本發(fā)明涉及一種核電站穩(wěn)壓器筒體電熔成形方法。

背景技術：

穩(wěn)壓器是核電站一回路系統(tǒng)中核心設備之一,是穩(wěn)定一回路壓力和溫度的關鍵構件。隨著核電工作環(huán)境和極致的安全要求,對穩(wěn)壓器設備材料制備工藝要求愈來愈高。

設備用材料采取ASME標準SA508Gr3Cl2或RCC-M標準18MnD5低合金高強度鋼(中國對應標準20MnMoNi)，為保證材料質量要求，目前穩(wěn)壓器筒體構件已由原先的鋼板卷焊全部改為鍛制，并后續(xù)熱處理和機加工最終成形。以AP1000為例,整個穩(wěn)壓器主體部分分為5個材料構件，其中筒體部件分3個部分外加上下封頭，各部分單獨制造后整體組焊。

典型材料在鍛造基礎上經受淬火回火熱處理（一般中間還要經受一次甚至以上的正火回火熱處理,用以擴散殘氫,細化晶粒,為最終熱處理作準備），可以獲取強度和韌性綜合性能優(yōu)越的回火馬氏體材料組織。此方法在生產中被廣泛應用，也能夠滿足質量要求,但對于逐漸增大的材料部件單體的需求，鍛造尤其是熱處理時容易出現宏觀材料相組織很不均勻等問題。工藝復雜、化學與力學性能控制難度大，也造成質量穩(wěn)定性差，廢品率高。同時從該工藝最終的晶粒測度結果看，一般只在5-7級左右，對目前研發(fā)生產中所希望的通過進一步細化晶粒來提高力學性能尤其是強度和韌性綜合性能的目的,該工藝有很大的瓶頸。

另外,穩(wěn)壓器設備所采用的分段材料鍛制并拼焊組成的方式，割裂了機械纖維的連續(xù)走向，極大的影響材料的力學性能和容器設備的安全性。并且也極易引起制造工期拖延，增加了成本。

因此,如何能夠研發(fā)出穩(wěn)壓器所需的細晶粒、均組織，且綜合力學性能良好的材料和整體成形方法是該類新材料研發(fā)需攻克的難點和重要發(fā)展方向。

技術實現要素：

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于，提供一種高效、低成本、具有良好力學性能的核電站穩(wěn)壓器筒體電熔成形方法。

為達到上述目的，本發(fā)明的核電站穩(wěn)壓器筒體電熔成形方法是采用電弧熱、電阻熱、電渣熱復合而成的高能熱源，熔化連續(xù)輸送的金屬原料絲材，在基材上逐層凝固堆積成形制造金屬構件；

將電熔頭與基材接至電源兩極，成形時金屬原料絲材經由輸送機構和電熔頭送至基材表面，在顆粒狀輔料的堆積保護下，原料絲材與基材間產生電弧，熔化部分堆敷輔料形成熔融渣池，電流流過原料絲材和熔融輔料渣池形成電阻熱和電渣熱，在電弧熱、電阻熱、電渣熱三種熱復合高能熱源作用下使原料絲材熔化，在基材表面形成局部熔池，持續(xù)輸送原料絲材與輔料，根據成形構件的分層切片數據，采用計算機控制電熔頭與基材的相對移動，實現熔池在基材上快速冷卻逐層凝固堆積，最終逐層堆積成形穩(wěn)壓器筒體。

在本發(fā)明中，根據不同核電機組要求，成形的穩(wěn)壓器筒體直徑2-3米，長度3-12米。

在本發(fā)明中，成形所用原料絲材是為穩(wěn)壓器構件而特殊制備的低合金鋼材料，原料絲材直徑2-8mm，C含量0.11-0.15%，成形后工件C含量0.05-0.10%，工件晶粒度9-10級。

在本發(fā)明中，電源參數中的電流為200A～2000A，電壓為20V～50V，電源可以是直流或交流電源，在使用直流電源時，電熔頭可接正極或負極。

在本發(fā)明中，控制基材或堆積金屬預熱與層間溫度為120~450℃，電熔頭與基材的相對移動速度為300～800mm/min，實現熔池的快速凝固，從而獲得晶粒細密、無宏觀偏析、組織均勻的材料，極大的改善成形工件的塑性、韌性和高溫蠕變等力學性能。

在本發(fā)明中，在逐層成形的過程中，原料絲在下層金屬表面形成熔池，熔滴以射流形態(tài)進入熔池后凝固使兩層金屬形成一體，實現分層成形，整體融合，保證了成形金屬構件的整體性能。

在本發(fā)明中，單個電熔頭對原料絲材熔化效率為20～50Kg/h，另外為提高堆積效率實現快速成形，電熔頭的數量可以按需要調整為1～100個，當多電熔頭排布時，相鄰電熔頭間距為50～500mm。

在本發(fā)明中，所述基材可以為圓筒狀或圓柱狀，壁厚不小于5mm。（其軸線）水平配置，通過控制基材的轉動以及電熔頭在基材軸向和徑向上的相對移動實現逐層堆積。基材可以是308不銹鋼材料或者是碳鋼或合金鋼材料，當為308不銹鋼材料時，可作為異種材料連接合成工件,為碳鋼或合金鋼材料時可在后續(xù)機加工中去除。

本發(fā)明擺脫了復雜的工裝、模具和專用工具的約束；成形即為近凈形坯件，生產后只需少量精加工，大大簡化加工工序，縮短產品周期；所成形工件具有媲美傳統(tǒng)鍛造工藝的力學和化學性能，強度、韌性、耐蝕等性能均十分突出；同時實現了穩(wěn)壓器筒體的整體成形,突破了傳統(tǒng)鍛造工藝技術的局限,大大提高了效率,節(jié)省了成本。

附圖說明

圖1為用于說明具體實施方式中的電熔成形方法的原理圖；

圖2為圖1中A所示位置附近的局部放大圖；

圖3為用于說明實施例中的穩(wěn)壓器筒體成形方法的示意圖。

具體實施方式

下面參照附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行說明。圖1為用于說明具體實施方式中的電熔成形方法的原理圖；圖2為圖1中A所示位置附近的局部放大圖。由于是原理圖，因而，圖中部件是示意性的，其實際形狀與尺寸關系不受圖示限制。

該成形方法是將原料絲材1熔化而逐層（圖2中所示為堆積至第N層時的狀態(tài)）堆積在基礎材2上，從而最終形成所需的金屬構件。

具體實施工序為：

A．送絲機構5將原料絲材1送至放置于工作臺21上的基材2的表面，其上覆蓋由送粉機構4輸送的顆粒狀輔料。

B．啟動電源12，電源電壓使原料絲材1與基材2間形成電弧9產生電弧熱，電弧熱使部分輔料3熔融，形成輔料渣池8，電流經由電熔頭6流過原料絲材1形成電阻熱，并通過熔融渣池8形成電渣熱，三種熱源復合而成高能熱源，熔化原料絲材，在基材2表面形成熔池11。

C. 控制電熔頭6與基材2的相對移動和基材2的溫度，實現熔池11與基材換熱凝固沉積。

D．送絲機構5與送粉機構4持續(xù)輸送原料絲材1和輔料3，在輔料3覆蓋熔池11和基材2的狀態(tài)下，原料絲材1逐層堆積在基材2上，最終成形工件。

其中，控制裝置（計算機）根據成形工件的（數值模擬、數學模型）分層切片數據控制電熔頭6與基材2的相對移動方式。

在本發(fā)明圖示中電熔頭電極接正，工件接負只作示意作用，也可以電熔頭接負，工件接正，或采取交流電源。

在本發(fā)明中，為了保證形成良好的高能熱源，尤其是為了產生充分的電渣熱，可以適當地調節(jié)輔料的成分、原料絲材的直徑、電流、基材與原料絲材的相對移動速度等參數。

在本發(fā)明中，原料絲1的形態(tài)可以是圓棒狀、帶狀，實芯或者藥芯的；原料絲1的直徑可以根據成形工件的尺寸設定為2~8mm；根據絲材1直徑不同，伸出電熔頭的長度（通電長度）為20mm～150mm。

在本發(fā)明中，輔料3覆蓋厚度為15mm～120mm，使用輔料3的作用包括：覆蓋電弧9，防止電弧飛濺；覆蓋熔池11，隔絕空氣，使熔池金屬免受空氣中氧、氮、氫等的侵害；對熔池金屬形成保溫；冶金反應過程中去除雜質、摻入合金；形成的渣池8（渣殼7）以機械方式保護沉積金屬10良好成形等。

輔料3的成分包含氧化物或者氧化物與鹵化物，由于輔料3參與熔池反應，調整工件（金屬構件、產品）成分，因而根據所要形成的金屬構件的成分和效率要求，可以在輔料中添加合金粉末以及/或者單質金屬粉末，降低生產成本。

另外，在C工序中，可以附帶回收殘余輔料以及去除渣池8凝固而形成的渣殼7的操作。去除時，可以在原料絲1的相對移動后方400mm~500mm處開始機器去除或人工去除作業(yè)。

采用本實施方式的電熔成形方法，原料絲利用率接近100%；相比現有的加工技術（鍛造、鑄造等），制造工序少（不需要復雜的熱處理），周期短，效率高，金屬構件的機械加工余量非常小，同時減少了精加工時間及節(jié)約了大量的材料。

【實施例】

本實例描述通過臥式電熔成形方法制作CAP1400核電穩(wěn)壓器筒體的整體成形過程，傳統(tǒng)工藝中該筒體內壁堆焊厚度約8mm的308不銹鋼層，穩(wěn)壓器筒體壁厚約125mm，所使用的設備包括：

（1）回轉支撐臺；

（2）電熔電源；

（3）電熔頭；

（4）自動送絲裝置；

（5）輔料自動輸送與輔料自動回收裝置；

（6）加熱裝置；

（7）冷卻裝置；

（8）基材；

（9）中央控制裝置。

圖3為用于表示本實施例的電熔成形方法的示意性說明圖，圖中省略了電源、自動送絲裝置等裝置。材料電源參數如下：

1）原料絲材101（C:0.12-0.14%,其它元素與SA508-3一致）、直徑4mm；

2）特殊研制的輔料301，成分為29.5%CaO+MgO；30%AL2O3+MnO； 20.5%SiO2+TiO；20%CaF2；

3）電熔頭數量：39個電熔頭601，電熔電源為直流電源，采用電熔頭601接電源負極，基材201接電源正極；

4）電熔工藝參數為：電熔電流800A，電熔電壓38V，電熔頭601與基材201相對移動速度500～600mm/min（熔池移動速度）。

采用金屬構件電熔成形方法制作環(huán)形金屬構件，其實施步驟如下：

（1）將圓筒形的基材201的軸線水平配置，并支撐在回轉支撐臺上，將39個電熔頭以約300mm的間距（中央控制裝置確定精確位置和移動）平均橫向布置在基材201的上方，且調整好每個電熔頭與基材201表面（外周面）的距離，并選取電熔的起點；

（2）將原料絲材101與輔料送至基材201表面，啟動電源，導入高能熱源，熔化原料絲材及輔料，同時轉動基材201，開始每個電熔頭第一層第一道（每一層由軸向排列的多道構成）的電熔沉積；

（3）當電熔頭601與電熔起點之間形成一段距離后，開始啟動輔料回收裝置將其未熔化的輔料收回，露出渣殼并將其清除，以便于下一道的電熔沉積（堆積）；隨后啟動冷卻裝置或加熱裝置對電熔沉積金屬進行冷卻或加熱，將其基體（第一層時是指基材201，其他層時是指前一層堆積金屬）的溫度控制在200～300℃；

（4）當基材201轉動一圈完成第一道電熔沉積時，在控制裝置的控制下，所有電熔頭201同時往左直線移動3/4熔道寬度距離，同時調整各電熔頭601與基材201的表面之間的距離，以保證電熔的穩(wěn)定性，之后開始第一層第二道的電熔沉積成形，此過程中要保證其左右圈道間搭接良好；

（5）當第二道完成后，重復步驟（4）再完成其它的電熔沉積道的成形，當達到最后一道時，其相鄰電熔頭的最后一道結束點與第一道起點要搭接良好，以至完成第一層的電熔沉積；

（6）當完成第一層的電熔沉積后，所有電熔頭自動提升一層沉積厚度（即層后）之高度，開始第二層的第一道電熔沉積，第一層電熔頭的結束點即為第二層第一道的開始點，連續(xù)沉積；

（7）當第二層第一道電熔沉積完成后，所有電熔頭同時往右直線移動3/4熔道距離，同時各電熔頭自動調整其與基材之間的距離，以保證電熔的穩(wěn)定性，開始第二層第二道的電熔沉積，使其左右圈道間搭接良好；

（8）當完成第二層第二道電熔沉積完成時，重復步驟（7），再完成其它的電熔沉積道，當達到最后一道時，其相鄰電熔頭的最后一道結束點與第一道起點要搭接良好，以至完成第二層的電熔沉積；

（9）重復步驟（6）至步驟（8），再完成其它電熔沉積層，此過程中，相鄰電熔沉積層電熔頭的移動方向可以相反，最終連續(xù)電熔沉積形成穩(wěn)壓器筒體。

電熔成形后，不銹鋼基材201成為了穩(wěn)壓器筒體的一部分，實現了異種材料直接連接成形，從而改變了傳統(tǒng)工藝在鍛造SA508-3筒體后再在其內壁堆焊308不銹鋼的制造方式，減少了工藝工序，提高了工作效率和質量，也可用普通碳鋼在后續(xù)機加工中去除。

按照傳統(tǒng)鍛造工藝，穩(wěn)壓器筒體分為3段（上中下三段），分別鍛制再整體組焊而成，而本實施例由于是多個（39個）電熔頭并排排布整體成形，極大的提高了成形效率；自然也可以根據客戶要求調整電熔頭數量和排布，分段成形。