對于ITER包層冷卻管切管技術(shù)的測試結(jié)果的驗證

1、對于ITER包層冷卻管切管技術(shù)的測試結(jié)果驗證摘要:為了更換ITER第一壁(FW),冷卻管的切割和焊接技術(shù)必須能從FW的表面接近管路,并能從冷卻管的內(nèi)部進(jìn)行切割和焊接(內(nèi)徑42.27mm，厚度2.77mm)。對于管端的切割工具要求從FW的表面切出圓形平板（切割直徑：大約44mm，板厚5mm）。為了定義工具和液壓連接的包層的技術(shù)參數(shù)，IO和JADA(日本國內(nèi)代理)針對FW的更換，進(jìn)行研究和開發(fā)活動。本文描述了冷卻管路連接的切割工具發(fā)展的最新情況。1 引言目前ITER包層系統(tǒng)的設(shè)計是模塊設(shè)計。共有440個包層模塊安置在ITER真空室內(nèi)如圖1所示。每一個包層模塊包括FW和SB（屏蔽層）。FW承受來自等

2、離子體的非常高的熱負(fù)荷。SB保護(hù)真空室的外部部件避免來自核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子輻照。ITER的FW被熱負(fù)荷和中子損壞，因此它需要定期更換。在包層更換期間，由于中子輻照，真空室內(nèi)部被激活，這就無法人工維護(hù)。因此，專用的遠(yuǎn)程維護(hù)機(jī)械手是需要的。安置在包層模塊內(nèi)部的冷卻管在FW更換的時候需要切割和焊接。在兩個地方切割和焊接操作被執(zhí)行：在FW和SB的連接地方和管的端部。切割的要求是沒有切屑并且切割表面能很好的焊接。過去，因為作為通用工具能被用于這兩種操作，激光切割和焊接認(rèn)為是可行的。然而在激光切割期間，碎屑和金屬煙霧是傳播的。因此，下面的金屬切割技術(shù)被挑選出來作為包層冷卻管的切割方法。（1）對于冷卻管連

3、接處的切割工具切割冷卻管的最有效工具是緊湊型型材切割，它不會產(chǎn)生碎屑。在這種型材切割方法中，通過在刀具和切割表面之間產(chǎn)生的連續(xù)塑性變形，切割被執(zhí)行。冷卻管安置在包層，工具需要插入管道內(nèi)部。（2）脫去管道端部蓋子的切割工具為了切割管道端部的蓋子，我們選擇洞切割方法，它使用帶有鎢燒制的六個硬質(zhì)合金刀片的平面銑刀。這種方法的主要技術(shù)問題是切割過程中產(chǎn)生碎屑。為了解決這個問題，在平面銑刀內(nèi)部帶有真空吸塵器的平面銑刀被開發(fā)了。2對于冷卻管連接處的切割工具2.1 要求冷卻管的規(guī)格是ASTM A312 TP-S316L 11/2´´Sch10S。內(nèi)部管的直徑是42.72mm，厚度是2.7

4、7mm。型材切割要求如下，要求標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)如表1所示。l 從管道內(nèi)部接近切割部位的緊湊設(shè)計l 沒有金屬碎屑的切割l 切割表面的可焊接性圖1 ITER的包層模塊2.2 設(shè)計通過管路的內(nèi)部傳送一個切割力去切割位置，扭矩套管驅(qū)動系統(tǒng)被應(yīng)用了，如圖2.切割工具包括刀架、電動機(jī)和齒輪裝置。刀架的直徑是40.4mm。切削結(jié)構(gòu)包括盤形銑刀、楔形、傳動軸和支持輪，它們安置在刀架的前部。盤形銑頭和刀架端部的距離是30mm。盤形銑頭有2個后角，刀刃和倒弧角。第一個后角和倒弧角邊緣被設(shè)計用來維護(hù)堅固。第二個后角被設(shè)計用來減少刀具和管道的摩擦。表1 型材切割要求問題要求標(biāo)準(zhǔn)工具設(shè)計工具直徑< 42.27mm刀架端部

5、的切割位置< 50mm碎屑沒有碎屑-焊接性切割表面的粗超度< Ra 6.3m切槽角度15°切割表面變形< 0.2mm圖2 型材切割設(shè)計切削機(jī)構(gòu)由1號電動機(jī)驅(qū)動。兩個楔形通過擰入傳動軸，相互接近安置，盤形銑刀被向外擠壓，為了使它的邊緣接近管道。支持輪安裝在刀架的相反方向。支持輪收到來自管道的反作用力。2號電動機(jī)驅(qū)動刀架頭旋轉(zhuǎn)。當(dāng)推動盤形銑刀進(jìn)入管道的時候，旋轉(zhuǎn)刀架頭完成切割。1號電動機(jī)與2號電動機(jī)協(xié)調(diào)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)去補償在旋轉(zhuǎn)角1、2相位差。電動機(jī)安裝在相同位置避免電纜干涉。2.3 切割測試切割測試在以下幾種狀態(tài)進(jìn)行實施：改變刀架的旋轉(zhuǎn)速度和通過先進(jìn)裝置的刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)給速度，

6、如圖3所示。圖3 實驗裝置圖4 切割時傳動軸和刀架的轉(zhuǎn)矩圖5 型材切割的切割表面圖4表明幾種刀具進(jìn)給速度的旋轉(zhuǎn)工具頭和傳動軸的測試轉(zhuǎn)矩（mm/s）。測試轉(zhuǎn)矩由電動機(jī)電流計算出。刀具進(jìn)給速度刀架進(jìn)料速度，由每個刀架旋轉(zhuǎn)乘以刀具旋轉(zhuǎn)速度。刀具頭和傳動軸的額定扭矩分別是13.68Nm和6.84Nm。所有的測試扭矩在切割時不大于額定扭矩。圖5顯示了切割表面的照片。碎屑在切割時候沒有產(chǎn)生。圖6顯示了切割面的粗糙度和刀具進(jìn)給速度的相關(guān)關(guān)系。對于焊接的粗糙度算術(shù)平均值的目標(biāo)是少于6.3m。所有切割條件的粗糙度結(jié)果都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于6.3m。圖6 切割表面的粗糙度圖7 切割表面的測試點由盤形銑刀產(chǎn)生的錐形切割面是由盤

7、形銑刀的后角產(chǎn)生。目前，一個15度的錐形角被設(shè)計為了切割槽。為了檢查焊接的切割形狀的變化，錐形高度的變化是被測量的。圖7展示了關(guān)于刀具進(jìn)給速度的切割表面形狀估算的測量點。測試點安放在4個位置，間隔90度。切槽兩個錐高（上部和下部之間）被測量了。圖8展示了每一個方位角的錐高變化的測量結(jié)果h。錐高的最大變化范圍是0.16mm。圖9展示了在新的管道和切管這個情形下的可能的差距。當(dāng)新管配合切管的時候，最大的差距將會是0.16mm，如圖9所示。目前，作為激光焊接公差，0.2mm的差距是接收的。在激光焊接的公差內(nèi)的，切割表面的形狀可重復(fù)性是證實的。圖8 切割表面的形狀圖9 新管和切割管的差距2.4 型材切割的實驗結(jié)果型材切割的實驗結(jié)果總結(jié)如下：l 實際的切削力矩與額定轉(zhuǎn)矩是一致的。l 切割期間沒有產(chǎn)生碎屑。l 切割表面的粗糙度非常小于焊接目標(biāo)粗糙度。l 切割表面的公差在假定的激光焊接公差范圍內(nèi)。在切削實驗中，切割成功的實現(xiàn)了所有切割狀態(tài)，這些切割表面滿足切割要求。此時，0.02mm/s的刀具進(jìn)給速度被認(rèn)為是更好的，因為盤形