「d」形截面環形雙層壁超高真空容器製造方法
2023-05-07 01:45:41
專利名稱：「d」形截面環形雙層壁超高真空容器製造方法
技術領域：
本發明屬於一種磁約束核聚變領域，具體是一種核聚變反應中應用的「D」形截面環形雙層壁超高真空容器製造方法。
磁約束核聚變研究，需要在超高真空條件下進行，而且要求在真空容器外部安裝不同類型的磁體，為核聚變反應的等離子體提供特定的磁場環境，同時要求對真空容器進行均勻加熱與冷卻，容器的截面形狀為近似與「D」的形狀，而且該容器必須能夠承載實驗過程中產生的強大電磁力。
由於該真空容器體積龐大，結構複雜，精度要求高，如何在低成本與簡易條件下製作，是一個十分困難的問題。
發明內容
本發明是提供一種「D」形截面環形雙層壁超高真空容器製造方法，在低成本與簡易條件下，製作出高精度的符合要求的複雜形狀的真空容器。
本發明的技術方案如下「D」形截面環形雙層壁超高真空容器製造方法，包括以下步驟(1)、將「D」形截面環形雙層壁容器，設計分割成多個扇段，按各扇段內層壁和外層壁的展開形狀，分塊下料，其中除用於直線段塊料外，其餘部分塊料用模具衝壓成和「D」形扇段內層壁或外層壁匹配的雙曲面；同時，製作內層壁和外層壁之間的加強筋；(2)、加工一個外表面形狀與真空容器內層壁雙曲面及直線段形狀一致的「D」形焊接工裝，該工裝是由固定安裝成一體的若干符合「D」形截面形狀的筋板和直線筋板組成；(3)、將構成每一扇段的內層壁的直線段塊料和衝壓塊料貼緊焊接工裝，並與焊接工裝上的筋板點焊在一起，使塊料表面形狀和工裝表面形狀一致，最後形成完整的內層壁形狀；(4)、在內層壁外沿「D」形截面方向焊接加強筋，加強筋的截面形狀也構成「D」形，這時，焊接在內層壁上的加強筋構成了外層壁的焊接工裝；(5)、在加強筋外貼合焊接構成外層壁的塊料，使塊料表面形狀和加強筋外表面形狀一致，最後形成完整的外層壁形狀；(6)、在各個扇段上開有物料進出口；(7)、將焊接好的各扇段與焊接工裝一起進行振動，以消除應力；(8)、再將扇段從焊接工裝上卸下；(9)、焊接扇段兩端面板；(10)、獲得所需要的所有扇段，全部扇段掛在與「D」形截面環形雙層壁容器的直線段所形成的圓筒直徑一致的圓筒工裝上，將相鄰扇段相互焊接成一體，形成一個「D」形環的形狀，得到所需要的環形容器。
在進行本發明真空容器的設計時，考慮到製造工藝上實現的可能性和實際裝置本身的需要，將雙層壁超高真空容器分成若干扇段來設計。各扇段分別設計成滿足形狀要求的雙層壁，為能夠承受電磁載荷和滿足今後要進行的加熱與冷卻的需要，每段都在雙層壁之間加有加強筋，且加強筋使每段在雙層壁之間形成可供流體流動的通道，並對每一段均進行受力分析和流場分析，使結構達到最優化。
製造方法是，首先按每一扇段的展開形狀按「D」形截面的曲線分段下料(通常分成五段，包括外層壁與內層壁及直線段)，由於每一塊料需除用於直線段外，需要做成截面方向和環向的雙曲面，必需採用模壓。為使製造工藝簡單，降低製造成本，在曲面成型時採用分兩步走的方法，先採用簡單模具將材料壓製成接近所需要的雙曲面形狀，該簡單模具是採用鋼板焊接而成，其模壓面只需進行比較粗的機加工，在壓制時採用局部加墊的方法，使材料形狀達到較粗的雙曲面形狀；然後加工一個外表面形狀與真空容器內層壁設計雙曲面形狀一致的焊接工裝，該工裝的外表面是有若干沿「D」形小截面方向的筋板組成，很容易達到加工精度，將每一扇段的內層壁的五塊壓制好的雙曲面材料與焊接工裝上的筋板點焊在一起，並在點焊過程中使雙曲面壁進一步局部變形，從而使其達到與焊接工裝表面一致的形狀，這樣五塊板材之間完成焊接就形成了精確的內層壁形狀；雙層壁之間的加強筋也設計成沿「D」形截面方向，且這些加強筋的形狀可機加工到很高的精度，焊在內層壁的外表面上，就形成相當於外層壁的焊接工裝，採用內層壁同樣的焊接與校形的方法，就可以獲得精度達到要求的外層壁的雙曲面形狀；這時扇段成為夾層空間全封閉的箱體結構。雖然箱體結構具有較強的剛性，但由於在焊接過程中是採用強制法來控制曲面形狀和焊接變形的，需要消除殘餘應力。為了不在加熱條件下改變用於製造真空容器的不鏽鋼材料的特性，將焊接好的扇段與工裝一起進行振動，消除應力，再將扇段從工裝上卸下，就獲得達到精度要求，且有穩定形狀的一段真空容器。所有扇段均採用此法進行焊接，最後機加工每一扇段的兩端面，獲得所需要的扇段角度，全部扇段通過直徑與直段所形成的圓筒直徑一致的圓筒工裝來控制整個環的形狀，組焊在一起便形成所需要的環形真空容器。
本發明有合理的結構設計及優化，採用了極為簡單的工藝與極低成本的製造技術製造出結構複雜，精度要求高的用於前沿科學研究的真空容器，為先進設備在有限條件下進行研製開了先河。
圖1是內層壁和外層壁用塊料衝壓模具。
圖2是扇段內層壁焊接工裝。
圖3是扇段「D」形截面示意圖。
圖4是扇段焊接用圓筒工裝示意圖。
圖5是全部扇段焊接後俯視結構圖。
具體實施例方式
下面結合圖對本發明進行進一步描述「D」形截面環形雙層壁超高真空容器製造方法，其特徵在於包括以下步驟(1)、將「D」形截面環形雙層壁容器，設計分割成多個扇段，其中扇段結構包括內外層壁、兩條內加強筋和兩條端面加強筋(略去優化過程)；四條加強筋將每一扇段的夾層分成三個獨立的空間，除了要在真空容器內層壁和/或外層壁上開孔，使今後用於加熱或冷卻的流體能流入流出外，在兩條內加強筋上適當的位置需要開孔，使流體在夾層內均勻流動，不形成死空間，從而使加熱和冷卻都能達到均勻；按各扇段內層壁和外層壁的展開形狀，分塊下料，其中除用於直線段塊料外，其餘部分塊料用模具衝壓成和「D」形扇段內層壁或外層壁匹配的雙曲面；同時，製作內層壁和外層壁之間的加強筋；(2)、加工一個外表面形狀與真空容器內層壁雙曲面及直線段形狀一致的「D」形焊接工裝，該工裝是由固定安裝成一體的若干符合「D」形截面形狀的筋板和直線筋板組成；(3)、將構成每一扇段的內層壁的直線段塊料和衝壓塊料貼緊焊接工裝，並與焊接工裝上的筋板點焊在一起，使塊料表面形狀和工裝表面形狀一致，最後形成完整的內層壁形狀；(4)、在內層壁外沿「D」形截面方向焊接加強筋，加強筋的截面形狀也構成「D」形，這時，焊接在內層壁上的加強筋構成了外層壁的焊接工裝；(5)、在加強筋外貼合焊接構成外層壁的塊料，使塊料表面形狀和加強筋外表面形狀一致，最後形成完整的外層壁形狀；(6)、在各個扇段上開有物料進出口；(7)、將焊接好的各扇段與焊接工裝一起進行振動，以消除應力；(8)、再將扇段從焊接工裝上卸下；
(9)、機加工扇段兩端面板，使扇段達到要求的角度與尺寸；(10)、獲得所需要的所有扇段，全部扇段掛在與「D」形截面環形雙層壁容器的直線段所形成的圓筒直徑一致的圓筒工裝上，將相鄰扇段相互焊接成一體，形成一個截面是「D」形的狀狀容器。
焊接工裝是由鋼板焊接而成，其製造成本是真正意義上模具製造成本的1％；焊接工裝也是由鋼板焊接而成，其外表面的機加工精度容易保證，同時便於焊接操作；由於每一扇段的形狀精度和所佔角度精度能夠保證，在組焊時就可保證整個環體的精度。
其中進行流場優化時，對不同扇段因為實驗需要所開的實驗窗口的形狀和大小不一樣，在加強筋上所開的孔的位置不一樣。根據真空容器用途的區別，流體的流入與流出的孔可開在內層壁上，也可開在外層壁上，但需要保證每個扇段內形成流道。
本發明的不足之處在於適合進行單件或小批量生產，對大批量生產需要改進模具。
權利要求
1.「D」形截面環形雙層壁超高真空容器製造方法，其特徵在於包括以下步驟(1)、將「D」形截面環形雙層壁容器，設計分割成多個扇段，按各扇段內層壁和外層壁的展開形狀，分塊下料，其中除用於直線段塊料外，其餘部分塊料用模具衝壓成和「D」形扇段內層壁或外層壁匹配的雙曲面；同時，製作內層壁和外層壁之間的加強筋；(2)、加工一個外表面形狀與真空容器內層壁雙曲面及直線段形狀一致的「D」形焊接工裝，該工裝是由固定安裝成一體的若干符合「D」形截面形狀的筋板和直線筋板組成；(3)、將構成每一扇段的內層壁的直線段塊料和衝壓塊料貼緊焊接工裝，並與焊接工裝上的筋板點焊在一起，使塊料表面形狀和工裝表面形狀一致，最後形成完整的內層壁形狀；(4)、在內層壁外沿「D」形截面方向焊接加強筋，加強筋的截面形狀也構成「D」形，這時，焊接在內層壁上的加強筋構成了外層壁的焊接工裝；(5)、在加強筋外貼合焊接構成外層壁的塊料，使塊料表面形狀和加強筋外表面形狀一致，最後形成完整的外層壁形狀；(6)、在各個扇段上開有物料進出口；(7)、將焊接好的各扇段與焊接工裝一起進行振動，以消除應力；(8)、再將扇段從焊接工裝上卸下；(9)、焊接扇段兩端面板；(10)、獲得所需要的所有扇段，全部扇段掛在與「D」形截面環形雙層壁容器的直線段所形成的圓筒直徑一致的圓筒工裝上，將相鄰扇段相互焊接成一體，形成一個「D」形環的形狀，得到所需要的環形容器。
全文摘要
本發明公開了一種「D」形截面環形雙層壁超高真空容器製造方法，將「D」形截面環形雙層壁容器，設計分割成多個扇段，按各扇段內層壁和外層壁的展開形狀，分塊下料，其中除用於直線段塊料外，其餘部分塊料用模具衝壓成和「D」形扇段內層壁或外層壁匹配的雙曲面；製作內層壁焊接工裝，依次焊接內層壁與外層壁。最後將各扇段焊接成環形真空容器。本發明有合理的結構設計及優化，採用了極為簡單的工藝與極低成本的製造技術製造出結構複雜，精度要求高的用於前沿科學研究的真空容器，為先進設備在有限條件下進行研製開了先河。
文檔編號B23K37/04GK101042944SQ20071001967
公開日2007年9月26日 申請日期2007年1月29日 優先權日2007年1月29日
發明者姚達毛, 姚國強, 張思根, 武松濤, 諸寶飛 申請人:中國科學院等離子體物理研究所