包层第一壁等温正反复合挤压和真空扩散焊复合制造方法

摘要

本发明公开了一种包层第一壁等温正反复合挤压和真空扩散焊复合制造方法，其特征是首先将初始横截面为矩形的板坯通过弯曲成形为预成形U形件；然后对于预成形U形件，采用等温精密塑性成形工艺正反复合挤压成形为双向敞口的H型截面U形件作为第一构件；对于预成形U形件采用等温精密塑性成形工艺单向挤压成形为单向敞口的U型截面U形件作为第二构件；最后采用真空扩散焊接将第一构件以敞口相对两两对焊；将第二构件与处在两端位置上的第一构件以敞口相对进行封装焊接，成形出包层第一壁。本发明方法成形的包层第一壁形状尺寸精度高、壁厚均匀、流道截面无畸变、流道和焊缝组织性能好、材料利用率和生产效率高、工艺稳定。

说明书

本申请是申请日为20150213、申请号为2015100808041、发明名称为包层第一壁等温正反复合挤压和真空扩散焊复合制造工艺、申请人为合肥工业大学的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种包层第一壁等温正反复合挤压和真空扩散焊复合制造工艺，属于材料加工技术领域。

背景技术

聚变堆包层是未来聚变堆部件的核心，是进行中子能量的沉积转换以及氚增殖和屏蔽的关键部件。第一壁是包层模块中的一个重要部件，作为包层结构直接面向高温等离子体的部件，所处的环境最为恶劣，要直接承受来自等离子体的高热负载0.5MW/m²和强中子壁负载0.78MW/m²，壁管道通入300℃、8MPa的氦气，温度和压力都较高，需要有优异的高温力学性能。而且包层第一壁内部流道结构复杂，为保证流动连续，避免热载局部升温，损伤部件，尺寸精度要求较高，同时需要满足与其它结构件的焊接匹配要求。因此，对该部件制造工艺提出了极高的要求。

目前国际热核聚变实验堆ITER实验包层模块TBM采用的结构材料大多为低活化钢，但其室温塑性较差，成形困难。对于包层第一壁，传统的加工工艺为将矩形管和内外平板通过热等静压扩散焊接为一体的三明治法工艺。该工艺认为是目前制造低活化钢包层第一壁的比较好的工艺方法。但该方案中的先弯后焊工艺管件弯曲会造成一定程度的流道畸变，而且U型弯角经热等静压扩散焊接后出现二次自由变形，造成尺寸精度降低；而先焊后弯工艺导致整体焊接件弯曲产生的流道畸变无法进行后期校正。其它的制造工艺主要是通过铣槽、焊接、折弯等工艺按不同顺序进行复合来实现。但目前制造工艺存在材料利用率和生产效率低、流道组织性能较差、尺寸精度低、工艺不稳定等缺陷。热等静压扩散连接工艺尽管在试验包层模块第一壁的组装中得到了应用，但该工艺必须在密封的环境下，对待焊件要求很高，且焊接过程中会发生焊缝的二次自由变形，无法对其成形精度进行控制。

发明内容

鉴于上述传统生产工艺上存在的一些不足和局限性，本发明提供包层第一壁等温正反复合挤压和真空扩散焊复合制造方法，是一种包层第一壁成形成性一体化制造方法，以期提高包层第一壁的形状尺寸精度，消除矩形流道存在的截面畸变、壁厚偏差的不足，改善显微组织，保证流线沿轮廓的完整性，进一步提高其力学性能，并同时提高材料利用率和生产效率。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明包层第一壁等温正反复合挤压和真空扩散焊复合制造工艺的特点是：

采用垂直工艺拆分方案，将包层第一壁的矩形流道进行上下拆分形成H型截面，仅在上下封口部分形成U型截面，以保证成形工艺的稳定性；

采用等温精密塑性成形工艺分别制造包层第一壁的H型截面U形件和U型截面U形件，以保证矩形流道等截面、等壁厚、端面平整、流线沿轮廓分布完整、组织细化；

采用真空压力扩散焊接工艺，将多组H型截面U形件和两端U型截面U形件进行整体一次连接，控制焊缝处的变形量和连接强度，成形出包层第一壁。

本发明包层第一壁等温正反复合挤压和真空扩散焊复合制造工艺的结构特点也在于：采用等温正反复合挤压工艺制造包层第一壁的H型截面U形件流道，采用等温单向挤压成形出U型截面U形件。

本发明包层第一壁等温正反复合挤压和真空扩散焊复合制造方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1：将初始横截面为矩形的板坯通过弯曲成形为预成形U形件；

步骤2：对于所述预成形U形件，采用等温精密塑性成形工艺正反复合挤压成形为双向敞口的H型截面U形件作为第一构件；对于所述预成形U形件采用等温精密塑性成形工艺单向挤压成形为单向敞口的U型截面U形件作为第二构件；

步骤3：采用真空扩散焊接将第一构件以敞口相对两两对焊；将第二构件与处在两端位置上的第一构件以敞口相对进行封装焊接，成形出包层第一壁。

本发明包层第一壁等温正反复合挤压和真空扩散焊复合制造方法的特点也在于：在所述步骤3中将多组第一构件整体一次连接。

本发明包层第一壁等温正反复合挤压和真空扩散焊复合制造方法的特点也在是：在所述步骤3中同时采用两个第二构件分别对于处在两端位置上的第一构件以敞口相对进行一次整体封装焊接。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明采用等温正反复合挤压和真空扩散焊复合制造工艺，将板坯直接成形出聚变堆试验包层模块第一壁，能够提高形状尺寸精度，消除现有制造工艺中存在的矩形流道截面发生畸变、壁厚存在偏差等不足。

2、本发明采用等温正反挤压复合成形工艺制造H型截面U形件，能够改善流线分布、细化显微组织、提高力学性能，避免了现有的采用铣槽方法加工矩形流道的工艺造成的金属流线被切断引起的力学性能下降的不足。

3、本发明采用等温正反挤压复合成形工艺制造H型截面U形件，一次成形生产两个试件，比现有的铣槽工艺大大提高了材料利用率和生产率。

4、本发明采用真空扩散焊接工艺对H型截面U形件进行对焊，克服了传统的熔焊方式导致的焊缝过密、热应力过大的不足。

5、本发明采用真空扩散焊接工艺对多组H型截面U形件进行对焊，并且采用两个U型截面U形件进行封装焊接，可以在保证产品形状尺寸精度的条件下实现多组焊接面的整体扩散连接，避免现有的热等静压扩散焊工艺对密封环境和待焊件要求很高、焊接过程中会发生的二次自由变形、截面变形等缺陷。

附图说明

图1为本发明中包层第一壁成形过程示意图；

图2为本发明中包层第一壁中H型截面U形件等温正反复合挤压工艺示意图；

图3为本发明中包层第一壁中U型截面U形件等温单向挤压工艺示意图；

图中标号：1.板坯，2.预成形U形件，3.H型截面U形件，4.U型截面U形件，5.试验包层模块第一壁真空压力扩散焊装配体，6.包层模块第一壁，7.第一构件上模，8.下模，9.顶出块，10.第二构件上模。

具体实施方式

本实施例中包层第一壁等温正反复合挤压和真空扩散焊复合制造工艺是：

采用垂直工艺拆分方案，将包层第一壁的矩形流道进行上下拆分形成H型截面，仅在上下封口部分形成U型截面，以保证成形工艺的稳定性。

采用等温精密塑性成形工艺分别制造包层第一壁的H型截面U形件和U型截面U形件4，保证流道等截面、等壁厚、端面平整、流线沿轮廓分布完整、组织细化；具体采用等温正反复合挤压工艺制造包层第一壁的H型截面U形件3流道，采用等温单向挤压成形出U型截面U形件。

采用真空压力扩散焊接工艺，将多组H型截面U形件和两端U型截面U形件进行整体一次连接，控制焊缝处的变形量和连接强度，成形出包层第一壁。

参见图1、图2和图3，本实施例中试验包层模块第一壁等温正反复合挤压和真空扩散焊复合制造方法是按如下步骤进行：

步骤1：折弯，是将初始横截面为矩形的板坯1通过弯曲成形为预成形U形件2。

步骤2：成形，对于预成形U形件2，采用等温精密塑性成形工艺正反复合挤压成形为双向敞口的H型截面U形件3作为第一构件；对于预成形U形件2采用等温精密塑性成形工艺单向挤压成形为单向敞口的U型截面U形件4作为第二构件，该工艺可以保证矩形流道壁厚均匀、端面平整、流线沿轮廓分布完整、组织细化。

步骤3：焊接，是采用真空扩散焊接将第一构件以敞口相对两两对焊，多组第一构件整体一次连接，实现试验包层模块第一壁矩形流道的连接，在保证焊缝尺寸精度的同时提高焊缝的连接强度；再将两个第二构件分别与处在两端位置上的第一构件以敞口相对进行一次整体封装焊接为试验包层模块第一壁真空压力扩散焊装配体5，控制焊缝处的变形量和连接强度，从而成形出试验包层模块第一壁6。

本实施例中，由于试验包层模块第一壁6采用的结构材料为低活化钢，其室温塑性较差，成形困难。本发明采用等温精密塑性成形工艺，对于低塑性难变形的材料能够获得理想的塑性变形能力，改善材料的流动和充填型腔能力。

具体实施中，是将试验包层模块第一壁6的矩形流道采用垂直拆分的方式，拆分成四个H型截面U型件和两只U型截面U型件；H型截面U型件的筋高比传统的U形截面U型件减小了一半，且对称分布，降低了金属流动阻力，改变了金属的流动方向，型腔较易充填完整，能够避免成形缺陷，提高成形质量。同时，考虑到载荷的对称性和提高生产效率，可以采用一次成形两个U形件的成形方式，即将图2所示的模具和坯料，在U形件开口侧对称再放置一套，一次成形两个，形成一个中间不连通的长方形框。这一方法能够提高生产率，平衡载荷。

图2所示为本实施例中试验包层模块第一壁中H型截面U形件3等温正反复合挤压工艺示意图。在正反复合挤压过程中，下模8和顶出块9固定不动，第一构件上模7下行，成形出H型截面U型件3，在成形结束之后，顶出块9上行，将H型截面U型件3顶出。

图3所示为本实施例中包层第一壁中U型截面U形件4等温单向挤压工艺示意图。在单向挤压过程中，下模8和顶出块9固定不动，第二构件上模10下行，成形出U型截面U型件4。

本实施例中：板坯是从低活化钢板上加工出来的初始坯料，等温精密塑性成形工艺指坯料在精密塑性成形过程中，模具温度始终接近或等于坯料的变形温度，真空扩散焊接是指在真空环境中，将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散形成联接的焊接方法。

本发明采用等温正反复合挤压与真空压力扩散焊工艺相结合，将板坯直接成形出聚变堆试验包层模块第一壁，避免了传统工艺材料利用率和生产效率低、流道组织性能较差、尺寸精度低、工艺不稳定等缺陷。由于采用等温正反复合挤压工艺，因此成形零件形状尺寸精度高、壁厚均匀、流道截面无畸变。同时，由于采用真空压力扩散焊工艺进行整体对焊，流道和焊缝组织性能好、材料利用率和生产效率高、工艺稳定，具有很好的应用价值和发展前景。

按现有设计的试验包层模块第一壁是由很多组矩形流道组成的，本实施例中只是针对其典型结构提供一种成形方法，实施例中按部分流道形式进行表达。