对于ITER包层冷却管切管技术的测试结果的验证

1、对于ITER包层冷却管切管技术的测试结果验证摘要:为了更换ITER第一壁(FW),冷却管的切割和焊接技术必须能从FW的表面接近管路,并能从冷却管的内部进行切割和焊接(内径42.27mm，厚度2.77mm)。对于管端的切割工具要求从FW的表面切出圆形平板（切割直径：大约44mm，板厚5mm）。为了定义工具和液压连接的包层的技术参数，IO和JADA(日本国内代理)针对FW的更换，进行研究和开发活动。本文描述了冷却管路连接的切割工具发展的最新情况。1 引言目前ITER包层系统的设计是模块设计。共有440个包层模块安置在ITER真空室内如图1所示。每一个包层模块包括FW和SB（屏蔽层）。FW承受来自等

2、离子体的非常高的热负荷。SB保护真空室的外部部件避免来自核聚变反应产生的中子辐照。ITER的FW被热负荷和中子损坏，因此它需要定期更换。在包层更换期间，由于中子辐照，真空室内部被激活，这就无法人工维护。因此，专用的远程维护机械手是需要的。安置在包层模块内部的冷却管在FW更换的时候需要切割和焊接。在两个地方切割和焊接操作被执行：在FW和SB的连接地方和管的端部。切割的要求是没有切屑并且切割表面能很好的焊接。过去，因为作为通用工具能被用于这两种操作，激光切割和焊接认为是可行的。然而在激光切割期间，碎屑和金属烟雾是传播的。因此，下面的金属切割技术被挑选出来作为包层冷却管的切割方法。（1）对于冷却管连

3、接处的切割工具切割冷却管的最有效工具是紧凑型型材切割，它不会产生碎屑。在这种型材切割方法中，通过在刀具和切割表面之间产生的连续塑性变形，切割被执行。冷却管安置在包层，工具需要插入管道内部。（2）脱去管道端部盖子的切割工具为了切割管道端部的盖子，我们选择洞切割方法，它使用带有钨烧制的六个硬质合金刀片的平面铣刀。这种方法的主要技术问题是切割过程中产生碎屑。为了解决这个问题，在平面铣刀内部带有真空吸尘器的平面铣刀被开发了。2对于冷却管连接处的切割工具2.1 要求冷却管的规格是ASTM A312 TP-S316L 11/2´´Sch10S。内部管的直径是42.72mm，厚度是2.7

4、7mm。型材切割要求如下，要求标准总结如表1所示。l 从管道内部接近切割部位的紧凑设计l 没有金属碎屑的切割l 切割表面的可焊接性图1 ITER的包层模块2.2 设计通过管路的内部传送一个切割力去切割位置，扭矩套管驱动系统被应用了，如图2.切割工具包括刀架、电动机和齿轮装置。刀架的直径是40.4mm。切削结构包括盘形铣刀、楔形、传动轴和支持轮，它们安置在刀架的前部。盘形铣头和刀架端部的距离是30mm。盘形铣头有2个后角，刀刃和倒弧角。第一个后角和倒弧角边缘被设计用来维护坚固。第二个后角被设计用来减少刀具和管道的摩擦。表1 型材切割要求问题要求标准工具设计工具直径< 42.27mm刀架端部

5、的切割位置< 50mm碎屑没有碎屑-焊接性切割表面的粗超度< Ra 6.3m切槽角度15°切割表面变形< 0.2mm图2 型材切割设计切削机构由1号电动机驱动。两个楔形通过拧入传动轴，相互接近安置，盘形铣刀被向外挤压，为了使它的边缘接近管道。支持轮安装在刀架的相反方向。支持轮收到来自管道的反作用力。2号电动机驱动刀架头旋转。当推动盘形铣刀进入管道的时候，旋转刀架头完成切割。1号电动机与2号电动机协调进行旋转去补偿在旋转角1、2相位差。电动机安装在相同位置避免电缆干涉。2.3 切割测试切割测试在以下几种状态进行实施：改变刀架的旋转速度和通过先进装置的刀具旋转进给速度，

6、如图3所示。图3 实验装置图4 切割时传动轴和刀架的转矩图5 型材切割的切割表面图4表明几种刀具进给速度的旋转工具头和传动轴的测试转矩（mm/s）。测试转矩由电动机电流计算出。刀具进给速度刀架进料速度，由每个刀架旋转乘以刀具旋转速度。刀具头和传动轴的额定扭矩分别是13.68Nm和6.84Nm。所有的测试扭矩在切割时不大于额定扭矩。图5显示了切割表面的照片。碎屑在切割时候没有产生。图6显示了切割面的粗糙度和刀具进给速度的相关关系。对于焊接的粗糙度算术平均值的目标是少于6.3m。所有切割条件的粗糙度结果都远远小于6.3m。图6 切割表面的粗糙度图7 切割表面的测试点由盘形铣刀产生的锥形切割面是由盘

7、形铣刀的后角产生。目前，一个15度的锥形角被设计为了切割槽。为了检查焊接的切割形状的变化，锥形高度的变化是被测量的。图7展示了关于刀具进给速度的切割表面形状估算的测量点。测试点安放在4个位置，间隔90度。切槽两个锥高（上部和下部之间）被测量了。图8展示了每一个方位角的锥高变化的测量结果h。锥高的最大变化范围是0.16mm。图9展示了在新的管道和切管这个情形下的可能的差距。当新管配合切管的时候，最大的差距将会是0.16mm，如图9所示。目前，作为激光焊接公差，0.2mm的差距是接收的。在激光焊接的公差内的，切割表面的形状可重复性是证实的。图8 切割表面的形状图9 新管和切割管的差距2.4 型材切割的实验结果型材切割的实验结果总结如下：l 实际的切削力矩与额定转矩是一致的。l 切割期间没有产生碎屑。l 切割表面的粗糙度非常小于焊接目标粗糙度。l 切割表面的公差在假定的激光焊接公差范围内。在切削实验中，切割成功的实现了所有切割状态，这些切割表面满足切割要求。此时，0.02mm/s的刀具进给速度被认为是更好的，因为盘形