DE2648877A1

DE2648877A1 - Verfahren zum herstellen von rohrfoermigen elementen

Info

Publication number: DE2648877A1
Application number: DE19762648877
Authority: DE
Inventors: William Hart; K Stewart Peters; John Carlton Tverberg; Donald Harry Wiese
Original assignee: Carpenter Technology Corp
Current assignee: CRS Holdings LLC
Priority date: 1975-11-05
Filing date: 1976-10-28
Publication date: 1977-05-12
Also published as: US3986654A; DE2648877C3; CA1068198A; SE7612311L; IT1086411B; JPS5756408B2; FR2330475A1; DE2648877B2; FR2330475B1; SE426557B; JPS5282670A

Description

Patentanmeldung

der Firma

CARPENTER TECHNOLOGY CORPORATION, 101 West Bern Street, Reading, Pennsylvania 19603, U. S. A.

Verfahren zum Herstellen von rohrförmigen Elementen

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Herstellen von metallischen rohrförmigen Elementen. Sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Herstellen von Rohren und anderen verhältnismässig dünnwandigen gestreckten bzw. länglichen Formteilen, welches die Erzielung hoher Massgenauigkeit und Stabilität erleichtert. Vor allem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, welches besonders gut zum Herstellen von Rohren und Formteile geeignet ist, die einen hohen Grad von Massgenauigkeit und Stabilität aufweisen und behalten müssen, nachdem sie einer Temperaturbeanspruchung insbesondere einer Temperatur-Wechselbeanspruchung über einen sehr weiten Bereich unterzogen worden sind.

Bei der Herstellung von gestreckten bzw. länglichen hohlen Formteilen mit präzisen, engen Toleranzen ist es bekannt, eine Technik

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zu benutzen, die häufig als Wärmedimensionierung oder -kalibrierung bezeichnet wird, wobei die Formgebungs- bzw. Dimensionierungskraft durch die unterschiedliche Wärmedehnung zwischen zwei ungleichen Materialien bewirkt wird. Eines der Materialien ist jenes, aus welchem der längliche bzw. gestreckte hohle Körper geformt wird. Das zweite Material, welches die Gestalt eines Domes aufweisen kann, der vom Körper umschlossen ist, wird so gewählt, dass sein Wärmeausdehnungskoeffizient ausreichend grosser ist als der des zu dimensionierenden Körpers, um so den erwünsc-hten Effekt zu erhalten. Die Formgebungs- bzw. Dimensionierungskraft wird dadurch entwickelt, dass der zu dimensionierende Körper und der von ihm umschlossene Dorn erhitzt werden, wobei die Kraft sich aus der Änderung des Durchmessers oder des Umfanges des Dornes mit zunehmender Temperatur ergibt, welche Änderung den Körper radial streckt bzw. dehnt, so dass sein Umfang vergrössert wird.

Ein derartiges Verfahren wird von J.N. Suldan und R.J. Krahn in "Sizing of Zircaloy Structurals", February 196 7, WAPD-TM-620, available from Clearinghouse for Federal Scientific and Technical Information, National Bureau of Standards, U.S. Dept. of Commerce, Springfield, Va. 22151; abstract published Nuclear Science Abstracts Vol. 21, No. 11, June 15, 1967 beschrieben. Bei diesem Verfahren wurden Kugelgrafiteisen, das einen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 13,68 χ 10~^{6 0}C"¹ (7,6 χ 10~^{6 0}F^-1) und rostfeier' Stahl (A.I.S.I. Typ 304) mit einem Ausdehnungskoeffizienten von etwa 18,36 χ 10~^{6 0}C"¹ (10,2 χ 10~^{6 0}F"¹) verwendet, um thermisches Dimensionieren von Rohren oder Hülsen oder dgl. aus Zircaloy-4 durchzuführen, welches einen Ausdehnungskoeffizienten gleich

etwa 6,48 χ 10 °C aufweist, wobei der rostfreie Stahl benutzt wurde, um die thermische Dimensionierung bei einer niedrigeren Temperatur durchzuführen als bei einem Dorn aus Kugelgrafiteisen erforderlich ist. Bei diesem Verfahren wurde ein Band oder Streifen aus Zircaloy-4, nachdem es bzw. er auf die erforderliche Stärke mit einer Toleranz von - 0,01 cm gebracht worden war, zu halbzylindrischen Schalen oder Hülsen geformt, deren innerer Radius gleich dem äusseren Radius des für die Verarbeitung, das Schweissen und die Dimensionierung des Zircaloy-4-Rohres benutzten Domes war. Der Streifen oder dgl. wurde alsdann auf den Dorn aufgebracht und entlang den beiden längsverlaufenden Nähten Wolfram-Inertgas(WIG) geschweisst. Alsdann wurde das Dimensionieren mittels Glühen im Vakuum im Bereich einer Temperatur von 482 - 788° C (900°F - 1450° F) unter Verwendung des gusseisernen Domes und im Bereich von 482° - 632° C (900° F - 1170° F) unter Verwendung des Dornes aus rostfreiem Stahl (Typ 304) durchgeführt. Die auf diese Weise geformten Rohre wurden, nachdem die Teile abgekühlt waren, von den Dornen entfernt; die Rohre wurden überprüft, wobei Berührungsmessuhren oder dgl. benutzt wurden, um die Massgenauigkeit zu bestimmten, wobei nach Bedarf zusätzliche Arbeitsgänge für die Dimensionierung durchgeführt wurden.

Im wesentlichen das gleiche Verfahren wird in der US-PS 3 559 278 beschrieben. Dabei wird ein rohrförmiger Körper aus dünnerem Metallblech aus dem Rohrmaterial auf einen Dorn aufgebracht, der einen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der mindestens dreimal so gross ist wie der das Rohrmaterials. DAs Rohrmaterial wird zur Bildung eines Rohres auf dem Dorn stumpf

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verschweisst. Dabei ist ein Kontakt von Oberfläche zu Oberfläche zwischen dem so geformten Rohr und dem Dorn vorhanden. Die als Rohr und Dorn bestehende Einheit oder Anordnung wird dann auf eine Temperatur erhitzt, die für den Dorn hoch genug ist, um eine ausreichende tangentiale Spannung zu erzeugen, die das Rohr radial expandiert, so dass das Rohr nach dem Abkühlen die erforderlichen Querabmessungen aufweist. In der PS wird auch darauf hingewiesen, dass die Geradlinigkeit oder Zylindrizität des Rohres dadurch verbessert werden kann, dass es nach der die thermische Dimensionierung bewirkenden Behandlung gestreckt wird.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine höhere Genauigkeit hinsichtlich der Dimensionierung und Formgebung zu erreichen, wobei eine Beeinträchtigung der inneren Oberflächen des zu dimensionierenden Rohres durch Zerkratzen oder dgl., wie es bei den vorbeschriebenen früheren Verfahren auftreten kann, vermieden wird. Diese früheren Verfahren erfordern am Anfang einen engen Sitz, vorzugsweise einen unmittelbaren Kontakt zwischen der äusseren Oberfläche des Dornes und der inneren Oberfläche des Rohres, welches den Dorn umgibt. Dieses Ziel wird im allgemeinen dadurch erreicht, dass ein Dorn von merklich geringerer Grosse als der des rohrförmigen Teiles benutzt wird, wobei das rohrförmige Teil auf den Dorn aufgeschrumpt und die Anordnung erhielt wird, wodurch das rohrförmige Teil gleichzeitig einer Längsspannung (parallel zur Längsachse) und einer tangentialen Spannung während der thermischen Dxmensionxerung bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist, so dass nach dem Abkühlen der Körper länger ist und einen grössren Umfang aufweisen kann als am Anfang, wobei seine

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seitlichen Dimensionen innerhalb extrem enger Toleranzen liegen, die von den Dimensionen des Domes, der unterschiedlichen Ausdehnbarkeit zwischen den beiden und der Temperatur, auf welche die Anordnung gebracht worden ist, bestimmt werden.

Insbesondere macht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von metallischen rohrförmigen Körpern verfügbar, welches Merkmale aufweist, bei denen eine Anordnung aus rohrförmigem Körper und Dorn in der Weise gebildet wird, dass ein rohrförmiger Körper mit einem bestimmten Querschnitt und einem vorherbestimmten Ausdehnungskoeffizienten auf einem Dorn aufgebracht wird, der einen
wesentlich grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der des rohrförmigen Körpers aufweist, wobei die Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Dorn einen Querschnitt aufweist, der wesentlich kleiner ist als der des rohrförmigen Körpers, wobei der Dorn in der Lage ist, den rohrförmigen Körper bei erhöhter Temperatur plastisch zu deformieren, indem die Anordnung aus rohrförmigem Körper und Dorn erhitzt und der rohrförmige Körper gestreckt wird, um ihn auf den Dorn zu schrumpfen, und das Erhitzen der Anordnung fortgesetzt und gleichzeitig der rohrförmige Körper sowohl in Längsrichtung und tangential unter Spannung gesetzt wird, so dass der rohrförmige Körper, während er axial gestreckt wird, gleichzeitig seitlich durch den Dorn auf eine vorherbestimmte Querschnittsgrösse expandiert wird, und nach dem
Abkühlen auf Raumtemperatur ein rohrförmiger Körper erhalten
wird, der eine vorherbestimmte End-Querschnittsgrösse aufweist und ohne Schwierigkeiten vom Dorn entfernbar ist.

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Das Verfahren gemäss der Erfindung ermöglicht die Herstellung von Erzeugnissen mit einem einmaligen Grad von Dimensionierungsgenauigkeit und Stabilität, wobei diese Erzeugnisse frei sind von Oberflächen- und anderen mechanischen Schaden oder Fehlern. Das Verfahren kann zur Herstellung einer grossen Vielzahl von länglichen bzw. gestreckten hohlen Formteilen benutzt werden. Das Verfahren ist mit Vorteil anwendbar zur Herstellung von Teilen, die einen kreisförmigen Querschnitt mit einem minimalen Grad von Ovalität aufweisen und zur Herstellung von Teilen mit einem nicht kreisförmigen Querschnitt, solange der Querschnitt des Teiles im wesentlichen frei ist von irgendwelchen Übergängen oder dgl. zwischen den Enden, die ein Entfernen des Teiles vom Dorn unmöglich machen würden. So kann das Verfahren gemäss der Erfindung für die Herstellung von rohrförmigen Teilen mit hoher Präzision benutzt werden, die in Kernreaktoren verwendet werden, insbesondere solchen rohrförmigen Teilen, die einen nicht kreisförmigen Querschnitt und ein Minimum an zurückgebliebenen Spannungen aufweisen. Das Verfahren ist insbesondere geeignet für die Herstellung von beispielsweise polygonalen Rohrkörpern aus einem Material, welches einen gewünschten thermischen Neutronenxnfangquerschnitt aufweist. Insbesondere ist das VErfahren geeignet zur Herstellung von in Kernreaktoren verwendbaren geschweissten Hochpräzisions-Rohrelementen unter Anwendung von Verfahren der thermischen Dimensionierung, bei welchen die Dimensionierungskraft auf der unterschiedlichen thermischen Expansion zwischen zwei ungleichen Materialien beruht, wobei es dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens ein Ausgangsblech aus einem Metall oder einer Legierung ausgewählt wird, welches einen niedrigen Neutronenabsorptionsquerschnitt und einen vorherbestimm-

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ten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei dieses Blech zu einem runden Querschnitt geformt und zwecks Bildung eines Rohres mit rundem Querschnitt mit vorherbestimmtem Durchmesser verschweisst wird und wenigstens eine keinen Verschluss bzw. keine Verbindung bewirkende Schweissnaht gebildet wird, um die an dem Rohr gebildete, eine Verbindung bewirkende Schweissnaht konstruktiv auszugleichen bzw. zu kompensieren, wobei ferner die Schweissraupe am Rohr reduziert und dieses runde Rohr zu einem nicht kreisförmigen Querschnitt von vorherbestimmter Dimension geformt wird, und das Rohr auf einen Dorn aufgebracht wird, der eine gleiche oder ähnliche Querschnittsform von merklich kleinerer Grosse aufweist, wobei dieser Dorn aus einem Material besteht, das einen wesentlich grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Ausgangsblech und darüber hinaus in der Lage ist, dieses Rohr bei erhöhter Temperatur plastisch zu verformen, und jedes Ende des Rohres an dem entsprechenden Ende des Dornes zwecks damit in Längsrichtung erfolgender Drehnung und davon unabhängiger Kontraktion festgelegt wird und die aus Rohr und Dorn bestehende Anordnung erhitzt wird, um zunächst das Rohr in Längsrichtung zu strecken und dadurch auf den Dorn zu schrumpfen, und das Erhitzen der aus Rohr und Dorn bestehenden Anordnung fortgesetzt wird, so dass der Dorn auf das Rohr sowohl in Längsrichtung als auch tangential bewirkende Spannungen überträgt, wodurch das Rohr, während es in Längsrichtung gestreckt wird, gleichzeitig seitlich durch den Dorn auf eine vorherbestimmte Querschnittsdimension gedehnt wird, die beim oder nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur zu einem Rohr von vorherbestimmter End-Querschnittsdimension führt.

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Weitere Zielsetzungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich

aus der folgenden mehr in die Einzelheiten gehenden Beschreibung

und den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt

ist. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ablaufschema einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 und 3 jeweils eine Draufsicht, teilweise im Schnitt und in Ausschnitten einer aus einem Teil und einem Dorn bestehende Anordnung jeweils vor und nach der thermischen Dimensionierung;

Fig. 4 ein Diagramm, welches qualitativ die Änderungen der seitlichen Abmessungen des Teiles und des Dornes während der thermischen Dimensionierung bzw. Kalibrierung darstellt.

Es steht fest, dass die Körper unter Anwendung einer grossen Vielzahl von Wegen und Möglichkeiten für das thermische Dimensionieren bzw. Kalibrieren gemäss der Erfindung vorbereitet werden können. Jedoch können weitere Vorteile bei der Herstellung von Präzisions-Rohrelementen mit oder ohne Naht, wie sie z. B. mittels Schweissen erzeugt wird, erreicht werden, wenn die Körper gemäss der folgenden Beschreibung vorbereitet werden. Derartige geschweißte Rohre können jeweils aus einem einzigen Streifen oder Band des gewünschten Materials welcher bzw. welches die erforderliche Breite und Länge aufweist, vorbereitet werden, um so Verwindungen oder dgl. im Rohr nach dessen Herstellung möglichst klein zu halten. Der Streifen oder dgl. wird in eine im wesentlichen zylin-

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drische Form gebracht, wobei seine Längskanten einander gegenüberliegen. Diese Kanten werden vorzugsweise mittels Wolfram-Inertgas-Schweissen miteinander verbunden. Bei bestimmten Ausführungen oder Anwendungen, bei welcher die Geradlinigkeit kritisch ist und Abweichungen von der Geradlinigkeit möglichst klein gehalten werden müssen, können eine oder mehrere längsverlaufende Schweissnähte, die keine Verbindung bewirken, angebracht werden, um im Rohrelement einen konstruktiven Ausgleich oder dgl. zu bewirken. Wenn eine zusätzliche Schweissnaht anzuformen ist, wird sie direkt gegenüber den längsverlaufenden Kanten des Streifens oder Bandes ausgeführt, d. h., entlang einer Linie, die im wesentlichen in der Mitte zwischen den Kanten liegt und sich entlang der Länge des Streifens erstreckt. Wenn die gegenüberliegende Schweissnaht ausgeführt wird, bevor die Kanten miteinander verschweisst werden, können die Kanten als Bezugslinie oder dgl. zur Führung des Schweisskopfes entlang dem Streifen oder dgl. dienen. Ein derartiger Schweissvorgang kann auch auf dem flachen Blech vor dessen Verformung durchgeführt werden. Wenn die Kanten des Streifens zuerst verschweisst werden, kann eine Linie für die gegenüberliegende Schweissnaht gleichzeitig angerissen werden, welcher Linie während des zweiten Schweissvorganges gefolgt wird. Die Schweissnaht bzw. Schweissnähte wird bzw. werden in irgendeiner geeigneten Weise entfernt oder um das gewünschte Ausmass reduziert; danach wird der geschweisste Körper in die gewünschte Form und ungefähr auf die endgültige Dimension, d. h. soweit an die Enddimension gebracht, dass das abschliessende Dimensionieren bzw. Kalibrieren unter Anwendung von thermischen .Dimensionierungsverfahren ausgeführt werden kann.

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Wenn das fertige Erzeugnis ein Rohr oder eine Hülse für Kernbrennstoff sein soll, insbesondere ein Rohr mit nicht kreisförmigem Querschnitt, ist es erwünscht, dass die verbleibenden Spannungen auf ein Minimum reduziert werden. Zu diesem Zweck kann der Körper auf eine genügend hohe Temperatur erhitzt werden, bei welcher die beispielsweise auf die kalte Bearbeitung im Zusammenhang mit dem Beseitigen der Schweissnhähte und der kalten Formgebung zusammenhängenden Spannungen elimiert werden. Im Fall von Zirkon oder Rohren aus Zirkonlegierungen kann ein Erhitzen zum Zwecke des Beseitigens der Spannungen bei einer Temperatur ausgeführt werden, die zwischen etwa 316 C (600 F) und etwa 760 C (1400° F) oder höher liegt, und zwar in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Teiles. Die jeweilige Temperatur, bei welcher derartige Erhitzungs- oder Glüharbeiten durchgeführt werden, ist in keiner Weise kritisch; es ist lediglich notwendig, dass das Teil im wesentlichen spannungsfrei ist, um die kalte Formgebung zur Erzielung der nicht kreisförmigen (im Querschnitt) Form zu erleichtern. Somit kann in der Praxis das Teil erglüht oder erhitzt werden im Anschluss an das Beseitigen der Schweissraupe und wiederum nach dem Dimensionieren zu einer runden Form.

Das Dimensionieren bzw. Kalibrieren zu einer runden Form, die den gewünschten Radius zwecks Aufbringen auf einen zylindrischen Dorn oder zum Umformen zu einem polygonalen Querschnitt zwecks Aufbringen auf einen polygonalen Dorn zur Durchführung der thermischen Dimensionierung aufweist, wird vorzugsweise so ausgeführt, dass das Rohr durch ein Werkzeug, z. B. eine Matrize ohne Dorn geführt wird, wodurch der äussere Durchmesser des Rohres

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verkleinert wird, ohne dass die Dicke des Materials eine Änderung erfährt, so dass es nicht notwendig ist, den inneren Durchmesser zu überwachen. Zum Herstellen eines zylindrischen Rohres kann das Rohr dann auf einen zylindrischen Dorn gebracht werden. Im Fall eines polygonalen Rohr-Enderzeugnisses wie z. B. eines solchen mit quadratischem Querschnitt, wird das Rohr zunächst unter Verwendung üblicher Einrichtungen und Verfahren in eine Quadratische Querschnittsform gebracht. Wenn das Material, aus welchem das Teil geformt ist, leicht durch Scheuern oder Reiben oder durch andere Oberflächenfehler, die verhindert werden müssen, beeinträchtigt werden kann, ist die Grosse des Quadrates, zu welchem der runde Gegenstand geformt wird, ausreichend grosser als der des Domes für die thermische Dimensionierung, um das Einführen des Domes zu erleichtern, ohne dass die Oberfläche des Rohres beschädigt oder zerkratzt wird. In jedem Fall vermeidet das Verfahren gemäss der Erfindung die Notwendigkeit, das runde Teil bis in den Bereich der genauen Toleranzen, die für das fertige Teil, sei dies kreisförmig oder nicht kreisförmig, erforderlich sind, zu formen oder so sehr an die Dimension des Dornes anzupassen, dass ein Zerkratzen der Oberfläche des zu formenden Rohres eintreten könnte.

Wie bereits seit langem bekannt ist, wird thermisches Dimensionieren in der Weise ausgeführt, dass ein Material, aus welchem der Dorn geformt ist, gewählt wird, dessen Ausdehnungskoeffizient ausreichend grosser ist als der des Teiles, welches zu dimenionieren bzw. zu kalibrieren ist, so dass bei Erhitzen in einer inerten Atmosphäre, z. B. im Vakuum oder in einem Gas wie z. B.

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Argon, das Teil unter der Einwirkung des Börnes expandiert, wobei das Ausmass dieser Dehnung abhängt von der Temperatur, auf welche die Anordnung erhitzt wird. Bei solchen Teilen wie Rohroder Hüllelementen aus Zirkon-Legierung ist ein für den Dorn geeignetes Material ein rostfreier Stahl (A.I.S.I. Typ 304), der hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten ein ausreichendes Ausmass von Abweichung aufweist.

Gemäss einem wichtigen Merkmal der Erfindung wird der Dorn in das Teil eingeführt, welches, während es sich auf dem Dorn befindet, triaxial gespannt wird. Dies bedeutet, dass das Teil einmal in Längsrichtung gestreckt wird und gleichzeitig der Umfang des Teiles eine Vergrösserung erfährt, während es auf seine Glühtemperatur erhitzt wird. Dies wird vorzugsweise derart ausgeführt, dass die gegenüberliegenden Endbereiche des Teiles an Elementen, wie z. B. Klemmstücken festgelegt werden, die in ihrer Ausgangsposition anliegen und von denen jedes in geeigneter Weise gezwungen wird, mit entgegengesetzten Enden des in Längsrichtung expandierenden Dornes sich zu bewegen und so das Teil zu strecken. Beim Abkühlen und Zusammenziehen der Anordnung hält das langsamer sich zusammenziehende Teil die Blöcke in ihrer Position, so dass das zugeordnete Ende des Dornes sich entfernt und jeden der Blöcke in einer zweiten Position zurücklässt, die sich in einem Abstand vom Ende des Dornes befindet. Der Abstand zwischen jedem der Blöcke und dem zugeordneten Ende des Dornes wird bestimmt durch die unterschiedliche Expansion zwischen dem Teil einerseits und dem Dorn andererseits und der Temperatur, auf welche die Anordnung

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erhitzt worden war. Sowohl das Teil als auch der Dorn expandieren in zwei Richtungen, d. h. seitlich und in Längsrichtung/ wobei das Äusmass, um welches jedes von beiden expandiert, bestimmt wird von seinem eigenen Ausdehnungskoeffizienten. In diesem Fall wird die unterschiedliche Expansion bestimmt von dem Unterschied zwischen dem grösseren Ausdehnungsvermögen des Dornes und dem des Teiles, so dass das Teil seitlich durch die viel grössere seitliche Expansion des Dornes expandiert wird und in Längsrichtung durch die viel grössere Länsexpansion des Dornes gestreckt wird.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht, wie bereits erwähnt, darin, dass Oberflächenbeschädigungen und beeinträchtigungen vermieden werden, da das Teil wesentlich grosser ist als der Dorn. Tatsächlich ist die Abweichung gross genug, so dass, wenn die Querdimensionen des Teiles während des Erhitzens bzw. Glühens nicht reduziert werden, das Ausdehnungsvermögen des Dornes nicht gross genug ist, um seine Oberfläche mit der inneren Oberfläche des Teiles bei einer ausreichend niedrigen Temperatur in Berührung zu bringen, damit der Dorn das Teil wirksam tangential zu dem Zeitpunkt strecken kann, in welchem die Anordnung auf die Flühtemperatur gebracht worden ist. In einigen Fällen kann das Teil soviel grosser als der Dorn sein, so dass ein Erhitzen der Anordnung auf die maximal zulässige Glühtemperatur ohne Schrumpfen der Breite des Teiles ihre Oberfläche nicht in Kontakt bringt. Gemäss der Erfindung dient die anfängliche Längung des Dornes, die in merklich grösserem Ausmass stattfindet als die des Teiles, aufgrund der Verbindung der Enden des Teiles mit den Enden des Dornes dazu, das Teil in Längsrichtung

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zu strecken, welcher Umstand dazu dient, das Teil auf die Oberfläche des Domes zu ziehen. Die Ausdehnungskoeffizienten der Materialien weichen so voneinander ab, dass dies erheblich unterhalb der gewünschten Glühtemperatur stattfindet, so dass eine weitere Erhitzung auf die höhere Temperatur dazu führt, dass der Dorn das Teil seitlich auf die präzise Dimension zurückexpandiert, von welcher die Kontraktion bei Abkühlung auf Raumtemperatur stattfindet, die dann die gewünschte Querabmessungen ergibt. Die Länge kann ohne weiteres durch Abtrennen von überschüssigem Material eingestellt werden. Auf diese Weise wird das Teil dreiachsig warmverformt, und zwar vorzugsweise oberhalb seiner Umkristallisations- bzw. Rekristallisationstemperatur. Dies wird weiter unten noch im einzelnen beschrieben.

Die Verbindung zwischen dem Teil und dem Dorn während der thermischen Dimensionierung und dem Glühvorgang kann auf irgendeine geeignete Weise hergestellt werden, solange das Teil während des schnelleren Dehnens des Dornes mit seinen Enden an den Enden des Dornes befestigt ist, so dass das Teil gestreckt wird, wodurch es seitlich auf den Dorn mit der inneren Oberfläche des Teiles gegen die Aussenoberfläche des Dornes geschrumpft wird. Ein weiterer Anstieg der Temperatur der Anordnung hat eine weitere Längsstreckung und gleichzeitig seitliches Strecken des Teiles durch den Dorn zur Folge.

Die Vorteile der Erfindung werden am ehesten dann erreicht, wenn die aus Teil und Dorn bestehende Anordnung auf eine Temperatur zumindest gerade oberhalb der Re- oder Umkristallisationstempera-

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tür des Teiles gebracht und auf dieser Temperatur lange genug gehalten wird, um eine völlige Beseitigung der Spannungen eintreten zu lassen. In jedem spezifischen Fall wird die obere Temperatur, auf welche die Anordnung oberhalb der Rekristallisationsbzw. Umkristallisationsatemperatur erhitzt wird, bestimmt sowohl durch die Abweichung bezüglich Dimension und Ausdehnungsvermögen zwischen dem Teil und dem Dorn als auch durch die Abmessungen bei Raumtemperatur, die in Bezug auf das fertige Produkt gefordert werden.

Das Verfahren erleichtert in der Praxis die Herstellung von langen rohrförmigen Körpern, die 3 m und langer sein können; das Verfahren wird mit besonderem Vorteil bei der Herstellung von Teilen kreisförmigen und unrunden Querschnitts mit extrem engen Toleranzen angewandt. Die ausserordentlich kleinen Abweichungen hinsichtlich der Abmessungen, die minimalen Krümmungen und Verwindungen, die ein einmaliges Ausmass an Geradheit gewährleisten, der für das Verfahren charakteristisch ist, machen dieses in besonderer Weise für die Verwendung bei der Herstellung von Rohren oder Kanälen für Kernbrennstoff aus solch schwierig zu verarbeitenden Materialien wie Zirkon-Legierungen geeignet, die in einem Siedewasserreaktor dazu verwendet werden, ein Kühlmittel um die Brennelemente herumzuführen.

Bei Verwendung von nahtlosem Rohrmaterial als Ausgangsmaterial für das Verfahren und in Abhängigkeit von den am Endprodukt geforderten Dimensionen besteht die Möglichkeit, das nahtlose Rohr-

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material auf eine präzisere runde Form zu bringen, bevor es zu einem unrunden Querschnitt geformt und/oder bevor es auf den Dorn gebracht wird. Es ist auch möglich, diese Dimensionierung zu einer präziseren Grundform zu unterlassen. Entsprechend kann bei der Herstellung von geschweisstem Rohrmaterial das geschweisste Rohr mit oder auch ohne zusätzliche Nichtverbindungs-Schweissnähte, mit oder ohne vorbereitende Dimensionierung und sogar ohne Reduzierung der Schweissraupe auf den Dorn gebracht werden.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Ein Blech mit der Zusammensetzung einer Zircaloy-4-Legierung und geeigneten Abmessungen, welches frei von Oberflächendefekten war, wurde in eine runde Gestalt gebracht und mittels Wolfram-Inertgas-Verschweissen der einander gegenüberliegenden Längskanten des Bleches verschlossen, wobei eine Stumpfnaht entstand. Gleichzeitig wurde eine Linie direkt gegenüber der Schweissnaht angerissen. Ein zweiter Schweissarbeitsgang wurde dann entlang der Linie durchgeführt, um eine zweite Schweisszone gegenüber der ersten, das Rohr formenden Schweissnaht zu bilden mit dem Ziel, Krümmungen oder andere störende Auswirkungen, die darauf zurückzuführen sein könnten, dass eine Schweissnaht lediglich entlang einer Seite des Rohres oder Kanals gebildet wurde, ganz vollständig oder nahezu vollständig zu verhindern oder zumindest zu reduzieren. Nach der Verringerung der Schweissraupe wurde das Rohr oder dgl. alsdann im Vakuum geglüht, um Spannungen zu beseitigen. Alsdann wurde das Rohr oder dgl. auf die gewünschte runde Querschnittsgestalt als Vorbereitung zum Formen eines quadratischen Querschnittes dimensioniert bzw. kalibriert. Die Dimen-

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sionierung zu einer runden Gestalt wird vorzugsweise ohne Dorn durchgeführt, so dass Änderungen oder Abweichungen der Wandstärke durch diesen Verfahrensschritt nicht bewirkt werden können, und lediglich die äussere Dimension des Teiles zu überwachen bzw. zu kontrollieren ist. Der runde Kanal wurde dann in eine unrunde Querschnittsform gebracht; in diesem Fall wurde es durch ein Werkzeug hindurchgeführt und zu einem Rechteck geformt. Die bei einer derartigen Formgebung zu erzielende Präzision der Abmessungen ist gut und mehr als zufriedenstellend für viele Anwendungszwecke; sie lässt jedoch viele Wünsche offen, wenn extreme Genauigkeit der Abmessungen über verhältnismässig grosse Längen erforderlich ist.

Zur Erzielung dieses einmaligen Freiheitsgrades bezüglich irgendwelcher zurückbleibender Spannungen und der Abmessungsgenauigkeit, die für Erzeugnisse gemäss dem Verfahren charakteristisch sind, wird das Rohr, die Hülle oder dgl. thermisch dimensioniert und oberhalb der Rekristallisations- bzw. Unkristallisationstemperatur geglüht. Zu diesem Zweck wird das Rohr oder dgl. auf einen Dorn von geeigneter Länge gebracht, der jedoch einen wesentlichen kleineren Querschnitt aufweist, um das Aufbringen ohne Beschädigung der Oberfläche des Rohres, die auf Schwankungen in den Abmessungen des Rohres, die im Bereich der bereits geformten Länge vorkommen können, zurückzuführen wären , zu erleichtern. Die äussere Abmessung des Dornes, gemessen /on Fläche zu Fläche, ist vorteilhaft etwa 1,4 mm kleiner als die des Rohres, um das Vorhandensein eines minimalen Zwischenraumes von wenigstens O,76 mm an den

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Stellen zu gewährleisten, an denen das Rohr eine kleinste Breite aufweist. Mit einem Dorn aus rostfreiem Stahl (A.I.S.I. Type 304) und einem Rohr aus Zircaloy-4 werden durch Glühen bei etwa 677 C (1250° F) optimale Ergebnisse erzielt, obwohl eine etwas höhere Temperatur bis zu etwa 718 C (1325 F) erforderlichenfalls angewendet werden kann, um die Rohre richtig zu dimensionieren. Es könnten sogar höhere Temperaturen angewendet werden; jedoch liegt die anwendbare Maximaltemperatur unterhalb der Temperatur, bei welcher eine unerwünschtes Korn- bzw. Kristallwachstum eintritt.

Gemäss den Figuren 2 und 3 wird das Rohr oder dgl. 10 auf einem Dorn 11 aufgebracht und an den gegenüberliegenden Enden an Blöcken 12 verschraubt» Jeder der Blöcke 11 ist relativ zum zugeordneten Ende des Dornes 11 auf Stiften 13 gleitbar, die mit dem Dorn 11 verbunden sind. Gemäss der Darstellung der Fig. 2 liegen die Blöcke 12 an den Enden des Dornes 11 an, wenn das Rohr aufgebracht und an den Blöcken unter Verwendung von Schrauben 14 befestigt ist. Der Glühvorgang wird vorteilhaft im Vakuum durchgeführt, wobei die Rohr-Dorn-Anordnung vertikal hängt. Beim Erhitzen der Anordnung auf die Glühtemperatur T (Fig. 4) nimmt die Breite des Dornes

11 entlang der Linie M zu, während die Breite des Kanales oder Rohres 10 zu Beginn entlang der Linie C, abnimmt. Der Schnittpunkt der Linie C, mit der Linie M stellt den Punkt dar, an dem das überdimensionierte Rohr auf den Dorn als Ergebnis des am Rohr erfolgenden Streckvorganges aufgrund des sich schneller verlängernden Dornes aufgeschrumpft wird. Ein weiteres Erhitzen auf die Glühtempratur T hat zur Folge, dass der Dorn weiter expan-

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diert, welche Tatsache ihrerseits zu einer Drehnung der Breite

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des Rohres oder Kanales 10 führt. Nach Vollendung der Glühbehandlung - etwa eine halbe Stunde bei der Temperatur - und Abkühlen der Anordnung nimmt die Breite des Domes 11 entlang der Linie M ab. Aufgrund der Änderung in ihrer Grosse nimmt die Breite des Rohres oder dgl. 10 jedoch entlang der Linie C₂ ab. Fig. 3 lässt erkennen, dass, wenn die Anordnung Raumtemperatur hat, Kanal oder Rohr 10 in Längsrichtung eine Streckung erfahren hat, so dass die Blöcke 12 sich nunmehr in einem Abstand von den Enden des Dornes 11 befinden. Es ist zu beachten, dass die Änderungen in den Dimensionen und die Grosse der Abstände zwischen den Teilen in der Zeichnung zur Erleichterung der Darstellung grosser gezeichnet sind. Wenn Rohr oder Kanal 10 nicht zwecks Strecken an dem Dorn 11 befestigt gewesen wären, würde seine bzw. ihre Breite mit der Temperatur entlang der Linie C, zugenommen haben.

Der Fig. 4 ist zu entnehmen, dass aufgrund der ursprünglichen Differenz bezüglich der Breite zwischen Rohr 10 und Dorn 11 wenig oder keine Änderung hinsichtlich der Grosse des Rohres 10 auftreten würde, wenn das Rohr 10 nicht ausreichend früh während des Erhitzungsvorganges auf den Dorn aufgeschrumpft worden wäre. Der notwendige Schrumpfvorgang des Rohres oder Kanales 10 wird durch den Dorn 11 bewirkt, der das Rohr aufgrund seines wesentlich grösseren Ausdehnungsvermögens streckt.

Während der Abkühlung der aus Rohr und Dorn bestehenden Anordnung zieht sich der Dorn 11 zusammen, wobei er sich von den Blöcken wegbewegt. Letztere sind an den beiden gegenüberliegenden Enden des sich langsamer zusammenziehenden Rohres oder dgl. befestigt.

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Nach Abkühlung auf Raumtemperatur kann das Rohr 10 leicht vom Dorn 11 entfernt werden, ohne dass die Oberfläche des Rohres oder Kanales beschädigt oder sonstwie beeinträchtigt wird, da - wie bereits gesagt - ein ausreichender Zwischenraum vorhanden ist.

Es ist darauf hinzuweisen, dass bei Abkühlung des Rohres 10 und des Domes 11 von der Glühtemperatur T die jeweilige Breite dieser Teile den Linien C~ bzw. M folgt, solange es keine Änderung oder Schwankung ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten gibt. Dies trifft auch zu für ein Rohr, das eine etwas grössere Breite aufweist wie beispielsweise ein Rohr, das, wenn nicht am Dorn befestigt, mit zunehmender Temperatur entlang der Linie C. hinsichtlich seiner Breite zunehmen würde. Die Linie C. schneidet die Linie M nicht bei oder unterhalb der Glühtemperatur T . Ein derartiges Rohr nimmt, wenn am Dorn befestigt, hinsichtlich seiner Breite entlang der Linie Cj- ab, bis die Temperatur erreicht ist angegeben durch den Punkt, an welchem die Linie C₁. die Linie M schneidet - bei welcher das Rohr bis zum Kontakt mit dem Dorn geschrumpft worden ist. Danach erfolgt eine Dehnung entlang der Linie M; die Kontraktion mit Abkühlung folgt der Linie C₂-

Nach Abnahme vom Dorn wird das Rohr, die Hülle oder dgl. auf gewünschte Länge zurechtgeschnitten und je nach Bedarf auch noch in anderer Weise behandelt. Beispielsweise können die Hüllen oder Rohre oder Zircaloy-4 eine Dampf-Autoklav-Behandlung erfahren, um sie mit einem Finish in Form einer schwarzen Oxydoberfläche zu versehen.

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Wenngleich die Erfindung im Zusammenhang mit der Herstellung von Hüllen, Rohrelementen oder dgl. aus einer Zircaloy-4-Legierung beschrieben worden ist, können auch andere Legierungen verwendet werden. Zusätzlich zu runden oder unrunden Teilen, die bereits erwähnt worden waren, ist das Verfahren auch mit Vorteil anwendbar bei der Herstellung von Teilen mit drei oder mehr Seiten mit oder ohne Nocken oder dgl., wenn diese Teile auf einen Dorn aufgebracht und von diesem abgenommen werden können. Im Falle von Hüllen oder Rohrteilen für Kernreaktoren sollte das Material einen niedrigen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen aufweisen. Abgesehen von Zirkonlegierungen ist das Verfahren auch anwendbar zur Herstellung von Erzeugnissen und einer grossen Anzahl von Materialien und Werkstoffen wie z. B. schwer zu formenden Werkstoffen wie Titan, Hafnium und deren Legierungen. Obwohl eine grosse Anzahl von Werkstoffen verwendet werden kann, ist es vorteilhaft, dass das Material einai Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der nicht weniger als ungefähr 2 χ 10 C

(1,1 χ 10"^{6 0}F"¹) und nicht mehr als etwa 10 χ 1O~^{6 0}C"¹

(5,6 χ 10~^{6 0}F"¹) betragen.

Der Dorn kann aus jedem geeigneten Material hergestellt werden, der einen wesentlich grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der vorzugsweise wenigstens zweimal so gross ist wie der das Materials, aus welchem die rohrförmigen Teile herzustellen sind. Es ist wichtig, bzw. notwendig, dass der Dorn im Vergleich zum Teil bei der Glühtemperatur hart genug ist, um das Teil triaxial zu bearbeiten bzw. umzuformen, d. h. ausreichend grosse tangentiale und längsverlaufende Spannungen zu erzeugen, um das

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ja _

Material triaxial zu verformen und ihm eine dauernde Deformieerung zu geben.

Bei der Beschreibung eines Beispiels des Verfahrens in Verbindung mit geschweissten Rohren wurden zwei Schweisszonen entlang dem Rohrteil hergestellt, obwohl nur eine Zone notwendig war, um das Rohr herzustellen bzw. zu verschliessen. In einigen Fällen kann eine einzige Schweisszone ausreichen; in anderen Fällen können mehr als zwei Schweisszonen gebildet werden, z. B. bei der Herstellung von sechseckigen oder sechsseitigen Rohren, bei denen drei Schweisszonen in Abständen von 180 angebracht bzw. gebildet werden können.

Die verwendete!. Begriffe und Ausdrücke sind lediglich zum Zwecke ■ der Beschreibung und Erläuterung, jedoch nicht zum Zwecke der Begrenzung oder Einschränkung benutzt worden; insbesondere soll die Verwendung derartiger Begriffe und Ausdrücke die Benutzung von Äquivalenten der dargestellten und beschriebenen Merkmale oder Teile derselben nicht ausschliessen; vielmehr steht fest, dass zahlreiche Modifikationen innerhalb des Bereiches der beanspruchten Erfindung möglich sind.

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Claims

Patentansprüche

Iy Verfahren zum Herstellen von metallischen rohrförmigen Elementen, bei welchem, eine aus rohrförmigern Element und einem Dorn bestehende Anordnung gebildet wird,deren rohrförmiges Element einen bestimmten Querschnitt und einen vorausberechneten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient wesentlich grosser ist als der des rohrförmigen Elementes, dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn einen Querschnitt aufweist, der wesentlich kleiner ist als der des rohrförmigen Elementes und in der Lage ist, das rohrförmige Element bei erhöhten Temperaturen plastisch zu verformen, indem die aus rohrförmigem Element und Dorn bestehende Anordnung erhitzt und das rohrförmige Element gestreckt wird, um es auf den Dorn zu schrumpfen, wobei die Erhitzung dieser Anordnung und die gleichzeitige Beanspruchung des rohrförmigen Elementes sowohl in Längsrichtung als auch tangential fortgesetzt wird, so dass das rohrförmige Element, während es in Längsrichtung gestreckt wird, gleichzeitig seitlich durchden Dorn auf eine vorausberechnete Querschnittsgrösse gedehnt wird, die nach Abkühlung auf Raumtemperatur zu einem rohrförmigen Element führt, das eine vorausberechnete endgültige Querschnittsgrösse aufweist und ohne Schwierigkeiten vom Dorn entfernbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Element wirksam am Dorn zur Längsstreckung dieses rohrförmigen Elementes befestigt wird, wobei es die Möglichkeit

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ORIGINAL INSPECTED

hat, unabhängig vom Dorn zu kontrahieren.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationsbzw. Umkristallisationstemperatur des rohrförmigen Teiles erhitzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Element zu einem im wesentlichen runden Querschnitt von festgelegter Grosse geformt wird,
bevor es auf den Dorn gebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das
runde rohrförmige Element zu einem unrunden Querschnitt einer
festgelegten Grosse geformt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das rohrförmige Element eines bestimmten
Querschnittes durch Schweissen entlang Längskanten eines Bleches gebildet wird, welches den vorausbestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine längsverlaufende Schweisszone entlang dem rohrförmigen Teil gebildet wird, um die die gegenüberliegenden Kanten des
Bleches verbindende Schweisszone konstruktiv auszugleichen.

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8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des rohr-

— fi ο — ] förmigen Teiles sich von etwa 2 χ 10 C bis zu etwa

10 χ 10~^{6 0}C"¹ erstreckt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Domes zumindest zweimal so gross ist wie der des rohrförmigen Teiles.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech einen niedrigen Neutronen-Absorptionsquerschnitt aufweist und zu Anfang zu einem runden Querschnitt geformt und dann in Rohrform von vorausberechnetem Querschnitt verschweisst wird, wobei wenigstens eine zusätzliche kein Schliessen oder Zusammenfügen bewirkende Schweissung zum Zwecke des konstruktiven Ausgleichs der das Rohr bildenden Schweissnaht vorgesehen ist und die Schweissraupe am Rohr reduziert und dann das runde Rohr zu einem unrunden Querschnitt geformt wird, worauf das Rohr zur Bildung der aus rohrförmigem Element und Dorn bestehenden Anordnung auf den Dorn gebracht wird.
11. Verfahren zur Herstellung von geschweissten Hochpräzisions-Rohrelementen für die Verwendung in Kernreaktoren mittels thermischer Dimensionierungs-Verfahren, bei welchem die Dimensionierungskraft durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen zwei ungleichen Werkstoffen bewirkt wird, gekennzeichnet durch die Auswahl wenigstens eines Ausgangsbleches aus Metall oder einer Legierung mit niedrigem Neutronen-Absorptionsquerschnitt

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und mit einem vorher bestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten, das zu einem runden Querschnitt geformt und zu einem Rohr mit rundem Querschnitt von vorher bestimmtem Durchmesser verschweisst wird, wobei wenigstens eine kein Schliessen des Rohres bewirkende Schweissnaht angebracht wird, die die das Schliessen des Rohres bewirkende Schweissnaht konstruktiv ausgleicht, und die Schweissraupe(n) am Rohr reduziert wird bzw. werden, und das runde Rohr zu einem unrunden Querschnitt von vorausbestimmter Grosse geformt wird und das Rohr auf einen Dorn von ähnlicher oder gleicher Querschnittsform mit wesentlich geringerer Grosse aufgebracht wird und der Dorn aus einem Werkstoff besteht, der einen wesentlich grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Ausgangsblech, und in der Lage ist, das Rohr bei erhöhter Temperatur plastisch zu verformen, wobei jedes Ende des Rohres am zugeordneten Ende des Dornes zum Zwecke der damit erfolgenden Dehnung und davon unabhängiger Kontraktion befestigt wird und die aus Rohr und Dorn bestehende Anordnung erhitzt wird, um zunächst das Rohr in Längsrichtung zu strecken und es dadurch auf den Dorn zu schrumpfen, wobei das Erhitzen der Rohr-Dorn-Anordnung fortgesetzt wird, so dass der Dorn das Rohr sowohl in Längsrichtung als auch tangential spannt, wodurch das Rohr, während es in Längsrichtung gestreckt wird, gleichzeitig durch den Dorn seitlich zu einer vorausbestimmten Querschnxttsgrosse expandiert wird, die bei Abkühlung auf Raumtemperatur zu einem Rohr mit vorausbestimmter End-Querschnittsgrösse führt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das

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- 5 Blech aus Zirkon oder einer Legierung desselben besteht.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisations- bzw. Umkristallisations-Temperatur des Rohres erhitzt wird.
14. Rohrelement, welches nach dem Verfahren gemäss Anspruch hergestellt ist,
15. Rohrelement, welches nach dem Verfahren gemäss Anspruch 4 hergestellt ist.
16. Rohrelement, welches nach dem Verfahren gemäss Anspruch hergestellt ist.
17. Rohrelement, welches nach dem Verfahren gemäss Anspruch hergestellt ist.

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