CN106735830A - 一种聚变堆用增强热负荷第一壁板异种金属扩散连接方法 - Google Patents

一种聚变堆用增强热负荷第一壁板异种金属扩散连接方法 Download PDF

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谌继明
陈实
金凡亚
杨波
周毅
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Abstract

本发明属于扩散焊接技术领域，具体涉及一种聚变堆用增强热负荷第一壁板异种金属扩散连接方法。本发明的聚变堆用增强热负荷第一壁板异种金属扩散连接方法，包括以下步骤：包套制作；包套检查清洗；包套部件放置；加热前准备；升温阶段；保温阶段；降温阶段；目视检查；包套去除；无损检测。本发明需要解决现有的扩散焊接方法在焊接体积大，结构复杂，连接面多的手指部件时，在焊接过程中会形成较大的热应力，影响焊接的连接性能的技术问题，使用本发明的方法，能够实现体积大，结构复杂，连接面多的手指部件的焊接，焊接的连接合格率得到了极大提升，由30％左右提升到90％以上。

Description

一种聚变堆用增强热负荷第一壁板异种金属扩散连接方法
技术领域
本发明属于扩散焊接技术领域，具体涉及一种聚变堆用增强热负荷第一壁板异种金属扩散连接方法。
背景技术
第一壁(First Wall)是ITER装置的重要组成部分，位于环形真空室内部，在运行时直接面对上亿摄氏度的等离子体，保护外围部件和设备免受高热流和高能粒子流的冲击。
第一壁主要由手指部件、中心梁和中心槽插件等组成；手指(finger)部件是第一壁的重要组成部分，其由316L(N)-IG、CuCrZr-IG合金基座、铍瓦等通过多种连接工艺制作而成，其中的铍瓦的尺寸较小，与CuCrZr-IG合金基座的连接是一个难点。
现有技术中，采用热等静压的方法连接铍与CuCrZr-IG合金，为了验证连接性能是否满足后续高热负荷的要求，制作了材料相同、尺寸较小、结构简化的小模块。
经过验证，采用热等静压的方法制作的小模块可以满足相关技术要求，成功率达到70％左右。
但在制作手指部件时，采用与制作小模块同样的热等静压方法，成功率为零，这是因为，手指部件体积大，结构复杂，连接面多，在HIP过程中会形成较大的热应力，而不能及时得到释放。
发明内容
本发明需要解决的技术问题为：现有的扩散焊接方法在焊接体积大，结构复杂，连接面多的手指部件时，在焊接过程中会形成较大的热应力，影响焊接的连接性能。
本发明的技术方案如下所述：
一种聚变堆用增强热负荷第一壁板异种金属扩散连接方法，具体包括以下步骤：
步骤1、包套制作
将待焊接的铍瓦真空密封于铜铬锆合金基座与包套材料形成的腔体中，形成包套部件；
步骤2、包套检查清洗
目视检查包套部件有无机械损伤、裂纹、变形等缺陷，若无缺陷，则用无水乙醇或丙酮清洗包套部件外表面，进入下一步；
步骤3、包套部件放置
启动热等静压机，将包套部件竖直放置于热等静压机料框的工作台上，并加以固定，以防止吊装过程中部件倾倒，放置时应防止包套抽气管道与料框壁接触，避免热胀冷缩和重力等造成包套部件弯曲变形；
步骤4、加热前准备
对热等静压机进行洗炉和抽真空操作，真空度优于1000pa后，开启运气，充入50～60MPa的惰性气体氩气，初始充气压力由实现扩散连接的压力、温度和气体初始温度根据克拉伯龙方程进行概算；
步骤5、升温阶段
缓慢升温至290～320℃，同步升压至90～110MPa，升温速率为3～5℃/min；在此温度、压力下保温1～2小时，以实现待连接部件温度的均匀性；
然后缓慢升温至570～600℃，同步升压至140～160MPa，升温速率为3～5℃/min；
步骤6、保温阶段
升温结束后，保温保压2～3小时，以保证金属连接面上原子充分扩散；
步骤7、降温阶段
缓慢降温至290～320℃，为了有足够的时间缓慢释放内应力，降温速率不大于2℃/min；然后，保温2～4小时，充分释放内部残余应力；
继续降温至200℃，启动气体回收，回收至压力＜5MPa，温度降至常温后，卸压取件；
步骤8、目视检查
热等静压结束后，观察包套变化情况，包括：外观颜色变化、包套弯曲、抽气管压扁情况；
合格的高质量热等静压加工的产品包套上表面会出现压痕，包套侧边会弯曲，抽气管会全部压扁；
步骤9、包套去除
对目视检查合格的包套部件使用机加工去除包套；
步骤10、无损检测
使用超声波检测铍瓦与铜铬锆合金基座的连接质量，缺陷显示大于2×2mm的判定为不合格。
本发明的有益效果为：
使用本发明的方法，能够实现体积大，结构复杂，连接面多的手指部件的焊接，焊接的连接合格率得到了极大提升，由30％左右提升到90％以上。
具体实施方式
本发明的聚变堆用增强热负荷第一壁板异种金属扩散连接方法，具体包括以下步骤：
步骤1、包套制作
将待焊接的铍瓦真空密封于铜铬锆合金基座与包套材料形成的腔体中，形成包套部件。
步骤2、包套检查清洗
目视检查包套部件有无机械损伤、裂纹、变形等缺陷，若无缺陷，则用无水乙醇或丙酮清洗包套部件外表面，进入下一步。
步骤3、包套部件放置
启动热等静压机，将包套部件竖直放置于热等静压机料框的工作台上，并加以固定，以防止吊装过程中部件倾倒，放置时应防止包套抽气管道与料框壁接触，避免热胀冷缩和重力等造成包套部件弯曲变形。
步骤4、加热前准备
对热等静压机进行洗炉和抽真空操作，真空度优于1000pa后，开启运气，充入50～60MPa的惰性气体氩气，初始充气压力由实现扩散连接的压力、温度和气体初始温度根据克拉伯龙方程进行概算。
步骤5、升温阶段
缓慢升温至290～320℃，同步升压至90～110MPa，升温速率为3～5℃/min。在此温度、压力下保温1～2小时，以实现待连接部件温度的均匀性。
然后缓慢升温至570～600℃，同步升压至140～160MPa，升温速率为3～5℃/min。
步骤6、保温阶段
升温结束后，保温保压2～3小时，以保证金属连接面上原子充分扩散。
步骤7、降温阶段
缓慢降温至290～320℃，为了有足够的时间缓慢释放内应力，降温速率不大于2℃/min。然后，保温2～4小时，充分释放内部残余应力。
继续降温至200℃，启动气体回收，回收至压力＜5MPa，温度降至常温后，卸压取件。
步骤8、目视检查
热等静压结束后，观察包套变化情况，包括：外观颜色变化、包套弯曲、抽气管压扁情况。
合格的高质量热等静压加工的产品包套上表面会出现压痕，包套侧边会弯曲，抽气管会全部压扁。
步骤9、包套去除
对目视检查合格的包套部件使用机加工去除包套。
步骤10、无损检测
使用超声波检测铍瓦与铜铬锆合金基座的连接质量，缺陷显示大于2×2mm的判定为不合格。

Claims (1)

1.一种聚变堆用增强热负荷第一壁板异种金属扩散连接方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1、包套制作
将待焊接的铍瓦真空密封于铜铬锆合金基座与包套材料形成的腔体中，形成包套部件；
步骤2、包套检查清洗
目视检查包套部件有无机械损伤、裂纹、变形等缺陷，若无缺陷，则用无水乙醇或丙酮清洗包套部件外表面，进入下一步；
步骤3、包套部件放置
启动热等静压机，将包套部件竖直放置于热等静压机料框的工作台上，并加以固定，以防止吊装过程中部件倾倒，放置时应防止包套抽气管道与料框壁接触，避免热胀冷缩和重力等造成包套部件弯曲变形；
步骤4、加热前准备
对热等静压机进行洗炉和抽真空操作，真空度优于1000pa后，开启运气，充入50～60MPa的惰性气体氩气，初始充气压力由实现扩散连接的压力、温度和气体初始温度根据克拉伯龙方程进行概算；
步骤5、升温阶段
缓慢升温至290～320℃，同步升压至90～110MPa，升温速率为3～5℃/min；在此温度、压力下保温1～2小时，以实现待连接部件温度的均匀性；
然后缓慢升温至570～600℃，同步升压至140～160MPa，升温速率为3～5℃/min；
步骤6、保温阶段
升温结束后，保温保压2～3小时，以保证金属连接面上原子充分扩散；
步骤7、降温阶段
缓慢降温至290～320℃，为了有足够的时间缓慢释放内应力，降温速率不大于2℃/min；然后，保温2～4小时，充分释放内部残余应力；
继续降温至200℃，启动气体回收，回收至压力＜5MPa，温度降至常温后，卸压取件；
步骤8、目视检查
热等静压结束后，观察包套变化情况，包括：外观颜色变化、包套弯曲、抽气管压扁情况；
合格的高质量热等静压加工的产品包套上表面会出现压痕，包套侧边会弯曲，抽气管会全部压扁；
步骤9、包套去除
对目视检查合格的包套部件使用机加工去除包套；
步骤10、无损检测
使用超声波检测铍瓦与铜铬锆合金基座的连接质量，缺陷显示大于2×2mm的判定为不合格。
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