林法振 杜 康

(山東核電設備制造有限公司技術中心，山東 海陽265118)

核電站永久性堆腔密封環(huán)，介于反應堆壓力容器密封邊與燃料池墊板之間，為一圓形水密封裝置。該裝置既可以阻止水浸入反應堆腔，也可以吸收反應堆壓力容器徑向和垂向的膨脹。永久性堆腔密封環(huán)由6段相同的弧形結構組成，該結構是一種L型截面高精度長弧形不銹鋼薄板焊接件。

傳統(tǒng)防變形裝置只能對較規(guī)則板進行焊接剛性固定，難以同時完成對薄壁弧形結構的高精度組對、焊接變形控制及通過一次裝夾對工件進行多方位焊接等功能。因此，文中重點對堆腔密封環(huán)弧形結構防變形裝置進行設計，在對堆腔密封環(huán)弧形結構制造工藝進行分析的基礎上，結合堆腔密封環(huán)弧形結構組對精度高、焊接變形大、尺寸精度要求高、翻轉(zhuǎn)焊接困難等問題，設計出一種滿足其制造要求的防變形焊接工裝。

1 堆腔密封環(huán)產(chǎn)品結構及難點分析

堆腔密封環(huán)弧形結構實體見圖1。

堆腔密封環(huán)弧形結構由水平弧形板、垂直弧形板、支撐板1、支撐板2組焊而成，其截面圖如圖2所示。該弧形結構在焊接過程中存在如下工藝難點：

(1)焊前組對精度高，兩厚度為3 mm薄板棱與棱之間組對成一條長度約3 000 mm的弧線，并保證兩板間角度為90°(0，+0.45°)，難度大。

(2)工件焊縫多，在總長約350 mm、厚度為3 mm的橫截面上，需焊接5條角焊縫，剛性差，容易變形。

(3)尺寸精度高，不易保證。

如圖1、2所示，組件焊接完畢，應保證：①在弧長3 000 mm×寬度135 mm×厚度3 mm平面上，平面度控制在1.5 mm之內(nèi)；②在長度3 000 mm弧線上，兩3 mm厚不銹鋼板間角度均為90°(0，+0.45°)；③焊接件整體圓弧角度控制在60°(-0.02°，0)；④焊接件半徑尺寸在約束狀態(tài)下達到R2800 mm(-2 mm，0)。

(4)表面質(zhì)量要求高，焊接、裝夾過程中表面保護困難。

2 防變形工裝結構設計

為有效克服堆腔密封環(huán)弧形結構制造中的以上工藝難點，特設計防變形工裝一套，該工裝可完成對弧形結構進行快速/高精度焊前組對、焊接變形控制、一次裝夾實現(xiàn)多方位焊接等功能，保護產(chǎn)品在焊接過程中的表面質(zhì)量，以最終制造出合格的產(chǎn)品。

防變形工裝結構簡圖如圖3所示，由旋轉(zhuǎn)機構和 旋轉(zhuǎn)支架兩部分組成。其中工裝主體結構見圖4。

2.1 箱體結構設計及有限元分析

圖4中，箱體6為封閉結構，強度可靠。為提高該箱體的強度、節(jié)省空間，箱體內(nèi)部按45°定位角度配置了加強筋板9。焊接在箱體上的水平定位板7、弧形定位板8在經(jīng)過數(shù)控機床加工后，其定位精度可長期保持。因此對箱體結構進行了有限元分析。

(1)創(chuàng)建有限元模型

根據(jù)設計要求，選擇箱體材料為Structural Steel。建立箱體結構三維模型并進行網(wǎng)格劃分.其網(wǎng)格劃分效果圖如圖5所示。

(2)添加約束和載荷

箱體結構主要實現(xiàn)堆腔密封環(huán)的支承及工件焊接時的變形抑制。在兩旋轉(zhuǎn)軸端部施加圓柱約束，箱體結構本身重量在垂直方向上加載一個大小為9.8 m/s2向下的加速度，對水平定位板和弧形定位板施加載荷，載荷大小為5 MPa。約束和施加載荷如圖6所示。

(3)計算結果分析

靜力分析結果如圖7所示。

由圖7可以看出，箱體水平定位板和弧形定位板最大變形僅為0.34 mm，滿足設計要求。旋轉(zhuǎn)軸處最大應力為7.8 MPa，遠遠小于材料的屈服強度。

2.2 高精度長弧形定位面設計

根據(jù)焊接件結構，設計L型橫截面長弧形定位面，如圖4所示。水平定位板7、弧形定位板8在箱體上呈L形配置，其強度高，變形小，定位面精度可長期保持，使焊接件弧形面和水平面均得到可靠定位。該L型定位面，由數(shù)控機床在一次裝夾中加工而成，形狀和位置精度均在±0.2 mm之內(nèi)，滿足產(chǎn)品精度要求。弧形定位面半徑尺寸與所焊接件弧面半徑相同，保證焊前準確組對。

2.3 弧面壓緊機構設計

上部壓緊機構3用于水平弧形板定位后的壓緊，該機構的壓緊塊為倒L型，直接焊接在定位板一側(cè)，簡單可靠。下部壓緊機構4用于垂直弧形板定位后的壓緊，該機構的底部支撐與箱體焊接至一起，并由箱體底部延伸而出，使壓緊機構與旋轉(zhuǎn)體成一個整體，結構簡單、緊湊。經(jīng)實踐證明，此種壓緊機構剛性和強度均可靠。

弧形壓板5共13塊，采用分列式壓緊法，壓板弧度與所壓工件表面弧度相同，壓板厚度>10 mm，長200 mm，剛性好，壓板弧面變形小，壓力分布均勻，壓緊可靠，可有效地控制不銹鋼薄板在焊接過程中所產(chǎn)生的波浪變形[2]。

2.4 旋轉(zhuǎn)機構設計

堆腔密封環(huán)弧形結構焊接過程中需翻轉(zhuǎn)焊接，故該裝置采用了旋轉(zhuǎn)結構設計，代替了焊接過程中行車對夾具體的翻轉(zhuǎn)。

2.4.1 旋轉(zhuǎn)中心的確定

通過三維建模軟件UG分析，找出夾具體在支撐軸垂直面上的重心坐標，使支撐軸的旋轉(zhuǎn)中心線通過重心并垂直于定位面，防止旋轉(zhuǎn)偏心[4]。依據(jù)重心坐標點位置，數(shù)控加工兩支撐軸的定位孔，保證兩支撐軸同心，使得軸承旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)、減小摩擦阻力。見圖8。

2.4.2 旋轉(zhuǎn)及固定

旋轉(zhuǎn)箱體可在旋轉(zhuǎn)支架上進行360°旋轉(zhuǎn)。如圖9，在旋轉(zhuǎn)箱體上設計了3個定位塊，采用定位銷軸固定鎖緊的方法，使夾具體在旋轉(zhuǎn)過程中具有3個固定工位，以滿足工件在組焊過程中各工序的要求[3]，方便了對產(chǎn)品各方位焊縫的翻轉(zhuǎn)焊接，結構簡單，易于操作，降低了勞動強度，同時也避免了因翻轉(zhuǎn)而造成的工件變形。

3 應用效果

截至目前，該防變形工裝已應用完成國內(nèi)4個核電站機組的堆腔密封環(huán)高精度長弧形不銹鋼薄板焊接部件的制造，產(chǎn)品檢驗合格，已交付電站使用。

實踐證明，該裝置結構安全、強度可靠，可有效、快捷地完成高精度長弧形不銹鋼薄板焊接部件快速準確組對、控制焊接變形、保護表面粗糙度等功能，保證產(chǎn)品質(zhì)量合格。防變形工裝實物如圖10所示。

4 結語

基于核電站永久性堆腔密封環(huán)弧形結構焊接過程中出現(xiàn)的制造難點，設計了一種防變形焊接工裝。并在設計時對其薄弱部位進行了強度校核，對其旋轉(zhuǎn)中心進行了軟件分析計算。經(jīng)工程實踐證明，運用該裝置可有效地解決核電站堆腔密封環(huán)弧形結構的各種制造難點。

[1]戴鴻賓，林三寶.焊接工裝夾具方案設計職能智能CAD技術的研究[J].焊接，2004(2):13-16.

[2]蔡學良,董漢偉.焊接組對工裝的研究與設計[J].煤礦機械，2012，33(6):130-131.

[3]張淑鴿,何秀玲,劉倬，等.陽極支撐板焊接裝配工裝的結構設計[J].機械工程師,2013(12):233-234.

[4]侯恩光.轉(zhuǎn)向泵皮帶輪焊接工裝設計[J].裝備制造技術,2012(2):96-97.

[5]周廣濤，劉雪松，方洪淵.縱向預置應力法控制薄板焊接殘余應力與變形[J].機械工程材料，2008，32(3):78-81.