CN113977060A - 一种聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及焊接技术领域，公开了一种聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法，包括：步骤S1，在变截面板的对接焊缝的背面垫设垫板，其中，变截面板包括直面板段和曲面板段，垫板包括直垫板段和曲垫板段，曲垫板段的一侧贴合在曲面板段的背面，曲垫板段的厚度自曲面板段与直面板段连接的一侧向曲面板段的另一侧逐渐增加；步骤S2，采用电子束焊接方式对直面板段对应的对接焊缝和曲面板段对应的对接焊缝依次进行焊接。本发明可以实现对变截面板的一次电子束焊接成型，大大提高焊接作业效率，可以实现批量化生产，有利于核聚变真空室装置的生产进度，同时，可以降低焊接变形，保证了真空室侧壁与窗口领圈集成连接时的形位精度。

Description

一种聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法。
背景技术
核聚变真空室窗口领圈是核聚变真空室的重要组成部分，用于实现真空室与外界诊断装置、传感装置等装置的连接，由大厚度的不锈钢板拼焊而成，如图1所示，为了能和真空室侧壁实现连接，窗口领圈需要在一端弯曲一定值，由于不锈钢板的厚度较大，窗口领圈整体拼焊好后再进行弯曲很难实现，需要先对窄板料10弯曲加工好后，再将窄板料10拼焊形成窗口领圈。
在焊接弯曲成型好的窄板料10时，如图2所示，焊接截面为变截面，包括弯曲段30和非弯曲段40。目前，一般对非弯曲段40采用电子束焊接的方法进行焊接，由于窗口领圈的非弯曲段40较长，无法在空间有限的电子束焊机内实现对弯曲段30的旋转焊接，因此，一般对非弯曲段40采用电子束焊接完成后，再采用开坡口氩弧焊的方法对弯曲段30进行焊接。
而采用开坡口氩弧焊的方法对弯曲段30进行焊接时，由于不锈钢板的厚度较大，需采用多层多道焊工艺，则会出现对接焊缝20的焊接变形大，焊接作业耗时长的问题。一套窗口领圈有5道这种焊缝，每道焊缝从开坡口到装夹焊接完成需要耗时7天左右的时间，而核聚变真空室需要集成多套窗口领圈，很难实现批量生产；并且，大的焊接变形无法实现真空室与窗口领圈的正常精准连接，需要耗费大量时间进行机械校型，严重阻碍了核聚变真空室装置的生产进度。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法，以解决现有技术中，采用开坡口氩弧焊的方法对弯曲段进行焊接，易出现焊接变形大、焊接作业耗时长，导致难以实现批量生产，且影响真空室与窗口领圈的正常精准连接的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法，包括以下步骤：
步骤S1，在变截面板的对接焊缝的背面垫设垫板，其中，变截面板包括直面板段和曲面板段，垫板包括直垫板段和曲垫板段，曲垫板段的一侧贴合在曲面板段的背面，曲垫板段的厚度自曲面板段与直面板段连接的一侧向曲面板段的另一侧逐渐增加；
步骤S2，采用电子束焊接方式对直面板段对应的对接焊缝和曲面板段对应的对接焊缝依次进行焊接。
优选地，步骤S2包括：
步骤S21，将曲面板段对应的对接焊缝沿水平向等分为多份；
步骤S22，采用电子束焊接方式，以第一焊接工艺参数对直面板段对应的对接焊缝进行焊接；
步骤S23，采用电子束焊接方式，以第二焊接工艺参数对各等份的曲面板段对应的对接焊缝依次进行焊接；
其中，第一焊接工艺参数和第二焊接工艺参数的参数项均包括焊接束流、聚焦电流和焊接速度，第一焊接工艺参数与第二焊接工艺参数的取值不同。
优选地，所述步骤S22中，第一焊接工艺参数中的焊接束流记为Ib，所述步骤S23中，第二焊接工艺参数中的焊接束流记为Ian，
其中，
Figure BDA0003365057860000021
其中，n表示曲面板段的等分数；R表示曲面板段的内圆弧半径；a表示曲面板段，b表示直面板段。
优选地，所述步骤S22中，第一焊接工艺参数中的聚焦电流记为Lb，所述步骤S23中，第二焊接工艺参数中的聚焦电流记为Lan，
其中，
Figure BDA0003365057860000031
Figure BDA0003365057860000032
其中，n表示曲面板段的等分数；N表示曲面板段的等分总量；R表示曲面板段的内圆弧半径；a表示曲面板段，b表示直面板段。
优选地，所述步骤S22中，第一焊接工艺参数中的焊接速度记为Vb，所述步骤S23中，第二焊接工艺参数中的焊接速度记为Va，
其中，
Figure BDA0003365057860000033
其中，a表示曲面板段，b表示直面板段。
优选地，所述步骤S22和所述步骤S23中的电子束焊接的加速电压值相等。
优选地，所述步骤S22中，电子束焊接时的焊接束流震荡波形为圆波，振幅为1～3mm，震荡频率为10～1000Hz。
优选地，所述步骤S23中，电子束焊接时的焊接束流震荡波形为方波，焊接方向上的振幅为1～3mm，垂直于焊接方向上的振幅为0mm，震荡频率为10～1000Hz。
优选地，在曲面板段的正面垫设两个过渡板，两个过渡板分别位于对接焊缝的两侧，所述过渡板的一侧与所述曲面板段的正面贴合，所述过渡板的另一侧分别连接在所述曲面板段的两端。
本发明实施例一种聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明实施例的聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法，通过在变截面板的对接焊缝的背面垫设垫板，并且，采用厚度自曲面板段与直面板段连接的一侧向曲面板段的另一侧逐渐增加的变厚度垫板的结构形式，使得对于变截面板的曲面板段的对接焊缝的焊接熔深大于沿束流方向的对接截面厚度，从而可以实现对变截面板的一次焊接成型，无需在焊接曲面板段时切换为开坡口氩弧焊的方式。对于用于制作窗口领圈的变截面板的对接焊缝采用一次装夹一次电子束焊接成型，一道焊缝从装夹到焊接完成耗时约半天时间，大大提高焊接作业效率，可以实现批量化生产，有利于核聚变真空室装置的生产进度，同时，由一次焊接成型，无需中途更换焊接方式，可以降低焊接变形，保证了真空室侧壁与窗口领圈集成连接时的形位精度，降低机械校型成本。
附图说明
图1是窗口领圈的局部示意图；
图2是窗口领圈拼焊时的对接焊缝的截面示意图；
图3是本发明实施例中在变截面板垫设垫板、过渡板的结构示意图；
图4是本发明实施例中在变截面板垫设垫板、过渡板的截面示意图；
图中，10、窄板料；20、对接焊缝；30、弯曲段；40、非弯曲段；
1、变截面板；11、直面板段；12、曲面板段；
2、垫板；21、直垫板段；22、曲垫板段；
3、过渡板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明实施例的一种聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法，用于对制作窗口领圈的变截面结构的对接焊缝20进行焊接，该变截面结构为等厚度变截面板1，采用不锈钢材质制作而成，对多个变截面板1的对接焊缝20沿图3所示的焊接方向进行焊接，形成窗口领圈。
电子束焊接工艺方法包括以下步骤：
步骤S1，在变截面板1的对接焊缝20的背面垫设垫板2，以保证焊缝熔池不会因重力作用而漏出；同时可以引出顶尖缺陷，净化对接焊缝组织；其中，如图3和图4所示，变截面板1为等厚度变截面板，变截面板1包括直面板段11和曲面板段12，直面板段11和曲面板段12的厚度均为δ，垫板2包括直垫板段21和曲垫板段22，曲垫板段22的一侧贴合在曲面板段12的背面，曲垫板段22的厚度自曲面板段12与直面板段11连接的一侧向曲面板段12的另一侧逐渐增加，以保证对曲面板段焊接时，焊接熔深大于沿束流方向的对接截面厚度，从而保证实现对曲面板段的电子束焊接成型；例如，对于曲面板段12截面的内圆弧一侧，曲面板段12与直面板段11的连接点为A点，曲面板段12的另一侧为B点，曲垫板段22的厚度自A点向B点的方向逐渐增加；优选地，曲垫板段22与曲面板段12贴合的一侧呈圆弧状，曲垫板段22上圆弧边的对角为直角，其中一个直角边为曲垫板段22与曲面板段12相对的侧边，另一个直角边为曲垫板段22的底边，方便垫板2的放置；进一步地，曲垫板段22的顶边自与曲面板段12贴合的一侧向侧边的直角边方向延伸设置，顶边与底边平行布置，且底边的长度大于顶边的长度，顶边与底边之间的竖直距离为曲垫板段22的最大厚度；并且，底边自侧边的直角边一侧向直垫板段21的方向延伸设置，直垫板段21呈矩形，曲垫板段22的底边与直垫板段21的底边共线布置；直垫板段21和曲垫板段22优选为一体成型设置；
步骤S2，采用电子束焊接方式对直面板段11对应的对接焊缝20和曲面板段12对应的对接焊缝20依次进行焊接。
通过在变截面板1的对接焊缝20的背面垫设垫板2，并且，采用厚度自曲面板段12与直面板段11连接的一侧向曲面板段12的另一侧逐渐增加的变厚度垫板2的结构形式，使得对于变截面板1的曲面板段12的对接焊缝20的焊接熔深大于沿束流方向的对接截面厚度，从而可以实现对变截面板1的一次焊接成型，无需在焊接曲面板段12时切换为开坡口氩弧焊的方式，大大提高焊接作业效率，可以实现批量化生产，有利于核聚变真空室装置的生产进度，并且，可以降低焊接变形，保证了真空室侧壁与窗口领圈集成连接时的形位精度。
进一步地，所述步骤S1之后，所述步骤S2之前还包括：在曲面板段12的正面垫设两个过渡板3，如图3所示，两个过渡板3分别位于对接焊缝20的两侧，过渡板3的一侧呈圆弧状，另一侧呈至直线状，所述过渡板3呈圆弧状的一侧与所述曲面板段12的正面贴合，所述过渡板3呈直线的另一侧分别连接在所述曲面板段12的两端，如图4所示，过渡板3连接在A点与B点之间。对曲面板段12进行斜向上焊接时，熔池会因为重力作用而向下流淌，过渡板3的存在可以起到保护曲面板段熔池不被重力影响，过渡板熔池可以流失，焊后加工去除掉过渡板即可，过渡板可以保护曲面板段的熔池完整性。其中，两个过渡板的厚度相等，两个过渡板的厚度之和等于变截面板的厚度δ。
进一步地，步骤S2包括：
步骤S21，将曲面板段12对应的对接焊缝20沿水平向等分为多份，例如，如图3中所示，对于曲面板段12截面的内圆弧一侧，曲面板段12与直面板段11的连接点为A点，曲面板段12的另一侧为B点，A点在底边的投影点为C点，B点在底边的投影点为D点，则将CD段等分为多份；步骤S22，采用电子束焊接方式，以第一焊接工艺参数对直面板段11对应的对接焊缝20进行焊接；步骤S23，采用电子束焊接方式，以第二焊接工艺参数对各等份的曲面板段12对应的对接焊缝20依次进行焊接；其中，第一焊接工艺参数和第二焊接工艺参数的参数项均包括焊接束流、聚焦电流和焊接速度，第一焊接工艺参数与第二焊接工艺参数的取值不同。通过采用不同的焊接工艺参数值，采用电子束焊接工艺对变截面板1一次焊接成型。
所述步骤S22中，第一焊接工艺参数中的焊接束流记为Ib，单位为mA，所述步骤S23中，第二焊接工艺参数中的焊接束流记为Ian，单位为mA，
其中，
Figure BDA0003365057860000061
且，Ian不超过电子束焊机的额定束流；
其中，n表示曲面板段的等分数，例如n的取值范围为1～10，n可以取1～10以内的任意整数值；R表示曲面板段的内圆弧半径；a表示曲面板段，b表示直面板段。
所述步骤S22中，第一焊接工艺参数中的聚焦电流记为Lb，单位为mA，所述步骤S23中，第二焊接工艺参数中的聚焦电流记为Lan，单位为mA，
其中，
Figure BDA0003365057860000071
Figure BDA0003365057860000072
其中，n表示曲面板段的等分数；N表示曲面板段的等分总量，N可取值10；R表示曲面板段的内圆弧半径；a表示曲面板段，b表示直面板段。
所述步骤S22中，第一焊接工艺参数中的焊接速度记为Vb，单位为mm/s，所述步骤S23中，第二焊接工艺参数中的焊接速度记为Va，单位为mm/s，
其中，
Figure BDA0003365057860000073
其中，a表示曲面板段，b表示直面板段。
进一步地，第一焊接工艺参数和第二焊接工艺参数的参数项还包括加速电压，所述步骤S22和所述步骤S23中的电子束焊接的加速电压值相等。
采用不同的焊接工艺参数对直面板段11和曲面板段12分别进行焊接，焊接时，在直面板段11和曲面板形成的焊接束流振荡波形不同。所述步骤S22中，电子束焊接时的焊接束流震荡波形为圆波，振幅为1～3mm，震荡频率为10～1000Hz。进一步地，所述步骤S23中，电子束焊接时的焊接束流震荡波形为方波，焊接方向上的振幅为1～3mm，垂直于焊接方向上的振幅为0mm，震荡频率为10～1000Hz。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，在变截面板的对接焊缝的背面垫设垫板，其中，变截面板包括直面板段和曲面板段，垫板包括直垫板段和曲垫板段，曲垫板段的一侧贴合在曲面板段的背面，曲垫板段的厚度自曲面板段与直面板段连接的一侧向曲面板段的另一侧逐渐增加；
步骤S2，采用电子束焊接方式对直面板段对应的对接焊缝和曲面板段对应的对接焊缝依次进行焊接。
2.根据权利要求1所述的聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法，其特征在于，步骤S2包括：
步骤S21，将曲面板段对应的对接焊缝沿水平向等分为多份；
步骤S22，采用电子束焊接方式，以第一焊接工艺参数对直面板段对应的对接焊缝进行焊接；
步骤S23，采用电子束焊接方式，以第二焊接工艺参数对各等份的曲面板段对应的对接焊缝依次进行焊接；
其中，第一焊接工艺参数和第二焊接工艺参数的参数项均包括焊接束流、聚焦电流和焊接速度，第一焊接工艺参数与第二焊接工艺参数的取值不同。
3.根据权利要求2所述的聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法，其特征在于，所述步骤S22中，第一焊接工艺参数中的焊接束流记为Ib，所述步骤S23中，第二焊接工艺参数中的焊接束流记为Ian，
其中，
Figure FDA0003365057850000011
其中，n表示曲面板段的等分数；R表示曲面板段的内圆弧半径；a表示曲面板段，b表示直面板段。
4.根据权利要求2所述的聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法，其特征在于，所述步骤S22中，第一焊接工艺参数中的聚焦电流记为Lb，所述步骤S23中，第二焊接工艺参数中的聚焦电流记为Lan，
其中，
Figure FDA0003365057850000021
Figure FDA0003365057850000022
其中，n表示曲面板段的等分数；N表示曲面板段的等分总量；R表示曲面板段的内圆弧半径；a表示曲面板段，b表示直面板段。
5.根据权利要求2所述的聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法，其特征在于，所述步骤S22中，第一焊接工艺参数中的焊接速度记为Vb，所述步骤S23中，第二焊接工艺参数中的焊接速度记为Va，
其中，
Figure FDA0003365057850000023
其中，a表示曲面板段，b表示直面板段。
6.根据权利要求2所述的聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法，其特征在于，所述步骤S22和所述步骤S23中的电子束焊接的加速电压值相等。
7.根据权利要求2所述的聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法，其特征在于，所述步骤S22中，电子束焊接时的焊接束流震荡波形为圆波，振幅为1～3mm，震荡频率为10～1000Hz。
8.根据权利要求2所述的聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法，其特征在于，所述步骤S23中，电子束焊接时的焊接束流震荡波形为方波，焊接方向上的振幅为1～3mm，垂直于焊接方向上的振幅为0mm，震荡频率为10～1000Hz。
9.根据权利要求1所述的聚变堆真空室窗口变截面结构的电子束焊接工艺方法，其特征在于，所述步骤S1之后，所述步骤S2之前还包括：在曲面板段的正面垫设两个过渡板，两个过渡板分别位于对接焊缝的两侧，所述过渡板的一侧与所述曲面板段的正面贴合，所述过渡板的另一侧分别连接在所述曲面板段的两端。
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