新燃料运输容器关键部件制造工艺讨论

2023-01-31晋利群马运惠

科学与信息化 2023年2期

晋利群马运惠

上海阿波罗机械股份有限公司上海 200000

引言

新燃料组件是核电站发电的原料，需从燃料厂运输到核电站，通过核电站的专用设备装入反应堆进行核反应，产生热量进行发电。新燃料运输容器（以下简称“容器”）是用于存放和运输新燃料组件的专用设备。中广核研究院有限公司自主设计了一种新燃料运输容器，对降低容器采购成本，实现我国核电走出去具有重要意义。本文主要针对该容器阐述主要制造工艺和焊接控制。

容器结构上主要包括：上壳体、下壳体、门组件、浮床、每个部件均主要由不锈钢板、不锈钢棒等不锈钢材料通过成型、焊接、加工制造而成。由于不锈钢的特性，须在制造过程中严格控制焊接变形，通过焊接组对工装、焊接防变形工装、焊后校形工装等对焊接零部件进行外力干预控制[1]。同时，同样需从焊接工艺角度进行控制，包括合理的焊接顺序、适当的电流电压等，控制焊接过程的热输入量，可有效减小不锈钢焊接的变形和收缩。下面对不锈钢的焊接变形原因和控制进行简单梳理和归纳，主要对新燃料运输容器部件的焊接变形进行分析，并介绍相关的控制措施。

1 不锈钢变形分析及控制措施

不锈钢材料不同于普通碳钢钢材，具有较好的耐蚀性，因此在人们的日常生活中和工业生产中得到较为广泛的应用。又因不锈钢含碳量较低，使其具有较好的焊接性能。众所周知，虽然不锈钢具有较多的优越性能，但不锈钢的焊接变形一直是制造过程的难题。在行业上，有无数的专家和学者对不锈钢的焊接变形问题从不同方向进行剖析，并且在行业上也有这很多理论方法和实践经验。

不锈钢主要焊接变形原因包括[2]：①由于焊接过程有较大的热量输入，而且不锈钢的导热系数较低（一般仅为碳钢的1/3），使得不锈钢在焊接过程中有大量的热量不能及时导出，因此导致不锈钢焊接件受热量影响而产生一定变形；②由于不锈钢的线膨胀系数较大，导致不锈钢在焊接受热和冷却过程膨胀和收缩量较大，由于在焊接过程无法做到受热和冷却绝对均匀，因此会产生膨胀和收缩不均，导致各部位和方向产生的应力差异，因而产生变形；③焊接程中，每条焊缝的焊接有方向，不同焊缝之间要有顺序，使得各焊缝在焊接和未焊接之间产生应力和变形。

降低不锈钢焊接变形的主要措施：①选择合适的焊接方法和工艺参数，尽可能减少焊接过程的热输入量；②设计有效的辅助组对固定工器具，防止或减小焊接过程的变形；③采用合理有效的焊接顺序，降低因焊接顺序导致的焊接件变形。

2 壳体的结构及焊接变形控制分析

想要制造一个合格的产品，尤其是焊接的产品，需要考虑的因素很多，从零件的下料方式会影响零件的毛坯尺寸和焊前尺寸的加工量。焊接方式、坡口的形式和尺寸会影响到焊接的质量、效率，由此还要考虑人员资质的选择。由于焊接变形，在焊接之前需要考虑如何组对、如何装夹固定、如何定焊接顺序、焊后如何校形、校形后是否满足产品要求、是否需要进行焊后加工、预留多少焊后加工余量等等问题，如此问题需要产品制造技术人员在设计工艺时逐一考虑，有一条疏漏都会使得产品的质量受到影响，甚至报废。

新燃料运输容器的焊接制造相较来说具有一定的复杂性，存在不同厚度的不锈钢零件的焊接，存在不同方向的多个零件的焊接，焊接的变形不容易找到规律，想要控制变形同样很难。容器的上部壳体和下部壳体基本结构相近，现以下部壳体进行结构和焊接变形控制分析。

新燃料运输容器下壳体主要零件示意图见图1，主要包括①件1：侧边梁；②件2：方法兰；③件3：内筋；④件4：壳体外壁；⑤件5：加强板；⑥件6：加强体；⑦件7：底架竖梁；⑧件8：壳体内壁；⑨件9:底架横梁。

图1 下壳体示意图（其余零件未示出）

2.1 零部件的焊前制备

零件主要为板类零件，通过采用激光下料、水切割下料，可以有效减少热切割导致的热影响区性能改变和变形。下料完成后，对需要成型的零件进行画线并采用折弯机进行成型，成型过程和成型后需严格按照图纸要求进行尺寸检查。

2.2 整体结构及焊接分析

在结构件在焊接过程一般可以采用两种方案，其方案一是将具有一定刚度的部件全部组完成对并点焊固定，检查各处尺寸满足要求后，再按照一定顺序逐一焊接，其优点在于整体点焊固定后，各零件间可以相互作为支撑，在一定范围内可以有效防止焊接过程的变形，其弊端就是焊后校形困难或无法校形，需要留有足够的焊后加工余量来保证部件加工后的重要尺寸；方案二恰好与方案一相反，优先考虑将两个零件或小部分零件先进行组对焊接，通过焊后先进行校形或加工的方式，保证小范围零部件尺寸，再将每个小部件组对焊接成大部件[3]。优点是很大程度上将焊接变形通过小范围焊接后的校形工序消除掉，进而实现控制整个部件的焊接变形影响；弊端就是要通过技术分析和实际制造经验进行合理的分解，并制定专用的或有效的校形方式和校形工具。

下壳体的零件较多，结构较为复杂，因此制造过程不能将组对焊接单一考虑，需对两种方式结合使用。

将件7和件9进行组对焊接，先将两种零件的所有件全部按照工艺图纸尺寸进行组对，件7的长度方向要预留一定的收缩余量。鉴于焊接形式为角接，长度方向可以按照成品尺寸的上公差值或适当再增加一定量即可。组对后要进行尺寸检查，合格后采用工装器具将各件牢牢固定在工作平台上，防止焊接过程的收缩变形。

下壳体中最主要的就是主壳体的焊接，包括内壁、外壁、内筋和侧边梁。此部分要采用方案一和方案二相结合的方式进行制造。

图2 壳体内壁与侧边梁组对焊接

首先将图1中的件1和件8进行焊接，先将各件进行组对点焊固定，点焊需采用均匀间断的点焊方式，点焊前需保证零部件两端和各点焊段的错边量满足要求[4]。焊接参数按照经评定合格的工艺进行，焊接过程允许零件自由收缩和变形，但需采用间断焊接，尽量减小焊接的收缩和变形。焊接完成后采用定制的静压工装器具依靠压机进行校形调平，保证此焊接件整体形状和尺寸满足整体组装要求。

组对焊接件3内筋和件4壳体外壁。将件3内筋在件4上延长度方向间断分布，采用双面角焊缝进行焊接。由于件4位3mm薄不锈钢板，在焊接时，由于每条焊缝均会产生收缩变形，件4会沿长度方向产生较大收缩。因此，在焊接前，件4需在长度方向预留足够的余量，组对时每段据需预留一定的收缩余量，保证焊后每段尺寸和总体尺寸均满足要求。除此之外，在焊缝周围会产生一定的翘曲变形，由于零件结构较为特殊，很难采用固定防变形的方式控制焊接过程的翘曲变形。从设计角度考虑，可以预留焊缝横向和纵向的收缩余量，允许焊缝自由变形。焊接完成后采用静压的方式对焊缝附近母材进行校形，首先将焊缝及附近母材校形平整，检查整体形状及尺寸，如存在偏差，再针对局部进行校形，保证整体的形状和尺寸满足要求。