Расчет и плакирование профильной поверхности электрических контактов сверхпроводящей катушки PF1 ITER
Целью данной работы является практическое получение биметаллической заготовки с поверхностью сопряжения металлов, отличающейся от плоской, для изготовления контактов сверхпроводящей катушки экспериментального термоядерного реактора ITER.
Введение
Магнитная система термоядерного реактора ИТЭР состоит из четырех основных подсистем: 18 катушек тороидального поля (TF), центрального соленоида (CS), 6 катушек полоидального поля (PF, и катушек коррекции (CC). Изготовление самой верхней катушки полоидального поля (PF1) является ответственностью Российской Федерации (РФ). На Рис.1 показано положение катушки PF1 в разрезе магнитной системы ИТЭР.
Обмотки катушки PF1 строятся из двойных галет, которые последовательно соединяются в единую электрическую цепь. В качестве средства для соединения двойных галет используются электрические контакты, конструкция которых была предложена специалистами Международного офиса проекта ИТЭР (Рис. 2).
Основной особенностью разработанной специалистами ITER конструкции контактов заключается в том, что базовый лист, выполненный из нержавеющей стали AISI 316L, имеет переходную радиусную поверхность R=200мм. Плакирующий слой меди ASTM B152-C10100, толщиной 18 мм, должен заполнить радиусную выемку и далее без нарушений сплошности должен быть приварен по всей плоскости базового листа. Последующая механическая обработка плакирующего слоя позволяет обеспечить требуемые геометрические размеры изделия контактного соединения. Качество сварки по всей плоскости и радиусной части должно обеспечить требуемые электрические и механические нагрузки при рабочей температуре контакта 4˚К. Размер заготовки ((61 – 73) + 18) х 900 х 900 мм. Геометрическая модель свариваемых деталей представлена на Рис.3. Она включает в себя собственно свариваемые детали с их геометрическими размерами, их взаимное расположение, и дистанцию между ними.
Для оптимизации процесса сварки было применено математическое моделирование с использованием пакета программ ANSYS. Геометрическая модель, заложенная в основу расчетов, должна была помочь и подтвердить правильность выбора формы и размера заряда, место и формы источника детонации, форму и взаимное расположение свариваемых деталей. При этом, процесс сварки должен проходить при отсутствии напряжений, близких к предельным, как в базовом, так и плакирующем листах, для исключения разрыва заготовки.
Предварительные заключения
Всего было запланировано 12 опытов и, соответственно, подготовлено 12 комплектов пластин для сварки.
Два предварительно проведенных опыта, на пластинах с шириной, равной половине натурной, осуществленных для оценки предстоящей работы, показали, что точечный источник детонации, особенно с расположением у края, приводит к несимметричному контакту плакирующего слоя и базового листа и, как следствие, наличию зон непровара. По этой причине, точечный источник детонации далее не рассматривался в расчетах и не применялся на практике, однако, полученные оценки давления и предельных напряжений в базовом и плакирующем листах послужили основой для последующих расчетов.
Расчёт и анализ динамического поведения свариваемых объектов
Расчёт движения фронта плакирования, который обеспечил бы однородное формирование области сварки, требует специальной организации движения фронта ударной волны (УВ) по поверхности медного листа. Слой ВВ и геометрия расположения инициаторов над поверхностью листа условно изображены на Рис. 5. При инициировании взрыва на высоте h над поверхностью листа зону расхождения ударной волны в среде основного ВВ (на рис. параллелепипед над поверхностью листа) можно представить эллипсоидом с центром в точке инициирования. Большая ось эллипсоида определяется скоростью детонации V1 (~ 8000 м/с) в инициирующем шнуровом заряде, а две других скоростью V2 (~ 2000 м/с) в основном заряде.
Внутри эллипсоида к моменту времени t давление равно давлению P0 детонации за фронтом ударной волны, а за пределами эллипсоида давление равно атмосферному. Положение фронта в пространстве и времени определяется уравнением(1):
На поверхности плиты фронт распространяется при постоянной координате z = 0. Таким образом, в любую точку А на поверхности плиты фронт придёт в момент времени, определяемом из уравнения (2):
Соответственно, для любого момента времени может быть рассчитана конфигурация фронта УВ. Рассчитанное по формуле (2) поле координат и времён положения фронта ударной волны было использовано в качестве граничного условия при решении уравнений движения всей системы во всех вариантах расчёта. Это же соотношение позволяет рассчитывать также сферическую и «дискообразную» форму фронта.
Для расчёта динамического поведения плит в условиях ударного воздействия необходимо оценить динамические характеристики плит, и в первую очередь собственные частоты и формы колебаний. Результаты расчётов для плоской медной -1, изогнутой медной -2 и базовой стальной -3 плит приведены в Таблице 1.
Таблица 1
Расчетные моды колебаний, инициируемые в свариваемых деталях в начальный момент воздействия взрыва.
Поскольку характерное время процесса (время пробега ударной волны по поверхности плиты) составляет ~ 0.0005 с, то существенное влияние на формирование фронта плакирования могут оказать только собственные волны с частотами ~3000 Гц и выше. При этом, чем более жёсткой является плита, тем более простую форму имеет волна при той же частоте. Из этих соображений изгиб верхней плиты на 5 обеспечил ей большую жёсткость в поперечном к основному направлению движения фронта плакирования. Формы собственных колебаний могут оказать существенное влияние на качество сварки, и демпфирование этих форм представляет актуальную проблему.
Для расчёта контактного взаимодействия плит при ударном соприкосновении использовался модуль динамического расчёта пакета ANSYS 12.1 в форме явного решения уравнений движения (Explicit Dynamics). Качество процесса сварки прогнозировалось и оценивалось по форме движения фронта плакирования и по максимальным контактным напряжениям за фронтом плакирования. Наилучшее соотношение величины давления P0 детонации за фронтом ударной волны к прочности свариваемых материалов (условному пределу текучести) оказалось в диапазоне 0.25–0.5. При этом обеспечивается достаточное давление в зоне сварки и материалы не получают излишних деформаций. Последовательные этапы процесса сварки показаны на рисунках (раскадровка) в Таблице 2, Таблице 3 и Таблице 4.
Используемая схема расчёта (Рис.6) изображает положение листов в исходном состоянии с зоной формирования начального ударного импульса.
Таблица 2
Покадровые результаты расчета соединения, показывающие хорошую однородность перемещений (фронта плакирования) по времени и направлению. Распространение зоны перемещений.
Таблица 3
Покадровые результаты расчета соединения, показывающие устойчивое формирование угла и фронта плакирования по времени и направлению. Распространение зоны перемещений. То же с другого угла зрения.
Таблица 4
Покадровые результаты расчета соединения, показывающие положение листов в исходном состоянии с зоной формирования начального ударного импульса.
Плакирование верхнего листа идет не с горизонтального положения и положительно сказывается увеличенная жёсткость плит в поперечном направлении, фронт плакирования почти прямой. В поперечном движению фронта направлении практически однородная зона напряжений.
Реализация и практическая оптимизация
Практическая реализация вариантов воздействия на совместную динамику элементов пакета для сварки могла быть осуществлена ограниченным количеством приемов. Вариациям могли быть подвергнуты:
- Место подрыва взрывчатой смеси (ВС) и форма детонационной (ударной) волны.
- Геометрия и размер заряда.
- Форма плакирующего слоя и его положение относительно базовой плиты.
- Присоединенная жесткая опора базовой плиты (размер и масса опоры).
Итоговая схема расположения элементов пакета для сварки изображена на рис.7.
Необходимо отметить, что каждый запланированный опыт заранее просчитывался для исключения грубой ошибки.
Первоначально было проверено влияние положения линии детонации относительно ребра верхней площадки базовой плиты – плоскость АВ, и толщины заряда ВС. Однако, во всех случаях характер сварки выглядел примерно одинаково – плоскости и радиусная часть были сварены за исключением двух зон на нижней площадке базовой плиты, расположенные непосредственно после окончания радиусной части в кромочной зоне (округлой формы, с условным диаметром примерно 50-60мм). Материал плакирующего слоя в этих зонах имел выпуклую форму, а встречные поверхности базовой плиты и плакирующего слоя имели следы контактного взаимодействия (волнообразования) – см. Рис. 8 и Рис.9.
Подробный совместный анализ проведенных расчетов и результатов проведенных опытов позволил сделать предположение, что опережающий удар плакирующего листа по верхней полке базовой плиты приводит к ее упругому изгибу краями вниз, и – вверх – в средней части (первая мода). Примерно одновременно с этим, уже происходит контакт и сварка по поверхности радиусной части и началу плоской части нижней полки базового листа. В последующий момент, форма деформации базовой плиты меняется на обратную, при этом в наиболее ослабленной краевой части сваренного изделия происходит разрушение сварного соединения и выгибание растянутой в момент контакта части плакирующего слоя вверх. После определения вероятной причины появления дефектов сварки следовало найти технологический прием, позволяющий свести к минимуму действующие факторы.
Так как качество сварки на верхней полке базового листа не имеет практического значения, на следующем шаге оптимизации была сокращена часть заряда, расположенная над верхней полкой базового листа. Однако, при значительном сокращении заряда со стороны верхней полки произошла излишне сильная деформация в средней части листа – прогиб вниз. Поэтому далее был восстановлен примерный баланс по размеру заряда над верхней полкой, как некоторое «среднее значение». Дополнительно, было добавлено жесткое массивное основание под базовый лист в виде литой бетонной плиты. Сочетание указанных технологических приемов позволили сократить зоны несплошности, однако не исключили их полностью.
Так как практические способы повлиять на динамические свойства базового листа были исчерпаны в 5-м и 6-м опытах, было решено провести следующие два опыта следующим образом: в седьмом опыте попытались решить задачу простым «силовым» воздействием на зону возникновения несплошностей путем засыпки над этой частью поверхности плакирующего слоя полосы чистого ВВ; в восьмом опыте применили изменение геометрии плакирующего слоя путем отгибания его части от линии АВ вверх на угол 5˚. Дополнительное силовое воздействие на зону несплошностей положительного эффекта не принесло, а вот запланированное изменение геометрии плакирующего слоя, в сочетании с оптимизацией формы заряда и жестким основанием для базовой плиты, привело к долгожданному положительному результату. Однако, следует отметить, что сочетание действующих колебательных мод и сопровождающих этот процесс нагрузок привело к искажениям в форме контактной поверхности в виде различий в амплитуде волны на границе раздела металлов.
Правильный подбор величины и сочетания всех действующих факторов позволил добиться решения задачи на 8-м опыте и далее оптимизировать уже достигнутый результат и предсказать особенности соединения деталей – Рис.11 и Рис.12.
Заключение
Проведенная работа показывает исключительную важность рассмотрения динамического взаимодействия свариваемых деталей, как макрообъектов, что позволило найти решение нетривиальной задачи, а также обратила внимание на возможность усовершенствования сварки обычных плоских заготовок. Также отчётливо проявилась необходимость разработки модели механического (динамического) объединения (сваривания) контактирующих поверхностей тел в условиях пластического течения материалов при относительно низких подогревах.