CN107020439A - 一种大型双层薄壁d型截面真空室扇形段成环工艺方法 - Google Patents
一种大型双层薄壁d型截面真空室扇形段成环工艺方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于磁约束受控热核聚变真空设备制造领域，具体涉及一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段成环工艺方法。具体而言，本发明通过D型段焊接内支撑工装，解决了内壳组对固定、检测和各段拼焊背面氩气保护问题，保证了20个扇形段尺寸一致性；利用激光投线仪和槽钢划线样板保证各条槽钢分布线位置的准确；采用机械消除应力方法降低了内壳与槽钢焊接应力，控制了内壳变形；通过对称跳焊塞焊外壳与槽钢，后拼焊外壳各瓣，控制了外壳塞焊变形和塞焊时外壳窜动错位；通过制作外壳检测工装，控制了塞焊过程外壳变形，检测外壳整体型面尺寸；通过振动时效，平衡了应力分布，稳定了型面尺寸。
Description
技术领域
本发明属于磁约束受控热核聚变真空设备制造领域，具体涉及一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段成环工艺方法。
背景技术
真空室扇形段用于制造磁约束热核聚变装置中的主体部件真空室，根据国内外热核聚变研究现状设计的新型真空室中，扇形段是真空室的二十分之一，为空间双层双曲面D型截面薄壁结构，由内壳、流道槽钢和外壳焊接而成，主体材料为镍基合金N06625。
内壳、流道槽钢及外壳焊接结构刚性差，扇形段内外布置有大量支撑结构和线圈，型面精度要求很高，扇形段是真空室成环的基础。因此双层薄壁D型截面真空室扇形段成环难点在于内壳拼焊成环、组焊流道槽钢、塞焊外壳与流道槽钢、焊接应力的消除及20个扇形段一致性保证。现阶段亟需研制一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段成环工艺方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段成环工艺方法，以解决真空室中单个D型扇形段成环制造过程中的成形、组焊、形面尺寸控制等技术问题，使其各项尺寸精度、形面精度满足设计要求，进一步寻求实现扇形段批量化制造方法，以期提高效率、降低成本。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段成环工艺方法，20个扇形段依次相连组成真空环，每个扇形段的横截面为D型、两个侧面之间的圆心角为18°；每个扇形段均为空间双层双曲面薄壁结构，由内壳、槽钢和外壳焊接而成，包括①直段、②上下对称的两个半径为375mm，圆心角为78.7°的R375段、③上下对称的两个半径为895mm，圆心角为55.56°的R895段、④半径为1910mm，圆心角为70.68°的R1910段四部分；其中直段的上端和下端分别与上下两个R375段相切，上下两个R375段的另一端分别与上下R895段相内切，上下两个R895段的另一端分别与R1910段的上端和下端相内切；
包括以下步骤：
1)设计并制作内支撑工装
内支撑工装由上部组件、中部组件和下部组件组成，各部件之间通过连接板和螺栓连接一体；
上部组件由三块厚度为20mm的环板一组成，每块环板一依次包括①上直线段、②半径为375mm，圆心角为78.7°的R375上段、③半径为895mm，圆心角为55.56°的R895上段、④半径为1910mm，圆心角为7°的R1910上段四部分；其中上直线段与R375上段在连接处相切，R895上段与R375上段在连接处相内切，R895上段与R1910上段在连接处相内切；相邻的两块环板一之间的圆心角为9°；在上直线段下部和R1910上段下部之间设置上加强板；三块环板一通过筋板组焊一体；
在每块环板一的上直线段与R375上段相切位置和R895上段与R1910上段相内切位置处设置缺口作为焊接时的氩气保护槽，在缺口处设置螺栓连接的带缺口的支撑板；
中部组件由三块厚度为20mm的中直线段和三块厚度为20mm的环板二组成，每块环板二是半径为1910mm，圆心角为56.68°的R1910中段；相邻的两块环板二之间的圆心角为9°；三块环板二通过筋板组焊一体；
下部组件由三块厚度为20mm的环板三组成，每块环板三依次包括①下直线段、②半径为375mm，圆心角为78.7°的R375下段、③半径为895mm，圆心角为55.56°的R895下段、④半径为1910mm，圆心角为7°的R1910下段四部分；其中下直线段与R375下段在连接处相切，R895下段与R375下段在连接处相内切，R895下段与R1910下段在连接处相内切；相邻的两块环板三之间的圆心角为9°；在下直线段上部和R1910下段上部之间设置下加强板；三块环板三通过筋板组焊一体；
在每块环板三的下直线段与R375下段相切位置和R895下段与R1910下段相内切位置处设置缺口作为产品各段焊接时的氩气保护槽，在缺口处设置螺栓连接的带缺口的支撑板；
上部组件、中部组件和下部组件中的各段相互对接组成三个两两间隔圆心角为9°的平面，在连接处通过连接螺栓连接一体；其中，上部组件中每块环板一的上直线段与中部组件中对应的中直线段和下部组件中的下直线段连接成一个长度为2200mm的直线段整体；中部组件中每块环板二的R1910中段分别在连接处与上部组件中对应的R1910上段与和下部组件中对应的R1910下段相内切，共同连接成一个圆心角为70.68°，半径为1910mm的弧段整体；
2)固定产品与工装
2.1)将产品的R1910段放在内支撑工装上划线配切两端的压型余量，用压板将R1910段与内支撑工装固定；
2.2)将产品的R895段、R375段与内支撑工装组对，划线配切R895段和R1910段相切的一端的压型余量；
2.3)翻转内支撑工装，划线配切R375段和直段相切的一端的压型余量；
2.4)配切直段长度；
2.5)焊接内壳各段，拼接位置对应内支撑工装上的氩气保护槽位置；
3)标记内壳中线
3.1)将产品的R1910段朝上放置，用激光投线仪调节控制内支撑工装上部组件、中部组件和下部组件中的各段相互对接组成的三块D型环板中中间的一块垂直于水平面；
3.2)用记号笔按激光投线仪的激光线划出产品内壳中线，作为划其余槽钢分布线的基准；
4)标记槽钢焊接位置
按照产品的槽钢分布情况，以内壳中线为基准，采用激光投线仪定位，在内壳上划出槽钢焊接位置；
5)焊接槽钢与内壳
5.1)对称跳焊槽钢与内壳，在内壳的背部通入流动冷水以防止内壳背面的氧化和控制热输入；
5.2)焊接后采用机械方式消除内壳与槽钢之间的焊缝应力；
6)焊接外壳
6.1)组对外壳，组对过程控制外壳塞焊孔与槽钢对中；
6.2)对产品外壳各段在拼接位置进行点焊，拼接位置对应内支撑工装上的氩气保护槽位置；
6.3)对称跳焊槽钢与外壳，防止外壳拼焊时塞焊孔与槽钢窜动错位；
6.4)用胶带封堵产品上开设的窗口与产品的两侧边，通入氩气置换夹层空气；
6.5)组焊外壳各拼缝位置。
进一步的，如上所述的一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段成环工艺方法，步骤6)之后进行步骤7)检测外壳型面。
进一步的，如上所述的一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段成环工艺方法，步骤7)检测外壳型面通过外壳检测工装进行，外壳检测工装分左组件和右组件，左右组件相同；左组件由三块弧板、筋板焊接一体；两组件通过三块连接板和螺栓连接一体；连接一体后工装内侧弧面通过数控根据产品型面机加制作；检测时将外壳检测工装左右组件分离，卡在产品外壳上，对外壳进行三维检测。
进一步的，如上所述的一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段成环工艺方法，步骤7)之后进行步骤8)振动时效处理。
进一步的，如上所述的一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段成环工艺方法，步骤5.2)中，焊接后采用锤击焊缝的机械方式消除内壳与槽钢之间的焊缝应力。
本发明技术方案的有益效果在于：
1)通过D型段焊接内支撑工装，解决了内壳组对固定、检测和各段拼焊背面氩气保护问题，解决了整体D型环焊后收缩问题，保证了20个扇形段尺寸一致性；
2)利用激光投线仪和槽钢划线样板保证各条槽钢分布线位置的准确；
3)采用机械消除应力方法降低了内壳与槽钢焊接应力，控制了内壳变形；
4)通过对称跳焊塞焊外壳与槽钢，后拼焊外壳各瓣，控制了外壳塞焊变形和塞焊时外壳窜动错位；
5)制作外壳检测工装，控制了塞焊过程外壳变形，检测外壳整体型面尺寸；
6)通过振动时效，平衡了应力分布，稳定了型面尺寸。
附图说明
图1是真空室扇形段主视图；
图2是真空室扇形段侧视图；
图3是内支撑工装示意图；
图4是外壳检测工装示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明技术方案进行进一步详细说明。
本发明一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段成环工艺方法，20个扇形段依次相连组成真空环，如图1和图2所示，每个扇形段的横截面为D型、两个侧面之间的圆心角为18°；每个扇形段均为空间双层双曲面薄壁结构，由内壳、槽钢和外壳焊接而成，包括①直段、②上下对称的两个半径为375mm，圆心角为78.7°的R375段、③上下对称的两个半径为895mm，圆心角为55.56°的R895段、④半径为1910mm，圆心角为70.68°的R1910段四部分；其中直段的上端和下端分别与上下两个R375段相切，上下两个R375段的另一端分别与上下R895段相内切，上下两个R895段的另一端分别与R1910段的上端和下端相内切；包括以下步骤：
1)设计并制作内支撑工装
如图3所示，内支撑工装由上部组件、中部组件和下部组件组成，各部件之间通过连接板和螺栓连接一体；
上部组件由三块厚度为20mm的环板一组成，每块环板一依次包括①上直线段、②半径为375mm，圆心角为78.7°的R375上段、③半径为895mm，圆心角为55.56°的R895上段、④半径为1910mm，圆心角为7°的R1910上段四部分；其中上直线段与R375上段在连接处相切，R895上段与R375上段在连接处相内切，R895上段与R1910上段在连接处相内切；相邻的两块环板一之间的圆心角为9°；在上直线段下部和R1910上段下部之间设置上加强板；三块环板一通过筋板组焊一体；
在每块环板一的上直线段与R375上段相切位置和R895上段与R1910上段相内切位置处设置缺口作为焊接时的氩气保护槽，在缺口处设置螺栓连接的带缺口的支撑板；
中部组件由三块厚度为20mm的中直线段和三块厚度为20mm的环板二组成，每块环板二是半径为1910mm，圆心角为56.68°的R1910中段；相邻的两块环板二之间的圆心角为9°；三块环板二通过筋板组焊一体；
下部组件由三块厚度为20mm的环板三组成，每块环板三依次包括①下直线段、②半径为375mm，圆心角为78.7°的R375下段、③半径为895mm，圆心角为55.56°的R895下段、④半径为1910mm，圆心角为7°的R1910下段四部分；其中下直线段与R375下段在连接处相切，R895下段与R375下段在连接处相内切，R895下段与R1910下段在连接处相内切；相邻的两块环板三之间的圆心角为9°；在下直线段上部和R1910下段上部之间设置下加强板；三块环板三通过筋板组焊一体；
在每块环板三的下直线段与R375下段相切位置和R895下段与R1910下段相内切位置处设置缺口作为产品各段焊接时的氩气保护槽，在缺口处设置螺栓连接的带缺口的支撑板；
上部组件、中部组件和下部组件中的各段相互对接组成三个两两间隔圆心角为9°的平面，在连接处通过连接螺栓连接一体；其中，上部组件中每块环板一的上直线段与中部组件中对应的中直线段和下部组件中的下直线段连接成一个长度为2200mm的直线段整体；中部组件中每块环板二的R1910中段分别在连接处与上部组件中对应的R1910上段与和下部组件中对应的R1910下段相内切，共同连接成一个圆心角为70.68°，半径为1910mm的弧段整体；
2)固定产品与工装
2.1)将产品的R1910段放在内支撑工装上划线配切两端的压型余量，用压板将R1910段与内支撑工装固定；
2.2)将产品的R895段、R375段与内支撑工装组对，划线配切R895段和R1910段相切的一端的压型余量；
2.3)翻转内支撑工装，划线配切R375段和直段相切的一端的压型余量；
2.4)配切直段长度；
2.5)焊接内壳各段，拼接位置对应内支撑工装上的氩气保护槽位置；
3)标记内壳中线
3.1)将产品的R1910段朝上放置，用激光投线仪调节控制内支撑工装上部组件、中部组件和下部组件中的各段相互对接组成的三块D型环板中中间的一块垂直于水平面；
3.2)用记号笔按激光投线仪的激光线划出产品内壳中线，作为划其余槽钢分布线的基准；
4)标记槽钢焊接位置
按照产品的槽钢分布情况，以内壳中线为基准，采用激光投线仪定位，在内壳上划出槽钢焊接位置；
5)焊接槽钢与内壳
5.1)对称跳焊槽钢与内壳，在内壳的背部通入流动冷水以防止内壳背面的氧化和控制热输入；
5.2)焊接后采用机械方式消除内壳与槽钢之间的焊缝应力；在本实施例中，中，焊接后采用锤击焊缝的机械方式消除内壳与槽钢之间的焊缝应力。
6)焊接外壳
6.1)组对外壳，组对过程控制外壳塞焊孔与槽钢对中；
6.2)对产品外壳各段在拼接位置进行点焊，拼接位置对应内支撑工装上的氩气保护槽位置；
6.3)对称跳焊槽钢与外壳，防止外壳拼焊时塞焊孔与槽钢窜动错位；
6.4)用胶带封堵产品上开设的窗口与产品的两侧边，通入氩气置换夹层空气；
6.5)组焊外壳各拼缝位置。
7)检测外壳型面。通过外壳检测工装进行，如图4所示，外壳检测工装分左组件和右组件，左右组件相同；左组件由三块弧板、筋板焊接一体；两组件通过三块连接板和螺栓连接一体；连接一体后工装内侧弧面通过数控根据产品型面机加制作；检测时将外壳检测工装左右组件分离，卡在产品外壳上，对外壳进行三维检测。
8)振动时效处理。
Claims (5)
1.一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段成环工艺方法，20个扇形段依次相连组成真空环，每个扇形段的横截面为D型、两个侧面之间的圆心角为18°；每个扇形段均为空间双层双曲面薄壁结构，由内壳、槽钢和外壳焊接而成，包括①直段、②上下对称的两个半径为375mm，圆心角为78.7°的R375段、③上下对称的两个半径为895mm，圆心角为55.56°的R895段、④半径为1910mm，圆心角为70.68°的R1910段四部分；其中直段的上端和下端分别与上下两个R375段相切，上下两个R375段的另一端分别与上下R895段相内切，上下两个R895段的另一端分别与R1910段的上端和下端相内切；
其特征在于，包括以下步骤：
1)设计并制作内支撑工装
内支撑工装由上部组件、中部组件和下部组件组成，各部件之间通过连接板和螺栓连接一体；
上部组件由三块厚度为20mm的环板一组成，每块环板一依次包括①上直线段、②半径为375mm，圆心角为78.7°的R375上段、③半径为895mm，圆心角为55.56°的R895上段、④半径为1910mm，圆心角为7°的R1910上段四部分；其中上直线段与R375上段在连接处相切，R895上段与R375上段在连接处相内切，R895上段与R1910上段在连接处相内切；相邻的两块环板一之间的圆心角为9°；在上直线段下部和R1910上段下部之间设置上加强板；三块环板一通过筋板组焊一体；
在每块环板一的上直线段与R375上段相切位置和R895上段与R1910上段相内切位置处设置缺口作为焊接时的氩气保护槽，在缺口处设置螺栓连接的带缺口的支撑板；
中部组件由三块厚度为20mm的中直线段和三块厚度为20mm的环板二组成，每块环板二是半径为1910mm，圆心角为56.68°的R1910中段；相邻的两块环板二之间的圆心角为9°；三块环板二通过筋板组焊一体；
下部组件由三块厚度为20mm的环板三组成，每块环板三依次包括①下直线段、②半径为375mm，圆心角为78.7°的R375下段、③半径为895mm，圆心角为55.56°的R895下段、④半径为1910mm，圆心角为7°的R1910下段四部分；其中下直线段与R375下段在连接处相切，R895下段与R375下段在连接处相内切，R895下段与R1910下段在连接处相内切；相邻的两块环板三之间的圆心角为9°；在下直线段上部和R1910下段上部之间设置下加强板；三块环板三通过筋板组焊一体；
在每块环板三的下直线段与R375下段相切位置和R895下段与R1910下段相内切位置处设置缺口作为产品各段焊接时的氩气保护槽，在缺口处设置螺栓连接的带缺口的支撑板；
上部组件、中部组件和下部组件中的各段相互对接组成三个两两间隔圆心角为9°的平面，在连接处通过连接螺栓连接一体；其中，上部组件中每块环板一的上直线段与中部组件中对应的中直线段和下部组件中的下直线段连接成一个长度为2200mm的直线段整体；中部组件中每块环板二的R1910中段分别在连接处与上部组件中对应的R1910上段与和下部组件中对应的R1910下段相内切，共同连接成一个圆心角为70.68°，半径为1910mm的弧段整体；
2)固定产品与工装
2.1)将产品的R1910段放在内支撑工装上划线配切两端的压型余量，用压板将R1910段与内支撑工装固定；
2.2)将产品的R895段、R375段与内支撑工装组对，划线配切R895段和R1910段相切的一端的压型余量；
2.3)翻转内支撑工装，划线配切R375段和直段相切的一端的压型余量；
2.4)配切直段长度；
2.5)焊接内壳各段，拼接位置对应内支撑工装上的氩气保护槽位置；
3)标记内壳中线
3.1)将产品的R1910段朝上放置，用激光投线仪调节控制内支撑工装上部组件、中部组件和下部组件中的各段相互对接组成的三块D型环板中中间的一块垂直于水平面；
3.2)用记号笔按激光投线仪的激光线划出产品内壳中线，作为划其余槽钢分布线的基准；
4)标记槽钢焊接位置
按照产品的槽钢分布情况，以内壳中线为基准，采用激光投线仪定位，在内壳上划出槽钢焊接位置；
5)焊接槽钢与内壳
5.1)对称跳焊槽钢与内壳，在内壳的背部通入流动冷水以防止内壳背面的氧化和控制热输入；
5.2)焊接后采用机械方式消除内壳与槽钢之间的焊缝应力；
6)焊接外壳
6.1)组对外壳，组对过程控制外壳塞焊孔与槽钢对中；
6.2)对产品外壳各段在拼接位置进行点焊，拼接位置对应内支撑工装上的氩气保护槽位置；
6.3)对称跳焊槽钢与外壳，防止外壳拼焊时塞焊孔与槽钢窜动错位；
6.4)用胶带封堵产品上开设的窗口与产品的两侧边，通入氩气置换夹层空气；
6.5)组焊外壳各拼缝位置。
2.如权利要求1所述的一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段成环工艺方法，其特征在于：步骤6)之后进行步骤7)检测外壳型面。
3.如权利要求2所述的一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段成环工艺方法，其特征在于：步骤7)检测外壳型面通过外壳检测工装进行，外壳检测工装分左组件和右组件，左右组件相同；左组件由三块弧板、筋板焊接一体；两组件通过三块连接板和螺栓连接一体；连接一体后工装内侧弧面通过数控根据产品型面机加制作；检测时将外壳检测工装左右组件分离，卡在产品外壳上，对外壳进行三维检测。
4.如权利要求3所述的一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段成环工艺方法，其特征在于：步骤7)之后进行步骤8)振动时效处理。
5.如权利要求1所述的一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段成环工艺方法，其特征在于：步骤5.2)中，焊接后采用锤击焊缝的机械方式消除内壳与槽钢之间的焊缝应力。
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| CN106340325A (zh) * | 2016-10-19 | 2017-01-18 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种用于核聚变堆真空室扇段间接合成环的接缝区结构 |
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2016
- 2016-02-01 CN CN201610068952.6A patent/CN107020439B/zh active Active
Patent Citations (5)
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| CN106340325A (zh) * | 2016-10-19 | 2017-01-18 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种用于核聚变堆真空室扇段间接合成环的接缝区结构 |
| CN106340325B (zh) * | 2016-10-19 | 2020-04-24 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种用于核聚变堆真空室扇段间接合成环的接缝区结构 |
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