Affordable Access

Friction Stir Welding of Copper Canisters Using Power and Temperature Control

Authors
Publication Date
Keywords
  • Copper
  • Friction Stir Welding
  • Temperature Control
  • Pid Control
  • Technology And Engineering

Abstract

Svensk Kärnbränslehantering AB, SKB, har i uppdrag att ta hand om allt radioaktivt avfall från de svenska kärnkraftverken. En av förutsättningarna för att SKB ska få tillstånd att uppföra inkapslings- och slutförvars¬anläggningarna är att metod och teknik för att försluta kapslarna finns. De förslutna kapslarna ska uppfylla de krav på långsiktig säkerhet som SKB, myndigheterna och andra intressenter ställer. Denna avhandling beskriver den process, friction stir welding (FSW), som utvecklats för förslutning av de cirka 6000 kapslar som behövs för det avfall som producerats och kommer att produceras vid de svenska kärnkraftverken. Kapseln har ett cirka femtio millimeter tjockt kopparhölje som består av tre komponenter; rör, lock och botten som svetsas samman till ett integrerat hölje. Forskningsarbetet med att utveckla svetsprocessen har bedrivits vid SKB:s Kapsellaboratorium i Oskarshamn. FSW som är en variant av friktionssvetsning uppfanns 1991 på The Welding Institute, och är en fasttillståndsprocess, det vill säga inte en smältsvetsmetod. För att minimera defektbildning i svetsgodset och för att säkerställa att svetsverk-tyget inte går sönder, är det viktigt att verktygstemperaturen hålls inom ett inter-vall mellan cirka 790 och 910°C, att jämföra med kopparns smälttemperatur på 1080°C. För att uppnå detta krävs det att det roterande svetsverktyget genererar en varierande effekt under den 45 minuter långa svetscykeln eftersom de termiska förhållandena förändras beroende på uppvärmning och geometriska förutsättningar. Utförda studier på kopparkapslarna visar att verktygets rotationshastighet är bäst lämpad för styrning av verktygstemperaturen. Detta är ett logiskt resultat med tanke på att den, av verktyget, genererade effekten ges av multiplikation mellan just rotationshastigheten och rotationsmotorns moment som fordras för att uppnå denna rotationshastighet. Genererad effekt har därför visat sig korrelera väl med verktygstemperaturen, vilket underlättar styrning av den. Genom att använda en så kallad kaskadregulator med två individuella PI-regulatorer (Proportionell-Integrerande), för effekt- och temperaturstyrning, kan man effektivt undertrycka momentstörningar som förekommer under svetscykeln. Dessa störningar syns nämligen betydligt tidigare i effektsignalen än i temperaturmätningarna. För att kunna hantera de varierande termiska förhållandena har kaskadregulatorns inställningar sedan anpassats beroende på skede i svetscykeln. Regleringen har möjliggjort repeterbara svetsar med verktygstemperaturer runt hela foglinjen inom ±10°C från börvärdet. Med andra ord, svetsar som med god marginal ligger innanför det tillåtna processfönstret på cirka ±60°C. Avhandlingen redogör dessutom för en rad andra förbättringar av svetsprocessen i syfte att optimera dess tillförlitlighet. Istället för att starta svetscykeln vid foglinjen mellan lock och rör är starten placerad 75 mm ovanför foglinjen. Detta minskar riskerna för svetsdefekter vid foglinjen eftersom borrhålet är placerat så att det bearbetas bort efter svetsning samt att startsekvensen då verktygets frammatningshastighet accelereras upp vid relativt låg temperatur också innebär risk för defektbildning. Man har dessutom möjligheten att avbryta processen i tid ifall något skulle gå snett under det initiala skedet utan att behöva kassera lock och kapsel. Svetsverktygets skuldra har fått en ny, konvex, utformning som har visat sig ha en självstabiliserande inverkan på den genererade effekten. Tappen på svetsverktyget har i sin tur förstärkts mot eventuella brott genom ytbehandling och minskning av detaljer som leder till stresskoncentrationer. Vidare har användandet av argon, som skyddsgas runt verktyget, reducerat såväl momentstörningarna som oxidbildning.

There are no comments yet on this publication. Be the first to share your thoughts.