专利名称：抗腐蚀外壳及其制造方法
技术领域：
本发明涉及放射性物质容器的抗腐蚀外壳及其制造方法。
随着核电站之类的扩散的增加，需要提供安全可靠的处理放射性核废料的方法。不能再处理的材料通常必须储存相当长的时间，几千年或更长。到目前为止，储存这种放射性废料的容器用钢制造。钢容器先制成一些部件，随后用电弧焊焊接起来，留有一开口使核废料可装入容器中，之后在容器上焊上一盖。钢容器的问题是随着时间过去容器会腐蚀及放射性物质会泄漏。
对于放射性材料容器的最重要要求是在例如深埋储藏室之类的典型储存设备中要长时期保持完整性。实际上容器会被这种储藏室的岩石中的地下水腐蚀渗透。因此建议提供一个抗腐蚀外壳来至少限定容器的外壁。铜和铜合金已被认为是制这种外壳的合适材料(例如参见SvenskKrnbrnslehantering AB，1996年年度报告，6.2章)。为了提供强的抗腐蚀性，这些外壳的壁要尽可能厚，例如典型的厚度为30-60mm。
相信有这样厚度的材料有很长期的抗腐蚀性。但是，外壳需要制成几个单元，再连接起来。连接方法是关键的，因为如果连接处容易被腐蚀作用的话，外壳的长期抗腐蚀性就会降低。不幸地是，要求厚度的铜和铜合金很难焊接，主要由于这些材料的熔点高(1083℃)。为此，建议使用电子束焊接，可得到高的整体性的焊缝，有与外壳材料类似的抗腐蚀性。PCT/GB98/02882公开了由焊接研究所开发适合于这种应用的电子束系统的实例。
材料的抗拉强度及蠕变强度受到晶粒尺寸的影响，晶粒尺寸越小，强度越好。
电子束焊接能达到上述的好的抗腐蚀性。但是产生在毫米级尺寸的比较大的晶粒。因此要求进一步改进焊接材料的性能而仍保持在比较厚的部分之间强的焊缝。
按照本发明的一个方面，制造用以放射性材料容器的抗腐蚀外壳的方法包括把铜或铜合金的至少两部分搅动摩擦焊接起来。
申请人已经发现可用搅动摩擦焊代替电子束焊接得到高整体性的抗腐蚀焊缝。
搅动摩擦焊是一个方法，其中比工件材料硬的摩擦头进到连接区，和连接区两侧工件的相对部分中，在摩擦头和工作中作相对的周期运动(例如转动或往复运动)，产生摩擦热，使工件的相对部分成塑性状态；任选地沿连接区在工件和摩擦头之间进行相对的平移运动；移出摩擦头，使变成塑性状态的部分凝固和把工件连接在一起。EP-B-0615480和WO95-26254公开了搅动摩擦焊的实例。
搅动摩擦焊已开发作为焊接薄的如铝之类的轻合金的方法，到目前为止还不能用作焊较厚的材料，特别如铜和铜合金的方法，因为已知这些材料有高熔点及高的导热率，因此是难以焊接的。但是，我们惊人地发现搅动摩擦焊可以用来焊接厚的铜和铜合金材料。虽然温度只达到700-900℃，但是搅动摩擦焊是一个固相的工艺方法，可得到好的焊接结果。另外，最终的焊缝的晶粒尺寸比电子束焊接得到的晶粒尺寸小。这是因为用搅动摩擦焊，在形成晶粒时可使晶粒破碎，也使晶粒快速冷却使它们几乎没有机会使晶粒长大。结果，得到微米量级的晶粒尺寸。已经显示最终焊缝的硬度及抗拉强度与母材的基本一样。由于抗腐蚀外壳一般体积大而且重难以定向进行电子束焊接，但可以由搅动摩擦焊焊接。典型的核废料容器可重达25吨。
搅动摩擦焊可以比较容易地适应各种焊接方向，这样比电子束焊接可得到更好的精度。
搅动摩擦焊可用来焊接外壳的一些或全部单元。例如，一个典型的外壳是圆筒形的，由两个半圆筒形制成及两端有一底部及一盖。两个半圆筒及底部可用电子束焊接而盖可以用搅动摩擦焊。这对焊接过程及允许外壳定向成开口向上使盖用搅动摩擦焊比电子束焊接可更方便地焊接这两方面都是有利的。
很方便，包括固定外壳的部分，使搅动摩擦焊工具沿在两单元之间限定的连接线移动。但是，在另外的情形下，工具可固定，而要焊接的单元移动。
由于外壳通常定向成开口向上以便装放射性材料，在一个实例中，盖和外壳包住开口的壁部分成锥形，使得在把盖焊到壁上前，盖可由外壳壁支承着。
抗腐蚀材料为铜或铜合金，优选的材料为纯铜。
外壳可用在一些环境中限定放射性材料容器本身，但是，典型地，特别在容器埋在地下深处时，可以在外壳中提供一结构固定放射性材料来制成容器。该结构可是钢结构或类似的结构以抵抗在深处加上的压力及典型地可支承最常见的要储存的放射性物质的类型，也就是核燃料棒。
在一个典型的储存方法中，按照本发明的外壳的开口装有放射性物质；盖元件焊在开口上使放射性物质完全封闭在容器中。典型地，在装料及焊接步骤中，开口面向上，但这一点不是必须的。
一般，外壳为圆筒形，但是也可用正方形之类的管形截面。
下面参照
本发明方法的一些实例，附图中图1示出外壳的圆筒形壁的制造；图2示出焊到圆筒形壁上的一个端壁；图3示出在放射性废料已装进容器中但在焊接前的一个盖和图2的外壳；图4是类似图3的示图，但示出放射性废料容器的不同实例；图5图解示出焊缝的硬度值的变化；图6a是通过焊缝的一个实例的横剖面的宏观照片；图6b和6c示出图6的宏观照片的局部细节；图6d是图6的宏观照片的草图，标出焊缝各区；图7a-7d是用在图1-4中的实例中的搅动摩擦焊工具的实例的侧视图及端视图；和图8示出用来制造图6a所示的焊缝的具体工具的细节，图不是按比例画出和标的尺寸为mm。
图1示意地示出两个半圆筒形的铜和铜合金元件1，2，各元件的长度为5m和厚度为30-60mm。两个元件水平放置，一个在另一个上面，限定了一对连接线3，4。随后把转动的搅动摩擦焊工具5插入相应的连接线3，4，并沿着箭头方向6沿连接线作平移把两元件1，2焊接起来。工具5装在一个驱动电动机7上，该电动机又装在一个支承支架上，该支架使电动机7及工具5沿方向6作平移。
在如上所述的焊接操作后，形成一圆筒形壁，其构成抗腐蚀外壳的主体。随后，外壳的一端封上一个厚度为30-60mm的铜或铜合金的端壁元件8。端壁元件8水平插入圆管形壁的一端，限定了与圆筒形壁的圆形连接线9。随后，把搅动摩擦焊工具5插入连接线9及沿连接线使工具平移而把端壁元件8焊到外壳上。
固定好端壁元件8后，形成一端开口的外壳，其垂直放置(如图3所示)，接着把钢支承结构10通过由壁的表面12限定的上开口11装入外壳中。钢支承结构10包括一组纵向延伸的孔13，用过的燃料棒14在安全状态下通过开口11装入孔13中。其它的剩余空间充以惰性气体，随后厚度为30-60mm的铜或铜合金盖15封在开口11上。为了把盖15安装就位，壁12向里斜(如图3所示)，盖15的相应的外表面16也有相应的斜度。图3示出盖15放在壁12上之前的元件状态。在放置好盖后，把转动的搅动摩擦焊工具5插入由表面12，16限定的连接线和沿连接线作平移，把盖15由搅动摩擦焊焊到圆筒形壳体的开口上。
在所述的实例中，搅动摩擦焊工具5沿连接线平移，但是也可有替换的安排，其中工具5保持不动(但绕着其轴线转动)，而连接线移动。应该注意虽然在该实例中所有的连接部分由搅动摩擦焊焊接，但是也可用电子束焊接代替搅动摩擦焊焊接一部分连接部分，如上所述。
图4示出第二实例。在该实例中，两个半圆筒形元件1，2仍如图1那样焊在一起，但是在该情形下，底部元件20横向尺寸超出圆筒形外壳的内尺寸，限定了一个连接线22，该连接线由搅动摩擦焊或电子束焊接焊上。另外，在该实例中，一盖21有底部元件20的类似的形状，可用搅动摩擦焊沿着连接线22焊上。可以明白，图3、4中不同类型的底部元件和盖可以根据需要改变及混合。
为了示出本发明的成功，铜合金之间制成各种焊缝，对焊缝进行了试验及检查。图5示出穿过在两个商业纯、高导热率的铜块之间的搅动摩擦焊缝的硬度值的变化。焊缝区域在图5示出(约25-75mm)，和可见到在焊缝的硬度值(HV)与各边的母材的硬度值没有变化。
在第二实例中，对焊接材料的抗拉强度进行了试验。在该实例中，对10mm厚的搅动摩擦焊铜板进行了试验，和发现焊缝抗拉强度为224N/mm2的量级，这与原始的10mm厚的板的抗拉强度280N/mm2可有很好的比较。另外，发现该抗拉强度沿着焊缝的长度很一致。
在各种试样中对搅动摩擦焊进行了显微镜检查测定晶粒尺寸。图6a实例显示了25mm厚搅动摩擦焊的铜板的宏观照片，宏观照片清楚地示出四个主要的不同晶粒结构区，在图6d示出更清楚的草图。区域X是铜板中没有被焊接过程影响的区域。区域1是热作用区，其中焊缝产生的热使晶粒结构稍微改变。区域2、3、5是热作用区，其中该结构有塑性变形，有一些再结晶区域。最后，区域4是动力学再结晶材料区。
在图6b及6c分别以放大比例示出区域1和区域2的再结晶部分的实例。通过对图的比较，清楚地示出区域2的晶粒结构的再结晶如何导致晶粒尺寸的增加。如此得到的焊缝的晶粒尺寸在80-600μm的量级，可很好地与优选的晶粒尺寸在180-360μm的量级比较。这些值与使用电子束焊缝的晶粒尺寸比较，其晶粒尺寸可有从原始板的晶料尺寸180-360μm到4mm的变化。
多种工具可用作焊接工具5，一些实例示于图7和8。
图7和8所示的工具各包括一个凸肩31和一个带有左旋螺纹(对于标准的顺时针转动)的销32。
在图7a所示的工具有带椭圆形横截面的销，而图7b所示的工具设有相对的平表面34以便限定一个桨叶形的横截面。图7c示出图7b的工具的变型，其中平表面34被往里凹的表面35代替。而图7d所示的工具除了螺纹有逐渐改变的螺距及角度外，与图7a所示的工具类似。
图8所示的工具有一对在销的侧面机加工出的平表面33。但是，销32的横截面可以是圆形的、椭圆形或修平的，使得摩擦头的位移体积小于转动的体积以使塑性化的材料更容易流动。
在操作中，整体的销32和凸肩31的组件转动及插入在工件之间的连接处，直到凸肩31进入工件表面。当销32先插入后，在其周围以及在销32的前端下面的小区域的材料被摩擦加热。进入深度由工具根据在凸肩31下面的销32的长度来控制。
一当与基体的顶表面接触，凸肩把附加的摩擦热加到焊缝区。另外，接触凸肩31可机加工成多种形状以提供改进的配合，凸肩31帮助防止高塑性化的材料从焊缝区域排出。
当转动工具31、32完全插入时，热机械软化的材料具有与总的工具的几何形状相应的形状。在顶表面热作用区更宽，该处与凸肩31接触，随着销32直径增加，热作用区往下斜。
销32和凸肩31的结合的摩擦热使在深入的摩擦头周围和工件表面产生高塑性化的“第三体”状态。随着转动工具沿着连接线移动帮助塑性化材料在工具周围流动，塑性化材料提供了一些流体静力的作用。随后当工具移开时，塑性化的焊缝材料在工具后面凝聚起来。
权利要求
1．一种制造用作放射性材料容器的抗腐蚀外壳的方法，包括把至少两个铜和铜合金材料的单元通过搅动摩擦焊焊在一起。
2．按照权利要求1的方法，其特征在于包括把外壳的所有单元通过搅动摩擦焊焊接起来。
3．按照权利要求1或2的方法，其特征在于所述的外壳限定了一个开口，放射性物质可通过所述的开口装入，所述的单元中的一个包括一个盖用来封住开口。
4．按照权利要求3的方法，其特征在于所述的盖和外壳包住所述的开口的壁是带锥度的使得在把所述的盖焊到所述的壁上以前可由所述的外壳支承着。
5．按照权利要求3的方法，其特征在于所述的盖的横向尺寸比所述的外壳包住所述的开口的壁的相应的尺寸大，使得在把所述的盖焊到所述的壁上以前可由所述的外壳支承着。
6．按照上述权利要求中任一项的方法，其特征在于所述的焊接步骤包括保持所述的盖不动，而沿着在要焊接的部分之间限定的连接线移动搅动摩擦焊工具。
7．一种制造放放射性材料容器的方法，包括按照至少权利要求3制出一个开口的外壳；和在所述的外壳中设置固定放射性物质的结构。
8．按照权利要求8的方法，其特征在于所述的结构可支承燃料棒。
9．一种用作放射性材料容器的抗腐蚀外壳，具有至少两个铜或铜合金材料的单元，所述的单元已通过搅动摩擦焊焊接起来。
10．一种放放射性物质的容器，包括一个按照权利要求9的抗腐蚀外壳；和一个在所述的外壳中固定放射性物质的结构，所述的外壳有开口允许放射性物质装入所述的结构中。
11．一种储存放射性物质的方法，包括提供一个按照权利要求10的容器，或按照权利要求7或8制造的容器，或有按照权利要求9的外壳或按照权利要求1-6中任一项制造的外壳的容器，通过所述的开口把放射性物质装入所述的容器中；和把所述的盖焊在所述的开口上使得放射性物质被完全封闭在所述的容器中。
12．按照权利要求11的方法，其特征在于在所述的装放射性物质及所述的焊接步骤中，所述的开口面向上。
13．按照权利要求11或12的方法，其特征在于所述的盖用搅动摩擦焊焊到所述的外壳上。
14．按照权利要求11-13中任一项的方法，其特征在于所述的放射性物质是放射性废料。
全文摘要
一种制造用作放射性材料容器的抗腐蚀外壳的方法,包括把至少两个铜或铜合金材料(1,2)的单元通过搅动摩擦焊焊在一起。
文档编号B23K101/12GK1298332SQ9980527
公开日2001年6月6日 申请日期1999年4月19日 优先权日1998年4月22日
发明者汤米·赫德曼, 克拉斯－约兰·安德松, 彼得·B·菲尔丁, 爱德华·D·尼古拉斯 申请人:焊接研究所, 瑞典原子处理股份公司