CN113976913A - 一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法 - Google Patents

一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法，包括：建立核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构的三维模型，并将该模型在轴向上进行分段、分块和分层；采用激光熔覆成形技术逐层加工不锈钢堆芯围筒结构，完成一块不锈钢堆芯围筒结构加工；逐块加工不锈钢堆芯围筒结构，完成一段不锈钢堆芯围筒结构加工；逐段加工不锈钢堆芯围筒结构，完成一侧不锈钢堆芯围筒结构加工；在形成一侧不锈钢堆芯围筒结构的基板的对称面加工第二侧不锈钢堆芯围筒结构，最终形成核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构。本发明提供的制备方法通过激光熔覆成形技术整体成形力学性能优良的堆芯围筒结构，材料利用率高，加工周期短。

Description

一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法
技术领域
本发明属于核电设备技术领域，具体涉及一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法。
背景技术
堆芯围筒结构是在三代压水堆优化改进关键技术中提出的一种新型整体式结构，其尺寸大、结构复杂，为大型不锈钢异型结构件。传统的堆芯围筒结构制备方法为锻造坯料+机加工的方式。由于核电站堆芯围筒结构采用核级不锈钢材料，对材料化学成分要求严格，小批量炼钢、锻造等加工工序周期长，成本高。
发明内容
为了克服现有堆芯围筒结构制备技术的不足，本发明提供了一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法。本发明采用激光熔覆成形制造方法，实现核电站超大型整体式不锈钢堆内构件的快速成形，且成形结构件力学性能优良，且大幅降低生产成本，减少加工工序，缩短加工周期。
本发明通过下述技术方案实现：
一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法，包括：
步骤S1，建立核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构的三维模型，并将该模型在轴向上进行分段，将每一段在圆周方向上均匀分块，将每块在厚度方向进行切片分层；
步骤S2，采用激光熔覆成形技术逐层加工不锈钢堆芯围筒结构，完成一块不锈钢堆芯围筒结构加工；
步骤S3，按照步骤S2逐块加工不锈钢堆芯围筒结构，完成一段不锈钢堆芯围筒结构加工；
步骤S4，按照步骤S3逐段加工不锈钢堆芯围筒结构，完成一侧不锈钢堆芯围筒结构加工；
步骤S5，按照步骤S4在形成一侧不锈钢堆芯围筒结构的基板的对称面加工第二侧不锈钢堆芯围筒结构，最终形成核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构。
优选的，本发明的步骤S1具体为：
将所述不锈钢堆芯围筒结构的三维模型在轴向上按50～70mm分段；
将每段在圆周方向分为4块，相邻两块之间的搭接面角度为20～45°；
将每块在厚度方向按0.8～1.2mm层厚切片分层。
优选的，本发明的步骤S2具体包括：
步骤S21，将所述核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构的每层三维形状数据转换为一系列二维扫描数据，然后根据每层的二维扫描数据确定激光束扫描的轨迹；
步骤S22，通过筛分得到粒径为75～150μm的Z2CN19-10不锈钢粉末；
步骤S23，利用送粉器及熔覆头的送粉喷嘴将该不锈钢粉末喷射并汇聚于不锈钢基板表面一点，激光器发射的激光束经熔覆头的光学头汇聚于该点熔化不锈钢粉末形成熔池，机器人带动熔覆头按照确定的扫描轨迹运动；
步骤S24，机器人带动熔覆头提升一个层厚距离，该提升距离符合分层的厚度要求，在形成的一层不锈钢堆芯围筒结构上，粉末及激光束经熔覆头汇聚形成熔池，机器人带动熔覆头按照确定的扫描轨迹运动；
步骤S25，重复步骤S24，直到完成一块不锈钢堆芯围筒结构加工。
优选的，本发明的步骤S23和步骤S24加工过程中采用的激光功率范围为4000～5000W、光斑直径为4～6mm、扫描速度20～30mm/min、送粉速率50～60g/min。
优选的，本发明的步骤S3具体包括：
步骤S31，在完成一块不锈钢堆芯围筒结构后，转台带动基板转动工位，其转动角度满足对称加工要求，按照所述步骤S2的方法，机器人带动熔覆头完成下一块不锈钢堆芯围筒结构加工；
步骤S32，重复步骤S31，直到完成一段不锈钢堆芯围筒结构加工。
优选的，本发明的步骤S4具体包括：
步骤S41，在形成的一段不锈钢堆芯围筒结构上，熔覆头抬升分段厚度，采用所述步骤S3的方法进行相邻段不锈钢堆芯围筒结构加工；
步骤S42，重复步骤S41，直到完成一侧不锈钢堆芯围筒结构加工。
优选的，本发明的步骤S5具体包括：
在加工形成一侧不锈钢堆芯围筒结构后，翻转基板，采用所述步骤S4的方法在基板的对称面加工第二侧不锈钢堆芯围筒结构，从而形成核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构。
优选的，本发明在步骤S2进行层加工时，熔覆头采用蛇形扫描方法，且相邻两层扫描方向相互垂直。
优选的，本发明的方法在激光熔覆成形时采用液氩作为保护气体。
优选的，本发明的方法采用的激光器为光纤激光器，激光束通过光纤传输经准直聚焦镜射出至不锈钢粉末上。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提供的制备方法通过激光熔覆成形技术整体成形力学性能优良的堆芯围筒结构，不需要专门的工模具，减少大量的切削加工，材料利用率高，加工周期短。
2、本发明的制备方法采用化整为零的成形策略减小超大型整体式围筒结构成形过程中的应力累积以及成形件的变形，柔性化程度高，能够制备超大型、结构复杂甚至梯度材料的堆芯围筒结构。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的激光熔覆成形制造系统结构示意图。
图2为本发明的制备方法流程示意图。
图3为本发明的一种核电站超大型整体式堆芯围筒结构示意图。
图4为图3所示的核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构成形效果示意图。其中，(a)为第一层制备示意图，(b)为第二层制备示意图，(c)逐块制备示意图，(d)第一段制备示意图，(e)第二段制备示意图，(f)另一侧制备示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-计算机，2-送粉器，3-激光器，4-机器人，5-熔覆头，6-基板，7-转台。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法，该制备方法采用如图1所示的激光熔覆成形制造系统增材制造形成核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构。
本实施例的制备方法具体步骤如图2所示：
步骤S1，建立核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构的三维模型，将该模型在轴向上进行分段，将每一段在圆周方向上均匀分块，将每块在厚度方向上进行切片分层。
本实施例在计算机1中建立核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构的三维CAD模型；将该不锈钢堆芯围筒结构模型在轴向上按50～70mm分段；将每段在圆周方向分为4块，相邻两块之间的搭接面角度为20～45°；将每块在厚度方向按0.8～1.2mm层厚切片分层。
步骤S2，逐层加工不锈钢堆芯围筒结构，完成一块不锈钢堆芯围筒结构的加工。
本实施例的步骤S2具体包括：
步骤S21，将核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构的每层三维形状数据转换为一系列二维扫描数据，然后根据每层的二维扫描数据确定激光束扫描的轨迹。
步骤S22，通过筛分得到粒径为75～150μm的Z2CN19-10不锈钢粉末；
步骤S23，利用送粉器2及熔覆头5的送粉喷嘴将该不锈钢粉末喷射并汇聚于不锈钢基板表面一点，激光器3发射的激光束经熔覆头5的光学头汇聚于该点熔化不锈钢粉末形成熔池，机器人4带动熔覆头5按照确定的扫描轨迹运动，其采用的激光功率范围为4000～5000W、光斑直径为4～6mm、扫描速度20～30mm/min、送粉速率50～60g/min。
步骤S24，机器人4带动熔覆头5提升一个层厚距离，该提升距离符合分层的厚度要求，在形成的一层不锈钢堆芯围筒结构上，粉末及激光束经熔覆头5汇聚形成熔池，机器人4带动熔覆头5按照确定的扫描轨迹运动，相邻层不锈钢堆芯围筒结构加工时，熔覆头扫描方向相互垂直，其采用的激光功率范围为4000～5000W、光斑直径为4～6mm、扫描速度20～30mm/min、送粉速率50～60g/min。
步骤S25，重复步骤S24，直到完成一块不锈钢堆芯围筒结构加工。
步骤S3，按照步骤S2逐块加工不锈钢堆芯围筒结构，完成一段不锈钢堆芯围筒结构加工。
本实施例在完成一块不锈钢堆芯围筒结构后，转台7带动基板6转动工位，其转动角度满足对称加工要求，按照步骤S2的方法，机器人4带动熔覆头5完成下一块不锈钢围筒结构加工，逐块加工不锈钢堆芯围筒结构，完成一段不锈钢堆芯围筒结构加工。
步骤S4，按照步骤S3逐段加工不锈钢堆芯围筒结构，完成一侧不锈钢堆芯围筒结构加工。
本实施例在形成的一段不锈钢堆芯围筒结构上，进行相邻段不锈钢堆芯围筒结构加工，熔覆头抬升距离符合分段厚度的要求，采用步骤S3所述过程逐段加工不锈钢堆芯围筒结构，形成一侧不锈钢堆芯围筒结构。
步骤S5，按照步骤S4在形成一侧不锈钢堆芯围筒结构的基板的对称面加工第二侧不锈钢堆芯围筒结构，最终形成核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构。
本实施例在形成一侧不锈钢堆芯围筒结构后，翻转基板6，采用步骤S4所述过程在基板6另一侧(即形成一侧不锈钢堆芯围筒结构的基板的对称面)加工第二侧不锈钢堆芯围筒结构。
实施例2
本实施例以如图3所示的一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构为例，尺寸为：外径尺寸Φ3600mm，内径最小距离2500mm，高为300mm(中间基板厚度为40mm)，采用上述实施例1提出的制备方法进行加工，具体过程包括：
(1)在计算机1中建立核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构的三维CAD模型；将该不锈钢堆芯围筒结构模型除去中间40mm厚度基板，基板两侧各分为2段，分别为70mm、60mm；将每段在圆周方向分为4块，相邻两块之间的搭接面角度为45°，将每块在厚度方向按0.8mm层厚切片分层。
(2)将核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构的每层三维形状数据转换为一系列二维扫描数据，然后根据每层的二维扫描数据确定激光束扫描的轨迹；
通过筛分得到粒径为75μm的Z2CN19-10不锈钢粉末；
利用送粉器2及熔覆头5的送粉喷嘴将该不锈钢粉末喷射并汇聚于不锈钢基板表面一点，激光器3发射的激光束经熔覆头5的光学头汇聚于该点熔化不锈钢粉末形成熔池，机器人4带动熔覆头5按照确定的扫描轨迹运动，其采用的激光功率范围为4000W、光斑直径为4mm、扫描速度20mm/min、送粉速率50g/min，进行多道熔覆完成一层不锈钢堆芯围筒结构加工，如图4(a)所示的第一层结构。
(3)机器人4带动熔覆头5提升0.8mm，在形成的一层不锈钢堆芯围筒结构上，粉末及激光束经熔覆头5汇聚形成熔池，机器人4带动熔覆头5按照确定的扫描轨迹运动，相邻层不锈钢堆芯围筒结构加工时，熔覆头扫描方向相互垂直，其采用的激光功率范围为4000W、光斑直径为4mm、扫描速度20mm/min、送粉速率50g/min，完成相邻层不锈钢堆芯围筒结构加工，如图4(b)所示的第二层结构，且该层结构的扫描方向与第一层的扫描方向相互垂直(扫描方向如图4(a)和4(b)中箭头所示方向)。
逐层加工不锈钢堆芯围筒结构完成一块不锈钢堆芯围筒结构加工。
(4)完成一块不锈钢堆芯围筒结构后，转台7带动基板6转动工位，其转动角度依次分别为180°、90°、180°，按照步骤(2)-(3)的方法，完成下一块不锈钢堆芯围筒结构加工，搭接角度为45°，逐块加工不锈钢堆芯围筒结构，完成一段不锈钢堆芯围筒结构加工，如图4(c)-(d)所示。
(5)在形成的一段不锈钢堆芯围筒结构上，按照步骤(4)的方法，进行相邻段不锈钢堆芯围筒结构加工，熔覆头抬升的距离符合分段厚度的要求，逐段加工不锈钢堆芯围筒结构，形成一侧超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构，如图4(e)所示。
(6)翻转基板6，按照步骤(5)的方法，在形成的一侧不锈钢堆芯围筒的基板6的对称面加工第2侧不锈钢堆芯围筒结构，最终形成核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构，如图4(f)所示。
本实施例的加工过程中，熔覆头5的扫描策略在同层内采用蛇形扫描，相邻层扫描方向偏转90°(如图4(a)和4(b)中所述箭头方向垂直)，采用蛇形扫描方式以及化整为零的方式减小成形过程中的应力集中。
本实施例的不锈钢堆芯围筒结构的基板6采用Z2CN19-10不锈钢环锻件，外径尺寸Φ3660mm，内径尺寸Φ2967mm。
本实施例的激光熔覆成形时使用液氩作为保护气体。
本实施例的激光器3采用6000W的光纤激光器，激光束通过光纤传输经准直镜聚焦镜射出至不锈钢粉末上。
实施例3
本实施例以一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构为例，尺寸为：Φ3700mm，内径最小距离3000mm，高为500mm(中间基板厚度为60mm)，采用本发明所述的一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构的制备方法进行加工，具体步骤如下
(1)首先在计算机1中建立不锈钢堆芯围筒结构的三维CAD模型，将该不锈钢堆芯围结构模型按50～70mm分段，除去中间60mm厚度基板，基板两侧各分为4段，分别为50mm、50mm、50mm、70mm，将每段在圆周方向分为4块，块间搭接面角度为20°，将每块按1.2mm层厚切片分层，从而按照各层核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构逐层加工。
(2)将每层的核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构的三维形状数据转换成一系列二维扫描数据，然后根据每层的二维扫描数据确定激光束扫描的轨迹；
通过筛分得到粒径为150μm的Z2CN19-10不锈钢粉末，利用送粉器2及熔覆头5的送粉喷嘴将该不锈钢粉末喷射并汇聚于不锈钢基板表面一点，激光器3发射的激光束经熔覆头5的光学头汇聚于该点熔化不锈钢粉末形成熔池，机器人4带动熔覆头5按照确定的扫描轨迹运动，其采用的激光功率范围为5000W、光斑直径为6mm、扫描速度30mm/min、送粉速率60g/min，进行多道熔覆完成一层不锈钢堆芯围筒结构加工。
(3)机器人4带动熔覆头5提升1.2mm，在形成的一层不锈钢堆芯围筒结构上，粉末及激光束经熔覆头汇聚形成熔池，机器人4带动熔覆头5按照确定的扫描轨迹运动，相邻层不锈钢堆芯围筒结构加工时，熔覆头扫描方向相互垂直，其采用的激光功率范围为5000W、光斑直径为6mm、扫描速度30mm/min、送粉速率60g/min，完成相邻层不锈钢堆芯围筒结构加工，逐层加工不锈钢堆芯围筒结构完成一块不锈钢堆芯围筒结构加工。
(4)完成一块不锈钢堆芯围筒结构后，转台7带动基板6转动工位，其转动角度依次分别为180°、90°、180°，按照步骤(2)-(3)的方法，完成下一块不锈钢堆芯围筒结构加工，搭接角度为20°，逐块加工不锈钢堆芯围筒结构，完成一段不锈钢堆芯围筒结构加工。
(5)在形成的一段不锈钢堆芯围筒结构上，按照步骤(4)的方法，进行相邻段不锈钢堆芯围筒结构加工，熔覆头抬升的距离符合(1)中分段厚度的要求，逐段加工不锈钢堆芯围筒结构，形成一侧超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构。
(6)翻转基板6，按照步骤(5)的方法，在形成的一侧不锈钢堆芯围筒的基板6的对称面加工第2侧不锈钢堆芯围筒结构，最终形成核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构。
本实施例的加工过程中，熔覆头5的扫描策略在同层内采用蛇形扫描，相邻层扫描方向偏转90°，采用蛇形扫描方式以及化整为零的方式减小成形过程中的应力集中。
本实施例的不锈钢堆芯围筒结构的基板6采用Z2CN19-10不锈钢环锻件，外径尺寸Φ3660mm，内径尺寸Φ2967mm。
本实施例的激光熔覆成形时使用液氩作为保护气体。
本实施例的激光器3采用6000W的光纤激光器，激光束通过光纤传输经准直镜聚焦镜射出至不锈钢粉末上。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法，其特征在于，包括：
步骤S1，建立核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构的三维模型，并将该模型在轴向上进行分段，将每一段在圆周方向上均匀分块，将每块在厚度方向进行切片分层；
步骤S2，采用激光熔覆成形技术逐层加工不锈钢堆芯围筒结构，完成一块不锈钢堆芯围筒结构加工；
步骤S3，按照步骤S2逐块加工不锈钢堆芯围筒结构，完成一段不锈钢堆芯围筒结构加工；
步骤S4，按照步骤S3逐段加工不锈钢堆芯围筒结构，完成一侧不锈钢堆芯围筒结构加工；
步骤S5，按照步骤S4在形成一侧不锈钢堆芯围筒结构的基板的对称面加工第二侧不锈钢堆芯围筒结构，最终形成核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构。
2.根据权利要求1所述的一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
将所述不锈钢堆芯围筒结构的三维模型在轴向上按50～70mm分段；
将每段在圆周方向分为4块，相邻两块之间的搭接面角度为20～45°；
将每块在厚度方向按0.8～1.2mm层厚切片分层。
3.根据权利要求1所述的一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
步骤S21，将所述核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构的每层三维形状数据转换为一系列二维扫描数据，然后根据每层的二维扫描数据确定激光束扫描的轨迹；
步骤S22，通过筛分得到粒径为75～150μm的Z2CN19-10不锈钢粉末；
步骤S23，利用送粉器及熔覆头的送粉喷嘴将该不锈钢粉末喷射并汇聚于不锈钢基板表面一点，激光器发射的激光束经熔覆头的光学头汇聚于该点熔化不锈钢粉末形成熔池，机器人带动熔覆头按照确定的扫描轨迹运动；
步骤S24，机器人带动熔覆头提升一个层厚距离，该提升距离符合分层的厚度要求，在形成的一层不锈钢堆芯围筒结构上，粉末及激光束经熔覆头汇聚形成熔池，机器人带动熔覆头按照确定的扫描轨迹运动；
步骤S25，重复步骤S24，直到完成一块不锈钢堆芯围筒结构加工。
4.根据权利要求3所述的一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法，其特征在于，所述步骤S23和步骤S24加工过程中采用的激光功率范围为4000～5000W、光斑直径为4～6mm、扫描速度20～30mm/min、送粉速率50～60g/min。
5.根据权利要求1所述的一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
步骤S31，在完成一块不锈钢堆芯围筒结构后，转台带动基板转动工位，其转动角度满足对称加工要求，按照所述步骤S2的方法，机器人带动熔覆头完成下一块不锈钢堆芯围筒结构加工；
步骤S32，重复步骤S31，直到完成一段不锈钢堆芯围筒结构加工。
6.根据权利要求1所述的一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
步骤S41，在形成的一段不锈钢堆芯围筒结构上，熔覆头抬升分段厚度，采用所述步骤S3的方法进行相邻段不锈钢堆芯围筒结构加工；
步骤S42，重复步骤S41，直到完成一侧不锈钢堆芯围筒结构加工。
7.根据权利要求1所述的一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
在加工形成一侧不锈钢堆芯围筒结构后，翻转基板，采用所述步骤S4的方法在基板的对称面加工第二侧不锈钢堆芯围筒结构，从而形成核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒结构。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法，其特征在于，在步骤S2进行层加工时，熔覆头采用蛇形扫描方法，且相邻两层扫描方向相互垂直。
9.根据权利要求1-6任一项所述的一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法，其特征在于，该方法在激光熔覆成形时采用液氩作为保护气体。
10.根据权利要求1-6任一项所述的一种核电站超大型整体式不锈钢堆芯围筒构件的制备方法，其特征在于，该方法采用的激光器为光纤激光器，激光束通过光纤传输经准直聚焦镜射出至不锈钢粉末上。
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