специальная лабораторная установка, имитирующая работу в реакторе участка оболочки твэла с приваренной к ней герметизирующей заглушкой. В ходе исследований выяснилось, что причина разрушения не в технологии сварки, а в локальном гидрировании сварного соединения, возникающем при непосредственном опирании топлива на сварной шов и повышенном содержании влаги в топливе. «Чтобы решить эту проблему, мы предложили специальную заглушку, которая отделяла топливо от шва, предотвращая локальный перегрев сварного соединения, — рассказывает Олег Анатольевич. — Внедрение заглушек новой конструкции и технологические мероприятия на производстве по снижению влаги под оболочкой твэла позволили устранить разгерметизацию твэлов в связи с локальным гидрированием».

Идеальный шов

Герметизация сваркой является одной из самых ответственных операций при изготовлении тепловыделяющих элементов. Технологические параметры сварки твэлов вновь разработанной конструкции тщательно подбираются при сварке партий экспериментальных образцов, а металлографические шлифы сварных соединений исследуются на наличие дефектов. Шов должен удовлетворять нормативным документам, определяющим требования к сварным швам в атомной энергетике, обеспечивать герметичность и иметь удовлетворительный внешний вид. Сварные швы работают в условиях радиации и коррозионной среды при высоких температурах, испытывают механические нагрузки и т. д. Поэтому при разработке технологии сварки максимально учитываются условия работы сварных швов в реакторе, проводятся коррозионные, механические и другие испытания сварных соединений. Только после удовлетворительных результатов этих испытаний можно рекомендовать разработанную технологию сварки для производства. «При разработке технологии сварки специалисту необходимо обладать знаниями в самых разных областях, знать конструкцию изделия, условия работы его в реакторе, технологические параметры оборудования на производстве и многое другое», — считает Олег Анатольевич.

Толерантная сварка

Работу по толерантному топливу ВНИИНМ ведет по нескольким направлениям и одной из важнейших составляющих является разработка технологии сварки для тепловыделяющих элементов из новых материалов: циркония с хромовым покрытием, сплава «Бочвалой» (сталь 42ХНМ) и карбида кремния. «При сварке циркониевых оболочек, покрытых хромом, главная сложность — не повредить слой покрытия из хрома, а в остальном технология сварки применялась штатная, — объясняет Олег Анатольевич. — В случае сплава “Бочвалой” проблемы были связаны с очень тонкой стенкой оболочки твэла и высокой жаропрочностью сплава, так что пришлось повозиться. Технология сварки разрабатывалась совместно со специалистами ПАО “НЗХК”. Работа заняла несколько месяцев. В итоге решение было найдено, и сейчас опытные сборки с такими твэлами проходят испытания в реакторе». Работа по третьему материалу — карбиду кремния — пока продолжается. Сложность в том, что этот материал — диэлектрик, поэтому существующие технологии электрических видов сварки неприменимы. По этой причине для оболочек из карбида кремния было принято решение опробовать технологию пайки. «Работа осложняется тем, что процесс создания оболочки из карбида кремния пока продолжается и процесс пайки приходится отрабатывать на опытных образцах оболочек, — объясняет Олег Анатольевич. — Задача создания технологии герметизации оболочек твэлов из карбида кремния довольно сложная, необходимо отработать надежный процесс герметизации, чтобы брак был минимальным. Ведь подобные твэлы предстоит выпускать десятками тысяч в год. Эта технология должна быть адаптирована к массовому промышленному производству и обеспечивать высокую производительность. Толерантное топливо — это не только новые, уникальные оболочки, но и важный этап в развитии отрасли. А разработка технологии сварки и пайки — заключительный этап создания толерантного топлива, без успешного завершения которого вся предыдущая проделанная работа окажется бессмысленной».

Без сварки нет твэла

Сварка твэла — это одна из самых ответственных операций при его изготовлении. Твэл — изделие дорогое, и некачественно выполненная сварка приводит к отбраковке всего изделия. Успешное применение вновь разработанного технологического процесса на производстве невозможно без участия специалистов по сварке на предприятиях по изготовлению твэлов — АО «МСЗ» и ПАО «НЗХК». Специалисты этих предприятий внесли большой вклад при внедрении контактно-стыковой сварки для герметизации твэлов, а в настоящее время обеспечивают проведение сварочной операции по герметизации твэлов практически без отбраковки. Отлаженная технология также является дополнительным звеном безопасности при производстве топливных элементов. «Без сварки нет твэла — есть трубка и топливо. Поэтому наша технология должна быть безупречной. И ее надежность подтверждается практикой», — заключает Олег Анатольевич. Способ контактно-стыковой сварки широко используется на предприятиях отрасли, и в настоящее время в России практически все твэлы с оболочками из циркониевых сплавов герметизируются этим способом сварки.