CN114192959A - 采用局部3d打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：焊接工艺控制试样；步骤S2：对焊接件进行装夹及刚性限位；步骤S3：进行焊接真空室的压升率测试，对焊室枪室抽真空；步骤S4：电子束焦点及轨迹校准；步骤S5：对下管座的焊缝进行真空电子束点焊；步骤S6：对下管座的焊缝进行真空电子束焊接；步骤S7：解除下管座刚性限位。本发明提供的采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法能够有效控制焊接变形，提高焊接质量。
Description
技术领域
本发明涉及核燃料零部件制造技术领域，尤其涉及一种采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法。
背景技术
CF3下管座是华龙一号核燃料组件的关键组成部分之一，具有定位燃料组件堆芯位置，约束定位骨架，过滤一回路流通中异物等不可替代的功能。由于结构特殊性，下管座连接板结构采用金属3D打印制造，另一部分(框板)采用机械加工制造，两部分最终采用电子束焊接的方法连接在一起。因为下管座连接板与框板焊缝要承载组件堆内预紧抗力、箱型内腔流体冲刷剪力、热循环内应力以及堆芯辐照蠕变应力，所以设计对管座焊缝的强度、抗晶间腐蚀、抗应力腐蚀及辐照蠕变性能要求都很高。下管座连接板与框板焊缝接头厚度不一，且不允许焊穿，熔深尺寸公差要求控制在0.3mm左右，焊接纵向、横向变形量要求控制在0.5mm以内，焊接难度非常大。
现有技术中，技术人员只能小心焊接，然后在成品中选择质量较好的作为合格产品，不但费时费工，还浪费了大量的时间和金钱。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所述的缺陷，从而提供一种采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法，该电子束焊接方法能够有效控制焊接变形，提高焊接质量。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：焊接工艺控制试样；
步骤S2：对焊接件进行装夹及刚性限位；
步骤S3：进行焊接真空室的压升率测试，对焊室枪室抽真空；
步骤S4：电子束焦点及轨迹校准；
步骤S5：对下管座的焊缝进行真空电子束点焊；
步骤S6：对下管座的焊缝进行真空电子束焊接；
步骤S7：解除下管座刚性限位。
所述步骤S2中，将下管座框板装入夹具底部的定位销中，并将下管座连接板穿入长定位销柱，压紧并保证下管座连接板与下管座框板贴合，间隙小于0.1mm。
所述步骤S4包括如下步骤：
S41：调整光学或电子观察系统中焊缝位置处的图像清晰度；
S42：校准电子束焦点和与光学观察系统原点坐标轨迹；
S43：在管座侧面不影响焊接接头的位置采用电子束打标，标记焊缝起点。
所述步骤S5中，对4条焊缝进行电子束点焊，每条焊缝4段焊缝均布，加速电压为48kV～52kV，束流电流为15mA～25mA，聚焦焦点设定为表面焦，焊接速度为1.0m/min～1.6m/min，焊枪与工件距离为123.8mm～125.8mm，焊接位置为水平。
所述步骤S6中，对4条焊缝进行电子束焊接，加速电压为48kV～52kV，焊接电流为30mA～40mA，聚焦电流设定为2.40A～2.55A，焊接速度为0.80m/min～0.10m/min，焊枪与工件距离为123.8mm～125.8mm，焊接位置为水平。
所述步骤S6中，束流扫描为横向扫描，采用双余弦波形，相位角90度，频率185HZ，X、Y方向振幅均为2个标准单位。
所述步骤S6还包括步骤S61：检查焊缝缺陷，若存在缺陷进行电子束补焊，补焊焊缝覆盖缺陷焊缝。
所述的采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法还包括步骤S8：焊接结束后，采用焊接参数焊接工艺控制试样。
所述的采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法还包括步骤S9：进行焊接工艺控制试样及下管座焊缝的外观、焊缝位置自检及专检。
所述的采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法还包括焊接过程质量控制方法，所述焊接过程质量控制方法包括制造工序、自检工序、试验测试步骤、专检工序、质量控制步骤。
与现有技术相比，本发明提供的采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法具有以下有益效果：
本发明提供的采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法保证在3D打印结构下管座电子束焊接完成后，焊缝横向收缩变形量小于0.15mm，焊缝纵向收缩变形量小于0.20mm，焊接一次成品率大于99％。从而增加了一次成品率，减少了材料、人员和经济的浪费，具有很好的经济价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例所提供的工艺控制试样的正视图；
图2为本发明实施例所提供的工艺控制试样的俯视图；
图3为本发明实施例所提供的下管座的结构示意图；
图4为图3的局部剖视放大图，其中示出了电子束焊缝位置；
图5为本发明实施例所提供的焊接夹具装夹示意图；
图6为本发明实施例所提供的焊接夹具变形控制示意图；
图7为本发明的焊接过程质量控制图。
附图标记说明：
1、阶梯状试板；2、焊接面；3、下管座连接板；4、下管座框板；5、电子束焊缝；6、3D打印下管座连接板；7、I型锁底焊接接头；8、顶部刚性限位体；9、底部刚性限位体；10、电子束焊缝及热影响区；11、焊接变形方向。
具体实施方式
虽然本发明的采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法可以通过多种不同方式来实施，但是本文将结合附图对示例性实施方式进行详细描述，而无意将本发明的保护范围局限于示例性实施方式。因此，在本质上，附图和具体实施方式的描述应被认为用于说明而非限制本发明。
下面通过具体实施方式进一步详细说明。
本发明提供了一种采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法，包括如下步骤：
步骤S1：焊接工艺控制试样
每个生产班次焊接产品前，采用产品焊接参数焊接工艺控制试样，验证设备性能和焊接参数符合要求。如图1和图2所示，本发明所采用的工艺控制试样采用阶梯状试板1，可无需破坏就能直接测量处焊缝熔透深度，其焊接面2与阶梯面相对。
步骤S2：焊接件装夹及刚性限位
先将下管座框板装入夹具底部的定位销中，然后将下管座连接板穿入长定位销柱；压紧并保证下管座连接板与下管座框板贴合，间隙小于0.1mm；之后自检装配质量、设备仪表计量有效性。
步骤S3：焊室压升率测试
进行焊接真空室的压升率测试；之后对焊室枪室抽真空。
步骤S4：电子束焦点及轨迹校准
首先调整光学或电子观察系统中焊缝位置处的图像清晰度(步骤S41)；然后校准电子束焦点和与光学观察系统原点坐标轨迹(步骤S42)；最后在管座侧面不影响焊接接头的位置采用电子束打标，标记焊缝起点(步骤S43)。
步骤S5：真空电子束点焊
对4条焊缝进行电子束点焊，每条焊缝4段焊缝均布，加速电压为48kV～52kV，束流电流为15mA～25mA，聚焦焦点设定为表面焦，焊接速度为1.0m/min～1.6m/min，焊枪与工件距离为123.8mm～125.8mm，焊接位置为水平。焊接顺序为顺序焊接。
步骤S6：真空电子束焊接
对4条焊缝进行电子束焊接，加速电压为48kV～52kV，焊接电流为30mA～40mA，聚焦电流设定为2.40A～2.55A，焊接速度为0.80m/min～0.10m/min，焊枪与工件距离为123.8mm～125.8mm，焊接位置为水平。束流扫描为横向扫描，采用双余弦波形，相位角90度，频率185HZ，X、Y方向振幅均为2个标准单位。焊接顺序为全对称焊接，参数过渡方式为平滑过渡。
步骤S61：必要时缺陷补焊及返修
正常焊缝焊接完成后，检查焊缝有无位置偏移、中断、气孔等缺陷。如存在上述缺陷可进行电子束补焊操作，焊接参数与正常焊缝相同，补焊焊缝必须覆盖缺陷焊缝。对收束弧坑位置，允许使用TIG加丝焊的形式进行补焊返修。
步骤S7：解除焊接件刚性限位
松开焊接夹具，解除焊接件的刚性限位，并进行焊接质量检查。
步骤S8：焊接工艺控制试样
每个生产班次焊接产品结束后，采用产品焊接参数焊接工艺控制试样，验证设备性能和焊接参数符合要求。
步骤S9：焊接工艺控制试样及焊缝检验
进行焊接工艺控制试样及管座产品焊缝的外观、焊缝位置自检及专检，必要时的焊缝外观液体渗透检验。
步骤S10：焊件标识及生产记录
采用机械、电加工、激光等方式对实体管座进行刻号标识，并填写生产记录。
需要说明的是，如图3和图4所示，其中示出了下管座连接板3、下管座框板4、电子束焊缝5、3D打印下管座连接板6、I型锁底焊接接头7。本发明采用焊接结构2个零件对接的焊接结构，焊接接头采用带定位台的I型锁底焊接接头形式，这种设计可以有效减小焊缝纵向焊接变形，提高焊接接头的定位精度和焊接结构强度，同时还可以避免因焊缝熔透造成的背面焊瘤和熔渣缺陷。
如图5和图6所示，其中示出了顶部刚性限位体8、底部刚性限位体9、电子束焊缝及热影响区10、焊接变形方向11。由于下管座结构的特殊性，3D打印下管座的很多内部尺寸无法再加工，只能打印成型到最终尺寸。因此，打印连接板和机加工框板之间必须精准定位装配才能保证下管座形位公差尺寸和结构的正确性。本发明通过销孔配合的精密电子束组装焊接夹具来实现焊接结构的精确定位，并通过刚性限位抵消焊接变形。
图7示出了本发明所采用的焊接过程质量控制方法(步骤)。整个控制方法共有45个步骤组成，其中制造工序12步，自检工序12步、试验测试步骤7步、专检工序7步、质量控制步骤7步。
制造工序包括：焊接零件超声去油清洗；焊接件定位组装、试样装夹；焊室、枪室抽真空；焊室充气后取出生产控制试样；焊室抽真空；真空电子束装订焊；下管座的真空电子束焊接；焊室充气后取出下管座焊接件；必要时的缺陷补焊及返修；焊接件退火处理；焊接后精整加工预留的变形余量；去毛刺及超声清洗。
自检工序包括：焊接区域清洁度自检；装配质量自检；真空电子束焊接设备状态自检；真空度自检；试样焊接参数设定自检；试样焊缝形状、外观、熔深自检；焊室真空度自检；产品焊接参数设定自检；真空电子束装订焊缝位置自检；真空电子束焊缝位置自检；焊缝位置、外观自检；热处理炉压力升率自检。
试验测试步骤包括：电子枪阴极深度调整；压升率测试；电子枪高压测试；空间电荷测试；焊室光学观察系统调整；束流轰击位置与光学叉线合轴；电子束聚焦焦点调整。
专检工序包括：试样焊缝形状、外观、熔深专检；焊缝外观专检；焊缝液体渗透检验；焊接件外观氧化色检查；热处理记录曲线检查；最终产品外观检查；最终产品尺寸检查。
质量控制步骤包括：焊接材料复验放行；焊接材料领用；计量仪表有效性复核；焊接生产控制试样；焊缝起始面积起始位置标定；热处理循环参数监控记录；零部件质量现场监督、放行。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：焊接工艺控制试样；
步骤S2：对焊接件进行装夹及刚性限位；
步骤S3：进行焊接真空室的压升率测试，对焊室枪室抽真空；
步骤S4：电子束焦点及轨迹校准；
步骤S5：对下管座的焊缝进行真空电子束点焊；
步骤S6：对下管座的焊缝进行真空电子束焊接；
步骤S7：解除下管座刚性限位。
2.根据权利要求1所述的采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤S2中，将下管座框板装入夹具底部的定位销中，并将下管座连接板穿入长定位销柱，压紧并保证下管座连接板与下管座框板贴合，间隙小于0.1mm。
3.根据权利要求1所述的采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤S4包括如下步骤：
S41：调整光学或电子观察系统中焊缝位置处的图像清晰度；
S42：校准电子束焦点和与光学观察系统原点坐标轨迹；
S43：在管座侧面不影响焊接接头的位置采用电子束打标，标记焊缝起点。
4.根据权利要求1所述的采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤S5中，对4条焊缝进行电子束点焊，每条焊缝4段焊缝均布，加速电压为48kV～52kV，束流电流为15mA～25mA，聚焦焦点设定为表面焦，焊接速度为1.0m/min～1.6m/min，焊枪与工件距离为123.8mm～125.8mm，焊接位置为水平。
5.根据权利要求1所述的采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤S6中，对4条焊缝进行电子束焊接，加速电压为48kV～52kV，焊接电流为30mA～40mA，聚焦电流设定为2.40A～2.55A，焊接速度为0.80m/min～0.10m/min，焊枪与工件距离为123.8mm～125.8mm，焊接位置为水平。
6.根据权利要求1所述的采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤S6中，束流扫描为横向扫描，采用双余弦波形，相位角90度，频率185HZ，X、Y方向振幅均为2个标准单位。
7.根据权利要求1所述的采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤S6还包括步骤S61：检查焊缝缺陷，若存在缺陷进行电子束补焊，补焊焊缝覆盖缺陷焊缝。
8.根据权利要求1所述的采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法，其特征在于，还包括步骤S8：焊接结束后，采用焊接参数焊接工艺控制试样。
9.根据权利要求8所述的采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法，其特征在于，还包括步骤S9：进行焊接工艺控制试样及下管座焊缝的外观、焊缝位置自检及专检。
10.根据权利要求1所述的采用局部3D打印结构的核燃料下管座的电子束焊接方法，其特征在于，还包括焊接过程质量控制方法，所述焊接过程质量控制方法包括制造工序、自检工序、试验测试步骤、专检工序、质量控制步骤。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220318 |