CN116000568A - 托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑制造工装及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑制造工装及制造方法，属于磁约束核聚变装置制造技术领域，解决现有的弱场侧第一壁过渡支撑加工难度大，尺寸稳定性差的技术问题；所述的制造工装用于过渡支撑本体的制造，所述制造工装包括可拆卸连接的底座和支撑座，所述底座和支撑座之间开设有用于放置支撑条的通槽，所述支撑座两侧分别设有对侧板一、侧板二进行支撑的制造支撑面一和制造支撑面二，所述支撑座顶部设有对安装板一、安装板二进行支撑的制造支撑面三和制造支撑面四，所述支撑座两侧和顶部分别连接有侧压板和顶压板，利用本发明专用制造工装进行加工，可有效降低过渡支撑的加工难度和加工成本，产品的尺寸稳定性和相对磁导率更好。

Description

托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑制造工装及制造方法

技术领域

本发明涉及磁约束核聚变装置制造技术领域，具体涉及一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑制造工装及制造方法。

背景技术

在托卡马克装置中，通常将面向等离子体部件称为第一壁(或偏滤器)。目前，国内外大中型托卡马克装置中广泛使用低原子序数的石墨作为第一壁面向等离子体材料。为了避免第一壁安装精度受到真空室制造精度的较大影响，减少真空室内壁焊接支撑，并实现其快速精确安装，采用石墨+不锈钢热沉+过渡支撑的结构形式将其支撑和固定在真空室内壁。因此，过渡支撑的形状和制造精度直接决定了石墨的空间位置、定位精度，以及第一壁的安装效率。

在远中平面区域，由于不锈钢热沉与真空室内壁之间的距离较大，故采用板凳型过渡支撑结构，如图1所示。该过渡支撑为空间异形结构件，长约295mm，宽约170mm，高约137mm，支撑板厚度为10mm，上下4个安装面钻有4个螺纹孔和4个螺栓通孔，分别用于连接不锈钢热沉和真空室内壁焊接支撑墩。

弱场侧第一壁过渡支撑的常规制造方式，一般是采用整体机加工出零件外形，这种加工方式工时长、成本高，且加工过程中易造成零件变形过大而报废，制造难度和加工成本较高，加工效率低。并且，为保证石墨的安装精度，过渡支撑所有安装面的轮廓度须小于0.2mm，且需要具有较好的尺寸稳定性，另外，由于等离子体运行时该过渡支撑处于托卡马克装置的强磁场中，要求成品的相对磁导率需小于1.04，而按照现有的制造方法，无法保障过渡支撑的尺寸精度和磁导率。

发明内容

本发明是为了解决现有的弱场侧第一壁过渡支撑加工难度大，尺寸稳定性较差的技术问题，目的在于提供一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑制造工装及制造方法，可有效降低过渡支撑的加工难度和加工成本，产品的尺寸稳定性和相对磁导率更好。

本发明通过下述技术方案实现：

一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑制造工装，用于过渡支撑本体的制造，所述过渡支撑本体包括侧板一、侧板二、安装板一、安装板二和支撑条，所述制造工装包括可拆卸连接的底座和支撑座；

所述底座和支撑座之间开设有用于放置支撑条的通槽，所述支撑座两侧分别设有对侧板一、侧板二进行支撑的制造支撑面一和制造支撑面二，所述支撑座顶部设有对安装板一、安装板二进行支撑的制造支撑面三和制造支撑面四，所述支撑座两侧和顶部分别连接有对过渡支撑本体进行固定的侧压板和顶压板。

进一步的，所述支撑座由支撑座一和支撑座二拼接而成。

进一步的，所述支撑座一通过内六角螺钉二与底座连接，所述支撑座二通过内六角螺钉一与支撑座一连接，所述支撑座二通过内六角螺钉三与底座连接。

进一步的，所述侧压板通过内六角螺钉四与支撑座侧面连接，所述顶压板通过内六角螺钉五与支撑座顶部连接。

进一步的，所述支撑座顶部四角处设有送气管道，所述送气管道上开设有气孔。

一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑的制造方法，基于前述的制造工装，包括以下步骤：

S1、原料预处理；

S2、拼焊侧板和安装板：将侧板一、侧板二分别放在制造工装的制造支撑面一和制造支撑面二上，使用侧压板固定，将安装板一和安装板二分别放在制造工装的制造支撑面三和制造支撑面四上，使用顶压板固定，焊接；

S3、焊接支撑条：将底座拆掉，将支撑条装配到制造工装的通槽内，焊接；

S4、热处理；

S5、精铣安装面：再次将过渡支撑本体装配到制造工装上，并装夹到卧式加工中心上，精铣安装板一和安装板二的安装面和安装面孔，精铣侧板一和侧板二的支撑面和支撑面孔；

S6、钳修后得到成品。

进一步的，所述步骤S1原料预处理包括：

S11、将过渡支撑按各个区域分解，分别对侧板一、侧板二、安装板一、安装板二、支撑条展开下料；

S12、将安装板一、安装板二坯料进行铣外形加工并加工出焊接坡口；

S13、将侧板一和侧板二折弯成型，底面精铣见光，再铣削与安装板一、安装板二焊接部位的焊接坡口。

进一步的，所述步骤S4热处理包括：

将焊接完成的过渡支撑本体放进真空电炉进行热处理消应力，热处理参数为：在410～425℃保温4～6h，达到保温时间后出炉空冷；热处理后过渡支撑本体的变形量小于0.5mm。

进一步的，焊接时，将制造工装的送气管道与保护气气管连接，保护气从送气管道上的气孔吹出对焊缝背面进行保护。

进一步的，所述过渡支撑本体的材质为奥氏体不锈钢316L，焊接采用的焊丝材质为ERNiCrMo-3，成品所有安装面的轮廓度在0.2mm以内，成品所有区域的相对磁导率均小于1.04。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1.本发明采用专用的制造工装来进行过渡支撑的加工，制造工装具有多个支撑面，可以与过渡支撑的零部件匹配对零部件进行支撑，能有效地减少空间异型结构件在焊接时产生变形，使加工过程中不易造成零件变形过大而报废，降低产品报废率，降低成本和制造难度。

2.本发明的制造工装在三轴数控机床上可实现快速精确找正和加工，减少了加工制造难度和加工成本，可操作性强，有利于提高产品制造效率。

3.本发明的制造工装在支撑座顶部四角处设置送气管道，送气管道上开设气孔，在焊接时，将保护气体(氩气)气管连接到送气管道上，保护气体将从气孔吹出，以保护焊缝背面，可以有效防止焊缝背面的氧化。

4.本发明通过把过渡支撑的零部件分解成板条成型再焊接的方式来加工，减少了机械加工量，降低了零件的整体制造成本，相比于整体机加工出零件外形而言，本发明的制造方法加工工时更短、成本更低，制造难度小，加工效率更高。

5.本发明的方法制造出的弱场侧第一壁过渡支撑的所有安装面的轮廓度稳定地保持在0.2mm以内，且成品所有区域的相对磁导率均小于1.04，能够有效地保障产品的安装面轮廓度、尺寸稳定性和相对磁导率，加工出的产品质量好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。在附图中：

图1为托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑的结构示意图；

图2为制造工装的结构示意图；

图3为制造工装的底部结构示意图；

图4为制造工装与压板连接后的结构示意图；

图5为制造工装与过渡支撑本体连接后的结构示意图；

图6线切割切出的产品各组件坯料示意图；

图7为铣削、成型后的各组件；

图8为铣削后的侧板一；

图9为侧板一、侧板二、安装板一、安装板二装夹到制造工装上的示意图；

图10为支撑条焊接示意图；

图11为精铣安装面和安装面孔示意图；

图12为精铣支撑面和支撑面孔示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-过渡支撑本体，101-侧板一，102-侧板二，103-安装板一，104-安装板二，105-支撑条，2-制造工装，201-底座，202-支撑座一，203-内六角螺钉一，204-支撑座二，205-内六角螺钉二，206-通槽，207-内六角螺钉三，208-送气管道，209-气孔，210-侧压板，211-内六角螺钉四，212-顶压板，213-内六角螺钉五，214-制造支撑面一，215-制造支撑面二，216-制造支撑面三，217-制造支撑面四。

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。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

本实施例提供一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑制造工装，如图1-5所示，用于过渡支撑本体1的制造，所述过渡支撑本体1包括侧板一101、侧板二102、安装板一103、安装板二104和支撑条105，具体地，如图1所示，所述安装板一103、安装板二104两端分别与侧板一101、侧板二102的上端焊接，所述支撑条105两端分别与侧板一101、侧板二102中下部焊接；

所述制造工装2包括可拆卸连接的底座201和支撑座，具体如图2和图3所示；

所述底座201和支撑座之间开设有用于放置支撑条105的通槽206，所述支撑座两侧分别设有对侧板一101、侧板二102进行支撑的制造支撑面一214和制造支撑面二215，所述支撑座顶部设有对安装板一103、安装板二104进行支撑的制造支撑面三216和制造支撑面四217，所述支撑座两侧和顶部分别连接有侧压板210和顶压板212。

本发明采用专用的制造工装2来进行过渡支撑的加工，制造工装2具有多个支撑面，可以与过渡支撑的零部件匹配对零部件进行支撑，能有效地减少空间异型结构件在焊接时产生变形，使加工过程中不易造成零件变形过大而报废，降低产品报废率，降低成本和制造难度。

本发明的专用制造工装2在三轴数控机床上可实现快速精确找正和加工，减少了加工制造难度和加工成本，可操作性强，有利于提高产品制造效率。

其中，所述支撑座由支撑座一202和支撑座二204拼接而成，具体地，所述支撑座一202通过内六角螺钉二205与底座201连接，所述支撑座二204通过内六角螺钉一203与支撑座一202连接，所述支撑座二204通过内六角螺钉三207与底座201连接，通过螺钉将底座201、支撑座一202和支撑座二204进行拼接，可方便制造工装2的拆解和拼装。

其中，所述支撑座顶部四角处设有送气管道208，所述送气管道208上开设有气孔209，具体地，所述送气管道208焊接在支撑座一202和支撑座二204拼接形成的边缘四角位置，此处也为焊缝位置，在焊接时，将保护气体(氩气)气管连接到送气管道208上，保护气体将从气孔209吹出，以保护焊缝背面。

具体地，如图4所示，所述侧压板210通过内六角螺钉四211固定在支撑座侧面，用于压住侧板一101、侧板二102便于焊接，所述顶压板212通过内六角螺钉五213固定在支撑座顶部，用于压住安装板一103和安装板二104便于焊接。

实施例2

本实施例提供一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑的制造方法，基于实施例所述的制造工装2，包括以下步骤：

第一步：展开下料。

将过渡支撑按各个区域分解，分别对侧板一101、侧板二102、安装板一103、安装板二104、支撑条105展开下料。具体地，侧板一101、侧板二102的长度留2mm加工余量，厚度不留余量，支撑条105按厚度和长度下料，其余板条单边留2-3mm余量，如图6所示，其中，侧板一101和侧板二102相同，图中至只展示了侧板一101。

第二步：铣削加工。

将步骤一完成下料的安装板一103、安装板二104坯料进行铣外形加工并加工出焊接坡口，厚度方向留1-2mm余量，保证轮廓尺寸，如图7所示。

第三步：折弯成型。

将侧板一101和侧板二102折弯成型，在室温下按图纸角度折弯，如图7所示。

第四步：铣削侧板焊接坡口。

将步骤三完成的侧板一101和侧板二102，在保证总高的基础上底面精铣见光，留0.5mm余量，再铣削与安装板焊接部位的焊接坡口，以侧板一为例，如图8所示。焊接时，底面没有热输入，不会发生变形。

第五步：拼焊侧板和安装板。

首先通过制造工装2底座201底部的两颗内六角螺钉三207将支撑座二204与底座201连接、通过支撑座一202顶部的两颗内六角螺钉二205及其侧边的一颗内六角螺钉一203将支撑座一202与底座201、支撑座二204装配为一个整体，如图2-3所示。

然后再将侧板一101、侧板二102、安装板一103和安装板二104分别拼放在制造工装2对应的制造支撑面一214、制造支撑面二215、制造支撑面三216、制造支撑面四217，四个位置上，最后使用两个侧压板210及其上的内六角螺钉四211，两个顶压板212及其上的两颗内六角螺钉五213将待焊接的侧板一101、侧板二102、安装板一103和安装板二104装夹到制造工装2上，并保证装配尺寸和焊接间隙，如图9所示。

由于支撑座一202和支撑座二204上焊接有送气管道208，在送气管道208上加工有多个气孔209，作为保护气体出口。焊接前，清洗所有待焊面，再将保护气体(氩气)气管连接到送气管道208，则保护气体将从气孔209吹出，以保护焊缝背面。焊接时，为了保证焊缝相对磁导率≤1.04，选用ERNiCrMo-3焊丝对图9中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共四处进行焊接。打底焊及每层焊完后目视检查焊缝表面，若有缺陷，钳修去除后方可进行下一层焊接。钳修修磨焊缝、去除焊瘤，修磨焊缝至平滑过渡，修磨起收弧处的焊缝与母材齐平。实际拼焊时发现变形量很小，小于0.3mm。

第六步：焊接支撑条105

步骤五焊接完成后，将制造工装2的底座201拆掉，再将支撑条105待焊面清洗干净并装配到通槽206内，保证装配尺寸和焊接间隙，最后再焊接支撑条105的Ⅴ、Ⅵ两处焊缝，如图10所示。

第七步：热处理。

将步骤六完成的过渡支撑放进真空电炉进行热处理消应力，热处理参数为：在410～425℃保温4～6h，达到保温时间后出炉空冷。此步骤的作用是充分消除焊接过程中产生于过渡支撑内部的内应力，提高其尺寸稳定性。实际热处理后发现过渡支撑的变形量小于0.5mm。

第八步：精铣安装面。

将步骤七完成的过渡支撑本体1再次装配到制造工装2上，并用侧压板210和内六角螺钉四211将其固定，再将制造工装2装夹到卧式加工中心上，以制造工装2的平面找正装夹，然后精铣安装面和安装面孔，如图11所示。选用卧式加工中心，而不采用五轴加工中心，可以减少加工成本。

随后用内六角螺钉五213装配好顶压板212，再拆掉侧压板210和内六角螺钉四211，在一次装夹的情况下继续精铣支撑面和支撑面孔，如图12所示。精铣过程中注意保证安装面和支撑面的轮廓度，安装面孔和支撑面孔的位置度。

第九步：钳修。

将步骤八完成的工件进行钳修，去除飞边毛刺，得到成品。

本发明所述的过渡支撑本体1的材质采用奥氏体不锈钢316L。

本发明通过把零部件分解成板条成型再焊接的方式来制造过渡支撑，减少了机械加工量，降低了零件的整体制造成本，相比于整体机加工出零件外形而言，本发明的制造方法加工工时更短、成本更低。

通过本发明的方法制造出的弱场侧第一壁过渡支撑的所有安装面的轮廓度稳定地保持在0.2mm以内，且成品所有区域的相对磁导率均小于1.04。

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)

1.一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑制造工装，用于过渡支撑本体(1)的制造，所述过渡支撑本体(1)包括侧板一(101)、侧板二(102)、安装板一(103)、安装板二(104)和支撑条(105)，其特征在于，所述制造工装(2)包括可拆卸连接的底座(201)和支撑座；

所述底座(201)和支撑座之间开设有用于放置支撑条(105)的通槽(206)，所述支撑座两侧分别设有对侧板一(101)、侧板二(102)进行支撑的制造支撑面一(214)和制造支撑面二(215)，所述支撑座顶部设有对安装板一(103)、安装板二(104)进行支撑的制造支撑面三(216)和制造支撑面四(217)，所述支撑座两侧和顶部分别连接有对过渡支撑本体(1)进行固定的侧压板(210)和顶压板(212)。

2.根据权利要求1所述的一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑制造工装，其特征在于，所述支撑座由支撑座一(202)和支撑座二(204)拼接而成。

3.根据权利要求2所述的一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑制造工装，其特征在于，所述支撑座一(202)通过内六角螺钉二(205)与底座(201)连接，所述支撑座二(204)通过内六角螺钉一(203)与支撑座一(202)连接，所述支撑座二(204)通过内六角螺钉三(207)与底座(201)连接。

4.根据权利要求1所述的一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑制造工装，其特征在于，所述侧压板(210)通过内六角螺钉四(211)与支撑座侧面连接，所述顶压板(212)通过内六角螺钉五(213)与支撑座顶部连接。

5.根据权利要求1所述的一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑制造工装，其特征在于，所述支撑座顶部四角处设有送气管道(208)，所述送气管道(208)上开设有气孔(209)。

6.一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑的制造方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的制造工装(2)，包括以下步骤：

S1、原料预处理；

S2、拼焊侧板和安装板：将侧板一(101)、侧板二(102)分别放在制造工装(2)的制造支撑面一(214)和制造支撑面二(215)上，使用侧压板(210)固定，将安装板一(103)和安装板二(104)分别放在制造工装(2)的制造支撑面三(216)和制造支撑面四(217)上，使用顶压板(212)固定，焊接；

S3、焊接支撑条：将底座(201)拆掉，将支撑条(105)装配到制造工装(2)的通槽(206)内，焊接；

S4、热处理；

S5、精铣安装面：再次将过渡支撑本体(1)装配到制造工装(2)上，并装夹到卧式加工中心上，精铣安装板一(103)和安装板二(104)的安装面和安装面孔，精铣侧板一(101)和侧板二(102)的支撑面和支撑面孔；

S6、钳修后得到成品。

7.根据权利要求6所述的一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑的制造方法，其特征在于，所述步骤S1原料预处理包括：

S11、将过渡支撑按各个区域分解，分别对侧板一(101)、侧板二(102)、安装板一(103)、安装板二(104)、支撑条(105)展开下料；

S12、将安装板一(103)、安装板二(104)坯料进行铣外形加工并加工出焊接坡口；

S13、将侧板一(101)和侧板二(102)折弯成型，底面精铣见光，再铣削与安装板一(103)、安装板二(104)焊接部位的焊接坡口。

8.根据权利要求6所述的一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑的制造方法，其特征在于，所述步骤S4热处理包括：

将焊接完成的过渡支撑本体(1)放进真空电炉进行热处理消应力，热处理参数为：在410～425℃保温4～6h，达到保温时间后出炉空冷；热处理后过渡支撑本体(1)的变形量小于0.5mm。

9.根据权利要求6所述的一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑的制造方法，其特征在于，焊接时，将制造工装(2)的送气管道(208)与保护气气管连接，保护气从送气管道(208)上的气孔(209)吹出对焊缝背面进行保护。

10.根据权利要求6所述的一种托卡马克装置弱场侧第一壁过渡支撑的制造方法，其特征在于，所述过渡支撑本体(1)的材质为奥氏体不锈钢316L，焊接采用的焊丝材质为ERNiCrMo-3，成品所有安装面的轮廓度在0.2mm以内，成品所有区域的相对磁导率均小于1.04。

Images