CN102513629B - 一种超导托卡马克装置馈线系统冷却管路混合接头的焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超导托卡马克装置馈线系统冷却管路混合接头的焊接工艺，采用钎焊焊接方法实现3003铝合金冷却管路与316L不锈钢冷却管路混合接头的焊接，钎焊时通过选用特定的钎料钎剂、接头的清理方法、加热方法、温度等特殊工艺，该混合接头为铝合金冷却管路与不锈钢冷却管路钎焊而成，该混合接头广泛用于超导托卡马克装置馈线系统冷却管路中，满足其接头尺寸小，对密封性以及连接强度要求高，去除铝合金及不锈钢表面氧化物等要求。
Description
技术领域
本发明涉及特种焊接技术领域，具体涉及一种超导托卡马克装置馈线系统冷却管路混合接头的焊接工艺，更具体涉及采用钎焊焊接方法实现3003铝合金冷却管路与316L不锈钢冷却管路混合接头的焊接，满足冷却管的真空漏率不大于10-9Pa·m3/s，冷却管耐压3MPa，焊后冷却管变形量≤5mm的工艺要求。
背景技术
可控热核磁约束聚变研究是当代自然科学研究中一项具有十分重大意义的研究领域，它的目标是在地球上创建与太阳内部温度相当的极高温条件，利用海水中丰富的氘资源，进行核聚变反应，释放出巨大的聚变能量，为人类提供“取之不尽，用之不竭”的新能源。近年来世界上许多国家都在积极研究超导磁约束核聚变实验装置，国际上称此类装置为超导托卡马克。馈线系统为该装置的核心部件-超导磁体系统提供励磁电流和冷却介质，也是装置内部诊断器件与外界相关设备的传输通道，因此，馈线系统在超导托卡马克装置中具有至关重要的作用。馈线系统中的冷却管需要向超导托卡马克的主要磁体系统运输冷却液（80K液态氦），因工作环境不同采用不同材料（316L不锈钢和3003铝合金）。在冷却管路连接处需要满足接头尺寸小，密封性以及连接强度要求高，去除铝合金及不锈钢表面氧化物，需长时间在低温高压的工作环境下正常工作等要求，而且铝合金与不锈钢的钎焊性各有不同，需要考虑钎焊前的消除内应力退火、控制钎焊温度防止金相变化改变力学性能、选择合适的钎剂去除混合接头的母材氧化膜、钎焊后立即去除腐蚀性钎剂或采用无腐蚀钎剂等问题，这为混合接头焊接工艺提出了一个难题，在国内相关研究领域中，难以找出可以保证所有要求的混合接头焊接工艺，本发明就这一难题提供了一种解决方案。
发明内容
本发明提供了一种超导托卡马克装置馈线系统冷却管路混合接头的焊接工艺，采用钎焊焊接方法实现3003铝合金冷却管路与316L不锈钢冷却管路混合接头的焊接，满足了冷却管的真空漏率不大于10-9Pa·m3/s，冷却管耐压3MPa，焊后冷却管变形量≤5mm的工艺要求。从而保证整个装置的安全高效运转。
本发明的技术方案如下：
本发明实现铝合金冷却管路与不锈钢冷却管路混合接头的焊接，由铝合金管路和不锈钢管路经特殊焊接工艺钎焊而成，采用钎焊焊接方法实现3003铝合金冷却管路与316L不锈钢冷却管路混合接头的焊接，具体操作步骤如下：
(1)铝合金和不锈钢冷却管路的前处理：
a、不锈钢冷却管路焊前应对工件退火，消除内应力；
b、使用丙酮去除铝合金与不锈钢件在加工等过程中接触的油污,带有薄的氧化膜铝合金可以直接钎焊，是否可以直接钎焊可以用微欧姆计测合金的表面电阻来判断，表面在300～1000Ω×10-6时适合直接钎焊；如果铝合金的氧化膜较厚，可以使用不锈钢钢丝刷打磨去除，但为了防止砂粒嵌入，不能使用砂纸打磨；搭接长度选用4～5倍的壁厚；接头间隙应为0.08～0.10mm；
（2）配置钎剂 以氟化铝和氟化铝酸钾为基料，再加入一定量的界面活化剂调配而成，其具体组成按重量百分比为28～31％K、16～18％A1、49～53％F、Fe≤0.03％、Ca≤0.2％、LOH≤3.5％；钎料熔化温度575-590℃；
（3）涂抹冷却管路：将钎剂中加入少量水制成过饱和溶液，用毛刷均匀涂抹钎剂于焊接处，钎焊时无需手工添加钎剂，简化工艺；
（4）配置氧-乙炔气体火焰
采用氧-乙炔混合气体进行火焰钎焊，混合气体的流量比例为1：1.1～1：1.2；
（5）混合接头预热：火焰钎焊前应对工件作充分均匀的预热；
（6）按常规的钎焊方法对混合接头的焊接：
因钎焊件单件厚度最少在1.6～2.8mm，选用H02-12型等压式焊炬，喷嘴选用2号梅花嘴，火焰使用中性焰或轻微还原焰，钎焊时火焰焰芯距工件3～5mm，在316L不锈钢颜色为褐红色的时候手工添加焊接材料，钎焊温度严格控制在600～610℃，钎焊时加热温度要均匀，钎料在火焰前方沿切向添加，混合接头的间隙适当；
（7）焊后处理：用不锈钢钢丝刷打磨焊缝表面，去除钎焊圆角和焊缝处的残余钎料,无需清洗，不需热处理。
所述的钎料的组分和重量百分比为：88%的Al，12%的Si。
钎焊时，所述混合接头的搭接长度选用4～5倍的壁厚，接头间隙应为0.08～0.10mm。
本发明的有益效果：
1、 钎焊时无需手工添加钎剂，简化工艺 ，减少焊工和设备暴露于粉尘环境。
2、通过特殊前后处理，使用特殊钎剂、钎料，钎剂、钎料比例精准设定，使用特定温度在间隙处钎焊而成，提高焊点质量和产能。
3、所用的钎剂钎料环保、无腐蚀，混合接头尺寸小，密封性以及连接强度高，去除铝合金及不锈钢表面氧化物，钎焊的接头可长时间在低温高压的工作环境下正常工作。
本发明的原型件已经焊接完毕，并进行了受力漏率等测试，工作情况良好。
附图说明
图1为本发明的钎焊混合接头示意图。
1为钎焊处。
具体实施方式
超导托卡马克装置馈线系统冷却管路混合接头的焊接工艺，即通过钎焊焊接316L不锈钢冷却管和3003铝合金冷却管，具体操作如下：
1、不锈钢冷却管在钎焊前进行退火处理消除内应力；
2、焊接前使用丙酮去除铝合金与不锈钢件在加工等过程中接触的油污，带有薄的氧化膜铝合金可以直接钎焊，是否可以直接钎焊可以用微欧姆计测合金的表面电阻来判断。如果合金的表面电阻允许范围内，则可以直接钎焊。如果铝合金的氧化膜较厚，可以使用不锈钢钢丝刷打磨去除，但为了防止砂粒嵌入，不能使用砂纸打磨；
3、钎焊使用氧-乙炔混合气体，流量比例应为1：1.1～1：1.2，火焰使用中性焰或轻微还原焰。钎焊时火焰焰芯距工件3-5mm。钎焊时先预热316L不锈钢和3003铝合金接头，在316L不锈钢颜色为褐红色的时候手工添加焊接材料，钎焊温度在钎料熔化温度575-590℃以上25-60℃，但不高于母材3003铝合金固相线温度，温度需严格控制在约600-610℃。钎焊时加热温度要均匀。钎料在火焰前方沿切向添加。
焊接所用钎料的为Filalu 1192,成分为88%Al、12%Si，熔点为575-590℃。使用Al-Si钎料，由于主要成分与母材Al相同且Si也能与母材中Al形成固溶体，钎料的Al可以很好地润湿铺展，钎焊性很好。而对于316L不锈钢，钎料中Si与母材中Fe有一定的互溶度，也利于钎料的润湿与铺展，钎焊性尚好。
焊接所用钎剂 成分约为30%K、18%Al、50%F、Fe≤0.03% 、Ca≤0.2%、 LOH≤3.5%，灰色固体，无味，熔点575-590℃。钎焊时无需手工添加钎剂，简化工艺。减少焊工和设备暴露于粉尘环境。钎剂钎料比例精准设定，提高焊点质量和产能。环保、无腐蚀。钎剂为无腐蚀钎剂，火焰钎焊前应对工件作充分的预热，钎焊过程中尽量减小钎剂与火焰的接触时间。
4、按照上述工艺要求进行对316L不锈钢冷却管和3003铝合金冷却管的混合接头进行钎焊焊接。
5、钎焊焊接结束后，无需清洗，不需热处理，用不锈钢钢丝刷打磨焊缝表面，去除钎焊圆角和焊缝处的残余钎料。
抗拉强度试验
制备φ26*80的3A21以及φ21.22*80的不锈钢实心材料各两件，在铝合金上开φ21.38同心内孔，深度8作为搭接长度（搭接长度4～5倍母材厚度选择），在不锈钢上开φ18内孔，钎焊后拉伸，试样均断裂在搭接尽头的铝母材处，取断裂处的环形截面作为计算截面，计算得出两试样断裂强度为：120.2MPa,122.2 MPa.试样与未经加热的母材比较，抗拉强度低于167～169 MPa。由于3A21是非热处理强化铝合金，在钎焊温度下，冷作强化母材因钎焊退火而软化。将试验件的抗拉强度与退火状态下3A21的强度进行比较，试验件强度符合100～150 MPa要求。
真空漏率检验
漏率检验，漏检口真空度0.8Pa，质谱仪本底氦离子流：常温4.0*10-9Pam3/s，检验时质谱仪氦离子流4.0*10-9Pam3/s，5次低温循环后4.0*10-9Pam3/s,检漏时质谱仪氦离子流4.0*10-9Pam3/s，完全符合要求。
Claims (1)
1.一种超导托卡马克装置馈线系统冷却管路混合接头的焊接工艺，其特征在于：采用钎焊焊接方法实现3003铝合金冷却管路与316L不锈钢冷却管路混合接头的焊接，具体操作步骤如下：
（1）铝合金和不锈钢冷却管路的前处理：
a、不锈钢冷却管路焊前应对工件退火，消除内应力；
b、使用丙酮去除铝合金与不锈钢件在加工过程中接触的油污,带有薄的氧化膜铝合金可以直接钎焊，是否可以直接钎焊用微欧姆计测合金的表面电阻来判断，表面在300～1000Ω×10-6时适合直接钎焊；如果铝合金的氧化膜较厚，使用不锈钢钢丝刷打磨去除，但为了防止砂粒嵌入，不能使用砂纸打磨；搭接长度选用4～5倍的壁厚；接头间隙应为0.08～0.10mm；
（2）配置钎剂 以氟化铝和氟化铝酸钾为基料，再加入一定量的界面活化剂调配而成，其具体组成按重量百分比为28～31％K、16～18％A1、49～53％F、Fe≤0.03％、Ca≤0.2％、LiOH≤3.5％；钎料熔化温度575-590℃； 所述钎料的组分和重量百分比为：88%的Al，12%的Si；
（3）涂抹冷却管路：将钎剂中加入少量水制成过饱和溶液，用毛刷均匀涂抹钎剂于焊接处，钎焊时无需手工添加钎剂，简化工艺；
（4）配置氧-乙炔气体火焰：
采用氧-乙炔混合气体进行火焰钎焊，混合气体的流量比例为1：1.1～1：1.2；
（5）混合接头预热：火焰钎焊前应对工件作充分均匀的预热；
（6）按常规的钎焊方法对混合接头的焊接：
因钎焊件单件厚度最少在1.6～2.8mm，选用H02-12型等压式焊炬，喷嘴选用2号梅花嘴，火焰使用中性焰或轻微还原焰，钎焊时火焰焰芯距工件3～5mm，在316L颜色为褐红色的时候手工添加焊接材料，钎焊温度严格控制在600～610℃，钎焊时加热温度要均匀，钎料在火焰前方沿切向添加；所述混合接头的搭接长度选用4～5倍的壁厚，接头间隙应为0.08～0.10mm；
（7）焊后处理：钎焊结束后无需清洗，不需热处理，用不锈钢丝刷打磨焊缝表面，去除钎焊圆角和焊缝处的残余钎料，即可。
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