秦國(guó)鵬，張麗英，皇甫鴻賓

摘要：AISI 660防屑板是華龍一號(hào)HPR1000核燃料組件中用于過(guò)濾流體中碎屑以防止核燃料包殼磨蝕破損的堆芯重要功能件。防屑板外形約為220 mm×220 mm×3 mm見(jiàn)方的薄板，板上密集分布著近2 000個(gè)方形或圓形孔，孔的尺寸精度和位置度要求很高，加工難度大。從激光切割前處理、切割過(guò)程、關(guān)鍵工藝參數(shù)、切割后處理等方面研究了防屑板激光切割工藝過(guò)程及其關(guān)鍵特性，最終成功制定防屑板激光切割制造工藝。該研究為解決國(guó)產(chǎn)核燃料制造中的技術(shù)難題提供了新的研究思路和方向。

關(guān)鍵詞：AISI 660;防屑板;核燃料;激光切割;工藝參數(shù);前后處理

中圖分類(lèi)號(hào)：G718? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）09-0046-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.09

0? ? 前言

AISI 660 防屑板（以下簡(jiǎn)稱(chēng)防屑板）位于華龍一號(hào)HPR1000核燃料組件下管座頂部，是過(guò)濾一回路流體中的碎屑，防止核燃料包殼磨蝕破損的堆芯重要功能件。防屑板呈濾網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在厚度約為3 mm的薄板上需要加工近2 000個(gè)長(zhǎng)方形孔和圓孔，方孔間筋寬必須控制在0.5 mm±0.1 mm的范圍內(nèi)，加工難度大。防屑板外形及孔系局部放大圖分別如圖1左、右所示，其材質(zhì)為國(guó)產(chǎn)AISI 660不銹鋼，最終產(chǎn)品交付狀態(tài)為時(shí)效硬化狀態(tài)，組織晶粒度大于5級(jí)，無(wú)晶間腐蝕傾向。產(chǎn)品力學(xué)性能必須滿足Rp0.2≥590 MPa;Rm≥900 MPa;A≥15%[1]。防屑板目前采用電加工工藝，單件零件的加工時(shí)間長(zhǎng)達(dá)48 h。為適應(yīng)批量化生產(chǎn)需求，有必要研究高效率的激光切割方法，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。項(xiàng)目從激光切割前處理、切割過(guò)程、關(guān)鍵工藝參數(shù)、后處理等方面入手，對(duì)防屑板的激光切割工藝及關(guān)鍵工藝特性進(jìn)行了初步應(yīng)用研究。

1 防屑板激光切割技術(shù)

選取較為成熟的激光高速切割技術(shù)。其原理為：在高壓惰性氣體的保護(hù)下，利用高功率激光束照射被切割材料，材料加熱蒸發(fā)形成孔洞，隨著光束移動(dòng)，孔洞連續(xù)形成切縫[2]。激光高速切割的最大特點(diǎn)為切割速度快，目前國(guó)際上一流的設(shè)備切割速度可達(dá)300 m/min[3]。激光高速切割技術(shù)的精度主要與激光線能量密度、光束穩(wěn)定性、機(jī)床刀頭的運(yùn)動(dòng)精度有關(guān)。近年來(lái)，隨著激光器及磁柵尺導(dǎo)軌的技術(shù)發(fā)展，激光切割的精度和效率已經(jīng)可以滿足核電精密產(chǎn)品加工的基本要求。

2 試驗(yàn)條件

（1）原材料：國(guó)產(chǎn)AISI 660奧氏體不銹鋼，鍛件軋制坯料，固溶態(tài)。板材尺寸約為220 mm×220 mm

×3 mm，切割前經(jīng)過(guò)機(jī)械校平。

（2）試驗(yàn)設(shè)備：激光切割設(shè)備選取國(guó)際一線品牌，基本能代表激光切割主流技術(shù)水平。

3 研究結(jié)果

3.1 激光切割前處理

激光切割屬于熱切割工藝，切割過(guò)程中由于溫度場(chǎng)不均勻變化會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形，因此在切割前應(yīng)盡量消除材料內(nèi)部殘余應(yīng)力，減小導(dǎo)致產(chǎn)品變形的質(zhì)量影響因素。另外高速切割對(duì)板材的沖擊力會(huì)影響產(chǎn)品的切割精度，需要盡量提高材料的剛性和強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)，切割前板材的內(nèi)部殘余應(yīng)力越低，強(qiáng)度越高，切割后產(chǎn)品的尺寸精度就越好。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，防屑板激光切割前增加了真空時(shí)效硬化熱處理工序，時(shí)效熱處理循環(huán)制度如圖2所示。為保證產(chǎn)品外觀光亮無(wú)氧化色，應(yīng)控制真空熱處理設(shè)備的爐內(nèi)工作壓力優(yōu)于5E-03 Pa。實(shí)測(cè)時(shí)效硬化熱處理后的防屑板坯料布氏硬度達(dá)到298～340 HB，能滿足后續(xù)切割工藝要求。

3.2 激光切割過(guò)程

防屑板的激光切割過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程，涉及材料學(xué)、物理學(xué)、冶金學(xué)、化學(xué)、光學(xué)等多個(gè)學(xué)科的綜合知識(shí)。項(xiàng)目從工藝應(yīng)用的角度，重點(diǎn)研究防屑板激光高速切割工藝流程及過(guò)程質(zhì)量控制措施[4]。防屑板激光切割過(guò)程如圖3所示，由12個(gè)工步組成。

3.3 防屑板激光切割關(guān)鍵工藝參數(shù)

3.3.1 壓縮保護(hù)氣體

激光高速切割工藝采用壓縮氮?dú)庾鳛槔鋮s保護(hù)氣體。一定壓力和流量的壓縮氮?dú)饪梢钥焖俅底咔懈畈凵媳患す馊刍慕饘?，既能保證切割路徑順暢無(wú)粘連，又能保證切割精度;而且氮?dú)庾鳛槎栊詺怏w還可以排開(kāi)氧化氣氛，保護(hù)切割層不被氧化;此外氮?dú)鉁囟容^低，噴射過(guò)切割面后還能有效冷卻切割面和熱影響區(qū)，減小熱加工應(yīng)力和變形。因此激光高速切割雖然仍屬于熱加工范疇，但相對(duì)于傳統(tǒng)激光切割工藝，激光高速切割的產(chǎn)品切割面光亮，無(wú)肉眼可見(jiàn)氧化色，切割質(zhì)量較高。有壓縮保護(hù)氣的激光高速切割零件切割面照片如圖4所示。

3.3.2 激光焦點(diǎn)直徑及調(diào)整尺寸

激光焦點(diǎn)直徑又稱(chēng)光斑直徑，激光切割的槽寬與光斑直徑有關(guān)。調(diào)整尺寸又稱(chēng)光斑補(bǔ)償值，其大小與切割材料的收縮率、熱膨脹系數(shù)、加工預(yù)留余量有關(guān)。激光焦點(diǎn)直徑及調(diào)整尺寸是關(guān)系激光切割精度的關(guān)鍵參數(shù)，需要通過(guò)反復(fù)的工藝試驗(yàn)來(lái)確定其調(diào)整范圍。批量產(chǎn)品切割前后，還應(yīng)該制造光斑補(bǔ)償試樣或工藝控制試樣來(lái)驗(yàn)證材料、工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀況是否符合產(chǎn)品制造過(guò)程控制的要求。

3.3.3 激光切割變形控制

激光切割過(guò)程中因激光熔化金屬和切口材料冷卻收縮，都會(huì)導(dǎo)致板材溫度場(chǎng)的變化而產(chǎn)生變形。防屑板典型平面變形情況如圖5所示。

依據(jù)切割順序及速度的不同，變形大致可分為兩種情況：一種是板材中心向外的凹凸變形，一種是板材不規(guī)則的波浪形變形。這兩種情況均會(huì)影響產(chǎn)品的平面度及孔系位置度。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)研究，首先統(tǒng)計(jì)分析批量防屑板樣品的激光切割變形數(shù)據(jù)，然后計(jì)算建立出切割熱應(yīng)力分布模型，之后根據(jù)數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)合理的切割順序及路徑，最終得到防屑板激光切割變形的控制方法。經(jīng)驗(yàn)證該控制方法可有效減小切割應(yīng)力和變形。具體方法為：將防屑板上1 864個(gè)方形孔、 25個(gè)的圓形孔，科學(xué)分類(lèi)為8種類(lèi)型的圖案組合（見(jiàn)圖6），依據(jù)特定的順序進(jìn)行激光切割。切割順序分為圖案組合間切割和圖案組合內(nèi)切割。

（1）圖案組合間切割順序：激光切割方孔組合D、F、H——激光切割方孔組合A、B、C、E、G——切割25個(gè)圓形定位孔——切割外形四方。

（2）圖案組合內(nèi)切割順序：為避免切割熱應(yīng)力集中，采用隨機(jī)順序切割單個(gè)方孔。具體方法為：以單個(gè)孔的中心位置作為程序起點(diǎn)，對(duì)單個(gè)孔編制獨(dú)立切割子程序;依據(jù)導(dǎo)入的防屑板切割模型圖紙，為每個(gè)圖案組合內(nèi)的單個(gè)孔自動(dòng)編號(hào);自動(dòng)數(shù)控程序設(shè)置隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，隨機(jī)分配單孔切割順序;每切割完一個(gè)單孔和圖案組合，在數(shù)控程序及切割控制圖[5]上標(biāo)記完成狀態(tài)（標(biāo)記不同顏色），直至切割標(biāo)記所有切割路徑。切割完成標(biāo)記圖及切割質(zhì)量過(guò)程監(jiān)控見(jiàn)圖7，不同顏色代表切割的不同狀態(tài)。

3.3.4 切割速度

切割速度是衡量產(chǎn)品切割生產(chǎn)效率的重要指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，同等條件下激光切割速度與切割表面凹凸起伏程度、切割尺寸精度、切割面變質(zhì)層厚度、切割變形量呈反比。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是切割速度越快、切割尺寸精度越差，但對(duì)原材料性能的影響越小;切割速度越慢、切割尺寸精度越好，但對(duì)原材料性能的影響越大。因此需要通過(guò)試驗(yàn)找到合適的切割速度，兼顧生產(chǎn)效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。三種激光切割速度加工出的防屑板樣品表面形貌電鏡掃描照片如圖8所示?？梢钥闯觯す馇懈顦悠范即嬖谟杉?xì)條狀熔融物堆積構(gòu)成的條狀切割痕跡，而且切割速度越快，切割面表面質(zhì)量就越差。

3.4 激光切割產(chǎn)品檢驗(yàn)

試制研究得到激光切割防屑板樣品1批，實(shí)物及切割位置局部放大如圖9所示。

激光切割防屑板經(jīng)外觀、尺寸、位置度等無(wú)損檢驗(yàn)和金相、晶間腐蝕、表面形貌等破損檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。其中晶間腐蝕試樣中有1個(gè)試樣出現(xiàn)了輕微的晶間腐蝕傾向，剩余試樣合格。有晶間腐蝕傾向的激光切割面試樣如圖10所示，缺陷分布在切割表面下0.01～0.10 mm的位置，理論上可通過(guò)其他加工方式去除表面缺陷層，因此屬于可去除缺陷。

3.5 激光切割后處理

多次試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，雖然防屑板激光切割面的質(zhì)量、尺寸及位置度很難達(dá)到圖紙規(guī)定的精度要求，但可以將其作為前期的切割預(yù)孔工序，保留少量的加工余量。之后采用電火花作為激光切割的后處理工序，精加工最終尺寸。這樣既可以提升激光切割面的表面質(zhì)量，又可以消除切割層的晶間腐蝕裂紋缺陷。因此最終防屑板激光切割工藝采用激光切割預(yù)孔+電火花精加工的組合加工方式。研究得到的激光切割防屑板產(chǎn)品的組合整體加工流程如圖11所示，前后共有16個(gè)工序。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)核燃料防屑板激光切割前處理工序、切割過(guò)程、激光切割關(guān)鍵工藝參數(shù)、切割后處理工序等制造工藝全過(guò)程的研究，最終得到符合圖紙要求的小批量激光切割防屑板樣品及全套防屑板激光切割制造工藝。該研究為解決HPR1000及同類(lèi)型國(guó)產(chǎn)核燃料零部件制造中的技術(shù)難題提供了新的思路和研究方向。先進(jìn)加工工藝的研究對(duì)推動(dòng)國(guó)內(nèi)核燃料制造技術(shù)水平的提高具有重要的意義。

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