專利名稱：抗腐蝕外殼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及放射性物質(zhì)容器的抗腐蝕外殼及其制造方法。
隨著核電站之類的擴(kuò)散的增加，需要提供安全可靠的處理放射性核廢料的方法。不能再處理的材料通常必須儲(chǔ)存相當(dāng)長的時(shí)間，幾千年或更長。到目前為止，儲(chǔ)存這種放射性廢料的容器用鋼制造。鋼容器先制成一些部件，隨后用電弧焊焊接起來，留有一開口使核廢料可裝入容器中，之后在容器上焊上一蓋。鋼容器的問題是隨著時(shí)間過去容器會(huì)腐蝕及放射性物質(zhì)會(huì)泄漏。
對(duì)于放射性材料容器的最重要要求是在例如深埋儲(chǔ)藏室之類的典型儲(chǔ)存設(shè)備中要長時(shí)期保持完整性。實(shí)際上容器會(huì)被這種儲(chǔ)藏室的巖石中的地下水腐蝕滲透。因此建議提供一個(gè)抗腐蝕外殼來至少限定容器的外壁。銅和銅合金已被認(rèn)為是制這種外殼的合適材料(例如參見SvenskKrnbrnslehantering AB，1996年年度報(bào)告，6.2章)。為了提供強(qiáng)的抗腐蝕性，這些外殼的壁要盡可能厚，例如典型的厚度為30-60mm。
相信有這樣厚度的材料有很長期的抗腐蝕性。但是，外殼需要制成幾個(gè)單元，再連接起來。連接方法是關(guān)鍵的，因?yàn)槿绻B接處容易被腐蝕作用的話，外殼的長期抗腐蝕性就會(huì)降低。不幸地是，要求厚度的銅和銅合金很難焊接，主要由于這些材料的熔點(diǎn)高(1083℃)。為此，建議使用電子束焊接，可得到高的整體性的焊縫，有與外殼材料類似的抗腐蝕性。PCT/GB98/02882公開了由焊接研究所開發(fā)適合于這種應(yīng)用的電子束系統(tǒng)的實(shí)例。
材料的抗拉強(qiáng)度及蠕變強(qiáng)度受到晶粒尺寸的影響，晶粒尺寸越小，強(qiáng)度越好。
電子束焊接能達(dá)到上述的好的抗腐蝕性。但是產(chǎn)生在毫米級(jí)尺寸的比較大的晶粒。因此要求進(jìn)一步改進(jìn)焊接材料的性能而仍保持在比較厚的部分之間強(qiáng)的焊縫。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，制造用以放射性材料容器的抗腐蝕外殼的方法包括把銅或銅合金的至少兩部分?jǐn)噭?dòng)摩擦焊接起來。
申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可用攪動(dòng)摩擦焊代替電子束焊接得到高整體性的抗腐蝕焊縫。
攪動(dòng)摩擦焊是一個(gè)方法，其中比工件材料硬的摩擦頭進(jìn)到連接區(qū)，和連接區(qū)兩側(cè)工件的相對(duì)部分中，在摩擦頭和工作中作相對(duì)的周期運(yùn)動(dòng)(例如轉(zhuǎn)動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng))，產(chǎn)生摩擦熱，使工件的相對(duì)部分成塑性狀態(tài)；任選地沿連接區(qū)在工件和摩擦頭之間進(jìn)行相對(duì)的平移運(yùn)動(dòng)；移出摩擦頭，使變成塑性狀態(tài)的部分凝固和把工件連接在一起。EP-B-0615480和WO95-26254公開了攪動(dòng)摩擦焊的實(shí)例。
攪動(dòng)摩擦焊已開發(fā)作為焊接薄的如鋁之類的輕合金的方法，到目前為止還不能用作焊較厚的材料，特別如銅和銅合金的方法，因?yàn)橐阎@些材料有高熔點(diǎn)及高的導(dǎo)熱率，因此是難以焊接的。但是，我們驚人地發(fā)現(xiàn)攪動(dòng)摩擦焊可以用來焊接厚的銅和銅合金材料。雖然溫度只達(dá)到700-900℃，但是攪動(dòng)摩擦焊是一個(gè)固相的工藝方法，可得到好的焊接結(jié)果。另外，最終的焊縫的晶粒尺寸比電子束焊接得到的晶粒尺寸小。這是因?yàn)橛脭噭?dòng)摩擦焊，在形成晶粒時(shí)可使晶粒破碎，也使晶?？焖倮鋮s使它們幾乎沒有機(jī)會(huì)使晶粒長大。結(jié)果，得到微米量級(jí)的晶粒尺寸。已經(jīng)顯示最終焊縫的硬度及抗拉強(qiáng)度與母材的基本一樣。由于抗腐蝕外殼一般體積大而且重難以定向進(jìn)行電子束焊接，但可以由攪動(dòng)摩擦焊焊接。典型的核廢料容器可重達(dá)25噸。
攪動(dòng)摩擦焊可以比較容易地適應(yīng)各種焊接方向，這樣比電子束焊接可得到更好的精度。
攪動(dòng)摩擦焊可用來焊接外殼的一些或全部單元。例如，一個(gè)典型的外殼是圓筒形的，由兩個(gè)半圓筒形制成及兩端有一底部及一蓋。兩個(gè)半圓筒及底部可用電子束焊接而蓋可以用攪動(dòng)摩擦焊。這對(duì)焊接過程及允許外殼定向成開口向上使蓋用攪動(dòng)摩擦焊比電子束焊接可更方便地焊接這兩方面都是有利的。
很方便，包括固定外殼的部分，使攪動(dòng)摩擦焊工具沿在兩單元之間限定的連接線移動(dòng)。但是，在另外的情形下，工具可固定，而要焊接的單元移動(dòng)。
由于外殼通常定向成開口向上以便裝放射性材料，在一個(gè)實(shí)例中，蓋和外殼包住開口的壁部分成錐形，使得在把蓋焊到壁上前，蓋可由外殼壁支承著。
抗腐蝕材料為銅或銅合金，優(yōu)選的材料為純銅。
外殼可用在一些環(huán)境中限定放射性材料容器本身，但是，典型地，特別在容器埋在地下深處時(shí)，可以在外殼中提供一結(jié)構(gòu)固定放射性材料來制成容器。該結(jié)構(gòu)可是鋼結(jié)構(gòu)或類似的結(jié)構(gòu)以抵抗在深處加上的壓力及典型地可支承最常見的要儲(chǔ)存的放射性物質(zhì)的類型，也就是核燃料棒。
在一個(gè)典型的儲(chǔ)存方法中，按照本發(fā)明的外殼的開口裝有放射性物質(zhì)；蓋元件焊在開口上使放射性物質(zhì)完全封閉在容器中。典型地，在裝料及焊接步驟中，開口面向上，但這一點(diǎn)不是必須的。
一般，外殼為圓筒形，但是也可用正方形之類的管形截面。
下面參照


本發(fā)明方法的一些實(shí)例，附圖中圖1示出外殼的圓筒形壁的制造；圖2示出焊到圓筒形壁上的一個(gè)端壁；圖3示出在放射性廢料已裝進(jìn)容器中但在焊接前的一個(gè)蓋和圖2的外殼；圖4是類似圖3的示圖，但示出放射性廢料容器的不同實(shí)例；圖5圖解示出焊縫的硬度值的變化；圖6a是通過焊縫的一個(gè)實(shí)例的橫剖面的宏觀照片；圖6b和6c示出圖6的宏觀照片的局部細(xì)節(jié)；圖6d是圖6的宏觀照片的草圖，標(biāo)出焊縫各區(qū)；圖7a-7d是用在圖1-4中的實(shí)例中的攪動(dòng)摩擦焊工具的實(shí)例的側(cè)視圖及端視圖；和圖8示出用來制造圖6a所示的焊縫的具體工具的細(xì)節(jié)，圖不是按比例畫出和標(biāo)的尺寸為mm。
圖1示意地示出兩個(gè)半圓筒形的銅和銅合金元件1，2，各元件的長度為5m和厚度為30-60mm。兩個(gè)元件水平放置，一個(gè)在另一個(gè)上面，限定了一對(duì)連接線3，4。隨后把轉(zhuǎn)動(dòng)的攪動(dòng)摩擦焊工具5插入相應(yīng)的連接線3，4，并沿著箭頭方向6沿連接線作平移把兩元件1，2焊接起來。工具5裝在一個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)7上，該電動(dòng)機(jī)又裝在一個(gè)支承支架上，該支架使電動(dòng)機(jī)7及工具5沿方向6作平移。
在如上所述的焊接操作后，形成一圓筒形壁，其構(gòu)成抗腐蝕外殼的主體。隨后，外殼的一端封上一個(gè)厚度為30-60mm的銅或銅合金的端壁元件8。端壁元件8水平插入圓管形壁的一端，限定了與圓筒形壁的圓形連接線9。隨后，把攪動(dòng)摩擦焊工具5插入連接線9及沿連接線使工具平移而把端壁元件8焊到外殼上。
固定好端壁元件8后，形成一端開口的外殼，其垂直放置(如圖3所示)，接著把鋼支承結(jié)構(gòu)10通過由壁的表面12限定的上開口11裝入外殼中。鋼支承結(jié)構(gòu)10包括一組縱向延伸的孔13，用過的燃料棒14在安全狀態(tài)下通過開口11裝入孔13中。其它的剩余空間充以惰性氣體，隨后厚度為30-60mm的銅或銅合金蓋15封在開口11上。為了把蓋15安裝就位，壁12向里斜(如圖3所示)，蓋15的相應(yīng)的外表面16也有相應(yīng)的斜度。圖3示出蓋15放在壁12上之前的元件狀態(tài)。在放置好蓋后，把轉(zhuǎn)動(dòng)的攪動(dòng)摩擦焊工具5插入由表面12，16限定的連接線和沿連接線作平移，把蓋15由攪動(dòng)摩擦焊焊到圓筒形殼體的開口上。
在所述的實(shí)例中，攪動(dòng)摩擦焊工具5沿連接線平移，但是也可有替換的安排，其中工具5保持不動(dòng)(但繞著其軸線轉(zhuǎn)動(dòng))，而連接線移動(dòng)。應(yīng)該注意雖然在該實(shí)例中所有的連接部分由攪動(dòng)摩擦焊焊接，但是也可用電子束焊接代替攪動(dòng)摩擦焊焊接一部分連接部分，如上所述。
圖4示出第二實(shí)例。在該實(shí)例中，兩個(gè)半圓筒形元件1，2仍如圖1那樣焊在一起，但是在該情形下，底部元件20橫向尺寸超出圓筒形外殼的內(nèi)尺寸，限定了一個(gè)連接線22，該連接線由攪動(dòng)摩擦焊或電子束焊接焊上。另外，在該實(shí)例中，一蓋21有底部元件20的類似的形狀，可用攪動(dòng)摩擦焊沿著連接線22焊上。可以明白，圖3、4中不同類型的底部元件和蓋可以根據(jù)需要改變及混合。
為了示出本發(fā)明的成功，銅合金之間制成各種焊縫，對(duì)焊縫進(jìn)行了試驗(yàn)及檢查。圖5示出穿過在兩個(gè)商業(yè)純、高導(dǎo)熱率的銅塊之間的攪動(dòng)摩擦焊縫的硬度值的變化。焊縫區(qū)域在圖5示出(約25-75mm)，和可見到在焊縫的硬度值(HV)與各邊的母材的硬度值沒有變化。
在第二實(shí)例中，對(duì)焊接材料的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)。在該實(shí)例中，對(duì)10mm厚的攪動(dòng)摩擦焊銅板進(jìn)行了試驗(yàn)，和發(fā)現(xiàn)焊縫抗拉強(qiáng)度為224N/mm2的量級(jí)，這與原始的10mm厚的板的抗拉強(qiáng)度280N/mm2可有很好的比較。另外，發(fā)現(xiàn)該抗拉強(qiáng)度沿著焊縫的長度很一致。
在各種試樣中對(duì)攪動(dòng)摩擦焊進(jìn)行了顯微鏡檢查測(cè)定晶粒尺寸。圖6a實(shí)例顯示了25mm厚攪動(dòng)摩擦焊的銅板的宏觀照片，宏觀照片清楚地示出四個(gè)主要的不同晶粒結(jié)構(gòu)區(qū)，在圖6d示出更清楚的草圖。區(qū)域X是銅板中沒有被焊接過程影響的區(qū)域。區(qū)域1是熱作用區(qū)，其中焊縫產(chǎn)生的熱使晶粒結(jié)構(gòu)稍微改變。區(qū)域2、3、5是熱作用區(qū)，其中該結(jié)構(gòu)有塑性變形，有一些再結(jié)晶區(qū)域。最后，區(qū)域4是動(dòng)力學(xué)再結(jié)晶材料區(qū)。
在圖6b及6c分別以放大比例示出區(qū)域1和區(qū)域2的再結(jié)晶部分的實(shí)例。通過對(duì)圖的比較，清楚地示出區(qū)域2的晶粒結(jié)構(gòu)的再結(jié)晶如何導(dǎo)致晶粒尺寸的增加。如此得到的焊縫的晶粒尺寸在80-600μm的量級(jí)，可很好地與優(yōu)選的晶粒尺寸在180-360μm的量級(jí)比較。這些值與使用電子束焊縫的晶粒尺寸比較，其晶粒尺寸可有從原始板的晶料尺寸180-360μm到4mm的變化。
多種工具可用作焊接工具5，一些實(shí)例示于圖7和8。
圖7和8所示的工具各包括一個(gè)凸肩31和一個(gè)帶有左旋螺紋(對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng))的銷32。
在圖7a所示的工具有帶橢圓形橫截面的銷，而圖7b所示的工具設(shè)有相對(duì)的平表面34以便限定一個(gè)槳葉形的橫截面。圖7c示出圖7b的工具的變型，其中平表面34被往里凹的表面35代替。而圖7d所示的工具除了螺紋有逐漸改變的螺距及角度外，與圖7a所示的工具類似。
圖8所示的工具有一對(duì)在銷的側(cè)面機(jī)加工出的平表面33。但是，銷32的橫截面可以是圓形的、橢圓形或修平的，使得摩擦頭的位移體積小于轉(zhuǎn)動(dòng)的體積以使塑性化的材料更容易流動(dòng)。
在操作中，整體的銷32和凸肩31的組件轉(zhuǎn)動(dòng)及插入在工件之間的連接處，直到凸肩31進(jìn)入工件表面。當(dāng)銷32先插入后，在其周圍以及在銷32的前端下面的小區(qū)域的材料被摩擦加熱。進(jìn)入深度由工具根據(jù)在凸肩31下面的銷32的長度來控制。
一當(dāng)與基體的頂表面接觸，凸肩把附加的摩擦熱加到焊縫區(qū)。另外，接觸凸肩31可機(jī)加工成多種形狀以提供改進(jìn)的配合，凸肩31幫助防止高塑性化的材料從焊縫區(qū)域排出。
當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)工具31、32完全插入時(shí)，熱機(jī)械軟化的材料具有與總的工具的幾何形狀相應(yīng)的形狀。在頂表面熱作用區(qū)更寬，該處與凸肩31接觸，隨著銷32直徑增加，熱作用區(qū)往下斜。
銷32和凸肩31的結(jié)合的摩擦熱使在深入的摩擦頭周圍和工件表面產(chǎn)生高塑性化的“第三體”狀態(tài)。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)工具沿著連接線移動(dòng)幫助塑性化材料在工具周圍流動(dòng)，塑性化材料提供了一些流體靜力的作用。隨后當(dāng)工具移開時(shí)，塑性化的焊縫材料在工具后面凝聚起來。
權(quán)利要求
1．一種制造用作放射性材料容器的抗腐蝕外殼的方法，包括把至少兩個(gè)銅和銅合金材料的單元通過攪動(dòng)摩擦焊焊在一起。
2．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于包括把外殼的所有單元通過攪動(dòng)摩擦焊焊接起來。
3．按照權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于所述的外殼限定了一個(gè)開口，放射性物質(zhì)可通過所述的開口裝入，所述的單元中的一個(gè)包括一個(gè)蓋用來封住開口。
4．按照權(quán)利要求3的方法，其特征在于所述的蓋和外殼包住所述的開口的壁是帶錐度的使得在把所述的蓋焊到所述的壁上以前可由所述的外殼支承著。
5．按照權(quán)利要求3的方法，其特征在于所述的蓋的橫向尺寸比所述的外殼包住所述的開口的壁的相應(yīng)的尺寸大，使得在把所述的蓋焊到所述的壁上以前可由所述的外殼支承著。
6．按照上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于所述的焊接步驟包括保持所述的蓋不動(dòng)，而沿著在要焊接的部分之間限定的連接線移動(dòng)攪動(dòng)摩擦焊工具。
7．一種制造放放射性材料容器的方法，包括按照至少權(quán)利要求3制出一個(gè)開口的外殼；和在所述的外殼中設(shè)置固定放射性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
8．按照權(quán)利要求8的方法，其特征在于所述的結(jié)構(gòu)可支承燃料棒。
9．一種用作放射性材料容器的抗腐蝕外殼，具有至少兩個(gè)銅或銅合金材料的單元，所述的單元已通過攪動(dòng)摩擦焊焊接起來。
10．一種放放射性物質(zhì)的容器，包括一個(gè)按照權(quán)利要求9的抗腐蝕外殼；和一個(gè)在所述的外殼中固定放射性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，所述的外殼有開口允許放射性物質(zhì)裝入所述的結(jié)構(gòu)中。
11．一種儲(chǔ)存放射性物質(zhì)的方法，包括提供一個(gè)按照權(quán)利要求10的容器，或按照權(quán)利要求7或8制造的容器，或有按照權(quán)利要求9的外殼或按照權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)制造的外殼的容器，通過所述的開口把放射性物質(zhì)裝入所述的容器中；和把所述的蓋焊在所述的開口上使得放射性物質(zhì)被完全封閉在所述的容器中。
12．按照權(quán)利要求11的方法，其特征在于在所述的裝放射性物質(zhì)及所述的焊接步驟中，所述的開口面向上。
13．按照權(quán)利要求11或12的方法，其特征在于所述的蓋用攪動(dòng)摩擦焊焊到所述的外殼上。
14．按照權(quán)利要求11-13中任一項(xiàng)的方法，其特征在于所述的放射性物質(zhì)是放射性廢料。
全文摘要
一種制造用作放射性材料容器的抗腐蝕外殼的方法,包括把至少兩個(gè)銅或銅合金材料(1,2)的單元通過攪動(dòng)摩擦焊焊在一起。
文檔編號(hào)B23K101/12GK1298332SQ9980527
公開日2001年6月6日 申請(qǐng)日期1999年4月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月22日
發(fā)明者湯米·赫德曼, 克拉斯－約蘭·安德松, 彼得·B·菲爾丁, 愛德華·D·尼古拉斯 申請(qǐng)人:焊接研究所, 瑞典原子處理股份公司