CN113972064A - 一种超导磁体骨架磁导率的控制工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超导磁体骨架磁导率的控制工艺，包括选料、切削粗加工、真空电子束焊、高温固溶处理、切削精加工及真空中光亮热处理的步骤。本发明使超导磁体线圈中的超导磁体骨架能够满足材料磁导率μ≤1.05；焊缝磁导率μ≤1.10的要求，为确保超导磁体线圈的磁场强度、磁场均匀度及磁场梯度提供了基础。

Description

一种超导磁体骨架磁导率的控制工艺
技术领域
本发明涉及核聚变装置制造技术领域，具体涉及一种超导磁体骨架磁导率的控制工艺。
背景技术
超导磁体目前已获得广泛应用,它与常规磁体相比有许多特点,例如可以在大空间产生高磁场而只消耗很少的电能，可以在更高的电流密度下运行,减小线圈的体积及重量轻,并可能产生更高的磁场梯度，强磁场中心的超导磁体的磁场强度可达到40T。
随着大型科学装备的发展，尤其是热核聚变实验装置，高能加速器，探测器等等实验设备的快速发展，国际上10T磁场的超导磁体已经开始商业化。对超导磁体的磁场强度、磁场均匀度及磁场梯度等方面提出了更高的要求。
如图1所示，超导磁体骨架2是超导磁体线圈1的重要部件，由于超导磁体线圈1的工作温度是4.5K，考虑到低温下的机械强度，可采用奥氏体不锈钢制成，采用奥氏体不锈钢制成的超导磁体骨架2需要严格控制磁导率（材料磁导率μ≤1.05；焊缝3磁导率μ≤1.10），尽量避免磁化影响磁体磁场分布（磁场均匀度），以及避免过大的受力。现有技术中，亟需出现一种能够严格控制超导磁体骨架磁导率的工艺方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种能够使材料磁导率μ≤1.05；焊缝磁导率μ≤1.10的超导磁体骨架磁导率的控制工艺。
一种超导磁体骨架磁导率的控制工艺，包括以下步骤：
（1）、选料：选取磁导率μ＜1.01的奥氏体不锈钢作为材料，奥氏体不锈钢中的Ni含量范围是10%~15%；
（2）、切削粗加工：选择具有硬质合金涂层的刀具作为切削加工的刀具，在切削加工过程中选择小切削量进刀方式进行粗加工；
（3）、真空电子束焊：对焊缝进行真空电子束焊，真空度1×10-2Pa，电压150KV，电流30～70mA，移动速度5～8mm/s；
（4）、高温固溶处理：将粗加工后的超导磁体骨架进行加热，在室温~400℃时升温速度5～10℃/min，在400℃~1150℃时升温速度1～2℃/min，在 1150℃时保温1.5～2h，完成后进行冰水冷却；
（5）、切削精加工：选择具有硬质合金涂层的刀具作为切削加工的刀具，在切削加工过程中选择小切削量进刀方式进行半精加工及精加工；
（6）、真空中光亮热处理：将精加工后的超导磁体骨架放入真空炉中抽真空至1×10-4Pa时进行加热，在室温～300℃时升温速度3～5℃/min，在300℃～600℃时升温速度0.5～1℃/min，在 600℃时保温1.5～2h，之后随炉冷至150℃，充氮气冷至室温即可。
本发明通过选料，在切削加工过程中穿插真空电子束焊、高温固溶处理及真空中光亮热处理等工艺手段，使超导磁体线圈中的超导磁体骨架能够满足材料磁导率μ≤1.05；焊缝磁导率μ≤1.10的要求，为确保超导磁体线圈的磁场强度、磁场均匀度及磁场梯度提供了基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为背景技术中超导磁体线圈的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例1
本实施例提供的一种超导磁体骨架磁导率的控制工艺，包括以下步骤：
（1）、选料：选取磁导率μ＜1.01的奥氏体不锈钢作为材料，奥氏体不锈钢中的Ni含量范围是10%~15%（控制Ni含量的原因在于，对Ni元素的含量控制是获得稳定奥氏体组织的关键）；
（2）、切削粗加工：选择具有硬质合金涂层的刀具作为切削加工的刀具（可防止因刀具带磁而影响工件磁导率）；在切削加工过程中选择小切削量进刀方式进行粗加工（以尽量减小因过大的压应力诱导马氏体相变产生）；
（3）、真空电子束焊：对图1所示的焊缝3进行真空电子束焊，真空度1×10-2Pa，电压150KV，电流30～70mA，移动速度5～8mm/s；
（4）、高温固溶处理：将粗加工后的超导磁体骨架进行加热，在室温~400℃时升温速度5～10℃/min，在400℃~1150℃时升温速度1～2℃/min，在 1150℃时保温1.5～2h（保温时间与骨架大小有关，骨架越大保温时间越长）；完成后进行冰水冷却；
（5）、切削精加工：选择具有硬质合金涂层的刀具作为切削加工的刀具；在切削加工过程中选择小切削量进刀方式进行半精加工及精加工；
（6）、真空中光亮热处理：将精加工后的超导磁体骨架放入真空炉中抽真空至1×10-4Pa时进行加热，在室温～300℃时升温速度3～5℃/min，在300℃～600℃时升温速度0.5～1℃/min，在 600℃时保温1.5～2h（保温时间与骨架大小有关，骨架越大保温时间越长），之后随炉冷至150℃，充氮气冷至室温即可。
实施例2
本实施例提供的一种超导磁体骨架磁导率的控制工艺，包括以下步骤：
（1）、选料：选取磁导率μ＜1.01的316L作为材料，316L中的Ni含量是10%；
（2）、切削粗加工：选择具有TiAlN＋Al2O3涂层的刀具作为切削加工的刀具；在切削加工过程中选择小切削量进刀方式进行粗加工，粗加工的主轴转速1000rad/min，进给速度60mm/min,切削深度2mm；
（3）、真空电子束焊：对图1所示的焊缝3进行真空电子束焊，真空度1×10-2Pa，电压150KV，电流30mA，移动速度5mm/s；
（4）、高温固溶处理：将粗加工后的超导磁体骨架进行加热，在室温~400℃时升温速度5℃/min，在400℃~1150℃时升温速度1℃/min，在 1150℃时保温1.5h，完成后进行冰水冷却；
（5）、切削精加工：选择具有TiAlN＋Al2O3涂层的刀具作为切削加工的刀具，在切削加工过程中选择小切削量进刀方式进行半精加工及精加工，半精加工的主轴转速200rad/min，进给速度120mm/min，切削深度0.5mm；精加工的主轴转速600rad/min，进给速度300mm/min，切削深度0.1mm；
（6）、真空中光亮热处理：将精加工后的超导磁体骨架放入真空炉中抽真空至1×10-4Pa时进行加热，在室温～300℃时升温速度3℃/min，在300℃～600℃时升温速度0.5℃/min，在 600℃时保温1.5h，之后随炉冷至150℃，充氮气冷至室温即可。
实施例3
本实施例提供的一种超导磁体骨架磁导率的控制工艺，包括以下步骤：
（1）、选料：选取磁导率μ＜1.01的316LN作为材料，316LN中的Ni含量是13%；
（2）、切削粗加工：选择具有TiAlN＋Al2O3涂层的刀具作为切削加工的刀具；在切削加工过程中选择小切削量进刀方式进行粗加工，粗加工的主轴转速200rad/min，进给速度90mm/min,切削深度5mm；
（3）、真空电子束焊：对图1所示的焊缝3进行真空电子束焊，真空度1×10-2Pa，电压150KV，电流70mA，移动速度8mm/s；
（4）、高温固溶处理：将粗加工后的超导磁体骨架进行加热，在室温~400℃时升温速度10℃/min，在400℃~1150℃时升温速度2℃/min，在1150℃时保温2h，完成后进行冰水冷却；
（5）、切削精加工：选择具有TiAlN＋Al2O3涂层的刀具作为切削加工的刀具，在切削加工过程中选择小切削量进刀方式进行半精加工及精加工，半精加工的主轴转速400rad/min，进给速度180mm/min，切削深度1mm；精加工的主轴转速900rad/min，进给速度400mm/min，切削深度0.2mm；；
（6）、真空中光亮热处理：将精加工后的超导磁体骨架放入真空炉中抽真空至1×10-4Pa时进行加热，在室温～300℃时升温速度5℃/min，在300℃～600℃时升温速度1℃/min，在 600℃时保温2h，之后随炉冷至150℃，充氮气冷至室温即可。
实施例4
选用美标（ASME SA-182/SA-182M-2019）316L环锻件作为超导磁体骨架，采用上述控制方法后，对是否满足材料磁导率μ≤1.05；焊缝磁导率μ≤1.10进行检测，
检测结果为：
选料检测多点，材料μ=1.003～1.008；
切削粗加工后，材料μ=1.058～1.086；
真空电子束焊接后，焊缝μ=1.102～1.226；材料μ=1.058～1.086（非焊缝区）；
高温固溶处理后，焊缝μ=1.075～1.089；材料μ=1.035～1.049（非焊缝区）；
切削精加工后，焊缝μ=1.088～1.109；材料μ=1.038～1.057（非焊缝区）；
真空中光亮热处理后，焊缝μ=1.060～1.083；材料μ=1.022～1.037（非焊缝区）；
结论：满足材料磁导率μ≤1.05；焊缝磁导率μ≤1.10的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种超导磁体骨架磁导率的控制工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、选料：选取磁导率μ＜1.01的奥氏体不锈钢作为材料，奥氏体不锈钢中的Ni含量范围是10%~15%；
（2）、切削粗加工：选择具有硬质合金涂层的刀具作为切削加工的刀具，在切削加工过程中选择小切削量进刀方式进行粗加工；
（3）、真空电子束焊：对焊缝进行真空电子束焊，真空度1×10-2Pa，电压150KV，电流30～70mA，移动速度5～8mm/s；
（4）、高温固溶处理：将粗加工后的超导磁体骨架进行加热，在室温~400℃时升温速度5～10℃/min，在400℃~1150℃时升温速度1～2℃/min，在 1150℃时保温1.5～2h，完成后进行冰水冷却；
（5）、切削精加工：选择具有硬质合金涂层的刀具作为切削加工的刀具，在切削加工过程中选择小切削量进刀方式进行半精加工及精加工；
（6）、真空中光亮热处理：将精加工后的超导磁体骨架放入真空炉中抽真空至1×10-4Pa时进行加热，在室温～300℃时升温速度3～5℃/min，在300℃～600℃时升温速度0.5～1℃/min，在 600℃时保温1.5～2h，之后随炉冷至150℃，充氮气冷至室温即可。
2.根据权利要求1所述的一种超导磁体骨架磁导率的控制工艺，其特征在于：步骤（1）中所述的奥氏体不锈钢为316L或316LN。
3.根据权利要求1所述的一种超导磁体骨架磁导率的控制工艺，其特征在于：步骤（2）中硬质合金涂层为TiAlN＋Al2O3涂层。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种超导磁体骨架磁导率的控制工艺，其特征在于：步骤（2）中所述粗加工的主轴转速100～200rad/min，进给速度60～90mm/min,切削深度2～5mm。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种超导磁体骨架磁导率的控制工艺，其特征在于：步骤（5）中半精加工的主轴转速200～400rad/min，进给速度120～180mm/min，切削深度0.5～1mm；精加工的主轴转速600～900rad/min，进给速度300～400mm/min，切削深度0.1～0.2mm。
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