新燃料运输容器关键部件制造工艺讨论

晋利群 马运惠

上海阿波罗机械股份有限公司 上海 200000

引言

新燃料组件是核电站发电的原料，需从燃料厂运输到核电站，通过核电站的专用设备装入反应堆进行核反应，产生热量进行发电。新燃料运输容器（以下简称“容器”）是用于存放和运输新燃料组件的专用设备。中广核研究院有限公司自主设计了一种新燃料运输容器，对降低容器采购成本，实现我国核电走出去具有重要意义。本文主要针对该容器阐述主要制造工艺和焊接控制。

容器结构上主要包括：上壳体、下壳体、门组件、浮床、每个部件均主要由不锈钢板、不锈钢棒等不锈钢材料通过成型、焊接、加工制造而成。由于不锈钢的特性，须在制造过程中严格控制焊接变形，通过焊接组对工装、焊接防变形工装、焊后校形工装等对焊接零部件进行外力干预控制[1]。同时，同样需从焊接工艺角度进行控制，包括合理的焊接顺序、适当的电流电压等，控制焊接过程的热输入量，可有效减小不锈钢焊接的变形和收缩。下面对不锈钢的焊接变形原因和控制进行简单梳理和归纳，主要对新燃料运输容器部件的焊接变形进行分析，并介绍相关的控制措施。

1 不锈钢变形分析及控制措施

不锈钢材料不同于普通碳钢钢材，具有较好的耐蚀性，因此在人们的日常生活中和工业生产中得到较为广泛的应用。又因不锈钢含碳量较低，使其具有较好的焊接性能。众所周知，虽然不锈钢具有较多的优越性能，但不锈钢的焊接变形一直是制造过程的难题。在行业上，有无数的专家和学者对不锈钢的焊接变形问题从不同方向进行剖析，并且在行业上也有这很多理论方法和实践经验。

不锈钢主要焊接变形原因包括[2]：①由于焊接过程有较大的热量输入，而且不锈钢的导热系数较低（一般仅为碳钢的1/3），使得不锈钢在焊接过程中有大量的热量不能及时导出，因此导致不锈钢焊接件受热量影响而产生一定变形；②由于不锈钢的线膨胀系数较大，导致不锈钢在焊接受热和冷却过程膨胀和收缩量较大，由于在焊接过程无法做到受热和冷却绝对均匀，因此会产生膨胀和收缩不均，导致各部位和方向产生的应力差异，因而产生变形；③焊接程中，每条焊缝的焊接有方向，不同焊缝之间要有顺序，使得各焊缝在焊接和未焊接之间产生应力和变形。

降低不锈钢焊接变形的主要措施：①选择合适的焊接方法和工艺参数，尽可能减少焊接过程的热输入量；②设计有效的辅助组对固定工器具，防止或减小焊接过程的变形；③采用合理有效的焊接顺序，降低因焊接顺序导致的焊接件变形。

2 壳体的结构及焊接变形控制分析

想要制造一个合格的产品，尤其是焊接的产品，需要考虑的因素很多，从零件的下料方式会影响零件的毛坯尺寸和焊前尺寸的加工量。焊接方式、坡口的形式和尺寸会影响到焊接的质量、效率，由此还要考虑人员资质的选择。由于焊接变形，在焊接之前需要考虑如何组对、如何装夹固定、如何定焊接顺序、焊后如何校形、校形后是否满足产品要求、是否需要进行焊后加工、预留多少焊后加工余量等等问题，如此问题需要产品制造技术人员在设计工艺时逐一考虑，有一条疏漏都会使得产品的质量受到影响，甚至报废。

新燃料运输容器的焊接制造相较来说具有一定的复杂性，存在不同厚度的不锈钢零件的焊接，存在不同方向的多个零件的焊接，焊接的变形不容易找到规律，想要控制变形同样很难。容器的上部壳体和下部壳体基本结构相近，现以下部壳体进行结构和焊接变形控制分析。

新燃料运输容器下壳体主要零件示意图见图1，主要包括①件1：侧边梁；②件2：方法兰；③件3：内筋；④件4：壳体外壁；⑤件5：加强板；⑥件6：加强体；⑦件7：底架竖梁；⑧件8：壳体内壁；⑨件9:底架横梁。

图1 下壳体示意图（其余零件未示出）

2.1 零部件的焊前制备

零件主要为板类零件，通过采用激光下料、水切割下料，可以有效减少热切割导致的热影响区性能改变和变形。下料完成后，对需要成型的零件进行画线并采用折弯机进行成型，成型过程和成型后需严格按照图纸要求进行尺寸检查。

2.2 整体结构及焊接分析

在结构件在焊接过程一般可以采用两种方案，其方案一是将具有一定刚度的部件全部组完成对并点焊固定，检查各处尺寸满足要求后，再按照一定顺序逐一焊接，其优点在于整体点焊固定后，各零件间可以相互作为支撑，在一定范围内可以有效防止焊接过程的变形，其弊端就是焊后校形困难或无法校形，需要留有足够的焊后加工余量来保证部件加工后的重要尺寸；方案二恰好与方案一相反，优先考虑将两个零件或小部分零件先进行组对焊接，通过焊后先进行校形或加工的方式，保证小范围零部件尺寸，再将每个小部件组对焊接成大部件[3]。优点是很大程度上将焊接变形通过小范围焊接后的校形工序消除掉，进而实现控制整个部件的焊接变形影响；弊端就是要通过技术分析和实际制造经验进行合理的分解，并制定专用的或有效的校形方式和校形工具。

下壳体的零件较多，结构较为复杂，因此制造过程不能将组对焊接单一考虑，需对两种方式结合使用。

将件7和件9进行组对焊接，先将两种零件的所有件全部按照工艺图纸尺寸进行组对，件7的长度方向要预留一定的收缩余量。鉴于焊接形式为角接，长度方向可以按照成品尺寸的上公差值或适当再增加一定量即可。组对后要进行尺寸检查，合格后采用工装器具将各件牢牢固定在工作平台上，防止焊接过程的收缩变形。

下壳体中最主要的就是主壳体的焊接，包括内壁、外壁、内筋和侧边梁。此部分要采用方案一和方案二相结合的方式进行制造。

图2 壳体内壁与侧边梁组对焊接

首先将图1中的件1和件8进行焊接，先将各件进行组对点焊固定，点焊需采用均匀间断的点焊方式，点焊前需保证零部件两端和各点焊段的错边量满足要求[4]。焊接参数按照经评定合格的工艺进行，焊接过程允许零件自由收缩和变形，但需采用间断焊接，尽量减小焊接的收缩和变形。焊接完成后采用定制的静压工装器具依靠压机进行校形调平，保证此焊接件整体形状和尺寸满足整体组装要求。

组对焊接件3内筋和件4壳体外壁。将件3内筋在件4上延长度方向间断分布，采用双面角焊缝进行焊接。由于件4位3mm薄不锈钢板，在焊接时，由于每条焊缝均会产生收缩变形，件4会沿长度方向产生较大收缩。因此，在焊接前，件4需在长度方向预留足够的余量，组对时每段据需预留一定的收缩余量，保证焊后每段尺寸和总体尺寸均满足要求。除此之外，在焊缝周围会产生一定的翘曲变形，由于零件结构较为特殊，很难采用固定防变形的方式控制焊接过程的翘曲变形。从设计角度考虑，可以预留焊缝横向和纵向的收缩余量，允许焊缝自由变形。焊接完成后采用静压的方式对焊缝附近母材进行校形，首先将焊缝及附近母材校形平整，检查整体形状及尺寸，如存在偏差，再针对局部进行校形，保证整体的形状和尺寸满足要求。

图3 壳体外壁与内筋组对焊接

整体组对焊接，将件2方法兰与外币和内筋组件进行组对焊接，并与件6加强体、件7件9底架等整体组队组装一体，整体组装一体后可有效正价证提的刚度，有效减小部分焊接过程的变形。焊接过程需采取一定的辅助工装器具对方法兰和底架进行固定，增加整体的刚度，辅助较小变形的产生。

以上制造过程分析未进行焊接参数影响和措施的描述，此产品在焊接前进行了焊接工艺评定的制备和主要焊缝的试件焊接试验，选定了合适的焊接工艺，因此不在进行焊接参数的影响和措施分析。

3 结束语

影响不锈钢材料焊接收缩变形的因素有很多，无法通过固定的方式实现消除所有产品焊接的收缩和变形。但是可以通过选定合适的焊接参数、合理的焊接顺序、有效的防变形工装器具和必要的校形手段实现最大限度地减小焊接收缩变形对产品焊接的影响，结合焊后消除应力措施和焊后加工工序可以制造满足要求的产品。