（机械制造及其自动化专业论文）大型薄壁核电筒件加工工艺优化.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：t g 4 4 ；t g 5 0 6 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g t h ep r o c e s so p t i m i z a t i o no fl a r g e - - t h i n c a n d i d a t e ： n u c l e a r c y l i n d r i c a l s h e l l s u p e r v i s o r ： l im i n g w a n gy i w e n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n d a u t o m a t i o n d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 012 u n i v e r s i t y ： h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大型薄壁核电筒件加工工 艺化化，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均在 加7 年弓别日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 大型薄壁核电筒件加工工艺优化系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解 哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分 内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密盔。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名：砂义灸 日期：切f2 年弓月爿日 日期：沙j 砗弓月弓1 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 大型薄壁核电筒件加工工艺优化 摘要 随着煤、石油等非可再生资源的减少，核能以其高效、清洁等特性己成 为新能源的首选。焊接成型筒节以其工时少、生产周期短等优势，己成为核 电筒件成型方式的发展趋势。大型薄壁核电筒件的生产技术对核能安全使用 的影响至关重要。在我国焊接成型核电筒节技术相对锻造成型技术还不够成 熟。筒节为核反应的内构件，以焊接方式成型对其焊接质量要求较高。我国 压力容器焊接技术已较为成熟，已处于世界前列。 大型薄壁核电筒件的加工包含冷加工和热加工两方面，即筒件的焊接和 焊后筒件的切削。大型薄壁核电筒件加工工艺优化主要是指优化焊接工艺和 切削刀具两方面。核裂变会生成大量的热，也就是说筒件内部处在一个高温 高压环境下。筒件又是由钢板弯曲再经焊接形成，焊接会产生应力，而应力 会导致变形，虽然后续工艺中有热处理操作，但是还会留有应力，那么就要 进行应力的模拟、分析，计算最大应力是否在应力值许可范围。在实地焊接 前，利用计算机进行了一系列正交试验模拟，通过多组模拟结果的对比分析， 得到最优模拟结果，进而得到大型薄壁焊接筒件的最优焊接工艺。从而实现 焊接工艺的计算机虚拟优化，大大减小了原材料的浪费，同时也缩短了产品 生产周期。 通过分析大型核电筒件内环槽的切削特点，根据现有的切削理论知识， 初步选出内环槽切削的三把刀具，制定了内环槽切削加工的切削参数，设计 了大型薄壁核电筒节内环槽切削的仿真方案，利用切削软件t h i r d w a v e 进行 相同切削参数下的切削模拟，输出t h i r d w a v e 仿真结果。从工件变形和刀具 指标参数两方面来优化大型核电筒件内环槽切削刀具。综合三把内环槽加工 刀具切削这两个指标参数的优劣，进而优选了大型薄壁核电筒件内环槽切削 加工刀具。 关键词大型薄壁核电筒件；切削仿真；焊接仿真；加工工艺优化 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 曼暑蔓曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼量曼皇曼皇i i 岂曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 t h ep r o c e s so p t i mi z a t i o no f l a r g e - - t h i nn u c l e a r c y l i n d r i c a ls h e l l ab s t r a c t w i t ht h er e d u c t i o no fn o n r e n e w a b l er e s o u r c e ss u c ha sc o a l ，o i l ，n u c l e a r e n e r g yh a sb e c o m et h ef i r s tc h o i c ef o rn e we n e r g yb e c a u s eo fi t s e f f i c i e n c y c l e a r a n c ea n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s w e l d i n g f o r m i n gs h e l l s e c t i o nw i t hi t sl e s s w o r k i n gh o u r sa n ds h o r tp r o d u c t i o nc y c l e ，h a sb e c o m en u c l e a rs h e l lf o r m i n g t r e n d l a r g et h i n w a l l e dn u c l e a rs h e l lp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yi se s s e n t i a lo nt h e s a f eu s a g eo fn u c l e a re n e r g y c o n p a r i n gw i t hm o l d i n gs h e l lt e c h n o l o g y , w e l d i n g s h e l lt e c h n o l o g yi sn o tm a t u r ee n o u g h t h en u c l e a rs h e l li st h ei n n e rc o m p o n e n t o ft h en u c l e a rr e a c t i o n w e l df o r m i n gn e e d sh i g h e rw e l d i n gq u a l i t y t h ep r e s s u r e v e s s e lw e l d i n gt e c h n o l o g yi sm a t u r ei nc h i n a ，a n dh a sb e e ni nt h ef o r e f r o n to ft h e w o r l d p r o c e s s i n g o fl a r g et h i n w a l l e dn u c l e a rs h e l li n c l u d e sc o l da n dh o t p r o c e s s i n g p r o c e s so p t i m i z a t i o no fl a r g et h i n w a l l e dn u c l e a rs h e l lm a i n l yi n f e r s t op r o c e s so p t i m i z i n go ft h ew e d d i n gp r o c e s sa n dc u t t i n gt 0 0 1 n u c l e a rf i s s i o n g e n e r a t e sa1 0 to fh e a t ，w h i c hm e a n st h a tt h es h e l lw o r k sa tah i g ht e m p e r a t u r e a n dh i g hp r e s s u r ee n v i r o n m e n t t h es h e l li sw e l d e df r o ms t e e l p l a t ew h i c hi s b e n d e db ys t e e lp l a t eb e n d i n gm a c h i n e w e l d i n gw i l l p r o d u c es t r e s sa n ds t r e s s c a nc a u s ed e f o r m a t i o n ，a l t h o u g ht h ef o l l o w - u pp r o c e s so ft h eh e a tt r e a t m e n t o p e r a t i o n w i l lr e d u c et h es t r e s s ，w em u s td os t r e s s s i m u l a t i o n ，a n a l y s i s ， c a l c u l a t i o no ft h em a x i m u ms t r e s si nt h es t r e s sv a l u eo ft h ee x t e n tp e r m i t t e d c a r r i e do u tas e r i e so fo n h o g o n a lt e s ts i m u l a t i o ni nt h ef i e l dp r i o rt os d d e f i n g ， t h eu s eo fc o m p u t e r , t h r o u g ht h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fm u l t i p l es e t so f s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h eo p t i m a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n dt h u sal a r g et h i n w a l l e d w e l d e dt u b eo p t i m a l w e l d i n gp r o c e s s i no r d e rt oa c h i e v eav i r t u a lc o m p u t e r o p t i m i z a t i o no ft h ew e l d i n gp r o c e s s ，w h i c hr e d u c e st h ew a s t eo fr a wm a t e r i a l s ， b u ta l s os h o r t e nt h ep r o d u c t i o nc y c l e b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g e s c a l en u c l e a rt o r c h i n n e rg r o o v e c u t t i n g ，a c c o r d i n gt ot h ec u t t i n go ft h e o r e t i c a lk n o w l e d g e ，t h es h o n l i s t e ds i x c r u d ef i n i s h i n gt o o l ，c u t t i n gp a r a m e t e r st od e v e l o par o u g hf i n i s ho ft h ei n n e r i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 g r o o v ec u t t i n g ，d e s i g n i n gal a r g e s c a l et h i n w a l l e d s i m u l a t i o np r o g r a m ，t h eu s eo f n u c l e a rf l a s h l i g h ts e c t i o no ft h ei n n e rr i n gg r o o v ec u t t i n gt h ec u t t i n gs o f t w a r e t h i r d w a v e ，c u t t i n gs i m u l a t i o nu n d e rt h es a m ec u t t i n gp a r a m e t e r s ，t h eo u t p u to f t h r e e d i m e n s i o n a lw a v es i m u l a t i o nr e s u l t s f r o mt h ed e f o r m a t i o no ft h e w o r k p i e c ea n dt h et o o li n d e xp a r a m e t e r st oo p t i m i z el a r g e - s c a l en u c l e a rt o r c h i n n e rg r o o v ec u t t i n gt 0 0 1 i nt h ed e f o r m a t i o no ft h ew o r k p i e c e ，r e s p e c t i v e l y ， c o m p a r a t i v ea n a l y s iso ft h es i z eo ft h ed e f o r m a t i o no ft h ew o r k p i e c eu n d e rt h r e e r o u g hf i n i s h i n gt o o lc u t t i n g ，t h u so p t i m i z e df o rr o u g hf i n i s h i n gt o o lf r o mt h e d e f o r m a t i o no ft h ew o r k p i e c e ，t h ec u t t i n gt o o li n d i c a t o rp a r a m e t e r sm a i n l yr e f e r s t ot h er e s i d u a ls t r e s so ft h ec u t t i n gt o o l d e f o r m a t i o ni nt h r e ea r e a s ，t h ec u t t i n gt o o l t e m p e r a t u r ea n dc u t t i n gt 0 0 1 b y c o n t r a s tt ot h e r o u g h f i n is h c u t t i n gt o o l p e r f o r m a n c ei nt h e s et h r e ea r e a s ，a n dt h u st h er o u g hf i n i s h i n gt o o lf r o mt h et o o l c u t t i n gi n d i c a t o r so p t i m i z a t i o n ，t h ep r o s a n dc o n so ft h e s et w oi n d i c a t o r s p a r a m e t e ri nt h er o u g hf i n i s h i n gc u t t i n gt o o l ，a n dt h e np r e f e r a b l yal a r g et h i n n u c l e a rw a l lt o r c hi n n e rg r o o v ec u t t i n gr o u g hf i n is h i n gt 0 0 1 k e y w o r d s s i m u l a t i o n ， l a r g e t h i n n u c l e a r c y l i n d r i c a ls h e l l ，c u t t i n gs i m u l a t i o n ，w e l d i n g p r o c e s so p t i m i z a t i o n i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 选题目的和意义1 1 2 大型薄壁核电筒件加工的研究现状1 1 2 1 国外研究现状1 1 2 2 国内研究现状2 1 3 控氮奥氏体不锈钢材料性能5 1 3 1 化学成分5 1 3 2 温室力学性能6 1 3 3 耐蚀性能7 1 3 4 工艺性能9 1 4 大型薄壁核电筒件加工难点9 1 5 课题主要研究内容1 0 第2 章大型核电筒件焊接仿真技术1 2 2 1 大型薄壁焊接筒件成型过程简介1 2 2 2 大型核电焊接筒件应力分析技术研究的必要性1 2 2 3 大型核电筒件焊接模拟基本思路1 3 2 4 筒件焊接仿真及内环槽切削仿真软件的选用1 3 2 5 大型薄壁筒件纵缝模拟方案设计1 3 2 6 大型薄壁筒件焊接技术要点1 4 2 7 本章小结1 8 第3 章大型核电筒件焊接工艺优化2 0 3 1 大型核电筒件焊接应力产生原因2 0 3 2 大型核电筒件焊接应力对比分析2 2 3 2 1 大型筒件纵向焊接对比模拟各因素模拟结果分析2 2 3 2 2 大型核电筒件周向焊接模拟结果分析2 3 3 3 大型薄壁筒件焊接工艺优化结果2 4 3 4 本章小结2 5 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第4 章大型核电筒件内环槽切削仿真技术一2 6 4 1 大型核电筒件内环槽切削特点2 6 4 2 吊篮筒节内环槽切削对比模拟方案设计2 7 4 3 大型核电筒件内环槽切削刀具选取2 7 4 4 大型核电筒件焊后切削切削参数选择2 9 4 5 大型核电筒件焊后切削模拟简介2 9 4 6 本章小结3 1 第5 章大型薄壁核电筒件内环槽切削刀具优选3 2 5 1 大型核电筒件焊后切削工件变形分析3 2 5 1 1 工件变形原因分析3 2 5 1 2 工件变形对比模拟结果分析3 2 5 2 内环槽切削刀具的指标参数对比分析3 3 5 3 大型核电筒件焊后切削刀具优选结果3 7 5 4 本章小结3 8 结论3 9 附录i 4 1 参考文献4 5 攻读硕士期间发表的论文4 8 致谢4 9 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 选题目的和意义 第1 章绪论 随着石油和煤等不可再生资源的减少，核能作为一种清洁，高效的新能源 日益得到人类的重视。但历史上多次的核事故告诉我们，想让核能造福人类我 们必须懂得如何安全的利用核能。在诸多措施中，提高核电设备的生产质量是 安全利用核能的最基本和最有效的方式。“大型核电筒件加工工艺优化”该课题 源于国家科技重大专项子项目：大型铸焊锻件高效切削加工工艺及其系列刀具 开发( 2 0 0 9 z x 0 4 0 1 4 0 6 6 0 3 ) 和国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) ：高强度钢、淬硬 钢大型零件高效切削技术及应用( 2 0 0 9 a a 0 4 4 3 0 2 ) 。课题设立的主要目的就是提 高核电筒节的生产质量及生产效率。大型核电筒件加工包含热加工和冷加工， 即筒件的焊接和筒件的切削。热加工通常包括铸造、热扎、锻造和金属热处理 等工艺，有时也将焊接、热切割、热喷涂等工艺包括在内。热加工能使金属零 件在成形的同时改善它的组织，或者使已成形的零件改变结晶状态以改善零件 的机械性能；冷加工通常指金属的切削加工，即用切削工具从金属材料( 毛坯) 或工件上切除多余的金属层，从而使工件获得具有一定形状、尺寸精度和表面 粗糙度的加工方法。对于筒件而言即指焊接和切削。本文主要从优化这两方面 的生产加工工艺着手，进而提高核电筒节的加工质量。 本文的研究目标是对大型薄壁核电筒件加工工艺进行优化，改进工厂现有 的加工生产工艺，将优化的结果应用于实际生产，进而实现将技术转化为一定 的经济价值。 1 2 大型薄壁核电筒件加工的研究现状 1 2 1 国外研究现状 以焊接成型为成型方式的核电筒节在国外技术已较为成熟，其中以法国， 美国，日本的技术最为成熟。为保证核能的安全利用，以焊接方式成型，这就 对焊接的质量提出了新的高标准要求，所以本节中的国内外现状主要介绍国内 外焊接技术的改进和新的焊接技术。以焊接成型为成型方式的大型核电筒节加 工主要分为热加工和冷加工两个部分。热加工是指在钢板在经弯板机弯曲后的 焊接，冷加工是指焊后的车削加工。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 ) 筒体碾压成形技术 采用水压机将筒节均锻造，得到良好的组织和性能，缺点是制造周期长， 率较低。国外核电反应器筒节采用碾压成形技术。首先根据设备筒节的直径和 厚度对钢锭进行扩孔达到足够的直径，然后通过碾压机逐次扩径得到需要的尺 寸。相比于锻造，碾压技术可以得到更高的钢材利用率和更短的制造周期。国 外核电反应器的制造已经广泛采用碾压成形技术。 2 ) 焊接与堆焊技术 核电反应器的焊接包括内壁堆焊和母材焊接。母材的焊接已从原始的手工 转变为全自动焊接，坡口也采用了性能较好的窄间隙焊。宽焊和单层带堆取代 了双层堆焊，双丝窄间隙焊代替单丝自动焊，核电反应器的焊接技术日趋走向 成熟【2 】o 3 ) 双丝窄间隙焊接技术 由于机械化程度高、焊接熔深大和生产效率高，埋弧焊特别适合焊缝长， 板厚大的场合。广泛应用在核电设备、化工、锅炉与海洋结构、压力容器、工 程机械、桥梁、造船、冶金机械以及起重机械等制造中。通过共用一个电源， 双焊丝可以同时工作，当然也可分别用独立电源，采用不同极性和电流种类； 焊丝可分为并列式及串列式两种排列；焊丝问距的不同可将其分为共熔池和双 熔池两类【3 4 1 。 4 ) 多头堆焊技术及宽焊带堆焊工艺 多头堆焊是在一个反应器筒节上采用两个以上焊机同时进行堆焊作业。多 头堆焊主要解决两焊带中间搭接的问题，保证焊带搭接处过渡圆滑，堆焊层表 面平整，性能满足规范要求由于过渡层堆焊技术要求高，过渡层较少采用多头 堆焊。 5 ) 单层堆焊代替双层堆焊技术 目前国内基本上采用双层堆焊层来保证反应器的抗腐蚀性能。第一层为过 渡层，主要是保证堆焊层和母材的结合强度，表面为抗腐蚀层。双层堆焊的优点 为堆焊工艺成熟、堆焊质量容易得到保证，但焊材耗量大，反应器价格相对较 高。通过开发新型的堆焊材料和堆焊工艺，国外单层堆焊技术得到广泛应用约 占8 0 。 1 2 2 国内研究现状 筒件在国内主要由第一重型机械和第二重型机械两家公司生产加工。黑龙 哈尔滨理工大学工学颐士学位论文 江省于1 9 9 4 年提出该方面的科技攻关项目，由哈尔滨理工大学和第一重型机械 集团公司共同承担。经过科技攻关，最终在一定程度上解决了不锈钢筒节切削 加工问题。但新开发材质制造的筒节，在加工过程中出现了严重的断屑和刀具 粘结问题。为此，一重集团公司曾组织工艺攻关，但目前刀具粘结破损严重、 切屑难折断等技术问题还不同程度地影响着生产效率。因此，这在刀具方面主 要研究刀具槽型、刀具粘结及涂层上 5 。 中国二重锻造厂水压机车间于2 0 0 8 年成功锻造了该厂有史以来最大的一支 筒节，但却未曾成功制造出焊接成型的筒节。同年，世界首个用于第三代核电 蒸发器的改良型锥形简体在中国一重成功锻造下线。“米斗形”筒体的成功锻造 不仅体现了高难锻造技术的创新飞跃，而且是我国掌握第三代核电产品关键部 件制造技术的标志，对推进核电部件制造国产化具有重要意义。传统的锻造工 艺是先将简体锻造成“喇叭形”，再通过繁杂的后期加工达到筒体直段连接和两 端斜段的技术指标。这种方法不仅浪费材料，增大成本，而且工艺复杂，周期 长【6 o 2 0 1 0 年8 月，中国首台自主设计和制造的第二代核电百万千瓦级蒸汽发生 器，在上海电气临港核电产业制造基地制造成功，并于2 8 日下线发往辽宁红沿 河核电一期工程。该台百万千瓦级蒸汽发生器总长度达2 1 7 米，竖起时高度相 当于6 层楼房，总重量达3 4 5 吨，其内部装有u 型管等上万个各类精细零件， 是核电站最为关键的设备之一，对核电站安全至关重要。辽宁红沿河核电一期 工程是东北地区第一个核电厂和迄今最大的能源建设项目，建成后年发电量将 达3 0 0 亿千瓦时，相当于目前大连市年用电量的两倍。上海电气正增加投入8 4 亿元用于核电领域的产能扩建和技术提升。临港基地的核岛设备集成制造能力 将提升至年产4 至6 套蒸汽发生器、压力容器和稳压器，以及8 至1 0 套堆内构 件和控制棒驱动机构【7 。核电上的蒸汽发生器筒，如图1 1 所示。 图l 一1 核电上的蒸汽发生器筒 f i g 1 - ln u c l e a rp o w e rs t e a mg e n e r a t o rr o b e 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 以焊接为成型方式的大型筒件制造在国内技术相对不够成熟，目前还处于 研究阶段，但针对筒节焊接我国做了很多焊接技术改进，主要体现以下几个方 面： 1 ) 激光电弧焊接法 激光电弧焊产生于上世纪7 0 年代末期。电弧对工件进行预热，电弧被激光 吸引且工件大量吸收激光。在高速焊接条件下，激光t i g 焊可以增加熔透，得 到稳定电弧并改善焊缝成形。将激光集中在工件表面的电弧根部，并调整合适 的功率，可提高弧长较长时或电流较低时电弧的稳定性，可以在很大程度上增 加焊接熔深和焊接速度。当熔池最深处被激光束焦点照射时，表面下陷进而产 生低坑，便得到较大熔深。 2 ) 等离子m i g 焊 上世纪7 0 年代出现了电弧焊接的一种复合方法。在m i g ( 惰性气体保护金 属极电弧焊) 焊中，电弧、焊丝和熔池用氦气、氩气等来保护，电弧存在于工 件与焊丝之间。电离气体所包围着焊丝和电弧。使用方法保护效果好而且电弧 燃烧稳定，等离子体阴极的雾化隔离了空气与熔池的前端并清除了氧化膜，更 容易得到优质焊缝。 3 ) 双面双弧对称焊技术 双面双弧对称焊技术可彻底消除未焊透缺陷，最大限度地降低焊接变形。 周大中等根据绳索取芯钻杆焊缝内表面不得有余高的要求，提出了钻杆外等离 子弧焊( p a w ) 和钻杆孔内钨极氩弧焊( t i g ) 同时进行的p a w t i g 联焊方法， 尽管该工艺的适用范围很窄，但其焊接生产效率却非常可观。哈尔滨工业大学 的高洪明等对双t i g 电弧双面对称焊进行了研究，取得一定的研究成果。大庆 石油化工总厂机修厂在铝料仓的纵、环缝焊接中，采用了m i g - m i g 电弧内外侧 同步焊的技术，实践证明采用熔化极内外侧同步半自动氩弧焊的焊接方法，提 高了生产效率，保证了焊接质量，节省了焊接材料。 对于双面双弧非对称焊的研究相对而言较少，在公开的报道中，哈尔滨锅 炉厂和东方锅炉厂于1 9 9 3 年从日本三菱重工公司引进了双m i g 气体保护自动 焊，使其生产能力大幅提高，其工艺特点是采用双电源而且上下两枪一前一后。 南京晨光机器厂开展了双面t i g 焊的研究，它是从联邦德国引进的一种特殊焊 接技术，是由两名焊工分别在工件的正反面自上而下的同时进行垂直的手工钨 极氩弧焊，两枪间距保持一个熔池长度。利用电弧作用力和氩气吹力形成一个 向上的托力，并与熔池的表面张力对熔池起着支撑作用，从而防止了熔池金属 下淌而获得完美的焊缝，接口间隙大，焊接性好，减小了夹渣和气孔倾向，同 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 时提高了生产效率。 4 ) 电子束焊接 电子束焊接是一种高能束焊接方法，适合于不锈钢、铝合金等其它有色金 属及高强合金钢的焊接。非真空电子束由于电子束在大气中散射、能量损失等 原因，因而发展比较缓慢。哈尔滨焊接研究所提出了新型非真空电子束焊接方 法，即电子束等离子弧焊接。它采用电子束与等离子弧相串联，叠加起来进行 焊接，电子束通过真空和等离子枪的阴极进入大气，穿过等离子弧以后熔化金 属，进行焊接。这样可以减小电子束能量损失，也有助于等离子弧稳定，等离 子弧可以很好的保护焊接熔池，并作为附加热源，可预热工件，有助于改善焊 缝成形，增加熔深。 1 3 控氮奥氏体不锈钢材料性能 以焊接成型为成型方式的大型核电筒节加工主要分为热加工和冷加工两个 部分。热加工是指在钢板在经弯板机弯曲后的焊接，冷加工是指焊后的车削加 工。本文的主要研究内容为焊接工艺的优化和切削刀具的优选，这两方面都和 材料的性能息息相关。大型薄壁核电筒件的材料为控氮奥氏体不锈钢，所以在 本章中着重介绍了控氮奥氏体不锈钢的材料特性。 控氮0 c r l 9 n i l 0 奥氏体不锈钢是近2 0 年来发展起来的新钢种。其发展的驱 动力是解决0 c r l 8 n i 9 钢在b w r ( 沸水核反应堆) 运行中出现i g s c c ( 晶间应力腐 蚀) 破裂事故问题，提高反应堆安全运行的可靠性，此外也为压水核反应堆的 堆内构件等提供更好的材料，在研究开发过程中，以既保持0 c r l 8 n i 9 的强度水 平又具有0 0 c r l 9 n i l 0 的耐晶间腐蚀性能，同时又不违背长期工作所建立起来的 核规程作为研究开发的技术思想。在充分考虑上述3 个条件的基础上，通过加 上适量的氮，可以提高钢的强度，改善钢的耐晶间腐蚀性能，并可提高钢具有 与超低碳奥氏体钢相同抗敏化能力的碳含量。于是产生了控氮0 c r l 9 n i l 0 新钢 种，在美国、日本称核级3 0 4 即3 0 4 n g ( n u c l e a rg r a d e ) 核级，在法国称 z 2 c n l 9 1 0 。在我国，结合实际工程需要，在国外研究基础上，在2 0 世纪8 0 9 0 年代开发了这一钢种，简称控氮3 0 4 ，即控氮0 c r l 9 n i l 0 。 1 3 1 化学成分 控氮0 c r l 9 n i l 0 的化学成份，如表1 1 所示。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 表1 1 控氮0 c r l 9 n i l 0 和0 0 c r l 9 n i l 0 钢的化学成分( 质量分数) t a b l el 一1c o n t r o ln i t r o g e n0 c r l 9 n i l 0a n d0 0 c r l 9 n i l 0s t e e lc h e m i c a li n g r e d i e n t s 标准cs im n p sc rn in c o c u 中国技术 0 0 3 墨1 0 q 0 s 0 0 3 0 0 21 8 5 2 0 9 0 1 0 o 0 6 0 1 0 0 条件 500000o28 r c c m z 2 c n l 9 郢0 3冬1 0立0 0 0 4 s 0 0 3 1 8 5 2 0 9 0 1 0 0 2s 1 0 1 0 5000000 0 0 8 00 美国 0 0 3s 1 0 2 0 5 0 0 40 0 3 1 8 0 2 0 9 o 1 3 0 0 6 0 1 3 0 4 n g00000000 s 0 0 2s 1 05 2 0 2 1 0 三4 0 _ 1 0 0 1 5 0 m m2 0 5 2 0 2 1 02 4 0 _ 1 0 0 s 1 5 0 r a m 3 5 0 1 2 5 热交换器 纵向 2 0 5 2 0 2 1 0 4 0 冷加工管 3 5 0 1 2 5 2 0 5 1 0 2 1 0 三3 5 _ 1 2 0 挤压管 - 3 5 0 1 3 0 棒材 2 0 4 6 0 2 1 0 三4 0 1 0 0 1 5 0 r a m2 0 5 2 0 1 2 5 板材 2 0 5 2 0 2 l o 兰4 5 _ 1 2 0 3 m2 0 _ 5 2 0 2 1 0 之4 0 1 2 5 6 一 表1 - 3 控氮0 c r l 9 n i l 0 力学性能实测值 t a b l e l - 3c o n t r o ln i t r o g e n0 c r l 9 n i l 0m e c h a n i c a lm e a s u r e dp r o p e r t i e s 产品类热处温度 口x j c m 型 理 仃6 m p a 仃o 2 m p a 6 s | 沙 - 2 2 05 8 52 8 56 2 58 3 2 9 3 固溶 锻件 3 0 04 2 31 7 94 6 58 l 退火 3 5 04 2 01 4 54 68 0 2 05 9 53 0 75 0 57 32 8 l 5 0 r a m 固溶 3 0 04 4 51 7 94 07 4 板退火 3 5 0 4 4 0 1 4 6 3 86 8 1 8 r a m 固溶 2 06 2 02 9 05 77 8 板退火 3 0 04 4 21 7 74 27 7 7 r a m固溶 2 06 1 02 6 55 6 5 板退火 3 0 04 5 51 8 64 27 7 c p l 8 m 固溶 2 06 1 03 0 26 0 m 2 5 退火 3 0 04 5 51 7 83 8 5 m m 管 ( d 1 8 5 m 固溶 2 06 0 02 8 56 18 02 9 0 m 退火 3 0 04 2 91 9 63 67 0 ，- 圆管 1 3 3 耐蚀性能 1 ) 均匀腐蚀 控氮0 c r l 9 n i l 0 钢在酸、碱、盐等介质中耐均匀腐蚀性能与0 0 c r l 9 n i l 0 相 当，具体数据可参考o c r l 8 n i 9 和0 0 c r l 9 n i l 0 地均匀腐蚀性能数据。 2 ) 点腐蚀 控氮o c r l 9 n i1 0 板材和锻件在5 0 、6 氯化铁和o 0 5 n h c l 溶液中的点腐 蚀试验结果如表1 3 所示。 3 ) 耐晶间腐蚀性能 控氮o c r l 9 n 订。钢在标准规定的敏化条件下具有良好的耐晶间腐蚀性能。 在6 5 0 2 h 空冷和7 0 0 x 3 0 m i n 以l m i n 冷到5 0 0 。c 再空冷( b 处理) ，两种 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 敏化条件下的r a 值分别为2 5 0 和9 6 9 。对于1 8 8 型奥氏体不锈钢的再活 化率 1 5 可认为无晶间腐蚀倾向【乳9 1 。 表1 4 控氮0 c r l 9 n i l 0 ( 3 0 4 n g ) 在5 0 c ，6 f e c l + o 0 5 n h c l 的耐点蚀性能 t a b l e l - 4n i t r o g e n0 c r l 9 n i l 0 ( 3 0 4 n g ) 5 0 。c ，6 f e c lo f + 0 0 5n h c lt h ep i t t i n gr e s i s t a n c e 腐蚀率绝c m 一h 。 试验材料牌号点蚀特征 单个值平均值 表面约有3 4 个较大的蚀坑不均 3 0 4 n g 板材 a l1 2 7 0 匀分布，尺寸小于l o m m x 3 m m 不 ( 国产) a 31 5 0 91 3 8 9 等，呈长条形和三角形蚀坑，无 穿透孔。 g 11 3 4 2 表面约有4 - - - 5 个蚀坑不均匀分 3 0 4 n g 板材布，尺寸 g 21 0 2 5 ( 法国) 1 2 0 3 小于1 0 m m 3 m m 不等，呈圆形和 g 31 2 4 2 三角形蚀坑，无穿透孔。 f l5 4 0 7 表面细小点蚀坑均匀密布，蚀坑 0 c r l 8 n i l 0 t i5 2 - 3 5 尺寸小于q l 。5 m m 不等，呈圆形 f 25 0 6 3 蚀坑，无穿透孔。 d l1 3 1 9 表面约有1 0 多处l m m x 7 m m 至 国产3 0 4 n g l m m x1 2 r a m 的条状浅蚀坑和2 0 d 21 5 6 0 锻件 1 3 9 7多个针点蚀坑不均匀分布，无穿 d 31 3 1 3 透孔。 f l4 9 7 2 表面布满底宽l - - - 2 m m 高2 7 m m 0 c r l 8 n 订0 t i f 25 2 6 l 的三角形深坑4 0 多个和多个针 锻件 5 0 4 5 f 34 9 0 l 点蚀坑不均匀分布，无穿透孔。 4 ) 耐应力腐蚀破裂性能 水质条件为含2 0 1 0 _ 6 c l 一的去离子水( p h = 7 ，比电阻p = 5 x 1 03 q m ) 和 3 0 0 。c ，饱和蒸汽压力为8 8 m p a ，溶解氧的质量分数为8 x 1 0 6 ( 饱和氧) 的高 纯水，拉伸速度为0 0 0 5 m m m i n ( 应变速度e = 4 2 x 1 0 _ 6 s 1 ) ，钢的应力腐蚀敏感 指数如表l 一4 所利1 0 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 3 4 工艺性能 控氮0 c r l 9 n i l 0 钢具有良好的冶金工艺性能，其热、冷加工性能同于 0 0 c r l 9 n i l 0 ，可提供锻件、棒材、板材、管材等冶金产品。钢的热变形温度区 间以l0 5 0 12 5 0 。c 为宜，控氮0 c r l 9 n i l 0 钢的固溶退火制度为l0 0 0 一- 10 8 0 。c ， 保温一定时间后( 视截面尺寸而定) 进行水冷或空冷。固溶处理后的组织为奥氏体 基体+ 少量铁素体或纯奥氏体，经固溶处理的钢具有良好的力学性能和耐蚀性。 控氮0 c r l 9 n i l 0 钢具有与0 0 c r l 9 n i l 0 相同的焊接性能，可采用各种方法焊接， 既不需焊前预热也不需焊后热处理，焊接材料可采用3 0 8 l 焊条和3 0 8 l 焊丝， 焊接焊头和熔敷金属的性能近于母材1 1 1 】。 1 4 大型薄壁核电简件加工难点 大型核电筒件内径达4 m ，高度达7 m ，重量约为3 0 吨，而筒件的壁厚只有 5 0 m m ，实体图如图1 2 所示。大型核电筒件的加工包含热加工和冷加工，即筒 件的焊接和筒件的切削。 其加工难点可分为以下各方面： 1 ) 筒节体积大，在焊接过程中容易产生应力分布不均，进而产生焊接变形， 由于筒件为核电设备的核心内构件，在高温高压的环境下进行使用，采取焊接 成型，对筒件的焊接质量同时也提出了更高的要求。 2 ) 对热加工由于奥氏体不锈钢导热系数小而热膨胀系数大，加之吊篮筒节 尺寸大散热性能较差，焊接时易于产生较大的变形和焊接应力。由于焊缝的存 在，在切削的过程中刀具存在冲击，对刀