文／鄭勇，邱紹宇，魏連峰，陳高詹，姚力夫，田大容·中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 嚴(yán)思梁·合肥工業(yè)大學(xué)

面向核燃料元件高性能、高可靠封裝等重大需求，提出適用于低電導(dǎo)率難變形鐵馬鋼包殼管-端塞的磁脈沖壓接成形工藝，并利用基于LS-DYNA 的數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證了工藝的可行性，研究發(fā)現(xiàn)集磁器-包殼管在間隙2mm、放電電壓12.9kV、頻率8.06kHz條件下壓接質(zhì)量最優(yōu)，工業(yè)CT 結(jié)果顯示壓接精度達(dá)到5μm。

隨著核反應(yīng)堆技術(shù)的發(fā)展，核動(dòng)力裝置提出了高熱效率、高熱工裕度、高安全可靠性等要求，因此燃料元件的運(yùn)行條件等更為苛刻。燃料元件包殼材料作為核安全的第一道屏障，需與端塞精密貼合封裝，并滿足反應(yīng)堆高溫、強(qiáng)輻照損傷、復(fù)雜冷卻劑/工質(zhì)環(huán)境的長(zhǎng)時(shí)間安全運(yùn)行的設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)有燃料元件連接封裝體系多采用熔焊，不可避免地會(huì)降低接頭韌度、抗裂紋擴(kuò)展性、耐中子輻照性能，最終導(dǎo)致燃料芯塊組織異變、降質(zhì)甚至失效，嚴(yán)重制約了新一代燃料元件的順利應(yīng)用。

管材電磁脈沖壓接成形是一種先進(jìn)的高能率塑性成形技術(shù)，具體原理是：將電容充至預(yù)設(shè)定能量后打開高壓放電開關(guān)，電流通過線圈產(chǎn)生穿透飛管的瞬態(tài)磁場(chǎng)，根據(jù)楞次定律，飛管內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流(102～104A/mm2)并受到強(qiáng)洛倫茲力作用，從而發(fā)生縮徑變形與基材發(fā)生高速碰撞(0.1ms 內(nèi)可加速到200m/s 以上)并和界面結(jié)合，甚至可以實(shí)現(xiàn)飛管與基材的冶金結(jié)合。上述高速變形條件可顯著提高材料塑性及室溫成形極限，且制造過程采用線圈驅(qū)動(dòng)無(wú)接觸成形，具有工裝成本低、柔性好、可拓展性好、表面完整性好、疲勞強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)。

本文提出采用磁脈沖縮徑實(shí)現(xiàn)T91 鐵馬鋼包殼管與端塞之間高可靠連接的工藝方法，原理及工藝過程見圖1，采用物理模擬試驗(yàn)與全流程仿真相結(jié)合的方法研究磁脈沖焊接工藝/模具工裝/成形結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并且開展模擬燃料元件壓接接頭的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，為新一代燃料元件高性能、高可靠制造提供依據(jù)。

圖1 燃料元件磁脈沖壓接成形原理及工藝過程示意圖

磁脈沖成形過程仿真

壓接成形件工藝分析

圖2 為模擬燃料元件結(jié)構(gòu)與裝配形式示意圖，其中兩側(cè)端塞尺寸為φ6mm(外徑)×80mm，成形段長(zhǎng)度為50 ～60mm，包殼尺寸為φ12mm(外徑)×1mm(壁厚)×210mm，包殼管與端塞間隙初定為0.2mm，根據(jù)工件幾何形狀與接頭特征擬采用磁脈沖縮徑壓接工藝方法。由于包殼管材質(zhì)為難變形T91 鐵馬鋼且外徑較小，需要增加集磁器來匯聚磁場(chǎng)能量，提升單位面積的磁壓力。由于T91 鐵馬鋼電導(dǎo)率不佳，磁脈沖成形過程中難以在包殼管中形成高密度渦流，故本研究擬采用6061 鋁合金作為驅(qū)動(dòng)管，以高效傳遞磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)包殼管高速變形實(shí)現(xiàn)壓接成形。

圖2 模擬燃料元件裝配關(guān)系與壓接接頭示意圖

磁脈沖壓接成形有限元—邊界元建模

⑴工裝、模具設(shè)計(jì)。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)磁脈沖壓接線圈、模具、工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，集磁器設(shè)計(jì)為等截面型，內(nèi)徑的尺寸為φ21mm，外徑尺寸為φ85mm，內(nèi)圈直徑φ17mm，高度為60mm，工作區(qū)域長(zhǎng)度為15mm，集磁器開口間隙值取1.0mm，集磁器內(nèi)表面和驅(qū)動(dòng)管外表面間隙值為1mm，驅(qū)動(dòng)管厚度1.5mm，內(nèi)徑12.2mm，線圈尺寸為φ88mm，高度100mm，矩形截面為7mm×5mm，線圈匝數(shù)為10 匝。

⑵數(shù)值建模流程。

本研究基于LS-PrePost 軟件對(duì)燃料元件包殼-端塞磁脈沖壓接模型進(jìn)行不同工藝參數(shù)的前處理設(shè)置，建立電磁場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)全耦合仿真模型，利用LSDYNA 軟件進(jìn)行模型求解，通過輸出前一復(fù)合工步變形文件參數(shù)作為下一工步前處理的初始條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多道次漸進(jìn)壓接。從圖3 可知，該幾何模型主要由集磁器、線圈、驅(qū)動(dòng)管、包殼管、端塞等五部分所組成，本文中網(wǎng)格單元類型均為常應(yīng)力固體單元，包殼管設(shè)置為變形體，包殼管總單元數(shù)3600，厚度方向上3 層單元；完成一個(gè)道次壓接后，線圈、集磁器將按照如圖3 中所示方向進(jìn)給一定距離，并進(jìn)行下一工步的壓接成形。

圖3 磁脈沖壓接成形有限元-邊界元模型的幾何模型與網(wǎng)格劃分

驅(qū)動(dòng)管、包殼管材料本構(gòu)模型的選用，依據(jù)Hopkinson 桿試驗(yàn)測(cè)試得到的硬鋁合金及T91 鐵馬鋼高速變形本構(gòu)數(shù)據(jù)得到的分段線性插值函數(shù)，端塞、集磁器和線圈設(shè)置為剛體，材料性能參數(shù)詳見表1。在模擬過程中線圈設(shè)置為帶電源導(dǎo)體，而驅(qū)動(dòng)管、包殼管、集磁器均屬于不帶電源導(dǎo)體，其內(nèi)部可以產(chǎn)生感應(yīng)電流。包殼管與驅(qū)動(dòng)管高速變形過程中會(huì)壓縮元件內(nèi)部空氣，這里采用dampling 命令施加質(zhì)量阻尼來模擬空氣的阻力，阻尼系數(shù)設(shè)定為1.0，同時(shí)為了保留變形數(shù)據(jù)，應(yīng)用Interface_springback 命令設(shè)置自動(dòng)回彈計(jì)算?？紤]到成形過程網(wǎng)格會(huì)有畸變，提前對(duì)接觸體進(jìn)行沙漏設(shè)置。在電磁場(chǎng)求解中，通常情況下將放電模型視為RLC 諧振電路，選用Rogowski 線圈測(cè)得的不同放電電壓下回路第一半波電流作為加載電流進(jìn)行求解，求解時(shí)間為300μs。

表1 磁脈沖壓接有限元模型材料性能參數(shù)

⑶模型可靠性驗(yàn)證。

圖4 為放電電壓10kV 下電磁縮徑連接成形，T91 鐵馬鋼管材沿圓周方向不同位置數(shù)值模擬與試驗(yàn)得到的管材輪廓對(duì)比情況。

圖4 電壓10kV 下電磁縮徑連接成形T91 鐵馬鋼管材數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)比

從輪廓比對(duì)結(jié)果可以看出，管件截面圓周上節(jié)點(diǎn)最小位移均處在相同位置(集磁器開口處)。本文模型預(yù)測(cè)的最小節(jié)點(diǎn)位移Dmin＝1.46mm，最大節(jié)點(diǎn)位移Dmax＝1.94mm，平均誤差為6.52%，最大誤差為17.33%，從圖中結(jié)果可以看出，成形均勻性較好且模型預(yù)測(cè)結(jié)果較可靠。

工藝參數(shù)對(duì)磁脈沖壓接成形質(zhì)量的影響

⑴放電電壓的影響。

根據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)，磁脈沖壓接過程中當(dāng)放電電壓足夠激發(fā)驅(qū)動(dòng)管、包殼管協(xié)同變形時(shí)，在大約50μs 時(shí)內(nèi)包殼管與端塞開始接觸并且產(chǎn)生振蕩回彈，回彈幅值不斷衰減，最后變形結(jié)束300μs 時(shí)趨于穩(wěn)定，包殼管與端塞貼模完好。本研究采用10.5kV、12.9kV 和15.1kV 三水平放電電壓開展兩道次磁脈沖壓接成形模擬，兩道次之間軸向進(jìn)給量均為12mm。

由圖5 可知，三組電壓下均出現(xiàn)了壁厚變化，特別是在集磁器開口處，包殼管壁厚出現(xiàn)了略微減薄，測(cè)量得知最大減薄率7.82%，滿足技術(shù)要求。與之軸對(duì)稱一側(cè)的管壁增厚，這是由于在縫隙處電磁力較大所導(dǎo)致的，且隨著電壓增加壁厚變化率變大。通過計(jì)算在端塞-包殼管裝配間隙0.5mm 的情況下，三組電壓數(shù)據(jù)的局部壁厚增厚均超過了10%，且隨著放電電壓增加到12.9kV 時(shí)，截面出現(xiàn)了稍許畸變，開始產(chǎn)生“竹節(jié)”狀起皺，當(dāng)電壓增大到15.1kV，“竹節(jié)”幅值也相應(yīng)增大。

圖5 不同放電電壓下磁脈沖兩道次壓接后等效應(yīng)變分布與成形外觀

⑵端塞-包殼管間隙的影響。

本節(jié)設(shè)置端塞-包殼管間隙分別為0.5mm、1mm、2mm，對(duì)放電電壓為12.9kV 情況下三道次磁脈沖壓接成形模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得出的變形規(guī)律如圖6 所示。

從圖6 可以看到，在間隙為0.5mm 情況下，三道次成形后金屬管截面畸變十分嚴(yán)重，這也是由于其二道次成形時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了較大起皺缺陷，破壞了后續(xù)加工步驟的金屬流動(dòng)方式且改變了局部受力方向，而對(duì)于間隙為1mm 和2mm 的模擬方案結(jié)果，從外觀上其成形質(zhì)量無(wú)明顯缺陷。

為進(jìn)一步探究間隙對(duì)磁脈沖壓接均勻性的影響，本文利用截面畸變方程式來計(jì)算變形均勻性，一般認(rèn)為φ值小于等于0.2 時(shí)，視為變形均勻：

式中Rmax和Rmin分別表示為變形結(jié)束后包殼管壁沿母線上節(jié)點(diǎn)的最大和最小半徑。經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)內(nèi)外管間隙為1.0mm 時(shí)，節(jié)點(diǎn)最大半徑為8.33mm，最小半徑為8.11mm，φ=0.074；當(dāng)間隙為2.0mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)最大半徑為8.28mm，最小半徑為8.13mm，φ=0.050。根據(jù)上述分析，兩種情況下變形都相對(duì)均勻，間隙為2mm 時(shí)截面畸變值更低，成形效果相對(duì)更優(yōu)。

⑶驅(qū)動(dòng)管壁厚變化的影響。

為研究包殼管-端塞間隙為2.0mm 情況下，成形缺陷產(chǎn)生和驅(qū)動(dòng)管壁厚之間的關(guān)系，模擬研究了驅(qū)動(dòng)管壁厚1.0mm、1.5mm、2.0mm 三種條件下的三道次磁脈沖壓接成形情況，結(jié)果顯示：隨著驅(qū)動(dòng)管壁厚值減小，壁厚變化率峰值增加且包殼管的壁厚波動(dòng)變大，包殼管外壁局部增厚和減薄處相差值增大，而驅(qū)動(dòng)管壁厚增大導(dǎo)致貼模度降低顯著，這主要是由于壁厚減小帶來的是驅(qū)動(dòng)管整體剛度與動(dòng)量的下降，進(jìn)而加劇了在磁脈沖驅(qū)動(dòng)高速變形過程中材料流動(dòng)的不均勻性，而驅(qū)動(dòng)管過厚會(huì)超過材料趨膚深度，導(dǎo)致成形能量在驅(qū)動(dòng)管變形中消耗過多。

綜上所述，最優(yōu)工藝選擇為：集磁器-包殼管間隙2mm、放電電壓12.9kV、頻率8.06kHz、驅(qū)動(dòng)管厚度2mm。

磁脈沖壓接成形試驗(yàn)與壓接質(zhì)量評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證有限元模型與優(yōu)化方案的應(yīng)用效果，在重慶普爾薩科技有限公司Xtra-pulse70 電磁成形機(jī)上采用上述最優(yōu)工藝方案開展了T91 鐵馬鋼包殼管-端塞磁脈沖壓接成形的驗(yàn)證試驗(yàn)，成形試驗(yàn)工裝如圖7 所示。

圖7 本項(xiàng)目加工的用于磁脈沖壓接的線圈、集磁器、支座及其使用狀態(tài)

研究中的模擬燃料元件目標(biāo)件為包殼外徑φ12mm、端塞工作部分是外徑φ6mm、長(zhǎng)60mm 的圓柱。其成形工藝采用磁脈沖漸進(jìn)連接成形，成形前先將壁厚1mm 的T91 鐵馬鋼包殼管(包殼)事先與端塞間隙裝配，再將線圈、集磁器、鋁合金驅(qū)動(dòng)管裝配在包殼管外側(cè)，從管件連接區(qū)中部開始放電成形局部區(qū)域，并不斷移動(dòng)線圈與集磁器位置逐點(diǎn)逐域成形，最終獲得覆管與端塞貼合良好的成形件。

通過3 道次放電成功試制出200mm 長(zhǎng)的模擬燃料元件的樣件，如圖8 所示，成形后在合肥碳匯工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司采用Phoenix Voltmelx M300 型工業(yè)CT 進(jìn)行了包殼管-端塞壓接效果的斷層掃描分析，并采用SEM 與Image Pro Plus6.0 定量表征沿周向壁厚變化情況，結(jié)果可見包殼管-端塞壓接效果良好，包殼管與端塞的間隙低于5μm，且最大壁厚減薄率≤10%，證明了本最優(yōu)化方案的可靠性。

圖8 T91 鐵馬鋼包殼管-端塞磁脈沖連接成形后工業(yè)CT 掃描結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)性通過調(diào)整放電參數(shù)、裝配間隙與驅(qū)動(dòng)管幾何尺寸，解決了模擬燃料元件端塞-包殼管磁脈沖壓接成形過程中的起皺、碰撞回彈、不貼模等問題，成形出貼合精度達(dá)到5μm 的元件。

研究結(jié)果表明，在裝配間隙較小的情況下，單次大電壓放電容易造成碰撞回彈與壓接失效，形成“竹節(jié)”狀結(jié)合面，而在裝配間隙和放電參數(shù)合理的條件下驅(qū)動(dòng)片過厚導(dǎo)致能量利用率低，驅(qū)動(dòng)片過薄則導(dǎo)致碰撞動(dòng)能不夠，兩者都會(huì)導(dǎo)致壓接率顯著降低。總之，磁脈沖壓接技術(shù)是成形高質(zhì)量、高可靠燃料元件極具潛力的新方法。