專利名稱：用于電化學(xué)加工金屬材料的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電化學(xué)加工的一種方法，旨在除去特別是鎳合金機(jī)和不銹網(wǎng)一類的金屬材料物質(zhì)，具體地說用來加工管狀構(gòu)件的圓柱形內(nèi)表面，例如核反應(yīng)器容器(堆)的底貫穿管或上蓋貫穿接頭的內(nèi)表面。
加壓水核反應(yīng)器一般包括含有浸在冷卻反應(yīng)器的加壓水中的核反應(yīng)器芯的容器。該容器總體呈圓柱形，包括半球形的上蓋，它安裝在反應(yīng)器的上部。
容器的彎曲的底部有貫穿孔，每個孔上用焊接固定著管狀貫穿構(gòu)件。
這些容器底部貫穿管包括一個向彎曲的底部下方伸出的端部，它與一柔軟的測量導(dǎo)管相連，從而使容器底部與反應(yīng)器建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的儀表室相連。每個測量導(dǎo)管和相應(yīng)的容器底部貫穿管為一套管提供了一條通路，在其內(nèi)測量探針可以進(jìn)出，套管固定在很長的柔性構(gòu)件的端頭，并且伸入容器和芯的內(nèi)部進(jìn)行測量，例如在反應(yīng)器工作時測量中子通量或芯內(nèi)部的溫度。
為了增加核反應(yīng)器的可靠性和運(yùn)行安全性，以及為了延長這些反應(yīng)器的壽命，責(zé)成用戶對構(gòu)成核反應(yīng)器的各個構(gòu)件進(jìn)行經(jīng)常的檢查，如果合適的話，還對所發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行修理。
具體地說，可能需要檢查容器底部的貫穿構(gòu)件的情況(以及容器上蓋的貫穿構(gòu)件)，從而確保在一定運(yùn)行期間后這些構(gòu)件沒有損壞，尤其是在這些貫穿構(gòu)件被焊到容器底部的區(qū)域內(nèi)。
在貫穿構(gòu)件的內(nèi)表面被檢查出缺陷的情況下，這些缺陷必須進(jìn)行修理，例如在貫穿構(gòu)件的內(nèi)表面上有缺陷的區(qū)域內(nèi)沉積一層例如鎳的金屬，或挖一定深度的洞，借助于機(jī)加工除去有缺陷的部分。
對核反應(yīng)器容器底部貫穿管的修理必須在核反應(yīng)器關(guān)機(jī)期間進(jìn)行。除去容器上蓋，修理操作通過遙控在貫穿構(gòu)件的鏜孔內(nèi)進(jìn)行，因?yàn)檫@個構(gòu)件位于容器底部并具有很強(qiáng)的放射性。
因而已經(jīng)采用了一種方法和裝置，用來進(jìn)行簡單的快速的在全控條件下的修理，以良好的表面質(zhì)量挖除有缺陷的表面，就是說，從構(gòu)件上除去有限制的并且完全可控的深度的一部分材料，使得產(chǎn)生一個沒有缺陷的新表面。
至今為止，專利申請F(tuán)R-A-92-09，789中以Applicant Company的名義提出了一種方法，用來對管狀構(gòu)件的內(nèi)表面進(jìn)行機(jī)加工，例如固定在加壓水核反應(yīng)器上蓋上的連接管，該方法是借助于含有粉狀研磨物質(zhì)的高速液體射流作用進(jìn)行磨蝕來加工的。
這種方法可以用于對連接管的內(nèi)表面進(jìn)行修理或預(yù)防處理。它改善了表面質(zhì)量，但這種方法需要技巧才能使用，并且不容易對已被除去的材料的厚度實(shí)行精確控制。
首先在航空領(lǐng)域內(nèi)在1958年到1965年美國和歐洲提出了電化學(xué)加工，因?yàn)檫@領(lǐng)域內(nèi)用的材料用普通的機(jī)加工方法加工是困難的，例如鎳或鈷基金屬或合金或鈦合金這些難于加工的金屬。
現(xiàn)在這種方法被用在航空中專門用來加工機(jī)翼，電機(jī)工業(yè)中用它進(jìn)行壓模的刻蝕以及各種類型構(gòu)件象大的端頭，短粗的軸承和搖臂，這些特殊形狀和材料的零件的大規(guī)模制造。
用來加工大多數(shù)金屬和合金的最常用的電解液是硝酸鈉或氯化鈉的水溶液，所加工的金屬包括難加工的鎳或鈷的合金。
其它的電解液，例如酸或堿(NaOH，NH4，NH4NO3)溶液用來加工不溶于硝酸鈉或氯化鈉的金屬或合金。
在US-A-1633308和1255325中，提出使用復(fù)合混合物，具體地說含有硝酸鈉、氯化鋰和硫酸銅或氫氧化鋰和雙氯化鈉。
已給出并發(fā)表了大量的加工速度曲線和極化曲線。
然而，使用鈉基電解液的電化學(xué)加工方法一般會使金屬結(jié)構(gòu)變差。
事實(shí)上，使用鈉的堿性化合物是在鎳基合金中導(dǎo)致顆粒腐蝕的主要原因之一。
此外，這些方法效率低，不能在足夠短的時間內(nèi)使被加工的材料加工到合適的深度。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種電化學(xué)加工的方法，用來除去包括鎳合金和不銹鋼一類的金屬材料，該方法包括循環(huán)一種與被加工的表面接觸的電解液，把所述表面的電位升高到陽極電位，把升高到陰極電位的工具電極放在被加工的構(gòu)件附近，并在工具電極和被加工的構(gòu)件之間通入電流，該方法不破壞構(gòu)件的金屬結(jié)構(gòu)，并比已知的電化學(xué)加工方法速度快、效率高、精度高，能夠產(chǎn)生極好的表面質(zhì)量。
為此，該方法中使用的電解液含有硝酸鋰(LiNO3)作為唯一的活性成分。
-一般的，硝酸鋰在電解液中的濃度為20g/l和2350g/l之間。以及-通過電解液的電流密度為2A/cm2和4000A/cm2之間，最好是-硝酸鋰在電解液中的濃度為50g/l和250g/l之間，-一通過電解液的電流密度為5A/cm2和50A/cm2之間。
本發(fā)明的方法包括處理排出物和處理用來使流體循環(huán)的裝置的步驟;它可被用于管狀物件的圓柱形內(nèi)表面的電化學(xué)加工，例如加壓水核反應(yīng)器容器底部的貫穿管以及連通殼體上蓋的連接管;其特征在于，電解液在一位于圓柱形的工具陰極和被加工構(gòu)件的內(nèi)表面之間的環(huán)形密閉空間內(nèi)循環(huán)。
為使本發(fā)明便于理解，借助于一個不受限制的例子，參照附圖對本發(fā)明的方法進(jìn)行說明。


圖1是加壓水核反應(yīng)器容器的縱剖面示意圖。
圖2是加工平面表面時的電解池的截面圖。
圖3是管狀構(gòu)件象容器底部貫穿管或容器上蓋連通管以及本發(fā)明的電解池的軸向截面圖。
圖4是本發(fā)明的加工環(huán)路圖。
圖5是裝有遙控連接裝置的容器底部貫穿管的截面圖。
圖1是用標(biāo)號1指示核反應(yīng)的容器。
容器包括呈圓柱形的外殼體，在其底部用一半球形的彎曲的底1b封閉。
容器1的殼體1a的上部用一半球形的上蓋2封閉，它位于殼體1a的上部的支撐上，并用夾緊螺栓3以密封方式固定在殼體1a上。容器1內(nèi)有核反應(yīng)器的芯4，它由棱鏡狀的燃料組件構(gòu)成，它們以鄰接的方式排列。
管狀的容器底部貫穿管5穿過容器底1b，它包括伸向彎曲底部1b外面的下端，與儀表導(dǎo)管6相連。
在彎曲底部1b里面的上方，每一容器底部貫穿管5有一伸出的上端，它伸入儀表導(dǎo)線柱7內(nèi)。
導(dǎo)管6、容器底部貫穿管5和支柱7可以為含有測量探針的套環(huán)(thimble)在核反應(yīng)器儀表室和容器內(nèi)部的芯4之間提供通路。
連接件8穿過上蓋2為反應(yīng)器控制棒的隨動件提供通路。
在貫穿構(gòu)件5被焊到容器底部的部分，應(yīng)力(stress)情況是這樣的，即管的內(nèi)壁遭受強(qiáng)烈的腐蝕。這些缺陷必須通過對管的內(nèi)表面進(jìn)行處理而得到修理。
按照本發(fā)明首先說明平面部分的加工方法。
在圖2中，被加工的表面S是一個平面。電極9被置于由密封10密封的鐘形物C確定的空間內(nèi)并處于陰極電位。電解液由導(dǎo)管11送入，由導(dǎo)管12流出。電流通過電解液產(chǎn)生分解的陽極反應(yīng)，在平面S上形成氫氧化物淀積。接著沿金屬表面移動鐘形物以便加工另一部分。
圖3表示適用于加工管狀構(gòu)件的電解池，例如容器底部貫穿管或貫穿容器上蓋的接頭，在其中已經(jīng)檢查出缺陷。
這種電化學(xué)加工用的電解池包括柔性導(dǎo)管，其中之一11′提供電解液給分配器10a，10b中的一個，另一個(在中間)12′用來使電解液返回，帶走氫氧化淀積物和由反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。
圓柱形的空心的處于陰極電位的工具金屬電極9′位于被加工的構(gòu)件的內(nèi)部，并處于陽極電位，這樣在陽極和陰極之間便確定了一個環(huán)形的容積，在所述電極的下端和上端，分別有一內(nèi)部分配器10a和上部分配器10b，呈具有貫穿的徑向通道的橫隔板形式。分配器10b用來確保電解液或沖洗物送入陽極-陰極室內(nèi)，分配器10a則用來返回這些流體。這些分配器10a和10b與導(dǎo)管11′、12′相連。
環(huán)形的徑向可膨脹的密封，即下面的一個13a和上面的一個13b，分別位于下分配器1a的下方的上分配器10b的上方，使得能隔離被處理的區(qū)域，從而有可能在空氣中或水下工作。借助于傳動裝置把電解池的內(nèi)部和外部推進(jìn)來產(chǎn)生密封的徑向膨脹。
因此，陽極和陰極之間的空間與管子的其余部分完全隔離了。
然后把電流通過電解液，從而使管狀構(gòu)件的內(nèi)表面進(jìn)行陽極分解，導(dǎo)致生成不溶的氫氧化物沉淀。
用于這種陽極分解的電解液含有硝酸鋰作為唯一的活性成分，電解液不包含鈉離子Na+和氯離子Cl-;因而這種電解液的優(yōu)點(diǎn)是明顯的。
鋰的堿性化合物對構(gòu)件的金屬結(jié)構(gòu)的破壞小于鈉的堿性化合物。事實(shí)上，氫氧化鋰(LiOH)是一種強(qiáng)堿，具有相當(dāng)有限的溶解性在飽和時就產(chǎn)生沉淀。因而限制了LiOH的過量的局部濃度產(chǎn)生腐蝕的危險。
硝酸(HNO3)是一種強(qiáng)氧化酸，被稱為鋼的鈍化劑。
結(jié)果，電解液(Li+，NO3-)具有對所加工的金屬無害的特點(diǎn)。
構(gòu)成電解液(Li+，NO3-)離子的相當(dāng)有限的導(dǎo)電率使得在寬的PH范圍內(nèi)能夠獲得高而穩(wěn)定的導(dǎo)電率，因此可以在高電流密度下加工。
現(xiàn)在，被處理表面的分解速度(或加工速度)取決于所加的電流密度。因此所用的電解液可以獲得高的加工速度。
這樣進(jìn)行的加工使得可以迅速得到優(yōu)質(zhì)的表面質(zhì)量，并且不改變構(gòu)件的金屬結(jié)構(gòu)。
在上述電解池內(nèi)進(jìn)行的加工過程形成的固體廢料包括存在于電解液中的氫氧化物沉積物。本發(fā)明產(chǎn)生的機(jī)加工循環(huán)使得容易地處理排出物并借助于過濾除去這些不溶的氫氧化物。
加工循環(huán)的構(gòu)成如圖4所示。
上述的加工用的電解池用19表示，它用發(fā)電機(jī)20供給電流。下面依次說明環(huán)路中的操作。含有硝酸鋰的電解液在容器14中借助于從容器15、16分別注入水和反應(yīng)劑來制備。
電解液在環(huán)路中循環(huán)，例如借助于泵17。
電解液被濾除其氫氧化物沉淀，例如用過濾器18。
過濾器18被成為涂鍍有金屬氧氧化物裝滿;壓擠這些過濾物之后，每克被分解的金屬幾乎有6克氫氧化物沉淀被回收。被過濾過的電解液又返回環(huán)路中去。
在加工期間，電解液的PH值是變化的，所述溶液的PH值可以借助注入PH值控制劑(例如硝酸)得到調(diào)整，例如通過容器21。
在加工結(jié)束時，部件17、18、19以及被加工過的構(gòu)件經(jīng)由15被沖洗。
在電解加工期間，釋放出相當(dāng)數(shù)量的氫。建議用管道把它從容器14中抽出并送入動力站凈化通路中，然后排到大氣中去。事實(shí)上，氫在核動力站內(nèi)是不需的，因?yàn)橛斜ㄎｋU。
這種電化學(xué)加工方法可用于容器底部的貫穿管和容器上部的接頭。圖5所示的裝置可被用來在這些管內(nèi)安裝電化學(xué)加工電解池。
用來進(jìn)入容器底部貫穿管的工具如圖5所示。其步驟和容器底部貫穿管的電視檢查步驟相同。
首先，把一部分內(nèi)部設(shè)備除去。
棒22能上下移動，從而使電解池24進(jìn)入容器底部貫穿管5并在其內(nèi)移動。
被從維修臺上搖控的檢修工具設(shè)備包括在裝置23內(nèi)，錐體25可以保證對接和對準(zhǔn)。
對預(yù)先已除去熱套筒的容器上蓋來說，所用的維修工具設(shè)備是相同的。
按照本發(fā)明的方法，可以得到高速度的加工和高精度的加工，現(xiàn)用下面的例子說明。
參照圖1和圖3的說明用電化學(xué)加工一種NC15Fe等級的合金的加工過程。
該加工用來修改50mm和17mm的圓柱體內(nèi)徑，電流密度為12A/cm2，加工速度為10cm2/分，采用硝酸鋰濃度為100g/l的溶液。
本發(fā)明的方法不僅適用于加工核反應(yīng)器容器的貫穿底部或上蓋的連接管的內(nèi)部的有缺陷的表面層，也可用來加工任何類型的管狀金屬構(gòu)件的內(nèi)表面，從而產(chǎn)生一個新的具有特定的幾何物理特性的表面。并且適用于加工其它形狀的構(gòu)件。
這種加工方法可以僅在有例如裂化缺陷的隔離的部分進(jìn)行，然后用好的金屬填充代替裂化的金屬，或者沿整個構(gòu)件表面進(jìn)行。
按照本發(fā)明的方法和加工可以在構(gòu)件表面經(jīng)受加壓處理之前或借助槌擊釋放應(yīng)力或電鍍之前進(jìn)行。
本方法可以應(yīng)用于任何導(dǎo)電金屬材料的平面或復(fù)雜形狀的構(gòu)件。
權(quán)利要求
1.一種用電化學(xué)加工的方法，用來除去金屬材料的物質(zhì)，包括循環(huán)與被加工表面接觸的電解液，使所述表面升高到陽極電位，使位于所述構(gòu)件附近的工具電極處于陰極電位，在工具電極和被加工構(gòu)件之間通上電流，其特征在于，所用的電解液含有硝酸鋰(LiNO3)作為唯一的活性成分。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于電解液中硝酸鋰的濃度在20g/l和2350g/l之間，以及通過電解液的電流密度在2A/cm2和4000A/cm2之間。
3.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于電解液中硝酸鋰的濃度在50g/l和250g/l之間，以及通過電解液的電流密度在5A/cm2和50A/cm2之間。
4.如權(quán)利要求1，2或3的方法，其特征在于(ⅰ)電解液借助于在容器(14)內(nèi)注入水和反應(yīng)物來制備，(ⅱ)電解液在一循環(huán)環(huán)路內(nèi)循環(huán)，(ⅲ)電解液被過濾，除去其氫氧化物沉淀，(ⅳ)過濾后的電解液被返回環(huán)路，以及(ⅴ)電解液的PH值借助于注入PH控制劑來調(diào)整。
5.如權(quán)利要求1至4中之一的方法，其特征在于，加工結(jié)束時，陽極和陰極之間的加工空間及被加工過的表面被處在這一空間內(nèi)的循環(huán)的清洗液清洗。
6.如權(quán)利要求1至5中之一的方法，適用于加工管狀構(gòu)件例如加壓水核反應(yīng)器的容器底部貫穿管(5)或貫穿容器上蓋的連接管(8)的圓柱狀的內(nèi)表面，其特征在于，電解液在一位于圓柱形的工具電極(9′)和被加工構(gòu)件的內(nèi)表面之間的環(huán)形密封空間內(nèi)循環(huán)。
7.利用權(quán)利要求6方法的裝置，其特征在于，加工電解池包括處于陰極電位的圓柱形工具電極(9′)，其尺寸使其可被容納在被加工構(gòu)件內(nèi);導(dǎo)管(11′，12′)，用來輸入和返回電解液;兩個分配器(10a，10b)，用來在陽極/陰極間隙中保證電解液和清洗液的循環(huán);可控的密封(13a，13b)，用來把被處理的陽極/陰極間隙與管子的其余部分隔離。
全文摘要
一種電解液在被加工的處于陽極電位的表面和處于陰極電位的工具電極(9′)之間循環(huán)。電解液含硝酸鋰作為唯一的活性物，溶度在20g/l和2350g/l之間，最好在50g/l和250g/l之間。該方法適用于加工任何金屬構(gòu)件的表面，尤其適合加工管狀元件的內(nèi)表面，例如核反應(yīng)器容器底部的貫穿管和上蓋的連接管；在這種情況下，電化學(xué)加工電解池由位于被加工構(gòu)件內(nèi)的工具電極(9′)構(gòu)成。
文檔編號B23H3/08GK1100760SQ94108218
公開日1995年3月29日 申請日期1994年7月7日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月8日
發(fā)明者蓋利米耶·皮埃爾, 勃郎庫·阿蘭 申請人:法瑪通公司