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引言

新燃料組件是核電站發(fā)電的原料，需從燃料廠運(yùn)輸?shù)胶穗娬荆ㄟ^(guò)核電站的專用設(shè)備裝入反應(yīng)堆進(jìn)行核反應(yīng)，產(chǎn)生熱量進(jìn)行發(fā)電。新燃料運(yùn)輸容器（以下簡(jiǎn)稱“容器”）是用于存放和運(yùn)輸新燃料組件的專用設(shè)備。中廣核研究院有限公司自主設(shè)計(jì)了一種新燃料運(yùn)輸容器，對(duì)降低容器采購(gòu)成本，實(shí)現(xiàn)我國(guó)核電走出去具有重要意義。本文主要針對(duì)該容器闡述主要制造工藝和焊接控制。

容器結(jié)構(gòu)上主要包括：上殼體、下殼體、門組件、浮床、每個(gè)部件均主要由不銹鋼板、不銹鋼棒等不銹鋼材料通過(guò)成型、焊接、加工制造而成。由于不銹鋼的特性，須在制造過(guò)程中嚴(yán)格控制焊接變形，通過(guò)焊接組對(duì)工裝、焊接防變形工裝、焊后校形工裝等對(duì)焊接零部件進(jìn)行外力干預(yù)控制[1]。同時(shí)，同樣需從焊接工藝角度進(jìn)行控制，包括合理的焊接順序、適當(dāng)?shù)碾娏麟妷旱龋刂坪附舆^(guò)程的熱輸入量，可有效減小不銹鋼焊接的變形和收縮。下面對(duì)不銹鋼的焊接變形原因和控制進(jìn)行簡(jiǎn)單梳理和歸納，主要對(duì)新燃料運(yùn)輸容器部件的焊接變形進(jìn)行分析，并介紹相關(guān)的控制措施。

1 不銹鋼變形分析及控制措施

不銹鋼材料不同于普通碳鋼鋼材，具有較好的耐蝕性，因此在人們的日常生活中和工業(yè)生產(chǎn)中得到較為廣泛的應(yīng)用。又因不銹鋼含碳量較低，使其具有較好的焊接性能。眾所周知，雖然不銹鋼具有較多的優(yōu)越性能，但不銹鋼的焊接變形一直是制造過(guò)程的難題。在行業(yè)上，有無(wú)數(shù)的專家和學(xué)者對(duì)不銹鋼的焊接變形問(wèn)題從不同方向進(jìn)行剖析，并且在行業(yè)上也有這很多理論方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

不銹鋼主要焊接變形原因包括[2]：①由于焊接過(guò)程有較大的熱量輸入，而且不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較低（一般僅為碳鋼的1/3），使得不銹鋼在焊接過(guò)程中有大量的熱量不能及時(shí)導(dǎo)出，因此導(dǎo)致不銹鋼焊接件受熱量影響而產(chǎn)生一定變形；②由于不銹鋼的線膨脹系數(shù)較大，導(dǎo)致不銹鋼在焊接受熱和冷卻過(guò)程膨脹和收縮量較大，由于在焊接過(guò)程無(wú)法做到受熱和冷卻絕對(duì)均勻，因此會(huì)產(chǎn)生膨脹和收縮不均，導(dǎo)致各部位和方向產(chǎn)生的應(yīng)力差異，因而產(chǎn)生變形；③焊接程中，每條焊縫的焊接有方向，不同焊縫之間要有順序，使得各焊縫在焊接和未焊接之間產(chǎn)生應(yīng)力和變形。

降低不銹鋼焊接變形的主要措施：①選擇合適的焊接方法和工藝參數(shù)，盡可能減少焊接過(guò)程的熱輸入量；②設(shè)計(jì)有效的輔助組對(duì)固定工器具，防止或減小焊接過(guò)程的變形；③采用合理有效的焊接順序，降低因焊接順序?qū)е碌暮附蛹冃巍?/p>

2 殼體的結(jié)構(gòu)及焊接變形控制分析

想要制造一個(gè)合格的產(chǎn)品，尤其是焊接的產(chǎn)品，需要考慮的因素很多，從零件的下料方式會(huì)影響零件的毛坯尺寸和焊前尺寸的加工量。焊接方式、坡口的形式和尺寸會(huì)影響到焊接的質(zhì)量、效率，由此還要考慮人員資質(zhì)的選擇。由于焊接變形，在焊接之前需要考慮如何組對(duì)、如何裝夾固定、如何定焊接順序、焊后如何校形、校形后是否滿足產(chǎn)品要求、是否需要進(jìn)行焊后加工、預(yù)留多少焊后加工余量等等問(wèn)題，如此問(wèn)題需要產(chǎn)品制造技術(shù)人員在設(shè)計(jì)工藝時(shí)逐一考慮，有一條疏漏都會(huì)使得產(chǎn)品的質(zhì)量受到影響，甚至報(bào)廢。

新燃料運(yùn)輸容器的焊接制造相較來(lái)說(shuō)具有一定的復(fù)雜性，存在不同厚度的不銹鋼零件的焊接，存在不同方向的多個(gè)零件的焊接，焊接的變形不容易找到規(guī)律，想要控制變形同樣很難。容器的上部殼體和下部殼體基本結(jié)構(gòu)相近，現(xiàn)以下部殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)和焊接變形控制分析。

新燃料運(yùn)輸容器下殼體主要零件示意圖見(jiàn)圖1，主要包括①件1：側(cè)邊梁；②件2：方法蘭；③件3：內(nèi)筋；④件4：殼體外壁；⑤件5：加強(qiáng)板；⑥件6：加強(qiáng)體；⑦件7：底架豎梁；⑧件8：殼體內(nèi)壁；⑨件9:底架橫梁。

圖1 下殼體示意圖（其余零件未示出）

2.1 零部件的焊前制備

零件主要為板類零件，通過(guò)采用激光下料、水切割下料，可以有效減少熱切割導(dǎo)致的熱影響區(qū)性能改變和變形。下料完成后，對(duì)需要成型的零件進(jìn)行畫(huà)線并采用折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行成型，成型過(guò)程和成型后需嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行尺寸檢查。

2.2 整體結(jié)構(gòu)及焊接分析

在結(jié)構(gòu)件在焊接過(guò)程一般可以采用兩種方案，其方案一是將具有一定剛度的部件全部組完成對(duì)并點(diǎn)焊固定，檢查各處尺寸滿足要求后，再按照一定順序逐一焊接，其優(yōu)點(diǎn)在于整體點(diǎn)焊固定后，各零件間可以相互作為支撐，在一定范圍內(nèi)可以有效防止焊接過(guò)程的變形，其弊端就是焊后校形困難或無(wú)法校形，需要留有足夠的焊后加工余量來(lái)保證部件加工后的重要尺寸；方案二恰好與方案一相反，優(yōu)先考慮將兩個(gè)零件或小部分零件先進(jìn)行組對(duì)焊接，通過(guò)焊后先進(jìn)行校形或加工的方式，保證小范圍零部件尺寸，再將每個(gè)小部件組對(duì)焊接成大部件[3]。優(yōu)點(diǎn)是很大程度上將焊接變形通過(guò)小范圍焊接后的校形工序消除掉，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制整個(gè)部件的焊接變形影響；弊端就是要通過(guò)技術(shù)分析和實(shí)際制造經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理的分解，并制定專用的或有效的校形方式和校形工具。

下殼體的零件較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此制造過(guò)程不能將組對(duì)焊接單一考慮，需對(duì)兩種方式結(jié)合使用。

將件7和件9進(jìn)行組對(duì)焊接，先將兩種零件的所有件全部按照工藝圖紙尺寸進(jìn)行組對(duì)，件7的長(zhǎng)度方向要預(yù)留一定的收縮余量。鑒于焊接形式為角接，長(zhǎng)度方向可以按照成品尺寸的上公差值或適當(dāng)再增加一定量即可。組對(duì)后要進(jìn)行尺寸檢查，合格后采用工裝器具將各件牢牢固定在工作平臺(tái)上，防止焊接過(guò)程的收縮變形。

下殼體中最主要的就是主殼體的焊接，包括內(nèi)壁、外壁、內(nèi)筋和側(cè)邊梁。此部分要采用方案一和方案二相結(jié)合的方式進(jìn)行制造。

圖2 殼體內(nèi)壁與側(cè)邊梁組對(duì)焊接

首先將圖1中的件1和件8進(jìn)行焊接，先將各件進(jìn)行組對(duì)點(diǎn)焊固定，點(diǎn)焊需采用均勻間斷的點(diǎn)焊方式，點(diǎn)焊前需保證零部件兩端和各點(diǎn)焊段的錯(cuò)邊量滿足要求[4]。焊接參數(shù)按照經(jīng)評(píng)定合格的工藝進(jìn)行，焊接過(guò)程允許零件自由收縮和變形，但需采用間斷焊接，盡量減小焊接的收縮和變形。焊接完成后采用定制的靜壓工裝器具依靠壓機(jī)進(jìn)行校形調(diào)平，保證此焊接件整體形狀和尺寸滿足整體組裝要求。

組對(duì)焊接件3內(nèi)筋和件4殼體外壁。將件3內(nèi)筋在件4上延長(zhǎng)度方向間斷分布，采用雙面角焊縫進(jìn)行焊接。由于件4位3mm薄不銹鋼板，在焊接時(shí)，由于每條焊縫均會(huì)產(chǎn)生收縮變形，件4會(huì)沿長(zhǎng)度方向產(chǎn)生較大收縮。因此，在焊接前，件4需在長(zhǎng)度方向預(yù)留足夠的余量，組對(duì)時(shí)每段據(jù)需預(yù)留一定的收縮余量，保證焊后每段尺寸和總體尺寸均滿足要求。除此之外，在焊縫周圍會(huì)產(chǎn)生一定的翹曲變形，由于零件結(jié)構(gòu)較為特殊，很難采用固定防變形的方式控制焊接過(guò)程的翹曲變形。從設(shè)計(jì)角度考慮，可以預(yù)留焊縫橫向和縱向的收縮余量，允許焊縫自由變形。焊接完成后采用靜壓的方式對(duì)焊縫附近母材進(jìn)行校形，首先將焊縫及附近母材校形平整，檢查整體形狀及尺寸，如存在偏差，再針對(duì)局部進(jìn)行校形，保證整體的形狀和尺寸滿足要求。

圖3 殼體外壁與內(nèi)筋組對(duì)焊接

整體組對(duì)焊接，將件2方法蘭與外幣和內(nèi)筋組件進(jìn)行組對(duì)焊接，并與件6加強(qiáng)體、件7件9底架等整體組隊(duì)組裝一體，整體組裝一體后可有效正價(jià)證提的剛度，有效減小部分焊接過(guò)程的變形。焊接過(guò)程需采取一定的輔助工裝器具對(duì)方法蘭和底架進(jìn)行固定，增加整體的剛度，輔助較小變形的產(chǎn)生。

以上制造過(guò)程分析未進(jìn)行焊接參數(shù)影響和措施的描述，此產(chǎn)品在焊接前進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定的制備和主要焊縫的試件焊接試驗(yàn)，選定了合適的焊接工藝，因此不在進(jìn)行焊接參數(shù)的影響和措施分析。

3 結(jié)束語(yǔ)

影響不銹鋼材料焊接收縮變形的因素有很多，無(wú)法通過(guò)固定的方式實(shí)現(xiàn)消除所有產(chǎn)品焊接的收縮和變形。但是可以通過(guò)選定合適的焊接參數(shù)、合理的焊接順序、有效的防變形工裝器具和必要的校形手段實(shí)現(xiàn)最大限度地減小焊接收縮變形對(duì)產(chǎn)品焊接的影響，結(jié)合焊后消除應(yīng)力措施和焊后加工工序可以制造滿足要求的產(chǎn)品。