一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置与方法与流程

1.本发明涉及金属塑性加工及成形技术领域，具体而言，涉及一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置与方法。


背景技术：

2.高性能核燃料元件是第四代核电技术中的液态金属冷却反应堆发展的亟需，反应堆长时间、高可靠、稳定服役要求其燃料元件具有高传热效率。为避免热量累计造成辐照肿胀，应尽可能减小包壳管与燃料芯体之间的装配间隙，制备出包壳-燃料芯体紧密贴合、包壳壁厚均匀分布的金属复合管件。根据包壳-燃料芯体层间的界面结合性质，燃料单棒紧密贴合技术可分为机械法与冶金法两类。机械紧密贴合法主要包括机械拉拔、滚压、旋压、液压胀形等，工艺相对简单，工序较少，但其形成的机械连接界面难以承载热应力循环，在高温下易产生应力松弛而分层失效。冶金法主要包括离心铸造法、钎焊法、热挤压法、热等静压法、爆炸成形法等，通过外界加热、加压，或添加填充金属，实现复合管件的紧密贴合。以上工艺方法虽然理论上可以提高界面结合强度，但仍存在工艺流程复杂、周期长、设备投资大、制件可重复性低等问题。此外，冶金法中大量热输入极易导致紧密贴合界面处产生脆性金属间化合物和热影响区，使界面力学性能急剧下降。
3.另外棒型核燃料元件的高性能制造除需要包壳管与芯体的紧密贴合外，还需要在包壳管两端进行其与端塞的可靠焊接，现有焊接方法主要采用mig焊、tig焊、激光焊、等离子束焊等熔化焊方法，存在焊缝组织性能调控困难，容易出现高温δ相、laves相等有害结构，焊缝断裂韧性、疲劳性能下降，且生产效率较低，存在严重设备依赖等问题。因此，亟需发展棒型核燃料元件高效、短流程成形制造新技术。
4.基于楞次定律电磁(渐进)成形技术由于具有高能量密度、高效率、高柔性、高成形极限、高表面完整性等优势，成为解决棒型核燃料元件成形制造瓶颈问题的极具潜力的技术方案。但是现有管件电磁成形技术多针对小尺寸构件单一成形工序的简单成形或者局部胀形或缩径，多针对塑性成形或焊接成形单一成形过程，且多适用于电导率较高的金属管件，难以成形低电导率材料；同时现有装置也无法实现紧密贴合封装与焊接的时空集成，效率较低，工序复杂，无法提供封装所需的真空环境。因此针对以棒型核燃料元件为代表的大长径比、低电导率cla16钢管件电磁紧密贴合封装-连接协同成形的技术尚未见报道，对于该类构件成形过程中可能出现的界面碰撞分离、欠成形、竹节状突起、局部减薄超差等缺陷的控制方法也尚缺乏探索。
5.有鉴于此，特提出本技术。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明目的在于提供一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置与方法，利用通脉冲强电流的成形线圈瞬间激发的强洛伦兹力驱
动成形管件发生高速变形，通过集磁器、驱动管和放电能量的精确匹配，从而在棒型核燃料元件两端焊接区实现包壳管与端塞的高速撞击，进而实现界面机械咬合与冶金结合；并在棒型核燃料元件中部封装区实现均匀适当的洛伦兹力，通过成形线圈的轴向进给与多道次放电，逐点逐域累积局部变形，驱动包壳管内壁与燃料芯体外壁形成较大范围的界面精密贴合；能够在同一套装置中实现包壳管-燃料芯体的紧密贴合封装以及包壳管-端塞连接的功能，实现两种工艺过程的时空集成。
7.本发明通过下述技术方案实现：
8.本发明提供一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置，包括真空系统、移动装置、成形线圈、集磁器和电磁成形机；所述真空系统包括真空室，真空室的两个相对壁面上开设有用于穿设核燃料元件并固定核燃料元件端部的通孔，两个通孔之间形成核燃料元件的固定工位；所述集磁器设置在真空室内并用于同轴装配在核燃料元件的外壁上；所述成形线圈同轴缠绕装配在集磁器上；所述移动装置用于驱动集磁器和成形线圈沿着核燃料元件的轴向来回移动；所述电磁成形机用于向成形线圈提供不同的放电电压。
9.本发明利用通脉冲强电流的成形线圈瞬间激发的强洛伦兹力驱动成形管件发生高速变形，通过集磁器、驱动管和放电能量的精确匹配，从而在棒型核燃料元件两端焊接区实现包壳管与端塞的高速撞击，进而实现界面机械咬合与冶金结合；并在棒型核燃料元件中部封装区实现均匀适当的洛伦兹力，通过成形线圈在核燃料元件的轴向进给与多道次放电，逐点逐域累积局部变形，驱动包壳管内壁与燃料芯体外壁形成较大范围的界面精密贴合；在同一套装置中实现包壳管-燃料芯体的紧密贴合封装以及包壳管-端塞连接的功能，实现两种工艺过程的时空集成。
10.进一步的，还包括驱动管，所述驱动管用于同轴套在核燃料元件外壁上，所述驱动管采用纯铝或铝合金管，能够解决cla16铁马钢包壳管导电性差、洛伦兹力难以激发的问题，实现低电导率合金的精密成形。
11.进一步的，所述集磁器采用整体式集磁器，且集磁器上沿着圆周方向带有多个60
°
间隔的凹槽，以保障包壳管成形过程中周向壁厚数值的均匀性，避免单集磁器间隙造成的局部显著变形与壁厚尺寸超差。
12.进一步的，所述移动装置包括设置在真空室内的与核燃料元件固定工位平行设置的滚珠丝杠，滚珠丝杠上滑动安装有移动平台，集磁器安装在所述移动平台上，所述滚珠丝杠设置有多个，且沿着固定工位的圆周方向均匀布置。通过移动平台和滚珠丝杠的设置，能够方便集磁器和成形线圈在核燃料元件轴向方向上快速并稳定的来回移动，从而实现以包壳管中段为中点进行对称间隔放电方式，完成包壳管与燃料芯体之间由中心向两端的逐步紧密贴合。
13.进一步的，通孔与核燃料元件的端塞之间设置有密封装置，进一步保证真空室内的真空环境。
14.本发明还提供一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形方法，包括如下步骤：
15.(1)将核燃料元件与驱动管同轴装配，再将装配体放入真空室中与集磁器和成形线圈装配，真空室内抽真空；
16.(2)将成形线圈和集磁器移动至核燃料元件包壳管中段，设定电磁成形机的放电参数，以包壳管中段为中心，在两侧采取对称间隔放电方式，进行包壳管与燃料芯体之间由中心向两端的逐步紧密贴合封装；
17.(3)将成形线圈和集磁器移动至端塞处，重新设定放电参数，采取对称间隔放电和两次脉冲连接方法，进行包壳管与端塞的连接。
18.本发明的成形方法，利用通脉冲强电流的成形线圈瞬间激发的强洛伦兹力驱动成形管件发生高速变形，通过集磁器、驱动管和放电能量的精确匹配，形成机械咬合-冶金结合的双重结合界面；包壳管和燃料芯体的封装区采用对称间隔放电的形式进行成形，可确保成形过程不同道次紧密结合效果的一致性与对称性；从而在一次成形过程中，实现包壳管-燃料芯体的紧密贴合封装以及包壳管-端塞的连接。
19.进一步的，步骤(2)的具体方法如下：
20.成形线圈和集磁器移动至核燃料元件包壳管中段作为初始位置，以8kv放电电压进行初始放电道次，完成包壳管与燃料芯体中段的紧密贴合成形；
21.设置初始位置为z轴坐标0点，成形线圈和集磁器沿z轴正方向移动y距离，以7.5kv的放电电压进行放电，成形线圈和集磁器沿z轴负方向移动2y距离，再以7.5kv的放电电压进行放电，两次对称放电成为第一个间隔放电道次；
22.将成形线圈和集磁器移动至z轴
±y×
n处分别进行两次对称放电，成为第n个间隔放电道次，n为2，3，4
……
n，完成包壳管与燃料芯体之间由中心向两端的逐步紧密贴合。
23.本发明中，初始放电道次与间隔放电道次放电放入电压分别设置为8kv与7.5kv，能够避免因包壳管已成形区域与燃料芯体的距离减小导致的成形力增大与壁厚过度减薄。
24.步骤(3)的具体方法如下：
25.将成形线圈和集磁器移动至端塞末端
±
a距离处，以10kv的放电电压进行磁脉冲成形，然后沿背离端塞末端方向移动b距离，即在
±
(a+b)距离处再以10kv的放电电压进行磁脉冲成形，完成端塞与包壳管的连接(此处提到的端塞末端指的是端塞插入包壳管的端部)。
26.本发明在采用7.5kv放电电压进行包壳管和燃料芯体的紧密贴合连接，采用10kv的放电电压进行包壳管和端塞的封装连接，能够确保包壳管-燃料芯体碰撞回弹后紧密贴合间隙≤40μm，以使连接过程形成机械结合-冶金结合双重可靠连接界面，从而保证棒型核燃料元件整体制造质量与精度。
27.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
28.1、本发明实施例提供的一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置与方法，利用通脉冲强电流的成形线圈瞬间激发的强洛伦兹力驱动成形管件发生高速变形，通过集磁器、驱动管和放电能量的精确匹配，从而在棒型核燃料元件两端焊接区实现包壳管与端塞的高速撞击，进而实现界面机械咬合与冶金结合；并在棒型核燃料元件中部封装区实现均匀适当的洛伦兹力，通过成形线圈在核燃料元件的轴向进给与多道次放电，逐点逐域累积局部变形，驱动包壳管内壁与燃料芯体外壁形成较大范围的界面精密贴合；
29.2、本发明实施例提供的一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置与方法，能够在同一套装置中，通过功能集成与放电电压的差异化设置，在一次成形过程中，完成包壳管-燃料芯体的紧密贴合封装以及包壳管-端塞连接的功能，实现两种工艺
过程的时空集成，提高生产效率；
30.3、本发明实施例提供的一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置与方法，采用整体式带60
°
间隔凹槽的集磁器，保障了包壳管成形过程中周向壁厚数值的均匀性，避免了单集磁器间隙造成的局部显著变形与壁厚尺寸超差；
31.4、本发明实施例提供的一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置与方法，包壳管和燃料芯体的封装区成形采用对称间隔放电的形式，确保了成形过程不同道次紧密结合效果的一致性与对称性，避免了反复调整放电电压确保放电能量一致性；
32.5、本发明实施例提供的一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置与方法，成形过程中采用纯铝或铝合金管作为驱动管能够解决cla16铁马钢包壳管导电性差、难以激发洛伦兹力的问题，实现了低电导率合金的精密成形；另外通过驱动管与成形管管材壁厚的精准设计，可以有效提高放电能量的利用率；
33.6、本发明实施例提供的一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置与方法，通过优化的放电电压、放电路径与多道次放电间隔设计，能够在不产生界面脱连、整管周期性竹节状突起、壁厚过度减薄的前提下最大程度提高放电效率，保证多道次成形的精确搭接，确保了包壳管与燃料芯体的贴合间隙≤40μm，包壳管壁厚减薄率≤20％；
34.7、本发明实施例提供的一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置与方法，包壳管-端塞界面有利于产生机械咬合复合冶金结合的非稳态界面，单一放电工位放电次数确保为1次，能够显著提高放电效率，缩减制造流程；
35.8、本发明实施例提供的一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置与方法，利用冲击波效应能够强化管件、破碎界面有害氧化物层、激发界面原子高速互扩散，显著提高紧密贴合质量；
36.9、本发明实施例提供的一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置与方法，解决了传统成形制造工艺过程时空分离、成形效率低、成形流程复杂、设备要求高、紧密贴合质量与焊缝质量控制困难等问题，实现了棒型核燃料元件电磁紧密贴合封装-连接协同成形。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
38.图1为本发明实施例提供的棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置结构示意图；
39.图2为棒型核燃料元件结构及与驱动管的装配示意图；
40.图3为整体式集磁器俯视图；其中最左侧为集磁器的开口间隙，其余间隔60
°
一个的缝隙是集磁器上机加工的不穿透集磁器结构的径向槽；
41.图4为采用本发明实施例方法制备的模拟核燃料元件；
42.图5为核燃料元件的电磁渐进成形实验；(a)实验工装(b)断面ct成像图。
43.附图标记及对应零部件名称：
44.1-集磁器，2-成形线圈，3-移动平台，4-滚珠丝杠，5-核燃料元件，6-真空室，7-密封装置，8-驱动管，9-端塞，10-包壳管，11-燃料芯体。
具体实施方式
45.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
46.在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、材料或方法。
47.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
48.在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
49.实施例1
50.如图1和图2所示，本发明实施例提供一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形装置，包括真空系统、移动装置、成形线圈2、集磁器1和电磁成形机；所述真空系统包括真空室6以及抽真空装置，真空室6的两个相对壁面上开设有用于穿设核燃料元件5并固定核燃料元件5端部的通孔，两个通孔之间形成核燃料元件5的固定工位；所述集磁器1设置在真空室内并用于同轴装配在核燃料元件5的外壁上；所述成形线圈2同轴缠绕装配在集磁器1上；所述移动装置用于驱动集磁器1和成形线圈2沿着核燃料元件5的轴向来回移动；所述电磁成形机用于向成形线圈2提供不同的放电电压。
51.本发明利用通脉冲强电流的成形线圈瞬间激发的强洛伦兹力驱动成形管件发生高速变形，通过集磁器、驱动管和放电能量的精确匹配，从而在棒型核燃料元件两端焊接区实现包壳管与端塞的高速撞击，进而实现界面机械咬合与冶金结合；并在棒型核燃料元件中部封装区实现均匀适当的洛伦兹力，通过成形线圈在核燃料元件的轴向进给与多道次放电，逐点逐域累积局部变形，驱动包壳管内壁与燃料芯体外壁形成较大范围的界面精密贴合；在同一套装置中实现包壳管-燃料芯体的紧密贴合封装以及包壳管-端塞连接的功能，实现两种工艺过程的时空集成。
52.优选的，还包括驱动管8，所述驱动管8用于同轴套在核燃料元件5外壁上，所述驱动管8采用纯铝或铝合金管，能够解决cla16铁马钢包壳管导电性差、洛伦兹力难以激发的
问题，实现低电导率合金的精密成形。
53.优选的，如图3所示，所述集磁器1采用整体式集磁器，且集磁器上沿着圆周方向带有多个60
°
间隔的凹槽，以保障包壳管成形过程中周向壁厚数值的均匀性，避免单集磁器间隙造成的局部显著变形与壁厚尺寸超差。
54.优选的，所述移动装置包括设置在真空室6内的与核燃料元件5固定工位平行设置的滚珠丝杠4，滚珠丝杠4上滑动安装有移动平台3，集磁器1安装在所述移动平台3上，所述滚珠丝杠4设置有多个，且沿着固定工位的圆周方向均匀布置。通过移动平台和滚珠丝杠的设置，能够方便集磁器和成形线圈在核燃料元件轴向方向上快速并稳定的来回移动，从而实现以包壳管中段为中点进行对称间隔放电方式，完成包壳管与燃料芯体之间由中心向两端的逐步紧密贴合。
55.优选的，通孔与核燃料元件5的端塞9之间设置有密封装置7，进一步保证真空室内的真空环境。
56.实施例2
57.如图1和图2所示，本发明实施例提供一种棒型核燃料元件磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形方法，具体步骤如下：
58.(1)样品准备：将图1中端塞9外壁与3cla16铁马钢包壳管10内壁进行油污处理与光整处理，以确保后续连接效果；
59.(2)样品装配：按图1所示方式将燃料芯体11装入外径12mm、内径10.2mm、长4m的1cla16铁马钢包壳管10内部，单侧装配间隙0.12mm-0.20mm，再将内径等同于包壳管10外径的纯铝/铝合金驱动管8套在包壳管10外侧，再将集磁器套在纯铝/铝合金驱动管8外侧并保证其位置在包壳管最中段(即集磁器中心位于包壳管2m位置)，再将浇筑环氧树脂的无氧铜矩形截面2螺线圈(匝数7-10匝)装配在集磁器外圈保证线圈与集磁器轴向中心基本对齐(
±
2mm)；两个端塞分别安装在包壳管两端，保证端塞塞入包壳管一端长度大于10mm；
60.(3)工装准备：按图1所示方式将核燃料元件装配体放置入真空室中，并将线圈及集磁器系统固定在滚珠丝杠4上所连接的移动平台3上，进一步将移动平台中心调节至包壳管中心，在端塞肩部与真空室器壁间隙处增加密封装置7，保证装配过程的气密性，并关闭真空室，抽真空至10-4
pa真空度；
61.(4)电磁成形机准备：电磁成形机基本设备参数如下：放电能量70kj，额定电流700ka，电容量与偏差240μf
±
5％，频率0-45khz；首先将集磁器与成形线圈组合位置通过移动平台调整至包壳管长度中心位置，并设置为初始位置z轴坐标0点，设置成形机放电电压为8kv，对电容器进行充电，再断开充电开关，打开放电开关，联通放电回路，以8kv放电电压进行初始磁脉冲紧密贴合成形，起到定位和固定管件作用；
62.(5)第一道次磁脉冲成形：在集磁器工作区域长度为15mm条件下，将移动平台向z轴正方向移动12mm，再以7.5kv的放电电压进行间隔放电；放电结束后再将移动平台向z轴负方向移动24mm，即移动至-12mm处，再以7.5kv的放电电压进行放电，两次对称放电成为一个放电道次；
63.(6)第二到n个放电道次：在集磁器工作区域长度为15mm条件下，将移动平台向z轴移动至
±
12
×
n mm处分别进行放电，n为放电道次数，完成包壳管与燃料芯体之间由中心向两端的逐步紧密贴合，直至连接区域达到端塞位置；
64.(7)端塞连接成形：确保真空度的条件下将移动平台中心移动至一端端塞末端
±
7mm处，在放电电压10kv的条件下进行对称间隔放电，起到初步连接与密封包壳管的作用，然后沿背离端塞末端方向移动4mm，即在端塞末端
±
11mm处，再采用10kv的放电电压进行对称间隔放电，以完成一端端塞与包壳管的可靠连接，将移动平台中心移动至另一端端塞处重复上述操作，完成两端端塞与包壳管的连接；
65.(8)取出样品：对真空室进行泄压处理，并打开真空室，取出已经紧密贴合封装-连接好的棒型核燃料元件；
66.(9)剥离驱动管：采用线切割或带锯从两侧割开驱动管，注意确保钼丝/刀具送进量略小于驱动管壁厚，进而取出已经紧密贴合封装-连接的棒型核燃料元件，并进行样品ct扫描、气密性试验、破坏性力学性能试验等。
67.如图4为通过本发明磁脉冲紧密贴合封装-连接协同成形方法制备的棒型元件模拟件，如图5，ct结果显示包壳管(外管)与模拟芯体(内管)的极限贴合精度约为9μm。
68.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。