CN104400203B - 一种适用于马氏体钢高密度流道封装成型的电子束焊接工艺 - Google Patents

一种适用于马氏体钢高密度流道封装成型的电子束焊接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于马氏体钢高密度流道封装成型的电子束焊接工艺，包括：流道封条及装配锁边尺寸设计、部件退磁与清洁、焊前预热、封条电子束焊接、封条余高加工及退火热处理等；本发明的马氏体刚高密度流道冷却部件流道封装成型的电子束焊接工艺具有流道成型好，无气孔及冷/热裂纹等缺陷，焊接变形量小等优点，解决了马氏体钢高密度流道封装焊接焊缝易开裂及焊接变形量大的问题，可适用于低活化马氏体钢高密度及窄间隔流道的封装焊接。

Description

一种适用于马氏体钢高密度流道封装成型的电子束焊接工艺
技术领域
本发明涉及一种适用于马氏体钢高密度流道封装成型的电子束焊接工艺，特别是低活化马氏体钢冷却部件高密度流道的封装焊接，可用于聚变堆包层高效换热及冷却部件高密度及窄间隔流道成型的电子束封装焊接。
背景技术
低活化马氏体钢具有优良的热物理性能、抗辐照肿胀性能、抗液态金属腐蚀性能等，已被选为聚变堆包层的主要结构材料，也是未来聚变工程示范堆包层的主要候选结构材料。马氏体钢因马氏体组织的淬硬和冷裂倾向大，其焊接性能较差，焊接接头中易出现焊缝区硬化、热影响区软化等现象，焊接难度较奥氏体不锈钢(如316L等)高。聚变堆包层服役条件严苛，需承受强中子辐照、高表面热流、高核热沉积、高压及复杂的电磁和机械载荷等，对焊接接头的成型质量提出了较高的要求。
聚变堆包层因较高的核热沉积，冷却部件一般具有高密度及窄间隔的流道布置；目前，聚变堆包层含流道部件的流道成型多采用：(铣槽与封条)焊接加热等静压扩散焊接(HIP)的方案；在该方案中，高密度流道铣槽与封条的封装焊接因焊缝密集，相邻焊缝间距小，易造成焊缝热影响区重叠，焊接应力叠加，焊缝易开裂，是流道成型的关键与难点；传统的焊接方法(如：TIG焊)难以实现；激光焊接具有一定的可行性，但激光焊接能量转换效率低，经济性差，激光焊接的深宽比小于电子束焊接等；电子束焊接具有高的能量密度及高的能量转换效率，形成相同焊缝接头需要的热输入量小，经济性好，焊缝深宽比大，热效应小，部件变形量小等优点；此外，电子束焊接在真空下进行，焊接接头成型质量高，适合低活化马氏体钢冷却部件高密度流道的封装焊接成型。
目前，低活化马氏体钢冷却部件高密度流道的电子束封装焊接方法尚未见报道。
发明内容
本发明需要解决的技术问题：提供一种适用于马氏体钢高密度流道封装成型的电子束焊接工艺，以解决低活化马氏体钢高密度及窄间隔流道封装的焊接难题。本发明设计了适当的封条厚度及锁边尺寸结合电子束焊接方法，优选电子束焊接工艺进行高密度流道的封装焊接成型，焊缝成型表观质量好，无气孔及冷、热裂纹等缺陷，部件变形量小。
本发明的技术解决方案如下：一种适用于马氏体钢高密度流道封装成型的电子束焊接工艺，实现步骤如下：包括：流道封条及装配锁边尺寸设计、部件退磁与清洁、焊前预热、封条电子束焊接、焊后退火热处理；其中：
(1)流道封条及装配锁边尺寸设计，锁边深度1-3mm，宽度0.1-0.5mm；封条厚度1.1-3.5mm，封条配合后高于流道面0.1-0.5mm，封条余高可补充封条金属熔融填充焊缝间隙后封条高度损失形成平滑过渡焊缝；焊缝配合间隙小于0.5mm；
(2)部件退磁与清洁，部件退磁及超声波清洗并丙酮擦洗处理；
(3)部件焊前预热；
(4)流道封条电子束焊接，电子束流6-15mA，电子束表面聚焦，聚焦电流400-500mA，焦斑直径0.5-1mm，确保焊缝及台阶完全熔合，焊接速度400-600mm/min，确保熔融金属充分混合流动填充焊缝间隙，焊接真空度优于10-2Pa量级，高真空度焊接以保护焊接熔池；电子枪灯丝电流10-18A，电子枪高压80-120KV，灯丝偏压1500-2000V；
(5)焊后退火热处理，经过适当的焊后热处理工艺可获得性能优良的含高密度流道的冷却部件。
所述步骤(3)中部件焊前预热的预热温度为150-300℃。
所述步骤(2)中的部件剩磁率要求低于10Gs，封装焊接前需测量部件及封条所带磁场大小必要时进行退磁处理；部件及封条加工过程中会引入磁场，部件所带磁场会导致焊接电子束流偏离焊道，造成偏焊。
所述步骤(5)中的退火热处理条件是：(1)700-750℃保温1-2小时后空气冷却或(2)950-1000℃保温0.5-1小时，再700-750℃保温1-2小时后空气冷却，这两种热处理工艺均可获得性能优良的电子束焊接接头。
本发明的原理是：封条厚度、锁边尺寸(宽度与深度)设计及电子束焦斑直径大小严格控制；锁边宽度设计不宜过大，避免锁边底部不能完全熔合，留有未焊合缝隙等裂纹隐患；若封条厚度过大，在电子束焊接时需输入较大能量，易使两相邻焊缝在焊接过程中相互影响、焊接应力重叠而导致焊缝开裂；焦斑直径则影响电子束熔池的大小。
部件剩磁率要求低于10Gs，封装焊接前需测量部件及封条所带磁场大小必要时进行退磁处理；部件及封条加工过程中会引入磁场，部件所带磁场会导致焊接电子束流偏离焊道，造成偏焊。
采用焊前预热及焊后缓冷的方法可有效防止焊接裂纹的产生，预热温度150-300℃。
焊接时电子束焊接真空度优于10-2Pa量级，高真空焊接以保护电子束焊接熔池，焊接接头成型质量高。
本发明的优点：
(1)本发明基于流道成型的焊接加HIP方案及结合电子束焊接的方法，优选电子束焊接工艺，对聚变堆包层低活化马氏体钢冷却部件高密度流道封装的电子束焊接进行研究，本发明所设计的流道封条厚度及装配锁边尺寸与电子束焊接能量输入大小相匹配，可获得良好的流道成型质量，焊接接头无气孔及冷、热裂纹等缺陷，成型美观，部件变形量小，后续无需大的加工等；此外，经过适当的焊后热处理可获得性能优良的低活化马氏体钢的电子束焊接接头。
(2)马氏体钢因马氏体组织淬硬和冷裂倾向大，其焊接性能不好；电子束焊接功率密度高、形成相同焊缝接头需要的热输入量小，热影响区小、焊接变形量小，适合焊接性较差的马氏体钢的焊接。此外，电子束焊接在真空条件下进行，比大气条件下的激光焊接及钨极惰性气体保护焊(TIG)等的焊接接头成型质量更优。
(3)高密度流道部件需要流道小间距密集布置，以提高部件换热效率。电子束焊接在真空条件下焊接，接头成型质量高，压力测试、超声波及X射线无损检测均合格，微观金相观察焊缝区锁边完全融合；此外，电子束焊接过程中可以利用磁场对焊接电子束流的运动与偏移进行控制，实现焊接路径的数控编程，可确保焊接束流始终与焊缝相吻合，避免偏焊、漏焊，焊接过程精确、可控、稳定，操作更加方便高效，能有效实现马氏体钢高密度流道封装的焊接。
附图说明
图1为本发明的一种马氏体钢高密度流道封装的电子束焊接示意图；
图中：箭头为焊接电子束流，标注a为流道宽度，标注b为流道高度，标注c为流道间距，标注d为流道壁厚，标注e为流道封条厚度，标注f/h为锁边尺寸(其中标注f为锁边宽度，标注h为锁边高度)，标注g为焊缝装配间隙；
图2为聚变堆中国液态铅锂包层的冷却板高密度流道结构示意图；
图3为聚变堆中国液态铅锂包层的冷却板高密度流道封装的电子束焊接示意图；
图4为聚变堆中国液态铅锂包层的径-极隔板高密度流道结构示意图；
图5为聚变堆中国液态铅锂包层的径-极隔板高密度流道封装的电子束焊接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
实施例1，以聚变堆中国液态铅锂实验包层的冷却板高密度及窄间隔流道的封装焊接为例，截面如图1所示，结构材料为中国低活化马氏体(CLAM)钢；
(1)如图1所示，冷却隔板高密度流道截面尺寸为：宽度a＝8mm，高度b＝4mm，流道间距c＝3mm。按照图1所示流道封条及装配锁边尺寸设计为：锁边深度h＝1.2mm，宽度f＝0.3mm，封条厚度e＝1.4mm，装配间隙g小于0.2mm。
(2)部件退磁处理；采用平面交流退磁机对部件退磁，高斯计测得退磁后部件剩磁率小于3Gs，超声波清洗并丙酮擦洗。
(3)焊前预热；部件焊前进行预热处理，预热温度180-220℃。
(4)电子束焊接；如图3所示，焊接电子束流10mA，电子束表面聚焦，聚焦电流455.7mA，焦斑直径约0.75mm，焊接真空度在10-2Pa量级，焊接速度400mm/min；电子枪灯丝电流16A，电子枪高压80KV，灯丝偏压2000V。
(5)焊后退火热处理；热处理工艺：随炉升温至720-750℃，保温2小时，随炉冷却至150℃以下后出炉冷却。
(6)焊后对焊接接头进行X射线及超声波无损检测均合格；对焊缝进行剖切，磨抛腐蚀后观察装配锁边完全融合，装配锁边底部边缘有微量熔化金属溢出凝固，在焊缝底部形成一定的圆角；焊缝成型质量较好。
实施例2，以聚变堆中国液态铅锂包层的径-极向隔板高密度及窄间隔流道的封装焊接为例，截面如图4所示，结构材料为中国低活化马氏体(CLAM)钢，制备步骤如下：
(1)图4为径-极向隔板流道结构；流道截面尺寸为：宽度a＝9mm，高度b＝4mm，流道间距c＝3mm。按照图1所示流道封条及装配锁边尺寸设计为：锁边深度h＝1.4mm，宽度f＝0.3mm，封条厚度e＝1.5mm，装配间隙g小于0.2mm。基体厚度10mm，在加工及焊接过程中采用槽钢防变形量约束工装。
(2)部件退磁处理；采用平面交流退磁机对部件退磁，高斯计测得退磁后部件剩磁率小于5Gs，超声波清洗并丙酮擦洗。
(3)焊前预热；部件焊前预热处理，预热温度180-220℃。
(4)如图5所示，数控编程电子束焊接；数码编程控制焊接电子束流的走向，确保焊接束流始终与焊缝相吻合，焊接电子束流12mA，电子束表面聚焦，聚焦电流480.5mA，焦斑直径约0.8mm，焊接真空度在10-2Pa量级，焊接速度600mm/min；电子枪灯丝电流16A，电子枪高压80KV，灯丝偏压2000V。
(5)焊后热处理；热处理工艺：随炉升温至720-750℃，保温2小时，随炉冷却至150℃以下后出炉冷却。
(6)焊后同样对焊接接头进行X射线及超声波无损检测均合格；对焊缝进行剖切，磨抛腐蚀后观察装配锁边完全融合，装配锁边底部边缘同样有微量熔化金属溢出凝固，在焊缝底部形成一定的圆角，且焊缝成型质量较好，未发现气孔、裂纹等缺陷，部件整体变形量较小。
(7)部件后续机械加工至需要的外形尺寸。
总之，本发明的一种马氏体钢冷却部件流道封装成型的电子束焊接工艺，具有流道成型质量好，设计的封条厚度及装配锁边尺寸与电子束输入能量匹配性好，无气孔及冷/热裂纹等缺陷，焊接变形量小等优点，解决了低活化马氏体钢高密度流道封装焊接焊缝易开裂及焊接变形量大的问题，可适用于低活化马氏体钢高密度及窄间隔流道的封装焊接。

Claims (4)

1.一种适用于马氏体钢高密度流道封装成型的电子束焊接工艺，其特征在于实现步骤如下：包括：流道封条及装配锁边尺寸设计、部件退磁与清洁、焊前预热、封条电子束焊接、焊后退火热处理；其中：
(1)流道封条及装配锁边尺寸设计，锁边深度1-3mm，宽度0.1-0.5mm；封条厚度1.1-3.5mm，封条配合后高于流道面0.1-0.5mm，封条余高可补充封条金属熔融填充焊缝间隙后封条高度损失并形成平滑过渡焊缝；焊缝配合间隙小于0.5mm；
(2)部件退磁与清洁，部件退磁及超声波清洗并用丙酮擦洗处理；
(3)部件焊前预热；
(4)流道封条电子束焊接，电子束流6-15mA，电子束表面聚焦，聚焦电流400-500mA，焦斑直径0.5-1mm，确保焊缝及装配锁边完全熔合，焊接速度400-600mm/min，确保熔融金属充分混合流动填充焊缝间隙，焊接真空度优于10-2Pa量级，高真空度焊接以保护焊接熔池；电子枪灯丝电流10-18A，电子枪高压80-120KV，灯丝偏压1500-2000V；
(5)焊后退火热处理，经过焊后热处理工艺可获得性能优良的含高密度流道的冷却部件。
2.根据权利要求1所述的一种适用于马氏体钢高密度流道封装成型的电子束焊接工艺，其特征在于：所述步骤(3)中部件焊前预热的预热温度为150-300℃。
3.根据权利要求1所述的一种适用于马氏体钢高密度流道封装成型的电子束焊接工艺，其特征在于：所述步骤(2)中的部件剩磁率要求低于10Gs，封装焊接前需测量部件及封条所带磁场大小必要时进行退磁处理。
4.根据权利要求1所述的一种适用于马氏体钢高密度流道封装成型的电子束焊接工艺，其特征在于：所述步骤(5)中的退火热处理条件是：(1)700-750℃保温1-2小时后空气冷却或(2)950-1000℃保温0.5-1小时，再700-750℃保温1-2小时后空气冷却，这两种热处理工艺均可获得性能优良的电子束焊接接头。
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