一种放射性物品运输容器的制造方法与流程

1.本发明属于一种金属材料结构件的制造技术领域，具体涉及一种放射性物品运输容器的制造工艺方法。


背景技术：

2.放射性物品的道路运输历来是世界难题。出于对放射性物品极端事故状态下的保护需求，用于运输放射性物品的专用容器的设计、制造和考核要求异常严格。我国目前正在服役的放射性核燃料运输容器多为国外进口或租用，且部分容器即将达到服役年限。此外，国内新建的一些核燃料厂对放射性核燃料运输容器的需求也极为迫切。基于此，近年我国自主设计了一款用于运输特定成分范围的放射性核燃料运输容器（后续简称运输容器）。该运输容器为多层嵌套式薄壁复杂腔体结构件，结构主材为不锈钢材料，内部设有不同种类功能材料。
3.嵌套式结构形式对各零部件焊后尺寸精度要求严格，这对焊接变形控制提出较高要求。为满足极端事故状态下放射性物品保护需求，对结构性能尤其是焊接接头性能要求也极高。运输容器主材为线膨胀系数大，电阻率大，热导率低的薄壁不锈钢材料，焊接时特别容易产生焊接变形。传统的钨极氩弧焊或熔化极气体保护焊等工艺由于技术成熟度高，装配要求低，可靠性好，复杂难焊位置可达性好，质保体系及标准规范较为完善等原因，目前在涉核领域应用广泛。但是这些传统的焊接工艺，往往需要在待焊区域开焊接坡口，导致焊接填充量大，加上传统焊接工艺电弧能量密度不集中，焊接热输入大，导致焊缝综合性能和母材相比有一定损伤，并且焊接变形较为严重，不能满足放射性物品的运输容器制造要求。
4.以激光和电子束为代表的先进高能束焊接工艺由于热源能量密度集中、可精细化调节、焊缝深宽比大等优点，可以不开坡口完成0.5~100mm以上厚度范围内材料的单道次焊透焊接。与传统焊接工艺相比，单位长度焊缝焊接热输入非常低，对母材损伤小，焊接接头性能优异且从根本上降低了焊接变形。但由于高能束焊接工艺技术操作难度大，对装配尺寸精度要求高，设备昂贵，焊接机头与传统焊接工艺相比复杂庞大，因而焊接可达性较差等因素，在复杂结构件空间焊缝的焊接上难以获得应用，在放射性核燃料运输容器的制造上更是未见先例。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种放射性物品运输容器的制造方法，该方法通过整体制造工艺的改进，将高能束焊接工艺应用到了质量要求较高的放射性物品运输容器全部关键焊缝的焊接上，解决了用于运输特定成分范围放射性核燃料运输容器的制造难题，还可推广至其他类似结构形式的放射性核燃料运输容器或者其它危险品运输容器制造上，实现运输容器制造的自主化和规范化，提高了运输容器的质量。
6.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种放射性物品运输容器的制
造方法，该运输容器包括内外嵌套设置的长方体形外壳和长方体形内壳，设置在外壳和内壳顶部的密封法兰和外罩盖，以及安装在内壳内部的四个内筒体；该运输容器的制造方法包括以下步骤：步骤一、下料选用金属板材，根据目标外壳、内壳、密封法兰、外罩盖和内筒体的尺寸进行下料，保证下料尺寸精度在
±
0.5mm以内，且金属板材中厚度不大于3mm的板材采用激光切割下料，厚度大于3mm的板材采用水射流切割下料，制得外壳侧壁料、外壳底板、内壳侧壁料、内壳底板、l型材料、十字板片、密封法兰、外罩盖料、内筒体侧壁板、内筒体底板和内筒体翻边，备用；步骤二、成型利用专用的成型模具，采用液压机冷成型的方式，将步骤一制得的外壳侧壁料和内壳侧壁料分别压制折弯成两个u型结构的外壳侧壁件和两个u型结构的内壳侧壁件，将l型材料压制折弯成四个l型材，备用；步骤三、装配1、l型材和十字板片的装配取步骤一制得的十字板片和步骤二成型得到的四个l型材，采用钨极氩弧焊将四个l型材竖直点焊固定在十字板片的四周处，使十字板片和四个l型材一起组构成一个上端封口、内部中空的十字形隔断结构，点焊装配时需控制十字板片的上表面相对于l型材的上端面下沉3
‑
5mm，且焊点大小为5
‑
8mm，焊点间距为100
‑
150mm；2、外壳侧壁和内壳侧壁的装配取步骤二成型得到的两个u型结构的外壳侧壁件，采用钨极氩弧焊点焊固定的方式，将两个u型结构的外壳侧壁件对接装配成一个矩形框状的外壳侧壁；取步骤二成型得到的两个u型结构的内壳侧壁件，采用钨极氩弧焊点焊固定的方式，将两个u型结构的内壳侧壁件对接装配成一个矩形框状的内壳侧壁，点焊装配时需控制装配间隙≤0.25mm，错边≤0.25mm，且焊点大小为5
‑
8mm，焊点间距为100
‑
150mm；3、内壳的装配分别取步骤1制成的十字形隔断结构和步骤一制得的内壳底板装配至步骤2制成的内壳侧壁的内部和底部，控制装配间隙≤0.25mm，并促使十字形隔断结构和内壳底板与内壳侧壁装配后，十字形隔断结构和内壳底板的外边缘分别延伸出与其相对应的内壳侧壁的外轮廓边界3
‑
5mm，以构造出3
‑
5mm的外凸角焊缝焊接空间，之后，采用钨极氩弧焊点焊固定的方式，将十字形隔断结构、四块内壳底板和内壳侧壁装配成内壳，并控制点焊固定时的焊点大小为5
‑
8mm，焊点间距为100
‑
150mm；4、内筒体件的装配取步骤一制得的内筒体侧壁板和内筒体底板，采用钨极氩弧焊点焊固定的方式，将内筒体侧壁板与内筒体底板点焊装配成一个上端开口，且呈长方体筒状结构的内筒体件，点焊装配时需控制装配间隙≤0.15mm，错边≤0.15mm，且焊点大小为5
‑
8mm，焊点间距为100
‑
150mm；5、外罩盖件的装配取步骤一制得的外罩盖料，采用钨极氩弧焊点焊固定的方式，将外罩盖料点焊装
配成一个矩形罩盖状的外罩盖件，点焊装配时需控制装配间隙为1.5
‑
2.5mm，错边≤0.5mm，且焊点大小为5
‑
8mm，焊点间距为100
‑
150mm；步骤四、焊接a采用激光填丝焊接的方式，对步骤2装配完成的外壳侧壁和内壳侧壁进行对接缝的焊接，焊接过程需在氩气保护氛围内进行，且焊接时的平均功率为3
‑
4kw，焊接速度为1.2~1.6m/min，工作距离为165
‑
175 mm，送丝速度为0.5
‑
0.7 m/min；b采用激光填丝焊接的方式，对步骤3装配完成的内壳进行内壳侧壁、十字板片、l型材和内壳底板相互之间构成出的全部外凸角焊缝位置的焊接，焊接过程需在氩气保护氛围内进行，且焊接时的平均功率为4
‑
5kw，焊接速度为0.6~0.8m/min，工作距离为190
‑
220mm，送丝速度为2.5
‑
3.5m/min；c采用真空电子束焊接的方式，对步骤4装配完成的内筒体件先进行内筒体侧壁板和内筒体底板相互之间构成出的全部对接缝的焊接，之后，对内筒体件对接缝处的焊缝余量进行机加工去除，然后，再次采用真空电子束焊接的方式，将步骤一制得的内筒体翻边焊接固定在内筒体件的顶部，组构成内筒体，焊接时控制加速电压为150kv，焊接速度为1200
‑
1800 mm/min，工作距离为600
‑
800mm，表面聚焦电流为2500
‑
2600ma，焊接聚焦电流为2500
‑
2600ma；d采用钨极氩弧焊的方式，对步骤（5）装配完成的外罩盖件进行全部对接缝的焊接，制得外罩盖，备用；步骤五、总装ⅰ、取步骤一制得的密封法兰，采用钨极氩弧焊，将步骤a焊接完成的外壳侧壁和步骤b焊接完成的内壳点焊固定在密封法兰的侧壁上，并保证密封法兰的内圆周和外圆周分别与内壳侧壁和外壳侧壁之间构造出3
‑
5mm的角焊缝焊接空间；ⅱ、取步骤一制得的外壳底板，采用钨极氩弧焊，将外壳底板点焊固定在外壳侧壁的底部，并保证外壳底板的外边缘延伸出外壳侧壁的外轮廓边界3
‑
5mm，以构造出3
‑
5mm的角焊缝焊接空间；ⅲ、在步骤c焊接完成的内筒体的外部套装上保护套，并使保护套的外边缘不超出内筒体翻边，之后，将四个内筒体对应装入内壳中的四个腔体内，并保证内筒体翻边与内壳侧壁之间的贴合间隙≤0.5mm，采用钨极氩弧焊，将四个内筒体的内筒体翻边点焊固定在内壳侧壁上；ⅳ、采用激光填丝焊接的方式，对步骤ⅰ、步骤ⅱ和步骤ⅲ中构造出的全部角焊缝焊接空间进行焊接，焊接过程需在氩气保护氛围内进行，且焊接时的平均功率为4
‑
5kw，焊接速度为0.6~0.8m/min，工作距离为190
‑
220mm，送丝速度为2.5
‑
3.5m/min，制得总装件，备用；步骤六、填充和组装在步骤五制得的总装件的外壳侧壁上开设填充孔（该填充孔也可以在外壳侧壁料下料的时候直接制成），通过该填充孔对内壳与外壳之间的间隙进行减震、吸热材料的填充，之后，采用堵头封堵填充孔，然后，在总装件的顶部安装步骤d制得的外罩盖，即完成成品放射性物品运输容器的制造。
7.优选的，在步骤一中，所选用的金属板材为不锈钢材料。
8.优选的，在步骤二中，折弯成型后制得的外壳侧壁、内壳侧壁和l型材的尺寸精度需控制在
±
0.5mm以内。
9.优选的，在步骤a和步骤b中，所述氩气的流量为15
‑
25l/min，纯度为99.99%。
10.优选的，在步骤c中，所述的真空电子束焊接过程，需先进行定位焊，再进行固定焊，定位焊时的焊接束流为15
‑
20ma，固定焊时的焊接束流为80
‑
100ma。
11.优选的，所述的真空电子束焊接过程，在顺序进行定位焊和固定焊后，还进行有修饰焊，修饰焊时加速电压为150kv，焊接束流为13
‑
30ma，焊接速度为500
‑
1000 mm/min，工作距离为600
‑
800mm，表面聚焦电流为2500
‑
2600ma，焊接聚焦电流为2550
‑
2650ma。
12.优选的，在步骤ⅰ、步骤ⅱ和步骤ⅲ中，采用钨极氩弧焊进行点焊固定时的焊点大小为5
‑
8mm，焊点间距为100
‑
150mm。
13.优选的，在步骤ⅳ中，所述氩气的流量为15
‑
25l/min，纯度为99.99%。
14.有益效果：1、本发明的一种放射性物品运输容器的制造方法，采用了高能束的水射流切割和激光切割工艺来进行运输容器零部件和板材的下料，与传统的等离子下料工艺相比，大大的提高了零部件的下料精度，无需对切割边进行后续加工即可满足后续成型及装配要求。同时高能束切割下料工艺极大的减小了对切割边材料性能的损伤，为高能束焊接接头的优异性能提供了前提。
15.2、本发明的一种放射性物品运输容器的制造方法，对运输容器本身进行了针对性的结构拆解和焊接接头设计，开发了先进的高能束激光和真空电子束焊接工艺，并将该工艺应用到了运输容器全部关键焊缝的焊接上，从根本上降低了运输容器在制造过程中的焊接变形，解决了常规焊接工艺焊后组件及容器整体尺寸超差严重的技术问题，同时获得了焊缝性能优异的焊接接头。对本发明制造的运输容器进行各项检验和试验结果表明：采用本发明所述的高能束切割下料
‑
折弯冷成型
‑
高能束焊接接头构造
‑
高能束焊接工艺为一体的制造工艺制造的运输容器，可以满足设计指标，并由型式试验证明可以在极端事故过程中对内部核燃料进行有效的保护。
附图说明
16.图1为本发明的整体结构示意图；图2为图1的纵向剖开结构示意图；图3为外壳侧壁的装配示意图；图4为内壳侧壁的装配示意图；图5为十字形隔断结构的装配示意图；图6为内壳的装配示意图；图7为内筒体的装配示意图；图8为运输容器的整体装配示意图；附图标记：1、外壳，101、外壳侧壁，102、外壳底板，2、内壳，201、内壳侧壁，202、内壳底板，203、l型材，204、十字板片，3、密封法兰，4、内筒体，401、内筒体侧壁板，402、内筒体底板，403、内筒体翻边，5、保护套，6、填充孔，7、减震、吸热材料。
具体实施方式
17.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的阐述和说明。
18.如图1和图2所示，该运输容器包括内外嵌套设置的长方体形外壳1和长方体形内壳2，设置在外壳1和内壳2顶部的密封法兰3和外罩盖，以及安装在内壳2内部的四个内筒体4；其中外壳1可分为外壳侧壁101和外壳底板102，内壳2可分为内壳侧壁201、l型材203、十字板片204及内壳底板202四部分。
19.该放射性物品运输容器的制造方法，同样适用于制造该种及类似结构形式的各类放射性物品或者其他危险品运输容器，其具体的制造方法包括以下步骤：步骤一、下料选用金属板材，根据目标外壳1、内壳2、密封法兰3、外罩盖和内筒体4的尺寸进行下料，通过计算并设置切割补偿方式保证下料尺寸精度控制在
±
0.5mm以内，以满足后续成型、装配、高能束焊接要求，具体下料操作时，金属板材中厚度不大于3mm的板材采用激光切割下料，厚度大于3mm的板材采用水射流切割下料，制得外壳侧壁101料、外壳底板102、内壳侧壁201料、内壳底板202、l型材203料、十字板片204、密封法兰3、外罩盖料、内筒体侧壁板401、内筒体底板402和内筒体翻边403，备用；步骤二、成型矩形框状的外壳侧壁101和内壳侧壁201均通过采用两半u型结构装焊而成的，故对于外壳侧壁101、内壳侧壁201及l型材203，需要事先设计专用的成型模具，采用液压机冷成型的方式，将步骤一制得的外壳侧壁101料和内壳侧壁201料分别压制折弯成两个u型结构的外壳侧壁件和两个u型结构的内壳侧壁件，将l型材203料压制折弯成四个l型材203，折弯成型后制得的外壳侧壁101、内壳侧壁201和l型材203的尺寸精度需控制在
±
0.5mm以内，以满足后续装配、焊接要求；步骤三、装配1、l型材203和十字板片204的装配如图5所示，取步骤一制得的十字板片204和步骤二成型得到的四个l型材203，采用钨极氩弧焊将四个l型材203竖直点焊固定在十字板片204的四周处，使十字板片204和四个l型材203一起组构成一个上端封口、内部中空的十字形隔断结构，点焊装配时需控制十字板片204的上表面相对于l型材203的上端面下沉3
‑
5mm，使得十字板片204和4件l型材203之间构造出角焊缝位置（具体下沉距离以所需焊脚高确定），点焊固定时焊点大小为5
‑
8mm，焊点间距为100
‑
150mm；2、外壳侧壁101和内壳侧壁201的装配如图3和图4所示，取步骤二成型得到的两个u型结构的外壳侧壁件，采用钨极氩弧焊点焊固定的方式，将两个u型结构的外壳侧壁件对接装配成一个矩形框状的外壳侧壁101；取步骤二成型得到的两个u型结构的内壳侧壁件，采用钨极氩弧焊点焊固定的方式，将两个u型结构的内壳侧壁件对接装配成一个矩形框状的内壳侧壁201，点焊装配时需控制装配间隙≤0.25mm，错边≤0.25mm，且焊点大小为5
‑
8mm，焊点间距为100
‑
150mm；3、内壳2的装配如图6所示，分别取步骤1制成的十字形隔断结构和步骤一制得的内壳底板202装配至步骤2制成的内壳侧壁201的内部和底部，控制装配间隙≤0.25mm，并促使十字形隔断
结构和内壳底板202与内壳侧壁201装配后，十字形隔断结构和内壳底板202的外边缘分别延伸出与其相对应的内壳侧壁201的外轮廓边界3
‑
5mm，以构造出3
‑
5mm的外凸角焊缝焊接空间，即通过尺寸规划，使得l型材203、十字板片204、内壳底板202、内壳侧壁201之间相互交叉，构造出3
‑
5mm的外凸角焊缝焊接空间，使焊接位置全部位于外侧，之后，采用钨极氩弧焊点焊固定的方式，将十字形隔断结构、四块内壳底板202和内壳侧壁201装配成内壳2，并控制点焊固定时的焊点大小为5
‑
8mm，焊点间距为100
‑
150mm；4、内筒体件的装配如图7所示，取步骤一制得的内筒体侧壁板401和内筒体底板402，采用钨极氩弧焊点焊固定的方式，将内筒体侧壁板401与内筒体底板402点焊装配成一个上端开口，且呈长方体筒状结构的内筒体件，点焊装配时需控制装配间隙≤0.15mm，错边≤0.15mm，且焊点大小为5
‑
8mm，焊点间距为100
‑
150mm；5、外罩盖件的装配取步骤一制得的外罩盖料，采用钨极氩弧焊点焊固定的方式，将外罩盖料点焊装配成一个矩形罩盖状的外罩盖件，点焊装配时需控制装配间隙为1.5
‑
2.5mm，错边≤0.5mm，且焊点大小为5
‑
8mm，焊点间距为100
‑
150mm；步骤四、焊接a采用激光填丝焊接的方式，对步骤2装配完成的外壳侧壁101和内壳侧壁201进行对接缝的焊接，焊接过程需在氩气保护氛围内进行，且焊接时的平均功率为3
‑
4kw，焊接速度为1.2~1.6m/min，工作距离为165
‑
175 mm，送丝速度为0.5
‑
0.7 m/min；b采用激光填丝焊接的方式，对步骤3装配完成的内壳2进行内壳侧壁201、十字板片204、l型材203和内壳底板202相互之间构成出的全部外凸角焊缝位置的焊接，焊接过程需在氩气保护氛围内进行，且焊接时的平均功率为4
‑
5kw，焊接速度为0.6~0.8m/min，工作距离为190
‑
220mm，送丝速度为2.5
‑
3.5m/min；上述步骤a和步骤b中，所述氩气的流量为15
‑
25l/min，纯度为99.99%。
20.c采用真空电子束焊接的方式，对步骤4装配完成的内筒体件先进行内筒体侧壁板401和内筒体底板402相互之间构成出的全部对接缝的焊接，之后，对内筒体件对接缝处的焊缝余量进行机加工去除，然后，再次采用真空电子束焊接的方式，将步骤一制得的内筒体翻边403焊接固定在内筒体件的顶部，组构成内筒体4，焊接时控制加速电压为150kv，焊接速度为1200
‑
1800 mm/min，工作距离为600
‑
800mm，表面聚焦电流为2500
‑
2600ma，焊接聚焦电流为2500
‑
2600ma；在步骤c中，所述的真空电子束焊接过程，需先进行定位焊，再进行固定焊，最后进行修饰焊，定位焊时的焊接束流为15
‑
20ma，固定焊时的焊接束流为80
‑
100ma；修饰焊时加速电压为150kv，焊接束流为13
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30ma，焊接速度为500
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1000 mm/min，工作距离为600
‑
800mm，表面聚焦电流为2500
‑
2600ma，焊接聚焦电流为2550
‑
2650ma；d采用钨极氩弧焊的方式，对步骤5装配完成的外罩盖件进行全部对接缝的焊接，制得外罩盖，备用；步骤五、总装ⅰ、如图8所示，取步骤一制得的密封法兰3，采用钨极氩弧焊，将步骤a焊接完成的外壳侧壁101和步骤b焊接完成的内壳2点焊固定在密封法兰3的下表面上，并保证密封法兰3的内圆周和外圆周分别与内壳侧壁201和外壳侧壁101之间构造出3
‑
5mm的角焊缝焊接空
间；ⅱ、取步骤一制得的外壳底板102，采用钨极氩弧焊，将外壳底板102点焊固定在外壳侧壁101的底部，并保证外壳底板102的外边缘延伸出外壳侧壁101的外轮廓边界3
‑
5mm，以构造出3
‑
5mm的角焊缝焊接空间；ⅲ、在步骤c焊接完成的内筒体4的外部套装上保护套5，并使保护套5的外边缘不超出内筒体翻边403，之后，将四个内筒体4对应装入内壳2中的四个腔体内，并保证内筒体翻边403与内壳侧壁201之间的贴合间隙≤0.5mm，采用钨极氩弧焊，将四个内筒体4的内筒体翻边403点焊固定在内壳侧壁201上；上述步骤ⅰ、步骤ⅱ和步骤ⅲ中，采用钨极氩弧焊进行点焊固定时的焊点大小为5
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8mm，焊点间距为100
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150mm。
[0021]ⅳ、采用激光填丝焊接的方式，对步骤ⅰ、步骤ⅱ和步骤ⅲ中构造出的全部角焊缝焊接空间进行焊接，焊接过程需在氩气保护氛围内进行，所述氩气的流量为15
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25l/min，纯度为99.99%，且焊接时的平均功率为4
‑
5kw，焊接速度为0.6~0.8m/min，工作距离为190
‑
220mm，送丝速度为2.5
‑
3.5m/min，制得总装件，备用；步骤六、填充和组装在步骤五制得的总装件的外壳侧壁101上开设填充孔6（此处的填充孔6也可以在外壳侧壁101料下料的时候直接制得），通过该填充孔6对内壳2与外壳1之间的间隙进行减震、吸热材料7的填充，之后，采用堵头封堵填充孔6，然后，在总装件的顶部安装步骤d制得的外罩盖，即完成成品放射性物品运输容器的制造。
[0022]
优选的，在步骤一中，所选用的金属板材为不锈钢材料。
[0023]
本发明的一种放射性物品运输容器的制造方法，基于高能束焊接工艺的巨大优势和局限性，针对运输容器的结构特点设计了一种高能束切割下料
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折弯冷成型
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高能束焊接接头构造
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高能束焊接工艺为一体的制造工艺方法，开发了高能束焊接工艺并将其应用到运输容器全部关键焊缝的焊接上，解决了国内首台用于运输特定成分范围放射性核燃料运输容器制造难题，该工艺方法还可推广至其他类似结构形式的放射性核燃料运输容器或者其它危险品运输容器制造上，实现自主化，从根本上解决“卡脖子”难题。
[0024]
将本发明的制造方法应用于国内首台用于运输特定成分范围的放射性核燃料运输容器的生产制造过程中，并依据有关国家标准及设计规范开展了出厂试验（尺寸、外观、无损检测、模拟装卸、吊装、承载、模拟运输等）及型式试验（包括角跌落试验、穿刺试验、9m自由跌落试验、800℃耐热试验和水泄漏试验等）。型式试验后经拆解检查发现运输容器的所有焊缝无开裂，放射性物品无破损、泄漏等不合格项，满足相关标准、规范及设计要求，证实了制造工艺合理可行，可以满足该运输容器的批量化国产制造，实用效果较好。