CN108237155B - 一种大型托卡马克真空室壳体复杂曲面的制造方法 - Google Patents

一种大型托卡马克真空室壳体复杂曲面的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及核聚变装置制造技术，具体公开了一种大型托卡马克真空室壳体复杂曲面的制造方法，曲面展开下料之后进行冷压预弯，热压前坯料加热，热压成形之后进行固溶处理，再次成形之后得到目标产品，本方法通过对整个工艺流程的合理设计，使曲面在最终制造完成后能稳定地达到较好的形状尺寸精度，进行固溶处理以及控制第二次成形的成形温度能保证曲面的最终交货状态为固溶态，减少成形过程产生的残余应力，有效地使曲面的力学、物理性能回复到原板材的状态，不产生材料缺陷，曲面无晶间腐蚀倾向，通过对各个工序的加热温度和时间的控制，可保证最终曲面与原板材相比晶粒度等级降低在1级之内，使曲面的晶粒度满足使用要求。

Description

一种大型托卡马克真空室壳体复杂曲面的制造方法
技术领域
本发明涉及核聚变装置制造技术，具体涉及一种大型托卡马克真空室壳体复杂曲面的制造方法。
背景技术
国内首件厚壁核聚变真空室是一个双层壳体的D形截面环形容器，由于其环向半径和高度已超出现有机械工业的制造极限，真空室只能类似于西瓜分瓣一样分成多个D形截面的扇段制造，而每一个D形扇段的壳体又是多个复杂轮廓的曲面焊接而成，同时，这些复杂轮廓曲面又是真空室内部件的安装基准面，这就对单个复杂曲面的形状偏差和厚度偏差提出了极高的要求：在曲面弧长3000mm的尺度上，面轮廓度＜2mm，厚度偏差小于1mm。真空室作为磁约束聚变堆的重要安全部件，曲面成形必须满足标准RCC-MR F4000的规定。按照标准RCC-MR F4000的规定，最终成品曲面的力学性能和微观组织必须能满足原板材(316LN)的材料标准要求，包括：屈服强度、抗拉强度、延伸率、晶粒度、微观组织、材料缺陷、磁导率等。
现有的多曲率复杂曲面加工方法主要有冷、热冲压等方法，但是这些方法并不能完全满足核聚变真空室曲面的各项技术要求。
采用现有冷压成形技术制造真空室复杂曲面，对压机的吨位和模具强度要求很高，且模具在使用中磨损严重。冷压成形过程中材料回弹不易控制，进而使曲面形状精度不满足聚变堆真空室的设计要求。从材料性能方面看，现有冷成形技术会造成材料的硬度、延伸率改变，进而不满足材料标准的要求。另外，现有冷成形技术会产生局部冷作硬化层和过高的残余拉应力，这可能会使反应堆装置在运行中产生应力腐蚀裂纹，这是聚变堆设计制造所严格禁止的。
采用现有的热压成形技术，同样也有成形精度不易控制的问题。在热压成形技术中，成形温度是影响成形精度的关键因素之一，过低的成形温度会使曲面回弹严重，增加模具数量和成形工序，进而增加生产成本；而过高的成形温度会导致材料过厚的氧化皮，并导致成形后的曲面厚度不均。如果成形温度和加热时间控制不当，还会使奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀，并且会导致铁素体含量和晶粒度等级超差，从而造成曲面报废。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型托卡马克真空室壳体复杂曲面的制造方法，其能够达到较高的尺寸精度、残余应力小、无材料缺陷，最终曲面的力学性能满足原有板材的性能要求。
本发明的技术方案如下：
一种大型托卡马克真空室壳体复杂曲面的制造方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：曲面展开下料
首先将目标曲面展开放样，确定放样坯料，并在其中心线边缘位置加工出2mm宽的缺口；
步骤二：冷压预弯
放样坯料在常温下安照目标曲面的极向曲率冷弯成柱面坯料3；
步骤三：热压前坯料加热
在柱面坯料上装配拉筋后，一起进炉加热，先以V1的升温速率，升温至700～750℃，再以V2的升温速率，升温至950℃～970℃，保温20～30分钟后出炉压制；其中V1小于V2，且V1为80℃/h～120℃/h，200℃/h～240℃/h；
步骤四：热压成形
将成形下模和成形上模预热至300℃～400℃，然后利用成形下模和成形上模压制加热后的柱面坯料3，得到多曲率曲面坯料，然后将多曲率曲面坯料与成形下模、成形上模保持在合模位置，一起自然冷却至室温。
步骤五：固溶处理
将多曲率曲面坯料进行固溶处理，先以V3的升温速率，升温至700～750℃，再以V4的升温速率，升温至1040℃～1070℃，保温75～90分钟后进行水冷；其中V3小于V4，且V3为120℃/h～160℃/h，V4为200℃/h～240℃/h；
步骤六：第二次成形
将按步骤五处理得到的曲面进炉加热到300℃～400℃，保温40～60分钟出炉，再次使用成形下模和成形上模进行第二次成形，得到目标曲面。
在上述的一种大型托卡马克真空室壳体复杂曲面的制造方法中：所述的步骤五的固溶处理利用固溶处理工装完成，其包括下支撑座、U型卡箍和上压板，所述的下支撑座由若干间隔放置的板状结构组成，板子的上端呈圆弧形，其曲率半径与目标曲率半径相同；上压板横跨若干个下支撑座的板子上端，压在下支撑座上，每个上压板的两端通过U型卡箍搭接在板子上缘。
在上述的一种大型托卡马克真空室壳体复杂曲面的制造方法中：所述的固溶处理工装的材料与放样坯料相同。
在上述的一种大型托卡马克真空室壳体复杂曲面的制造方法中：所述的放样坯料选择材料为316LN奥氏体不锈钢板材，所述的板材厚度在50mm～60mm。
在上述的一种大型托卡马克真空室壳体复杂曲面的制造方法中：所述步骤四中压制加热后的柱面坯料3时，选择压机的下压速率为10～20mm/s。
本发明的显著效果在于：第一，通过对整个工艺流程的合理设计，使曲面在最终制造完成后能稳定地达到较好的形状尺寸精度：在弧长3000mm～4000mm的尺度上，面轮廓度＜2mm，成形后的曲面最大减薄量小于1mm；第二，进行固溶处理以及控制第二次成形的成形温度能保证曲面的最终交货状态为固溶态，减少成形过程产生的残余应力，有效地使曲面的力学、物理性能回复到原板材的状态，不产生材料缺陷，曲面无晶间腐蚀倾向；第三，通过对各个工序的加热温度和时间的控制，可保证最终曲面与原板材相比晶粒度等级降低在1级之内，使曲面的晶粒度满足使用要求；第四，本发明整个工艺流程稳定可靠，成品合格率高，适合规模化批量生产。
附图说明
图1为目标复杂曲面示意图；
图2为放样坯料示意图；
图3为柱面坯料与拉筋工装装配示意图；
图4为热压成形示意图；
图5为固溶处理工装与坯料装配示意图；
图6为固溶工装结构示意图；
图中：1.目标复杂曲面；2.放样坯料；3.柱面坯料；4.拉筋；5.成形下模；6.成形上模；7.多曲率曲面坯料；8.固溶处理工装；101.极向曲率；801.下支撑座；802.上压板；803.U型卡箍。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
步骤一：曲面展开下料
首先将目标复杂曲面1展开放样，使用冷加工方法下料得到图2所示的放样坯料2，并在放样坯料的中心线边缘位置加工出2mm宽的缺口，以便标记出坯料板的中心线及后续定位中心。
步骤二：冷压预弯
将步骤一得到的坯料板在常温下按图1所示目标曲面的极向曲率101弯制成柱面坯料3。通过冷压预弯可减少后续工序的成形变形量，从而使后续精度容易实现。
图1所示的目标曲面是由极向母线绕中心轴线旋转而成的，极向曲率101就是极向母线的曲率。
步骤三：热压前坯料加热
如图3所示，根据柱面坯料3的弦长制作拉筋4。拉筋4的作用是控制柱面坯料的弦长，使柱面坯料在高温下不产生过多的变形。
把装配好的柱面坯料3和拉筋工装4一起进炉加热，先以80℃/h的升温速率，升温至700℃。这样做首先是可以消除柱面坯料的冷弯残余应力、保持柱面尺寸稳定，同时也可以使整块柱面坯料在炉膛内得到充分加热，使柱面坯料3表面与内部的温度更均匀。然后再以200℃/h的升温速率，升温至950℃，保温20分钟后出炉压制，此处较高的升温速率可减少坯料在高温阶段的停留时间，可使坯料不产生过多的氧化皮，并减轻材料晶粒长大的程度。
步骤四：热压成形
在柱面坯料3出炉前，将成形下模5上和成形上模6预热至300℃～400℃。模具预热至300℃～400℃可减少热成形时曲面与模具的温差，防止坯料在成形过程中降温过快。
如图4所示，然后将柱面3从加热炉内取出，快速去除拉筋工装4，置于成形下模5上，找准坯料位置，使其预先标记的中心线缺口与下模5中心线缺口重合，然后操作压机带动上模6匀速下压，下压速率为10mm/s，直到坯料变形后与上下模完全贴合时停止下压，得到多曲率曲面坯料7。整个热压过程一次冲压完成，操作需迅速连贯，并保证曲面坯料7的最终变形时的温度≥750℃。
然后将曲面坯料7随上模6和下模5一起自然冷却至室温。
所使用的成形下模5上和成形上模6的表面型面按最终目标曲面的两表面的理论型面尺寸加工出。
步骤五：固溶处理
如图5所示，将多曲率曲面坯料7装入固溶处理工装8，保持两者相对位置固定。固溶处理工装的材料与目标曲面的材质相同，如图6所示，固溶处理工装2是一种框架焊接式的稳定结构，包括下支撑座801、U型卡箍803和上压板802，工装的弧形面与目标曲率半径相同。固溶处理工装的作用是在固溶热处理时加固曲面，减少曲面在高温和热冲击环境下的变形。工装使用时，曲面坯料的长度方向的边缘棱边与下支撑座801点焊，上压板802压实曲面上表面后与下支撑座上的U型卡箍803通过焊接方式固定。
然后一起进炉加热，先以120℃/h的升温速率，升温至700℃，再以200℃/h的升温速率，升温至1040℃，保温75分钟后出炉水冷。在加热过程中，曲面坯料的中心及边缘都要布置电偶，保证各点温度均匀可控。达到保温时间后，以如图5所示的姿态，迅速入水冷却。
步骤六：第二次成形
将按步骤五处理得到的曲面进炉加热到300℃～400℃，保温60分钟，快速出炉后再次使用成形下模5和上模6进行第二次成形，得到目标曲面1。通过在300℃～400℃温度下的第二次成形，可保证最终曲面以固溶状态交货，并可减少曲面在固溶热处理阶段所产生的形状畸变，从而可保证最终曲面的力学性能和尺寸精度。
实施例2
步骤一：同实施例1，略。
步骤二：同实施例1，略。
步骤三：热压前坯料加热
如图3所示，根据柱面坯料3的弦长制作拉筋4。
把装配好的柱面坯料3和拉筋工装4一起进炉加热，先以120℃/h的升温速率，升温至750℃。然后再以240℃/h的升温速率，升温至970℃，保温30分钟后出炉压制。
步骤四：热压成形
在柱面坯料3出炉前，将成形下模5上和成形上模6预热至400℃。
如图4所示，然后将柱面3从加热炉内取出，快速去除拉筋工装4，置于成形下模5上，找准坯料位置，使其预先标记的中心线缺口与下模5中心线缺口重合，然后操作压机带动上模6匀速下压，下压速率为20mm/s，直到坯料变形后与上下模完全贴合时停止下压，得到多曲率曲面坯料7。整个热压过程一次冲压完成，操作需迅速连贯，并保证曲面坯料7的最终变形时的温度≥750℃。
然后将曲面坯料7随上模6和下模5一起自然冷却至室温。
所使用的成形下模5上和成形上模6的表面型面按最终目标曲面的两表面的理论型面尺寸加工出。
步骤五：固溶处理
如图5所示，将多曲率曲面坯料7装入固溶处理工装8，固溶处理工装详见实施例1所述。
然后一起进炉加热，先以160℃/h的升温速率，升温至750℃，再以240℃/h的升温速率，升温至1070℃，保温90分钟后出炉水冷。在加热过程中，曲面坯料的中心及边缘都要布置电偶，保证各点温度均匀可控。达到保温时间后，以如图5所示的姿态，迅速入水冷却。
步骤六：第二次成形
将按步骤五处理得到的曲面进炉加热到400℃，保温60分钟，快速出炉后再次使用成形下模5和上模6进行第二次成形，得到目标曲面1。
实施例3
步骤一：同实施例1，略。
步骤二：同实施例1，略。
步骤三：热压前坯料加热
如图3所示，根据柱面坯料3的弦长制作拉筋4。
把装配好的柱面坯料3和拉筋工装4一起进炉加热，先以100℃/h的升温速率，升温至730℃。然后再以220℃/h的升温速率，升温至960℃，保温25分钟后出炉压制。
步骤四：热压成形
在柱面坯料3出炉前，将成形下模5上和成形上模6预热至350℃。
如图4所示，然后将柱面3从加热炉内取出，快速去除拉筋工装4，置于成形下模5上，找准坯料位置，使其预先标记的中心线缺口与下模5中心线缺口重合，然后操作压机带动上模6匀速下压，下压速率为15mm/s，直到坯料变形后与上下模完全贴合时停止下压，得到多曲率曲面坯料7。整个热压过程一次冲压完成，操作需迅速连贯，并保证曲面坯料7的最终变形时的温度≥750℃。
然后将曲面坯料7随上模6和下模5一起自然冷却至室温。
所使用的成形下模5上和成形上模6的表面型面按最终目标曲面的两表面的理论型面尺寸加工出。
步骤五：固溶处理
如图5所示，将多曲率曲面坯料7装入固溶处理工装8，固溶处理工装详见实施例1所述。
然后一起进炉加热，先以140℃/h的升温速率，升温至730℃，再以220℃/h的升温速率，升温至1050℃，保温80分钟后出炉水冷。在加热过程中，曲面坯料的中心及边缘都要布置电偶，保证各点温度均匀可控。达到保温时间后，以如图5所示的姿态，迅速入水冷却。
步骤六：第二次成形
将按步骤五处理得到的曲面进炉加热到350℃，保温50分钟，快速出炉后再次使用成形下模5和上模6进行第二次成形，得到目标曲面1。

Claims (5)

1.一种大型托卡马克真空室壳体复杂曲面的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：曲面展开下料
首先将目标曲面(1)展开放样，确定放样坯料(2)，并在其中心线边缘位置加工出2mm宽的缺口；
步骤二：冷压预弯
放样坯料(2)在常温下按照目标曲面的极向曲率冷弯成柱面坯料(3)；
步骤三：热压前坯料加热
在柱面坯料(3)上装配拉筋(4)后，一起进炉加热，先以V1的升温速率，升温至700～750℃，再以V2的升温速率，升温至950℃～970℃，保温20～30分钟后出炉压制；其中V1小于V2，且V1为80℃/h～120℃/h，V2为200℃/h～240℃/h；
步骤四：热压成形
将成形下模(5)和成形上模(6)预热至300℃～400℃，然后利用成形下模(5)和成形上模(6)压制加热后的柱面坯料(3)，得到多曲率曲面坯料(7)，然后将多曲率曲面坯料(7)与成形下模(5)、成形上模(6)保持在合模位置，一起自然冷却至室温；
步骤五：固溶处理
将多曲率曲面坯料(7)进行固溶处理，先以V3的升温速率，升温至700～750℃，再以V4的升温速率，升温至1040℃～1070℃，保温75～90分钟后进行水冷；其中V3小于V4，且V3为120℃/h～160℃/h，V4为200℃/h～240℃/h；
步骤六：第二次成形
将按步骤五处理得到的曲面进炉加热到300℃～400℃，保温40～60分钟出炉，再次使用成形下模(5)和成形上模(6)进行第二次成形，得到目标曲面(1)。
2.如权利要求1所述的一种大型托卡马克真空室壳体复杂曲面的制造方法，其特征在于：所述的步骤五的固溶处理利用固溶处理工装(8)完成，其包括下支撑座(801)、U型卡箍(803)和上压板(802)，所述的下支撑座(801)由若干间隔放置的板子组成板状结构，板子的上端呈圆弧形，其曲率半径与目标曲率半径相同；上压板(802)横跨若干个下支撑座(801)的板子上端，压在下支撑座(801)上，每个上压板(802)的两端通过U型卡箍(803)搭接在板子上缘。
3.如权利要求2所述的一种大型托卡马克真空室壳体复杂曲面的制造方法，其特征在于：所述的固溶处理工装(8)的材料与放样坯料(2)相同。
4.如权利要求1所述的一种大型托卡马克真空室壳体复杂曲面的制造方法，其特征在于：所述的放样坯料(2)选择材料为316LN奥氏体不锈钢板材，所述的板材厚度在50mm～60mm。
5.如权利要求1所述的一种大型托卡马克真空室壳体复杂曲面的制造方法，其特征在于：所述步骤四中压制加热后的柱面坯料(3)时，选择压机的下压速率为10～20mm/s。
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