[发明专利]焊接模具及加工高精度方形锆合金元件盒的方法

说明书

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，涉及一种焊接模具，本发明还涉及采用该焊接模具加工高精度方形锆合金元件盒的方法。

背景技术

为确保燃料棒的裂变产物在核反应运行过程中不溢出污染回路，对其必须进行隔离和包裹，锆合金元件盒就是用来包裹燃料棒的一种“容器”。锆合金元件盒，简称“锆盒”或“元件盒”，是低温核供热反应堆(NHR)和沸水堆(BWR)中的主要部件，它由Zr-4合金板材制成。锆盒内侧为棒束燃料组件，四个锆盒在堆内布置构成宽水隙为十字翼控制棒的通道。为了保证棒束燃料组件顺利地插入锆盒以及十字翼控制棒在反应堆全寿期内的各种工况下能够自如地上下运动，因此对元件盒的质量和加工精度提出了非常高的要求。锆盒的加工精度包括内外截面的尺寸公差、四个平面的形状公差(平面度)与位置公差(平行度或垂直度)，加工精度必须很高，且必须保证四角的弯曲半径尤其是外表面圆角应满足设计要求。

以前我国核电站的主要技术路线为压水堆(PWR)，不使用锆合金元件盒。清华大学核能与新能源技术设计研究院于1989年研制成功的5MW低温核供热反应堆(NHR-5)是我国首次使用方形锆盒的反应堆。其锆盒加工工艺步骤为：1.计算出方形锆盒的截面周长即所需的板材宽度后，下料并将锆板的四条边精加工平整，同时保证垂直边间的垂直度；2.围成圆桶后焊接；3.采用多道次的拉拔成型模具，逐步将圆桶拉拔成方形截面的锆盒。该工艺路线虽是国内外首创，且加工精度满足了5MW低温堆的使用要求，但存在以下缺点：锆盒的加工精度仍有一定的局限，尤其是由于拉拔力较大且不完全对中，导致锆盒的整体扭转量与镰刀弯曲量(形状公差)较大，加工精度不高；使用了多套拉拔模具与专用机床、加工时间较长，导致成本较高，不适合大批量生产。另外，国外有一些技术涉及到锆合金元件盒的加工方法，这些技术均采取将定尺寸板材折弯成型后，再激光或等离子体焊接成方形锆盒。但从这些技术中，没有提到具体的折弯成型的方法，也没有对锆盒精度进行改善的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种焊接模具，加工出来的方形锆合金元件盒精度高。

本发明的另一目的是采用该焊接模具加工高精度方形锆合金元件盒的方法，加工时间短，适合大批量生产。

本发明所采用的技术方案是，一种焊接模具，由锆盒支撑结构、锆盒压紧结构、定位机构与模具装拆机构组成；锆盒压紧结构设置在锆盒支撑结构外部，定位机构设置在锆盒压紧结构的两端面，模具装拆机构设置在锆盒压紧结构的两端面与锆盒支撑结构之间；

锆盒支撑结构是：包括由上楔状四棱柱与下楔状四棱柱组成的组合内胎，上楔状四棱柱下表面为上楔状四棱柱结合面，上楔状四棱柱结合面上设置有键槽，下楔状四棱柱上表面为下楔状四棱柱结合面，下楔状四棱柱结合面上设置有键，键槽与键为小间隙配合；组合内胎的两端端部设置有上定位轴与下定位轴，上定位轴在上楔状四棱柱上设置，下定位轴在下楔状四棱柱上设置；组合内胎的上下两面设置有上矩形长槽与下矩形长槽；

锆盒压紧结构是：包括外胎，外胎的上下表面设置有长孔，外胎内还设置有宽压板与窄压板，外胎的四个侧面设置有压紧螺钉与第一垫圈；

定位机构的结构是：包括外胎两端部设置的端部压盖，端部压盖中心设置有定位孔，上楔状四棱柱两端的上定位轴、下楔状四棱柱两端的下定位轴同时穿出定位孔固定；

模具装拆机构的结构是：包括与上楔状四棱柱两端连接的第一内胎安装螺杆、第一内胎拆卸螺杆，还包括与下楔状四棱柱两端连接的第二内胎拆卸螺杆与第二内胎安装螺杆，第一内胎安装螺杆、第一内胎拆卸螺杆、第二内胎拆卸螺杆与第二内胎安装螺杆分别穿出端部压盖上的圆孔，并与各自组合内胎螺纹联接；第一内胎安装螺杆、第一内胎拆卸螺杆、第二内胎拆卸螺杆、第二内胎安装螺杆上分别设置有螺母。

本发明所采用的另一技术方案是，加工高精度方形锆合金元件盒的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，

选取厚度δ为2.2mm-2.3mm，粗糙度≤3.2μm的锆板，将锆板采用数控剪切机下料并精铣，得到长为1100±1mm，宽为268.5±0.03mm的两张精铣后的锆板；保证锆板的四条边平整，相邻边间的垂直度偏差小于0.3mm；

步骤2，

取步骤1精铣后的两张锆板，采用数控折弯机，将两张锆板分别折弯成U型锆槽状，定位模具精度为±0.01mm，成型速度80mm/min-120mm/min、上下模间隙2.0mm-3.0mm、载荷50吨-80吨、保压时间5-20秒、折弯冲头的圆角半径6mm、回弹量为0.6°-1°；

步骤3，