CN103286474B

CN103286474B - 聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料

Info

Publication number: CN103286474B
Application number: CN201210051934.9A
Authority: CN
Inventors: 潘传杰; 孙振超; 李鹏远; 龙伟民; 裴夤寅
Original assignee: Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co Ltd; Southwestern Institute of Physics
Current assignee: Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co Ltd; Southwestern Institute of Physics
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2032-03-02
Also published as: CN103286474A

Abstract

本发明属于钎料，具体涉及一种聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料。一种聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料，包括质量百分比的下述原料：铜88.0～98.0％、硅0.5～5.0％、锰0.5～10.0％、银0.1～5.0％、锡0.1～5.0％或镍0.1～5.0％。本发明的优点在于：该焊料不含高蒸汽压元素，低熔点元素含量低于5％，可用于电弧焊接；由于焊料成分以铜为主，其熔化温度为980℃～1080℃，而一般电弧焊接用焊料的熔化温度在1400℃～1600℃。

Description

聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料

技术领域

本发明属于钎料，具体涉及一种聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料。

背景技术

磁体支撑结构是ITER使用的结构之一，ITER计划（International Thermonuclear Experimental Reactor国际热核聚变实验堆）是欧盟、美国、中国、日本、俄罗斯、印度、韩国七个国家地区参加的新型热核聚变实验堆项目。为确保ITER超导线圈的正常工作，要求靠近超导线圈的支撑部分的温度不大于80K，需在磁体支撑上安装内部通有高压低温氦气流的冷却管来实现。冷却管与磁体支撑之间的连接必须具有良好的热交换效率，冷却管内的氦气流能将磁体支撑保持在一个较低的温度。

在ITER 20年的运行期间，磁体支撑不但要承受超导线圈的重力，还要受到等离子体破裂时交变电磁力的冲击，引起磁体支撑的变形。如果冷却管连接处的低温强度和韧性太差，该变形的内应力将可能导致冷却管脱落损坏，从而降低热交换效率并引起超导线圈失超，产生重大的设备事故。由于磁体支撑结构的特殊性，冷却管温度要低于80K，管壁所受压力要大于3MPa，在ITER运行期间不可能对有裂纹或脱落的冷却管进行修复，因此对冷却管连接的低温强度和韧性有很高的要求。

初期的冷却管连接方案是采用熔焊，如氩弧焊、激光焊等。由于冷却管厚度仅为2.24mm，分析认为熔焊很容易伤及冷却管，导致泄漏。

钎焊是解决上述问题较好的方法，不仅因为金属钎料具有良好的导热性，可以有效地解决热交换效率问题，同时由于钎焊工艺钎料的熔点小于基体材料的熔点，因此采用钎焊在理论上能够够避免伤及热锚管。

现有技术中能够满足上述要求的有具备足够强度和韧性的低温环境用钎料基本为银基钎料。银基钎料应用于聚变反应堆工程的主要不足有：在中子辐照条件下，银元素的使用受到限制；银基钎料含有Zn，锌元素的沸点较低，钎焊加热的时候容易产生起泡，影响焊缝质量，且锌的蒸汽压高，在真空中容易挥发；银基钎料需使用大量贵金属银，成本高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种成本低，焊接时不容易起泡，焊缝质量高的聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料。

本发明是这样实现的：一种聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料，包括质量百分比的下述原料：铜88.0～98.0%、硅0.5～5.0%、锰0.5～10.0%、银0.1～5.0%、锡0.1～5.0%或镍0.1～5.0%。

如上所述的一种聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料，其中，包括质量百分比的下述原料：硅0.5%、锰0.5%、银5.0%、锡5.0%，其余为铜和不可避免的杂质。

如上所述的一种聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料，其中，包括质量百分比的下述原料：硅0.8%、锰8%、银0.2%、锡0.2%，镍1.5%，其余为铜和不可避免的杂质。

如上所述的一种聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料，其中，包括质量百分比的下述原料：硅0.6%、锰0.5%、银0.1%、锡1%，镍4%，其余为铜和不可避免的杂质。

如上所述的一种聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料，其中，包括质量百分比的下述原料：硅3%、锰1%、银2%、镍0.5%，其余为铜和不可避免的杂质。

如上所述的一种聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料，其中，包括质量百分比的下述原料：硅1.2%、锰0.5%、银0.1%、镍0.2%，其余为铜和不可避免的杂质。

本发明的优点在于：该焊料不含高蒸汽压元素，低熔点元素含量低于5%，可用于电弧焊接；由于焊料成分以铜为主，其熔化温度为980℃～1080℃，而一般电弧焊接用焊料的熔化温度在1400℃～1600℃。采用该焊料，用电弧加热焊接碳钢及不锈钢，因熔化温度低，能实现焊料熔化，母材不熔化，通过熔融的焊料填缝产生连接，实现电弧钎焊，焊料中硅和锰的存在，可提高焊料强度，降低熔化温度，硅在熔融焊料表面形成氧化硅保护膜，减少焊料氧化；锡和银的存在，可以降低焊料的熔点，提高焊料对母材的浸润性及增加填缝面积。钎料可以使奥氏体不锈钢与钎料形成牢固冶金结合，在低温条件下具有较高的强度和韧性；钎料导热性好，钎缝成形良好，焊缝致密，保证磁体支撑板的钎焊连接中热锚管的传热效率；钎料塑性好，可加工成焊丝便于自动化焊接；含银量低，可利用氩弧焊实现自动化生产，工艺简单，成本低。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案作进一步的阐述。

一种聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料，包括质量百分比的下述原料：铜88.0～98.0%、硅0.5～5.0%、锰0.5～10.0%、银0.1～5.0%、锡0.1～5.0%或镍0.1～5.0%。

上述各元素的作用在于：

硅：固溶于铜中，可降低焊料熔化温度，提高焊料强度，能在熔融焊料表面形成氧化硅保护膜，减少焊料氧化；

锰：锰与铜可无限互溶，能提高铜焊料的强度，增加焊料对钢的润湿能力，提高焊料的耐氧化能力等；

银：提高焊料强度，改善焊料的流动能力；

锡：可显著降低焊料熔化温度，增加焊料填充大间隙的能力；

镍：可显著提高钎料与不锈钢的润湿性，并增加焊缝的强度。

实施例

本发明钎料采用覆盖剂、精炼剂保护熔炼，在惰性气体中浇铸成铸锭，再经各种塑性成形工序，将钎焊材料加工成各种直径的焊丝。本发明钎焊材料实施例如表1所示，

表1，本发明钎焊材料实施例化学成分

采用本发明制作的钎焊材料焊接磁体支撑冷却单元模型，支撑板材料为316LN不锈钢，板厚30mm，冷却管直径13.7mm，壁厚2.24mm，焊接前将待焊部位用打磨见光，用酒精清洗干净，将冷却管按装配要求固定在样板上。采用手工钨极氩弧钎焊工艺，焊接电流100A，氩气流量0.5L/min，焊接后，冷却至室温。取局部焊缝做拉伸试验，将剩余焊缝的管子从焊缝上剥离下来，测试焊缝钎着率。各钎焊材料性能如下表2所示，

表2本发明实施例钎料钎焊效果

Claims

1.一种聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料，其特征在于：包括质量百分比的下述原料：硅0.5％、锰0.5％、银5.0％、锡5.0％，其余为铜和不可避免的杂质。

2.一种聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料，其特征在于：包括质量百分比的下述原料：硅0.8％、锰8％、银0.2％、锡0.2％，镍1.5％，其余为铜和不可避免的杂质。

3.一种聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料，其特征在于：包括质量百分比的下述原料：硅0.6％、锰0.5％、银0.1％、锡1％，镍4％，其余为铜和不可避免的杂质。

4.一种聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料，其特征在于：包括质量百分比的下述原料：硅3％、锰1％、银2％、镍0.5％，其余为铜和不可避免的杂质。

5.一种聚变反应堆冷却管连接超低温环境专用钎料，其特征在于：包括质量百分比的下述原料：硅1.2％、锰0.5％、银0.1％、镍0.2％，其余为铜和不可避免的杂质。