CN114193095A - 采用局部3d打印结构的核燃料下管座制造方法 - 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制造方法,包括如下步骤:步骤S1:机械加工下管座框板;步骤S2:3D打印下管座连接板;步骤S3:采用真空电子束焊接组装下管座框板和下管座连接板;步骤S4:退火处理焊接后的下管座;步骤S5:精整机械加工焊接后的下管座。本发明提供的采用局部3D打印结构的核燃料下管座制造方法仅需制造2个零件,制造零件数量减少98%,从而大幅降低制造难度和制造成本。
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制造方法。
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。由于其具有独特的空间曲面过滤流道,结构精密复杂,传统制造方法加工难度大。现有产品加工采用传统机加工艺,制造下管座需要先加工106个零件,然后组装钎焊在一起。这种加工方式不仅工序多、生产周期长,而且制造难度高、成品率低,给自主核燃料制造造成严重的工艺瓶颈。
现有技术中,如图1所示的传统减材制造,下管座包括下管座结构件1、导向管座2、仪表管座3、叶片4、上肋条5和下肋条6,加工只能采用106个零件组装钎焊的制造方法,然后在大量的钎焊件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制造方法,该制造方法仅需制造2个零件,制造零件数量减少98%,从而大幅降低制造难度和制造成本。
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制造方法,包括如下步骤:
步骤S1:机械加工下管座框板;
步骤S2:3D打印下管座连接板;
步骤S3:采用真空电子束焊接组装下管座框板和下管座连接板;
步骤S4:退火处理焊接后的下管座;
步骤S5:精整机械加工焊接后的下管座。
进一步地,所述步骤S1包括:
步骤S101:对锻件型材进行化学成分、力学性能、加工性能、组织成分进行复验;
步骤S102:粗车下料;
步骤S103:采用数控加工方法依次加工内部型腔、孔系、四方外形及焊接接头;
步骤S104:去除机械加工毛刺及锐边;
步骤S105:检查下管座框板的尺寸及外观;
步骤S106:去油清洗下管座框板。
进一步地,所述步骤S105采用目视、接触式三坐标、CCD、轮廓仪、影像仪或者粗糙度仪检查下管座框板的尺寸及外观。
进一步地,所述步骤S2包括:
步骤S201:对3D打印所需的原材料金属粉末进行化学成分、力学性能、熔敷性能、打印后样品组织成分进行复验;
步骤S202:进行材料收缩率测试;
步骤S203:安装打印基板并预热;
步骤S204:空间曲面成型面打印成型;
步骤S205:消除应力热处理;
步骤S206:线切割切除基板;
步骤S207:嫁接成型面磨削加工;
步骤S208:装夹安装嫁接成型面;
步骤S209:嫁接打印分型面;
步骤S210:固溶热处理;
步骤S211:线切割切割工艺头;
步骤S212:铣四方及焊接接头;
步骤S213:去除机械加工毛刺及锐边;
步骤S214:去油清洗下管座连接板;
步骤S215:检查下管座连接板的尺寸及外观;
步骤S216:分类包装、标识并存储下管座连接板。
进一步地,所述步骤S214采用超声去油或化学去油清洗。
进一步地,3D打印制造速度为0.2mm/h~0.9mm/h。
进一步地,所述步骤S3包括:
步骤S301:焊接生产过程控制试样,验证设备性能、工艺参数、材料性能无异常;
步骤S302:装夹焊接零件,自检装配质量、设备仪表计量有效性;
步骤S303:进行压升率测试;
步骤S304:焊室枪室抽真空;
步骤S305:调整电子束焦点、校准束流焦点与光学观察系统原点坐标、核对焊接工艺参数;
步骤S306:进行真空电子束点焊、真空电子束焊接;
进一步地,所述步骤S306之后进行焊缝外观、焊缝位置自检及专检,若存在缺陷进行返修及补焊、焊缝外观液体渗透检验。
进一步地,所述步骤S4包括:
步骤S401:检查工件的清洁度;
步骤S402:将下管座装炉、摆放;
步骤S403:进行热处理炉压升率测试及设备自检;
步骤S404:抽真空、加热,完成热处理循环。
进一步地,所述步骤S5包括:
步骤S501:使用数控加工设备加工外形四方、裙边倒角、孔系等;
步骤S502:去除机械加工毛刺及锐边;
步骤S503:进行去油清洗;
步骤S504:检查下管座的尺寸及外观。
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制造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制造方法能够将原产品的106个零件简化为2个,且产品尺寸精度和表面质量满足产品设计要求。从而降低了产品制造难度,减少了材料、人员和经济的浪费;同时该工艺的加工时间仅为原有工艺的二分之一,生产效率大幅提高,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为现有技术减材制造的零件结构示意图;
图2为本发明实施例所提供的下管座制造的零件结构示意图;
图3为本发明实施例所提供的下管座框板机械加工的流程图;
图4为本发明实施例所提供的下管座连接板3D打印的流程图;
图5为本发明实施例所提供的下管座焊接完成后的工艺流程图;
图6为本发明实施例所提供的关键制造工序示意图;
图7为本发明实施例所提供的局部下管座3D打印制造过程控制图;
图8为本发明实施例所提供的焊接件退火热处理循环图。
附图标记说明:
1、下管座结构件;2、导向管座;3、仪表管座;4、叶片;5、上肋条;6、下肋条。
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制造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。
如图2所示,相对于现有技术,本发明提供了一种采用局部3D打印结构的核燃料下管座制造方法只需2个零件即可实现下管座的制造。
如图3至图5所示,本发明提供了一种采用局部3D打印结构的核燃料下管座制造方法,该制造方法包括步骤S1-S5。
步骤S1:下管座框板机械加工
如图3所示,首先对采购的锻件型材进行化学成分、力学性能、加工性能、组织成分进行复验;然后采用切割、车铣削等方法进行粗车下料;接着采用数控加工方法依次加工内部型腔、孔系、四方外形及焊接接头;之后采用自动或手动方法去除机械加工毛刺及锐边;之后采用目视、接触式三坐标、CCD、轮廓仪、影像仪、粗糙度仪等检验方法和设备检查零件尺寸及外观;最后进行超声去油或化学去油清洗,分类包装、标识并妥善存储。
下管座框板部位存在悬空支腿结构,见附图6。这种结构不适合3D打印,但适合传统机械加工方法。因此采用锻件型材进行机械加工,将焊接后无法加工的悬空结构提前加工好,可有效降低加工操作难度,减少制造成本。
步骤S2:下管座连接板3D打印
如图4所示,首先对3D打印所需的原材料金属粉末进行化学成分、力学性能、熔敷性能、打印后样品组织成分等项目进行复验;然后进行材料收缩率测试;然后依次进行安装打印基板并预热,空间曲面成型面的打印成型,消除应力热处理、线切割切除基板、嫁接成型面磨削加工、装夹安装嫁接成型面,嫁接打印分型面,固溶热处理,线切割切割工艺头、铣四方及焊接接头;之后采用自动或手动方法去除机械加工毛刺及锐边;之后进行超声去油或化学去油清洗;采用目视、接触式三坐标、CCD、轮廓仪、影像仪、粗糙度仪等检验方法和设备检查零件尺寸及外观;最后分类包装、标识并妥善存储。
下管座连接板存在空间曲面流道结构,见附图6。这种结构不适合传统机械加工方法但适合3D打印。因此采用金属粉末进行3D打印成型制造,将原工艺上百个零件合并整体制造,可有效降低加工制造时间,减少制造成本。依据零件精度不同,本产品的3D打印制造速度控制在0.2mm/h~0.9mm/h,制造过程控制见图7所示。为保证设备、原材料、工艺、环境的稳定性,设备每连续打印3~6小时,应当对设备停机(暂停但不关机),检查测量产品的筋宽,板厚、圆角、倒角等尺寸,合格则继续开机生产,不合格则排查原因。
如图7所示,局部下管座3D打印制造过程为:打印模型及参数导入;模型切边及烧结路径计算调整;安装夹具、打印基板或嫁接件;打印气氛及工作环境检查;粉末质量检查;光斑补偿试验;必要时调整激光补偿参数;沉降成型仓;之后判断打印是否完成。
若完成,则进入以下步骤:清理工件上多余的金属粉末;检查打印外形和打印质量;取下打印件和打印基板(或嫁接件)。
若未完成,则进入以下步骤:监控打印气氛、熔渣、工作温度;人工/自动检查层间烧结质量;激光熔化烧结切片轮廓线;激光选区熔化烧结填充切片轮廓;滚轴铺粉、刮刀控制粉末层厚;沉降成型仓;然后再次判断打印是否完成。
步骤S3:下管座真空电子束组装焊接
首先领取标识完整、包装可靠的下管座框板和下管座连接板;复查零件标识、外观、清洁度;然后焊接生产过程控制试样,验证设备性能、工艺参数、材料性能无异常,满足焊接要求;接着装夹焊接零件,自检装配质量、设备仪表计量有效性;之后进行压升率测试;焊室枪室抽真空;调整电子束焦点、校准束流焦点与光学观察系统原点坐标、核对焊接工艺参数;进行真空电子束点焊、真空电子束焊接;进行焊缝外观、焊缝位置自检及专检;进行必要时缺陷返修及补焊;进行必要时的焊缝外观液体渗透检验;最后做好实体管座标识及填写生产记录。
将机械制造部分与局部3D打印部分零件组装焊接在一起,见附图6。采用高精密的真空电子束焊接技术,可有效减少焊接变形,降低焊后精整机械加工制造难度。
步骤S4:焊接件退火热处理
首先检查工件的清洁度,必要时才用无水乙醇进行清洁擦拭;然后将工件装炉,合理摆放;之后进行热处理炉压升率测试及设备自检;之后核对热处理工艺参数,抽真空、加热,完成热处理循环;之后检查热循环记录及产品实物外观;最后做好实体管座标识及填写生产记录。
下管座采用锻件加工零件和3D打印零件混合焊接在一起的结构,锻件和打印件在原材料物理性能和组织成分上存在细微差别。需要进行高温退火热处理,消除焊接残余应力并均匀化金相组织成分。其中,热处理循环图见附图8。
步骤S5:焊接件的精整机械加工
首先检查工件实物刻号与流通文件记录是否一致;然后使用数控加工设备加工外形四方、裙边倒角、孔系等;之后采用自动或手动方法去除机械加工毛刺及锐边;之后进行超声去油或化学去油清洗;之后采用目视、接触式三坐标、CCD、轮廓仪、影像仪、粗糙度仪等检验方法和设备检查零件尺寸及外观;最后分类包装、标识并妥善存储。
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制造方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤S1:机械加工下管座框板;
步骤S2:3D打印下管座连接板;
步骤S3:采用真空电子束焊接组装下管座框板和下管座连接板;
步骤S4:退火处理焊接后的下管座;
步骤S5:精整机械加工焊接后的下管座。
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制造方法,其特征在于,所述步骤S1包括:
步骤S101:对锻件型材进行化学成分、力学性能、加工性能、组织成分进行复验;
步骤S102:粗车下料;
步骤S103:采用数控加工方法依次加工内部型腔、孔系、四方外形及焊接接头;
步骤S104:去除机械加工毛刺及锐边;
步骤S105:检查下管座框板的尺寸及外观;
步骤S106:去油清洗下管座框板。
3.根据权利要求2所述的采用局部3D打印结构的核燃料下管座制造方法,其特征在于,所述步骤S105采用目视、接触式三坐标、CCD、轮廓仪、影像仪或者粗糙度仪检查下管座框板的尺寸及外观。
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制造方法,其特征在于,所述步骤S2包括:
步骤S201:对3D打印所需的原材料金属粉末进行化学成分、力学性能、熔敷性能、打印后样品组织成分进行复验;
步骤S202:进行材料收缩率测试;
步骤S203:安装打印基板并预热;
步骤S204:空间曲面成型面打印成型;
步骤S205:消除应力热处理;
步骤S206:线切割切除基板;
步骤S207:嫁接成型面磨削加工;
步骤S208:装夹安装嫁接成型面;
步骤S209:嫁接打印分型面;
步骤S210:固溶热处理;
步骤S211:线切割切割工艺头;
步骤S212:铣四方及焊接接头;
步骤S213:去除机械加工毛刺及锐边;
步骤S214:去油清洗下管座连接板;
步骤S215:检查下管座连接板的尺寸及外观;
步骤S216:分类包装、标识并存储下管座连接板。
5.根据权利要求4所述的采用局部3D打印结构的核燃料下管座制造方法,其特征在于,所述步骤S214采用超声去油或化学去油清洗。
6.根据权利要求4所述的采用局部3D打印结构的核燃料下管座制造方法,其特征在于,3D打印制造速度为0.2mm/h~0.9mm/h。
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制造方法,其特征在于,所述步骤S3包括:
步骤S301:焊接生产过程控制试样,验证设备性能、工艺参数、材料性能无异常;
步骤S302:装夹焊接零件,自检装配质量、设备仪表计量有效性;
步骤S303:进行压升率测试;
步骤S304:焊室枪室抽真空;
步骤S305:调整电子束焦点、校准束流焦点与光学观察系统原点坐标、核对焊接工艺参数;
步骤S306:进行真空电子束点焊、真空电子束焊接。
8.根据权利要求7所述的采用局部3D打印结构的核燃料下管座制造方法,其特征在于,所述步骤S306之后进行焊缝外观、焊缝位置自检及专检,若存在缺陷进行返修及补焊、焊缝外观液体渗透检验。
9.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制造方法,其特征在于,所述步骤S4包括:
步骤S401:检查工件的清洁度;
步骤S402:将下管座装炉、摆放;
步骤S403:进行热处理炉压升率测试及设备自检;
步骤S404:抽真空、加热,完成热处理循环。
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制造方法,其特征在于,所述步骤S5包括:
步骤S501:使用数控加工设备加工外形四方、裙边倒角、孔系等;
步骤S502:去除机械加工毛刺及锐边;
步骤S503:进行去油清洗;
步骤S504:检查下管座的尺寸及外观。
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