AISI 660防屑板的激光切割制造工藝研究

秦國鵬，張麗英，皇甫鴻賓

摘要：AISI 660防屑板是華龍一號HPR1000核燃料組件中用于過濾流體中碎屑以防止核燃料包殼磨蝕破損的堆芯重要功能件。防屑板外形約為220 mm×220 mm×3 mm見方的薄板，板上密集分布著近2 000個方形或圓形孔，孔的尺寸精度和位置度要求很高，加工難度大。從激光切割前處理、切割過程、關鍵工藝參數、切割后處理等方面研究了防屑板激光切割工藝過程及其關鍵特性，最終成功制定防屑板激光切割制造工藝。該研究為解決國產核燃料制造中的技術難題提供了新的研究思路和方向。

關鍵詞：AISI 660;防屑板;核燃料;激光切割;工藝參數;前后處理

中圖分類號：G718? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）09-0046-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.09

0? ? 前言

AISI 660 防屑板（以下簡稱防屑板）位于華龍一號HPR1000核燃料組件下管座頂部，是過濾一回路流體中的碎屑，防止核燃料包殼磨蝕破損的堆芯重要功能件。防屑板呈濾網狀結構，在厚度約為3 mm的薄板上需要加工近2 000個長方形孔和圓孔，方孔間筋寬必須控制在0.5 mm±0.1 mm的范圍內，加工難度大。防屑板外形及孔系局部放大圖分別如圖1左、右所示，其材質為國產AISI 660不銹鋼，最終產品交付狀態為時效硬化狀態，組織晶粒度大于5級，無晶間腐蝕傾向。產品力學性能必須滿足Rp0.2≥590 MPa;Rm≥900 MPa;A≥15%[1]。防屑板目前采用電加工工藝，單件零件的加工時間長達48 h。為適應批量化生產需求，有必要研究高效率的激光切割方法，提高產品生產效率，降低生產成本。項目從激光切割前處理、切割過程、關鍵工藝參數、后處理等方面入手，對防屑板的激光切割工藝及關鍵工藝特性進行了初步應用研究。

1 防屑板激光切割技術

選取較為成熟的激光高速切割技術。其原理為：在高壓惰性氣體的保護下，利用高功率激光束照射被切割材料，材料加熱蒸發形成孔洞，隨著光束移動，孔洞連續形成切縫[2]。激光高速切割的最大特點為切割速度快，目前國際上一流的設備切割速度可達300 m/min[3]。激光高速切割技術的精度主要與激光線能量密度、光束穩定性、機床刀頭的運動精度有關。近年來，隨著激光器及磁柵尺導軌的技術發展，激光切割的精度和效率已經可以滿足核電精密產品加工的基本要求。

2 試驗條件

（1）原材料：國產AISI 660奧氏體不銹鋼，鍛件軋制坯料，固溶態。板材尺寸約為220 mm×220 mm

×3 mm，切割前經過機械校平。

（2）試驗設備：激光切割設備選取國際一線品牌，基本能代表激光切割主流技術水平。

3 研究結果

3.1 激光切割前處理

激光切割屬于熱切割工藝，切割過程中由于溫度場不均勻變化會產生一定程度的變形，因此在切割前應盡量消除材料內部殘余應力，減小導致產品變形的質量影響因素。另外高速切割對板材的沖擊力會影響產品的切割精度，需要盡量提高材料的剛性和強度。研究發現，切割前板材的內部殘余應力越低，強度越高，切割后產品的尺寸精度就越好。為保證產品質量，防屑板激光切割前增加了真空時效硬化熱處理工序，時效熱處理循環制度如圖2所示。為保證產品外觀光亮無氧化色，應控制真空熱處理設備的爐內工作壓力優于5E-03 Pa。實測時效硬化熱處理后的防屑板坯料布氏硬度達到298～340 HB，能滿足后續切割工藝要求。

3.2 激光切割過程

防屑板的激光切割過程是一個復雜的物理化學變化過程，涉及材料學、物理學、冶金學、化學、光學等多個學科的綜合知識。項目從工藝應用的角度，重點研究防屑板激光高速切割工藝流程及過程質量控制措施[4]。防屑板激光切割過程如圖3所示，由12個工步組成。

3.3 防屑板激光切割關鍵工藝參數

3.3.1 壓縮保護氣體

激光高速切割工藝采用壓縮氮氣作為冷卻保護氣體。一定壓力和流量的壓縮氮氣可以快速吹走切割槽上被激光熔化的金屬，既能保證切割路徑順暢無粘連，又能保證切割精度;而且氮氣作為惰性氣體還可以排開氧化氣氛，保護切割層不被氧化;此外氮氣溫度較低，噴射過切割面后還能有效冷卻切割面和熱影響區，減小熱加工應力和變形。因此激光高速切割雖然仍屬于熱加工范疇，但相對于傳統激光切割工藝，激光高速切割的產品切割面光亮，無肉眼可見氧化色，切割質量較高。有壓縮保護氣的激光高速切割零件切割面照片如圖4所示。

3.3.2 激光焦點直徑及調整尺寸

激光焦點直徑又稱光斑直徑，激光切割的槽寬與光斑直徑有關。調整尺寸又稱光斑補償值，其大小與切割材料的收縮率、熱膨脹系數、加工預留余量有關。激光焦點直徑及調整尺寸是關系激光切割精度的關鍵參數，需要通過反復的工藝試驗來確定其調整范圍。批量產品切割前后，還應該制造光斑補償試樣或工藝控制試樣來驗證材料、工藝參數、設備運行狀況是否符合產品制造過程控制的要求。

3.3.3 激光切割變形控制

激光切割過程中因激光熔化金屬和切口材料冷卻收縮，都會導致板材溫度場的變化而產生變形。防屑板典型平面變形情況如圖5所示。

依據切割順序及速度的不同，變形大致可分為兩種情況：一種是板材中心向外的凹凸變形，一種是板材不規則的波浪形變形。這兩種情況均會影響產品的平面度及孔系位置度。經過大量的試驗研究，首先統計分析批量防屑板樣品的激光切割變形數據，然后計算建立出切割熱應力分布模型，之后根據數據模型設計合理的切割順序及路徑，最終得到防屑板激光切割變形的控制方法。經驗證該控制方法可有效減小切割應力和變形。具體方法為：將防屑板上1 864個方形孔、 25個的圓形孔，科學分類為8種類型的圖案組合（見圖6），依據特定的順序進行激光切割。切割順序分為圖案組合間切割和圖案組合內切割。

（1）圖案組合間切割順序：激光切割方孔組合D、F、H——激光切割方孔組合A、B、C、E、G——切割25個圓形定位孔——切割外形四方。

（2）圖案組合內切割順序：為避免切割熱應力集中，采用隨機順序切割單個方孔。具體方法為：以單個孔的中心位置作為程序起點，對單個孔編制獨立切割子程序;依據導入的防屑板切割模型圖紙，為每個圖案組合內的單個孔自動編號;自動數控程序設置隨機數發生器，隨機分配單孔切割順序;每切割完一個單孔和圖案組合，在數控程序及切割控制圖[5]上標記完成狀態（標記不同顏色），直至切割標記所有切割路徑。切割完成標記圖及切割質量過程監控見圖7，不同顏色代表切割的不同狀態。

3.3.4 切割速度

切割速度是衡量產品切割生產效率的重要指標。研究發現，同等條件下激光切割速度與切割表面凹凸起伏程度、切割尺寸精度、切割面變質層厚度、切割變形量呈反比。簡單來說，就是切割速度越快、切割尺寸精度越差，但對原材料性能的影響越小;切割速度越慢、切割尺寸精度越好，但對原材料性能的影響越大。因此需要通過試驗找到合適的切割速度，兼顧生產效率和產品加工質量。三種激光切割速度加工出的防屑板樣品表面形貌電鏡掃描照片如圖8所示。可以看出，激光切割樣品都存在由細條狀熔融物堆積構成的條狀切割痕跡，而且切割速度越快，切割面表面質量就越差。

3.4 激光切割產品檢驗

試制研究得到激光切割防屑板樣品1批，實物及切割位置局部放大如圖9所示。

激光切割防屑板經外觀、尺寸、位置度等無損檢驗和金相、晶間腐蝕、表面形貌等破損檢驗，結果見表1。其中晶間腐蝕試樣中有1個試樣出現了輕微的晶間腐蝕傾向，剩余試樣合格。有晶間腐蝕傾向的激光切割面試樣如圖10所示，缺陷分布在切割表面下0.01～0.10 mm的位置，理論上可通過其他加工方式去除表面缺陷層，因此屬于可去除缺陷。

3.5 激光切割后處理

多次試驗研究發現，雖然防屑板激光切割面的質量、尺寸及位置度很難達到圖紙規定的精度要求，但可以將其作為前期的切割預孔工序，保留少量的加工余量。之后采用電火花作為激光切割的后處理工序，精加工最終尺寸。這樣既可以提升激光切割面的表面質量，又可以消除切割層的晶間腐蝕裂紋缺陷。因此最終防屑板激光切割工藝采用激光切割預孔+電火花精加工的組合加工方式。研究得到的激光切割防屑板產品的組合整體加工流程如圖11所示，前后共有16個工序。

4 結論

通過對核燃料防屑板激光切割前處理工序、切割過程、激光切割關鍵工藝參數、切割后處理工序等制造工藝全過程的研究，最終得到符合圖紙要求的小批量激光切割防屑板樣品及全套防屑板激光切割制造工藝。該研究為解決HPR1000及同類型國產核燃料零部件制造中的技術難題提供了新的思路和研究方向。先進加工工藝的研究對推動國內核燃料制造技術水平的提高具有重要的意義。

參考文獻：

[1]ASTM E112，Standard Test Methods for Determining Average Grain Size[S].美國材料與試驗協會，2013.

[2]王又良.激光加工的最新應用領域[J].應用激光，2005，25（5）：329-332.

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[4]湯淑明，王飛躍.過程能力指數綜述[J].應用概率統計，2004，20（2）：207-216.

[5]楊曉林.大功率激光加工設備實時參數檢測系統[J].傳感器技術，2005（3）：50-52.