專利名稱：“d”形截面環(huán)形雙層壁超高真空容器制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種磁約束核聚變領(lǐng)域，具體是一種核聚變反應(yīng)中應(yīng)用的“D”形截面環(huán)形雙層壁超高真空容器制造方法。
磁約束核聚變研究，需要在超高真空條件下進(jìn)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(yīng)的等離子體提供特定的磁場(chǎng)環(huán)境，同時(shí)要求對(duì)真空容器進(jìn)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(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁力。
由于該真空容器體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，如何在低成本與簡(jiǎn)易條件下制作，是一個(gè)十分困難的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是提供一種“D”形截面環(huán)形雙層壁超高真空容器制造方法，在低成本與簡(jiǎn)易條件下，制作出高精度的符合要求的復(fù)雜形狀的真空容器。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下“D”形截面環(huán)形雙層壁超高真空容器制造方法，包括以下步驟(1)、將“D”形截面環(huán)形雙層壁容器，設(shè)計(jì)分割成多個(gè)扇段，按各扇段內(nèi)層壁和外層壁的展開形狀，分塊下料，其中除用于直線段塊料外，其余部分塊料用模具沖壓成和“D”形扇段內(nèi)層壁或外層壁匹配的雙曲面；同時(shí)，制作內(nèi)層壁和外層壁之間的加強(qiáng)筋；(2)、加工一個(gè)外表面形狀與真空容器內(nèi)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(gòu)成每一扇段的內(nèi)層壁的直線段塊料和沖壓塊料貼緊焊接工裝，并與焊接工裝上的筋板點(diǎn)焊在一起，使塊料表面形狀和工裝表面形狀一致，最后形成完整的內(nèi)層壁形狀；(4)、在內(nèi)層壁外沿“D”形截面方向焊接加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋的截面形狀也構(gòu)成“D”形，這時(shí)，焊接在內(nèi)層壁上的加強(qiáng)筋構(gòu)成了外層壁的焊接工裝；(5)、在加強(qiáng)筋外貼合焊接構(gòu)成外層壁的塊料，使塊料表面形狀和加強(qiáng)筋外表面形狀一致，最后形成完整的外層壁形狀；(6)、在各個(gè)扇段上開有物料進(jìn)出口；(7)、將焊接好的各扇段與焊接工裝一起進(jìn)行振動(dòng)，以消除應(yīng)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(huán)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(gè)“D”形環(huán)的形狀，得到所需要的環(huán)形容器。
在進(jìn)行本發(fā)明真空容器的設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到制造工藝上實(shí)現(xiàn)的可能性和實(shí)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(lái)設(shè)計(jì)。各扇段分別設(shè)計(jì)成滿足形狀要求的雙層壁，為能夠承受電磁載荷和滿足今后要進(jìn)行的加熱與冷卻的需要，每段都在雙層壁之間加有加強(qiáng)筋，且加強(qiáng)筋使每段在雙層壁之間形成可供流體流動(dòng)的通道，并對(duì)每一段均進(jìn)行受力分析和流場(chǎng)分析，使結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化。
制造方法是，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(nèi)層壁及直線段)，由于每一塊料需除用于直線段外，需要做成截面方向和環(huán)向的雙曲面，必需采用模壓。為使制造工藝簡(jiǎn)單，降低制造成本，在曲面成型時(shí)采用分兩步走的方法，先采用簡(jiǎn)單模具將材料壓制成接近所需要的雙曲面形狀，該簡(jiǎn)單模具是采用鋼板焊接而成，其模壓面只需進(jìn)行比較粗的機(jī)加工，在壓制時(shí)采用局部加墊的方法，使材料形狀達(dá)到較粗的雙曲面形狀；然后加工一個(gè)外表面形狀與真空容器內(nèi)層壁設(shè)計(jì)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(dá)到加工精度，將每一扇段的內(nèi)層壁的五塊壓制好的雙曲面材料與焊接工裝上的筋板點(diǎn)焊在一起，并在點(diǎn)焊過程中使雙曲面壁進(jìn)一步局部變形，從而使其達(dá)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(nèi)層壁形狀；雙層壁之間的加強(qiáng)筋也設(shè)計(jì)成沿“D”形截面方向，且這些加強(qiáng)筋的形狀可機(jī)加工到很高的精度，焊在內(nèi)層壁的外表面上，就形成相當(dāng)于外層壁的焊接工裝，采用內(nèi)層壁同樣的焊接與校形的方法，就可以獲得精度達(dá)到要求的外層壁的雙曲面形狀；這時(shí)扇段成為夾層空間全封閉的箱體結(jié)構(gòu)。雖然箱體結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的剛性，但由于在焊接過程中是采用強(qiáng)制法來(lái)控制曲面形狀和焊接變形的，需要消除殘余應(yīng)力。為了不在加熱條件下改變用于制造真空容器的不銹鋼材料的特性，將焊接好的扇段與工裝一起進(jìn)行振動(dòng)，消除應(yīng)力，再將扇段從工裝上卸下，就獲得達(dá)到精度要求，且有穩(wěn)定形狀的一段真空容器。所有扇段均采用此法進(jìn)行焊接，最后機(jī)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(lái)控制整個(gè)環(huán)的形狀，組焊在一起便形成所需要的環(huán)形真空容器。
本發(fā)明有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，采用了極為簡(jiǎn)單的工藝與極低成本的制造技術(shù)制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高的用于前沿科學(xué)研究的真空容器，為先進(jìn)設(shè)備在有限條件下進(jìn)行研制開了先河。


圖1是內(nèi)層壁和外層壁用塊料沖壓模具。
圖2是扇段內(nèi)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是全部扇段焊接后俯視結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述“D”形截面環(huán)形雙層壁超高真空容器制造方法，其特征在于包括以下步驟(1)、將“D”形截面環(huán)形雙層壁容器，設(shè)計(jì)分割成多個(gè)扇段，其中扇段結(jié)構(gòu)包括內(nèi)外層壁、兩條內(nèi)加強(qiáng)筋和兩條端面加強(qiáng)筋(略去優(yōu)化過程)；四條加強(qiáng)筋將每一扇段的夾層分成三個(gè)獨(dú)立的空間，除了要在真空容器內(nèi)層壁和/或外層壁上開孔，使今后用于加熱或冷卻的流體能流入流出外，在兩條內(nèi)加強(qiáng)筋上適當(dāng)?shù)奈恢眯枰_孔，使流體在夾層內(nèi)均勻流動(dòng)，不形成死空間，從而使加熱和冷卻都能達(dá)到均勻；按各扇段內(nèi)層壁和外層壁的展開形狀，分塊下料，其中除用于直線段塊料外，其余部分塊料用模具沖壓成和“D”形扇段內(nèi)層壁或外層壁匹配的雙曲面；同時(shí)，制作內(nèi)層壁和外層壁之間的加強(qiáng)筋；(2)、加工一個(gè)外表面形狀與真空容器內(nèi)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(gòu)成每一扇段的內(nèi)層壁的直線段塊料和沖壓塊料貼緊焊接工裝，并與焊接工裝上的筋板點(diǎn)焊在一起，使塊料表面形狀和工裝表面形狀一致，最后形成完整的內(nèi)層壁形狀；(4)、在內(nèi)層壁外沿“D”形截面方向焊接加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋的截面形狀也構(gòu)成“D”形，這時(shí)，焊接在內(nèi)層壁上的加強(qiáng)筋構(gòu)成了外層壁的焊接工裝；(5)、在加強(qiáng)筋外貼合焊接構(gòu)成外層壁的塊料，使塊料表面形狀和加強(qiáng)筋外表面形狀一致，最后形成完整的外層壁形狀；(6)、在各個(gè)扇段上開有物料進(jìn)出口；(7)、將焊接好的各扇段與焊接工裝一起進(jìn)行振動(dòng)，以消除應(yīng)力；(8)、再將扇段從焊接工裝上卸下；
(9)、機(jī)加工扇段兩端面板，使扇段達(dá)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(huán)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(gè)截面是“D”形的狀狀容器。
焊接工裝是由鋼板焊接而成，其制造成本是真正意義上模具制造成本的1％；焊接工裝也是由鋼板焊接而成，其外表面的機(jī)加工精度容易保證，同時(shí)便于焊接操作；由于每一扇段的形狀精度和所占角度精度能夠保證，在組焊時(shí)就可保證整個(gè)環(huán)體的精度。
其中進(jìn)行流場(chǎng)優(yōu)化時(shí)，對(duì)不同扇段因?yàn)閷?shí)驗(yàn)需要所開的實(shí)驗(yàn)窗口的形狀和大小不一樣，在加強(qiáng)筋上所開的孔的位置不一樣。根據(jù)真空容器用途的區(qū)別，流體的流入與流出的孔可開在內(nèi)層壁上，也可開在外層壁上，但需要保證每個(gè)扇段內(nèi)形成流道。
本發(fā)明的不足之處在于適合進(jìn)行單件或小批量生產(chǎn)，對(duì)大批量生產(chǎn)需要改進(jìn)模具。
權(quán)利要求
1.“D”形截面環(huán)形雙層壁超高真空容器制造方法，其特征在于包括以下步驟(1)、將“D”形截面環(huán)形雙層壁容器，設(shè)計(jì)分割成多個(gè)扇段，按各扇段內(nèi)層壁和外層壁的展開形狀，分塊下料，其中除用于直線段塊料外，其余部分塊料用模具沖壓成和“D”形扇段內(nèi)層壁或外層壁匹配的雙曲面；同時(shí)，制作內(nèi)層壁和外層壁之間的加強(qiáng)筋；(2)、加工一個(gè)外表面形狀與真空容器內(nèi)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(gòu)成每一扇段的內(nèi)層壁的直線段塊料和沖壓塊料貼緊焊接工裝，并與焊接工裝上的筋板點(diǎn)焊在一起，使塊料表面形狀和工裝表面形狀一致，最后形成完整的內(nèi)層壁形狀；(4)、在內(nèi)層壁外沿“D”形截面方向焊接加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋的截面形狀也構(gòu)成“D”形，這時(shí)，焊接在內(nèi)層壁上的加強(qiáng)筋構(gòu)成了外層壁的焊接工裝；(5)、在加強(qiáng)筋外貼合焊接構(gòu)成外層壁的塊料，使塊料表面形狀和加強(qiáng)筋外表面形狀一致，最后形成完整的外層壁形狀；(6)、在各個(gè)扇段上開有物料進(jìn)出口；(7)、將焊接好的各扇段與焊接工裝一起進(jìn)行振動(dòng)，以消除應(yīng)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(huán)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(gè)“D”形環(huán)的形狀，得到所需要的環(huán)形容器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種“D”形截面環(huán)形雙層壁超高真空容器制造方法，將“D”形截面環(huán)形雙層壁容器，設(shè)計(jì)分割成多個(gè)扇段，按各扇段內(nèi)層壁和外層壁的展開形狀，分塊下料，其中除用于直線段塊料外，其余部分塊料用模具沖壓成和“D”形扇段內(nèi)層壁或外層壁匹配的雙曲面；制作內(nèi)層壁焊接工裝，依次焊接內(nèi)層壁與外層壁。最后將各扇段焊接成環(huán)形真空容器。本發(fā)明有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，采用了極為簡(jiǎn)單的工藝與極低成本的制造技術(shù)制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高的用于前沿科學(xué)研究的真空容器，為先進(jìn)設(shè)備在有限條件下進(jìn)行研制開了先河。
文檔編號(hào)B23K37/04GK101042944SQ20071001967
公開日2007年9月26日 申請(qǐng)日期2007年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月29日
發(fā)明者姚達(dá)毛, 姚國(guó)強(qiáng), 張思根, 武松濤, 諸寶飛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所