核电大锻件锻造工艺改进方面的研究.pdf

第5期（总第2 40 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O MA T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 413(2 0 2 3)0 5-0 141-0 3核电大锻件锻造工艺改进方面的研究何利东，刘华（四川工程职业技术学院，四川德阳摘要：参照实际工厂锻造6 0 0 MW大型核电锻件的典型工艺流程，采用DEFORM软件针对其中的平砧镦粗的改进工艺锥形板镦粗进行了详细的数字模拟分析，研究了新工艺变形工件内部的应力应变分布特征，并得出该工件锥形板镦粗的最佳锥形工艺角度，研究结果对实际核电大锻件的生产具有一定的参考价值。关键词：大锻件；锥形板镦粗；锻造工艺中图分类号：TG316：T P39 1.7618000)文献标识码：A0引言我国工业及国民经济的飞速发展，要求必须突破电力这一严重制约经济发展的瓶颈，发展核电势在必行，而大型铸锻件的国产化已成为制约我国核电站核岛主设备国产化的关键环节。核电设备主要由核岛和常规岛两组设备组成，其中核岛由反应堆、稳压器、蒸发器和主泵等部件组成，是核电站的核心部分。构成反应堆的大型锻件工作时要承受高温、高压和中子的辐照，其质量及使用寿命决定着整个核反应堆的运行安全性。目前，核电大锻件的锻造过程基本采用自由锻的生产模式，要求须有切实可行的锻造工艺及较高的技术支持。核电大型锻件生产周期长、劳动强度大，如果锻件达不到严格的质量要求，将造成巨大的经济损失。该类大锻件多采用大尺寸钢锭生产，而钢锭中都不可避免地存在许多铸态缺陷，一般都要通过镦粗拔长等典型锻造工艺提高锻比，破碎粗大的树枝晶组织，消除空洞类缺陷，以提高超声波探伤合格率2 。镦粗是大型锻件锻造成形的主要工序之一，其作用是增加锻比，改善组织。但镦粗工艺存在工件内部变形不均匀、应力状态不佳等缺点，要从根本上改善这种情况，只有从改变毛坏的边界条件入手，其途径之一就是改变镦粗板形状，采用锥形板镦粗新工艺.行。本文针对目前生产核电大锻件的典型工艺，采用DEFORM软件模拟研究常规平砧镦粗的改进新工艺即锥形板镦粗工艺的变形特点及相关工艺参数。1锥形板镦粗有关变形工艺的几何模型及工艺设计基于上海重型机器厂采用ESR锭生产6 0 0 MW核电大锻件的典型锻造工艺，设计改进工艺，将通常的平砧镦粗改为锥形板镦粗工艺。DEFORM模拟的坏料尺寸为 2 110 X3165，材料为A508cl.3（2 0 Mn Mo Ni55），锻造温度为12 50，工件初始晶粒尺寸为150 m。模具材料选用AISI-H-13，模具温度设定为30 0。边界条件设定为剪切摩擦因数0.7，工模具热传导系数为11W/（m K），上模运动速度为10 0 mm/s，下收稿日期：2 0 2 3-0 2-17；修订日期：2 0 2 3-0 6-2 3作者简介：何利东（196 6-），男，四川广元人，副教授，硕士，主要从事科技信息检索工作。模静止。图1、图2 分别为锥形板镦粗3D示意图及模拟锥形板几何模型尺寸图。图1锥形板镦粗3D示意图R10C10/$2.720图2 锥形板几何模型尺寸图模拟方案的工件压缩率为10%50%，同时设计锥形板角度=0（平砧）、7 9%1113及15时的不同压缩过程，以研究高径比H/D=1.5的工件锥形板镦粗的变形特征并确定最佳锥角5,6。2基于DEFORM锥形板镦粗工艺数值模拟的结果分析2.1锥形板镦粗的变形特点图3为工件 2 110 316 5（高径比1.5）采用上、下锥形砧压缩率为10%50%的等效应变分布。由12310688.270.552.935.317.60.0000.000Min141Max142图3可直观地看出：变形由上、下砧接触的端部位置开始，逐渐向工件中心扩散，最后大变形区位于工件中部区域，整个工件变形分布较均匀，鼓形较小，尤其端部0.34303.000.2570.2140:172O.129(a）压缩率10%图3工件21103165采用锥形板镦粗压缩率为10%50%时的等效应变分布2.2锥形板镦粗与普通平板镦粗变形对比分析图4为该工件分别用锥形板镦粗与普通平砧镦粗压缩率为40%时沿子午面轴线分布的等效应变对比，横坐标点1至点5分别表示沿工件子午面轴线等距分割位置。显而易见，在相同压缩率条件下，锥形板镦粗比平砧粗工件两端面变形分布要好得多（平砧粗工件两端为刚性区几乎不变形），而且整体变形分布曲线要平滑许多。图5为两种镦粗变形破坏值随压缩率变化曲线对比。变形破坏值系DEFORM软件中数据分析指标damage的翻译，用它来评估变形的工件某处发生开裂破坏的可能性。显然，相同变形条件下，锥形板镦粗因鼓形较小，工件发生因拉应力而开裂的可能性比平砧镦粗低。图6 为两种粗变形等效应变大区域比例随压缩率变化曲线对比。由图6 可看出：当镦粗压缩率达到1.00.9:80.101工件子午面轴线位置点图4两种镦粗压缩率为40%等效应变沿工件子午面轴线分布对比10088888810图7两种镦粗变形工件晶粒平均寸尺随压缩率变化曲线对比2.3锥形板镦粗最佳工艺角度分析为确定锥形板镦粗工件21103165（高径比1.5)最佳工艺角度，本研究设计了系列不同锥形角度（7 9%、111315）锥形板镦粗该工件，对得出的结果数据进行对比分析。图10、图11分别为不同锥形角镦粗变形破坏值机械工程与自动化区域变形分布较好，几乎不存在普通平砧镦粗变形的刚性区域。0.4280.635O37505550.3210.4760.2680.3970.2150.3180.1610.2390.108（b）压缩率2 0%0.25锥形板0.200.15平砧0.100.05023平砧锥形板2030镦粗压缩率/%2023年第5期5160.94A4510.8093.870.6153.220.540（c）压缩率30%(d）压缩率40%35%以上，锥形板镦粗变形分布的均匀性远远好于平砧镦粗。图7 为使用Avrami模型得出的两种镦粗变形工件再结晶晶粒平均尺寸随压缩率变化曲线对比。由图7可知：在相同变形条件下，锥形板镦粗工件的动态再结晶晶粒平均尺寸都小于平砧镦粗，因而锻造效果优于平砧镦粗。再从变形工件应力状态方面对比分析锥形板镦粗与普通平砧镦粗的变形特点。图8、图9分别为两种镦粗变形工件静水压平均值及其分布均匀百分比随压缩率变化曲线对比。由图8 和图9可知：在相同压缩率条件下，平砧镦粗尽管工件内能获得较大的静水压绝对均值，但静水压分布均匀性远不如锥形板镦粗变形，也就是说，锥形板镦粗的工件内更大区域有利于空洞类缺陷的闭合。%80R889889平砧、锥形板454050（e）压缩率50%平砧锥形板102030镦粗压缩率/%图5两种镦粗变形破坏值随压缩率变化曲线对比0F-2-4-6-10-1210图：两种镦粗变形工件静水压平均值随压缩率变化曲线对比及等效应变分布均匀百分比随压缩率变化曲线。由图10和图11可知：当压缩率增大到40%50%时，锥形角11粗变形产生的鼓形因拉应变开裂的趋势较小，而工件等效应变分布的均匀性系数（即以前的大区域比例)高达6 0%以上，说明采用11锥形板镦粗在较大压缩率变形后工件变形很均匀，锻造效果较好。40锥形板平砧203040镦粗压缩率/%505010图6两种镦粗变形等效应变大区域比例随压缩率变化曲线对比%1009080702889302010010图9两种镦粗变形工件静水压分布均匀百分比随压缩率变化曲线对比20镦粗压缩率/%锥形板一平砧2030镦粗压缩率/%30404050502023年第5期图12 为镦粗压缩率50%时工件中心点和鼓形点最大主应力随锥形角度变化曲线。由图12 看出：工件中心点最大主应力为压应力，其绝对值越大，压合中心空洞类缺陷的效果越好；而工件镦粗鼓形表面点最大主应力为拉应力，其绝对值越大，则鼓形产生拉裂趋势0.30锥角7 锥角？。8898一0.25角9 锥角11一0.20锥角130.15一*锥角150.05010图10不同锥形角镦粗变形破坏值随压缩率变化曲线图13为不同锥形角粗变形工件动态再结晶晶粒平均尺寸随压缩率变化曲线。图13表明所有锥形角镦粗变形，工件动态再结晶晶粒平均尺寸都随压缩率增大而减小，即压缩率越大，工件获得的晶粒组织越细，锻后性能越好。100010图13不同锥形角镦粗变形工件动态再结晶晶粒平均尺寸随压缩率变化曲线3结论（1）锥形板镦粗变形从工件两端开始，逐渐向中Research on Forging Process Improvement of Large(Sichuan Engineering Technical College,Deyang 618000,China)Abstract:According to the typical technological process of forging 6ooMW large nuclear power forgings in actual factories,this papermakes a detailed numerical simulation study on the conical plate upsetting of the improved process of flat anvil upsetting by usingDEFORM software,the distribution of stress and strain in the deformed workpiece was studied,and the optimum cone angle of thecone plate upsetting was obtained.The research results have important reference value for the actual production of nuclear powerheavy forgings.Keywords:large forging;conical plate upsetting;forging process(上接第140 页）Welding Process of 35CrMnSi and Q355B Dissimilar Materials(1.Fujian Provincial Key Laboratory of Welding Quality Intelligent Evaluation,Longyan University,Longyan 364300,China;2.Longyan Branch,Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute,Longyan 364300,China)Abstract:This article explores the welding process of 35CrMnSi and Q355B dissimilar materials,and studies the influence ofpreheating before welding on the quality of weld formation through experiments such as hardness,magnetic particle,penetration,ultrasonic,and metallographic testing.When 35CrMnSi and Q355B are welded without preheating,there are visible cracks on thesurface of the weld,and there are volume defects such as non fusion and porosity in the internal weld area,with a maximum of 5mm.However,under the preheating temperature of 230 C and interlayer temperature of 200 C,the weld quality is formed beautifullyand no defects are found.The results indicate that in order to ensure the reliability of the quality of 35CrMnSi and Q355B welds,preheating technology is essential during the welding process.Keywords:dissimilar materials;preheat;welding process;defect机械工程与自动化越大；锥形角为11时镦粗变形中心点与鼓形点最大主应力绝对值恰好呈现趋势的中间值，达到平衡状态，所以从变形的应力状态分析，锥形角还是采用11较好。%70F201002030镦粗压缩率/%2030镦粗压缩率/%Forgings for Nuclear PowerHE Li-dong,LIU HuaYE Jing-feng,WU Wei-feng,LIN Yi-jie,LI Xu,FAN Qiu-yue!14320一锥角9+锥角11：锥角13一*锥角154050图11不同锥形角镦粗变形等效应变分布均匀百分比随压缩率变化曲线心区域移动，几乎不存在刚性区域。（2）锥形板粗相对于平砧镦粗变形工件两端得到较好的变形，鼓形较小，产生拉应力裂纹可能性较小；变形分布较均匀，应力状态良好，锻造后工件晶粒组织性能较好。（3）对于高径比为1.5左右的工件而言，锥形板工艺角=11时变形效果较好。锥角7 锥角9锥角11锥角13锥角154050151050-5-10-151020粗压缩率/%参考文献：1董岚枫，钟约先，马庆贤，等.大型筒体锻件的成形制造技术J.锻压技术，2 0 0 7,32(3：1-6.2龙晓东，谭凯，刘猛.大型锻件工艺改进的探究J.冶金与材料，2 0 2 0,40(3)：33-35.3刘助柏.大锻件形变新理论新工艺M.北京：机械工业出版社，2 0 0 9.4陈森灿，杨宝森.大型锻件粗变形规律的综合研究J锻压技术,1991(1)：7-13.5何利东，刘华.基于DEFORM大型锻件锻造工艺改进的研究J.机械工程与自动化，2 0 2 1（6）：12 6-12 8.6林伟强.基于Deform35CrMo钢大锻件组织遗传现象研究J.锻压装备与制造技术，2 0 17,52（1)：6 7-6 9.鼓形点中心点30405007锥形角度/（）图12 工件中心点和鼓形点最大主应力随锥形角度变化曲线（压缩率50%）9111315