T91 鐵馬鋼磁脈沖壓接成形工藝分析與質量評價

文／鄭勇，邱紹宇，魏連峰，陳高詹，姚力夫，田大容·中國核動力研究設計院 嚴思梁·合肥工業大學

面向核燃料元件高性能、高可靠封裝等重大需求，提出適用于低電導率難變形鐵馬鋼包殼管-端塞的磁脈沖壓接成形工藝，并利用基于LS-DYNA 的數值模擬與試驗驗證了工藝的可行性，研究發現集磁器-包殼管在間隙2mm、放電電壓12.9kV、頻率8.06kHz條件下壓接質量最優，工業CT 結果顯示壓接精度達到5μm。

隨著核反應堆技術的發展，核動力裝置提出了高熱效率、高熱工裕度、高安全可靠性等要求，因此燃料元件的運行條件等更為苛刻。燃料元件包殼材料作為核安全的第一道屏障，需與端塞精密貼合封裝，并滿足反應堆高溫、強輻照損傷、復雜冷卻劑/工質環境的長時間安全運行的設計要求?，F有燃料元件連接封裝體系多采用熔焊，不可避免地會降低接頭韌度、抗裂紋擴展性、耐中子輻照性能，最終導致燃料芯塊組織異變、降質甚至失效，嚴重制約了新一代燃料元件的順利應用。

管材電磁脈沖壓接成形是一種先進的高能率塑性成形技術，具體原理是：將電容充至預設定能量后打開高壓放電開關，電流通過線圈產生穿透飛管的瞬態磁場，根據楞次定律，飛管內產生感應電流(102～104A/mm2)并受到強洛倫茲力作用，從而發生縮徑變形與基材發生高速碰撞(0.1ms 內可加速到200m/s 以上)并和界面結合，甚至可以實現飛管與基材的冶金結合。上述高速變形條件可顯著提高材料塑性及室溫成形極限，且制造過程采用線圈驅動無接觸成形，具有工裝成本低、柔性好、可拓展性好、表面完整性好、疲勞強度高等優勢。

本文提出采用磁脈沖縮徑實現T91 鐵馬鋼包殼管與端塞之間高可靠連接的工藝方法，原理及工藝過程見圖1，采用物理模擬試驗與全流程仿真相結合的方法研究磁脈沖焊接工藝/模具工裝/成形結構協同設計與優化，并且開展模擬燃料元件壓接接頭的性能評價試驗，為新一代燃料元件高性能、高可靠制造提供依據。

圖1 燃料元件磁脈沖壓接成形原理及工藝過程示意圖

磁脈沖成形過程仿真

壓接成形件工藝分析

圖2 為模擬燃料元件結構與裝配形式示意圖，其中兩側端塞尺寸為φ6mm(外徑)×80mm，成形段長度為50 ～60mm，包殼尺寸為φ12mm(外徑)×1mm(壁厚)×210mm，包殼管與端塞間隙初定為0.2mm，根據工件幾何形狀與接頭特征擬采用磁脈沖縮徑壓接工藝方法。由于包殼管材質為難變形T91 鐵馬鋼且外徑較小，需要增加集磁器來匯聚磁場能量，提升單位面積的磁壓力。由于T91 鐵馬鋼電導率不佳，磁脈沖成形過程中難以在包殼管中形成高密度渦流，故本研究擬采用6061 鋁合金作為驅動管，以高效傳遞磁場力驅動包殼管高速變形實現壓接成形。

圖2 模擬燃料元件裝配關系與壓接接頭示意圖

磁脈沖壓接成形有限元—邊界元建模

⑴工裝、模具設計。

根據生產經驗對磁脈沖壓接線圈、模具、工裝進行設計，集磁器設計為等截面型，內徑的尺寸為φ21mm，外徑尺寸為φ85mm，內圈直徑φ17mm，高度為60mm，工作區域長度為15mm，集磁器開口間隙值取1.0mm，集磁器內表面和驅動管外表面間隙值為1mm，驅動管厚度1.5mm，內徑12.2mm，線圈尺寸為φ88mm，高度100mm，矩形截面為7mm×5mm，線圈匝數為10 匝。

⑵數值建模流程。

本研究基于LS-PrePost 軟件對燃料元件包殼-端塞磁脈沖壓接模型進行不同工藝參數的前處理設置，建立電磁場和結構場全耦合仿真模型，利用LSDYNA 軟件進行模型求解，通過輸出前一復合工步變形文件參數作為下一工步前處理的初始條件，進而實現多道次漸進壓接。從圖3 可知，該幾何模型主要由集磁器、線圈、驅動管、包殼管、端塞等五部分所組成，本文中網格單元類型均為常應力固體單元，包殼管設置為變形體，包殼管總單元數3600，厚度方向上3 層單元；完成一個道次壓接后，線圈、集磁器將按照如圖3 中所示方向進給一定距離，并進行下一工步的壓接成形。

圖3 磁脈沖壓接成形有限元-邊界元模型的幾何模型與網格劃分

驅動管、包殼管材料本構模型的選用，依據Hopkinson 桿試驗測試得到的硬鋁合金及T91 鐵馬鋼高速變形本構數據得到的分段線性插值函數，端塞、集磁器和線圈設置為剛體，材料性能參數詳見表1。在模擬過程中線圈設置為帶電源導體，而驅動管、包殼管、集磁器均屬于不帶電源導體，其內部可以產生感應電流。包殼管與驅動管高速變形過程中會壓縮元件內部空氣，這里采用dampling 命令施加質量阻尼來模擬空氣的阻力，阻尼系數設定為1.0，同時為了保留變形數據，應用Interface_springback 命令設置自動回彈計算?？紤]到成形過程網格會有畸變，提前對接觸體進行沙漏設置。在電磁場求解中，通常情況下將放電模型視為RLC 諧振電路，選用Rogowski 線圈測得的不同放電電壓下回路第一半波電流作為加載電流進行求解，求解時間為300μs。

表1 磁脈沖壓接有限元模型材料性能參數

⑶模型可靠性驗證。

圖4 為放電電壓10kV 下電磁縮徑連接成形，T91 鐵馬鋼管材沿圓周方向不同位置數值模擬與試驗得到的管材輪廓對比情況。

圖4 電壓10kV 下電磁縮徑連接成形T91 鐵馬鋼管材數值模擬與試驗對比

從輪廓比對結果可以看出，管件截面圓周上節點最小位移均處在相同位置(集磁器開口處)。本文模型預測的最小節點位移Dmin＝1.46mm，最大節點位移Dmax＝1.94mm，平均誤差為6.52%，最大誤差為17.33%，從圖中結果可以看出，成形均勻性較好且模型預測結果較可靠。

工藝參數對磁脈沖壓接成形質量的影響

⑴放電電壓的影響。

根據前期研究發現，磁脈沖壓接過程中當放電電壓足夠激發驅動管、包殼管協同變形時，在大約50μs 時內包殼管與端塞開始接觸并且產生振蕩回彈，回彈幅值不斷衰減，最后變形結束300μs 時趨于穩定，包殼管與端塞貼模完好。本研究采用10.5kV、12.9kV 和15.1kV 三水平放電電壓開展兩道次磁脈沖壓接成形模擬，兩道次之間軸向進給量均為12mm。

由圖5 可知，三組電壓下均出現了壁厚變化，特別是在集磁器開口處，包殼管壁厚出現了略微減薄，測量得知最大減薄率7.82%，滿足技術要求。與之軸對稱一側的管壁增厚，這是由于在縫隙處電磁力較大所導致的，且隨著電壓增加壁厚變化率變大。通過計算在端塞-包殼管裝配間隙0.5mm 的情況下，三組電壓數據的局部壁厚增厚均超過了10%，且隨著放電電壓增加到12.9kV 時，截面出現了稍許畸變，開始產生“竹節”狀起皺，當電壓增大到15.1kV，“竹節”幅值也相應增大。

圖5 不同放電電壓下磁脈沖兩道次壓接后等效應變分布與成形外觀

⑵端塞-包殼管間隙的影響。

本節設置端塞-包殼管間隙分別為0.5mm、1mm、2mm，對放電電壓為12.9kV 情況下三道次磁脈沖壓接成形模擬結果進行分析，得出的變形規律如圖6 所示。

從圖6 可以看到，在間隙為0.5mm 情況下，三道次成形后金屬管截面畸變十分嚴重，這也是由于其二道次成形時已經出現了較大起皺缺陷，破壞了后續加工步驟的金屬流動方式且改變了局部受力方向，而對于間隙為1mm 和2mm 的模擬方案結果，從外觀上其成形質量無明顯缺陷。

為進一步探究間隙對磁脈沖壓接均勻性的影響，本文利用截面畸變方程式來計算變形均勻性，一般認為φ值小于等于0.2 時，視為變形均勻：

式中Rmax和Rmin分別表示為變形結束后包殼管壁沿母線上節點的最大和最小半徑。經過計算，當內外管間隙為1.0mm 時，節點最大半徑為8.33mm，最小半徑為8.11mm，φ=0.074；當間隙為2.0mm時，節點最大半徑為8.28mm，最小半徑為8.13mm，φ=0.050。根據上述分析，兩種情況下變形都相對均勻，間隙為2mm 時截面畸變值更低，成形效果相對更優。

⑶驅動管壁厚變化的影響。

為研究包殼管-端塞間隙為2.0mm 情況下，成形缺陷產生和驅動管壁厚之間的關系，模擬研究了驅動管壁厚1.0mm、1.5mm、2.0mm 三種條件下的三道次磁脈沖壓接成形情況，結果顯示：隨著驅動管壁厚值減小，壁厚變化率峰值增加且包殼管的壁厚波動變大，包殼管外壁局部增厚和減薄處相差值增大，而驅動管壁厚增大導致貼模度降低顯著，這主要是由于壁厚減小帶來的是驅動管整體剛度與動量的下降，進而加劇了在磁脈沖驅動高速變形過程中材料流動的不均勻性，而驅動管過厚會超過材料趨膚深度，導致成形能量在驅動管變形中消耗過多。

綜上所述，最優工藝選擇為：集磁器-包殼管間隙2mm、放電電壓12.9kV、頻率8.06kHz、驅動管厚度2mm。

磁脈沖壓接成形試驗與壓接質量評價

為了驗證有限元模型與優化方案的應用效果，在重慶普爾薩科技有限公司Xtra-pulse70 電磁成形機上采用上述最優工藝方案開展了T91 鐵馬鋼包殼管-端塞磁脈沖壓接成形的驗證試驗，成形試驗工裝如圖7 所示。

圖7 本項目加工的用于磁脈沖壓接的線圈、集磁器、支座及其使用狀態

研究中的模擬燃料元件目標件為包殼外徑φ12mm、端塞工作部分是外徑φ6mm、長60mm 的圓柱。其成形工藝采用磁脈沖漸進連接成形，成形前先將壁厚1mm 的T91 鐵馬鋼包殼管(包殼)事先與端塞間隙裝配，再將線圈、集磁器、鋁合金驅動管裝配在包殼管外側，從管件連接區中部開始放電成形局部區域，并不斷移動線圈與集磁器位置逐點逐域成形，最終獲得覆管與端塞貼合良好的成形件。

通過3 道次放電成功試制出200mm 長的模擬燃料元件的樣件，如圖8 所示，成形后在合肥碳匯工業技術服務有限公司采用Phoenix Voltmelx M300 型工業CT 進行了包殼管-端塞壓接效果的斷層掃描分析，并采用SEM 與Image Pro Plus6.0 定量表征沿周向壁厚變化情況，結果可見包殼管-端塞壓接效果良好，包殼管與端塞的間隙低于5μm，且最大壁厚減薄率≤10%，證明了本最優化方案的可靠性。

圖8 T91 鐵馬鋼包殼管-端塞磁脈沖連接成形后工業CT 掃描結果

結束語

本文針對性通過調整放電參數、裝配間隙與驅動管幾何尺寸，解決了模擬燃料元件端塞-包殼管磁脈沖壓接成形過程中的起皺、碰撞回彈、不貼模等問題，成形出貼合精度達到5μm 的元件。

研究結果表明，在裝配間隙較小的情況下，單次大電壓放電容易造成碰撞回彈與壓接失效，形成“竹節”狀結合面，而在裝配間隙和放電參數合理的條件下驅動片過厚導致能量利用率低，驅動片過薄則導致碰撞動能不夠，兩者都會導致壓接率顯著降低?？傊?，磁脈沖壓接技術是成形高質量、高可靠燃料元件極具潛力的新方法。