CN117139812A - 一种用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法及机构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于异种金属扩散焊接技术领域，公开了一种用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法及机构，包括管件对接端口机加工制焊接样、焊前表面处理；选择中间层；采用夹具、真空扩散焊接加载前进行表面清洁及焊接件加载；真空扩散焊接。本发明通过设计的套管限位夹具解决了长尺寸薄壁管件无小型通用焊接夹具的困境、解决了长尺寸薄壁管件的扩散焊对接接头焊接面的加力问题。现需焊接构件为核用包壳与电加热原件套管，现有包壳材料为Zr合金，性质活泼，会与大部分钎料发生溶蚀现象，且直接焊接两者之间会产生脆性金属间化合物，严重影响接头性能，本发明通过向Zr合金表面添加Ti保护层，解决了316L和Zr合金之间焊接的冶金性问题。
Description
技术领域
本发明属于异种金属扩散焊接技术领域，尤其涉及一种用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法。
背景技术
目前，核能电力工程是未来一阶段内电力能源高产能绿色生产的主要趋势，克服了以环境为代价和限制因素制约能源生产的难题，将消耗不可再生自然资源的能源生产模式转变为清洁可持续型生产模式，发展前景广阔。但核电领域仍存在关键性技术难点，亟待解决。例如，某型反应堆燃料包壳的焊接问题，此包壳焊接类型为异种金属长尺寸小径薄壁管件对接，焊接面积小、无适用夹具。常用的熔焊法焊接可达性差、焊后尺寸变形大、接头成型不美观，且直接焊接产生的脆性金属间化合物与异种金属材料间的固溶度差异导致的相分离严重降低焊接接头的机械强度与耐蚀性。另外该焊件需包覆某固定外径的类刚性燃料棒，因此对焊后管内平直度要求严格。在综合考量后选择真空扩散焊为焊接方法。真空扩散焊作为一种固相连接方法，焊件一般变形小、残余应力少，适于在真空环境下通过原子扩散的方式连接对尺寸变化要求严格的小型精密部件，能够有效避免上述熔焊法导致的缺陷，获得品质、性能良好的扩散焊接头。
但现需焊接的焊件为异种金属小径长尺寸薄壁管件，焊接面为圆环，面积小，焊接困难。且由于该焊件服役于核电机组，因此对装配精度，同轴度的要求极其严格。另外扩散焊是固相连接需向焊接面持续施加压力为原子扩散、界面闭合提供驱动力，而管件轴向尺寸大，无适宜的夹具夹持。再有，真空扩散焊工艺对于核燃料棒包壳合金与功能合金的可焊性研究存在瓶颈，因此现有真空扩散焊工艺无法实现该构件的连接。如何实现异种金属长尺寸小径薄壁管件的高装配精度，保证两焊接管的同轴度且增大焊接面积；如何实现向异种金属长尺寸小径薄壁管件焊接面持续施加压力，保证焊接接头连接的可靠性；这是现有技术无法解决的。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现需焊接长尺寸小径薄壁管件，焊接面为环形焊接面，焊接面积小，影响焊接机构承载的可靠性。其次接头形式为对接，对装配精度，同轴度要求极高。现有技术解决以上问题存在困难。
(2)真空扩散焊是通过原子扩散形成固溶体连接金属的固相连接方法，为达到原子扩散的条件需向焊接面施加压力以促使界面闭合。而待焊管件的轴向尺寸大，因此现有技术无法实现向长尺寸小径薄壁管件对接焊接面持续施加压力。
(3)因焊接件为核用燃料包壳，对焊接机构的可靠性要求极高，因此选用的中间层既需不与包壳材料和电加热原件套管材料发生反应生产金属间化合物，也需能与两金属浸润良好、扩散充分，以形成冶金隔离的形式对两金属进行连接，但现有中间层无法实现。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法。
本发明是这样实现的，一种用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊方法，所述用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法，包括管件对接端口机加工制焊接样、焊前表面处理；选择中间层；采用夹具、真空扩散焊接加载前进行表面清洁及焊接件加载；真空扩散焊接。
进一步，所述用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法连接的为核用长尺寸薄壁燃料包壳与电加热原件套管组件，对于长尺寸薄壁管件无法由轴向对圆环面持续施加压力。
进一步，所述用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法连接的材料为Zr合金与316L不锈钢，Zr合金用作水冷核反应堆的，316L不锈钢用作输送高温腐蚀性液体的管道。
进一步，所述用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法，包括以下步骤：
步骤一，对焊件端口进行加工，316L不锈钢端部加工为多楔钉凸件，Zr合金端部加工为凹件；
步骤二，焊接件中间层设计，中间层为Ti+Ni箔，中间层通过原子扩散的方式与两金属形成固溶体过渡层，阻断Zr合金与316L的反应；
步骤三，根据焊件尺寸进行夹具设计，采用抱卡-套管限位夹具为Zr合金/316L不锈钢对接；
步骤四，真空扩散焊接过程，具体焊接工艺加热步骤为：使炉内温度加热保温；将炉内温度再加热保温；使炉内温度冷却、然后冷却到200℃、最后关闭加热装置及扩散泵，等待试样随炉冷却到室温。
进一步，所述步骤一中扩散焊接表面粗糙度需达到0.15mm，进行喷丸抛光处理样坯端口，获得镜面状样坯；依次用蒸馏水、无水乙醇反复清洗，吹干备用。
进一步，所述步骤二中管件/中间层的装配顺序为316L-Ni-Ti-Zr，Ti+Ni箔的两端设置有多楔钉凹件和多楔钉凸件。
进一步，所述步骤三中抱卡-套管限位夹具外套管周布有四点位的紧固螺栓，通过管内抱卡对焊件限位、夹持；通过轴向约束，促使焊接面闭合；材料为殷瓦合金。
进一步，所述步骤三中焊件在加载前，用丙酮、酒精反复清洗，在管件与抱卡之间放置石墨纸，按照焊管-抱卡-外套管的顺序装配。
进一步，所述步骤四中用1小时使炉内温度加热到800℃，在800℃保温10分钟；用40分钟将炉内温度加热到850℃；在850℃保温1小时。
进一步，所述步骤四中用1小时使炉内温度冷却到800℃、然后用3小时冷却到200℃。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、现需焊接构件为薄壁件熔焊法极易焊穿，另外由于核用部件对变形的要求极其严格。且熔焊法焊接可达性差、缺陷多，所以无法焊接该件；本发明通过固相的扩散焊接解决了长尺寸薄壁管件无法由熔焊法焊接的困境。核用包壳材料装配要求高，尤其对于小径薄壁管件装配存在较大困难，本发明通过设计的锯齿型卡口可解决了薄壁圆形管件对接接头焊接面的装配对中问题，且在未来可进行自动化的设计，通过自动找正对中完成焊接。因需焊接核用包壳为长尺寸小径薄壁管件，且焊接面为对接，现有焊接夹具无法由轴向对焊接面持续施加压力，本发明通过设计的套管限位夹具解决了长尺寸薄壁管件无小型通用焊接夹具的困境、解决了长尺寸薄壁管件的扩散焊对接接头焊接面的加力问题。现需焊接构件为核用包壳与电加热原件套管，现有包壳材料为Zr合金，性质活泼，会与大部分钎料发生溶蚀现象，且直接焊接两者之间会产生脆性金属间化合物，严重影响接头性能，本发明通过向Zr合金表面添加Ti保护层，解决了316L和Zr合金之间焊接的冶金性问题。
第二，本发明通过设计焊件端口的加工形式来提升焊接接触面积、保证焊件的同轴度；通过设计一种小尺寸可拆卸的夹具向焊接面施加促使界面闭合的驱动力；通过设计一种中间层以形成冶金隔离的形式实现异种金属的焊接。
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：
本发明设计的应用于长尺寸薄壁异种金属焊接夹具，能够有效将316L不锈钢/Zr合金进行连接。通过设计简单机构的夹具连接两焊件，大幅降低了焊接的经济与时间成本。其次，本发明提供了一种具有商业价值的优化方案，可将的本发明提出的焊接夹具及工艺，技术转化成高集成、一体化的自动焊接系统。例如，自动焊接机器。其焊接流程可分模块实现。即端口加工模块、表面清洗模块、自动找正对中模块、扩散焊接模块等。由此可实现异种金属薄壁管件的自动焊接。且为行业内自动焊接系统的研发提供了导向思路，驱动下一个阶段的技术发展。
(2)本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：
本发明通过设计的夹具和工艺方案，对316L不锈钢/Zr合金进行连接。通过设计的夹具可应用到不同管径的长尺寸异种金属焊接，例如铜/钢、钛/钢等。提供的一种用于长尺寸扩散焊接的夹具，可解决长尺寸管件真空扩散焊对接无法由轴向施加压力驱动界面闭合的问题。此外，通过设计加工的管件接口形式，可解决薄壁管件焊接面积小，找正对中难的问题。最后通过设计的焊接工艺有效避免了异种金属焊接时存在的冶金问题。例如316L不锈钢/Zr合金发生反应会生成金属间化合物。Zr合金性质活泼，易与钎料发生溶蚀现象。为避免发生此类情况，选择向Zr合金端面添加保护层，通过Ti-Ni复合中间层以形成冶金各路的形式实现扩散连接。
第三，本发明实施例提供的用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法，取得了以下显著的技术进步：
1.设计了特殊的接头加工形式，提高了焊接接头的稳定性和可靠性。
2.采用了Ti+Ni箔作为中间层，通过原子扩散的方式与两金属形成固溶体过渡层，阻断Zr合金与316L的反应，提高了焊接接头的质量。
3.设计了抱卡-套管限位夹具，利用不同金属材料热膨胀系数的差异，促使焊接面闭合，解决了长尺寸薄壁管件焊接困难的问题。
4.采用了阶梯式加热流程，分阶段、不间断地向焊接面提供动力，提高了焊接的效率和稳定性。
这些技术进步使得该焊接方法能够更加高效、准确地实现长尺寸薄壁管件的对接焊接，提高了焊接接头的质量和稳定性，降低了焊接成本和时间成本，具有重要的实用价值和广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法流程图；
图2是本发明实施例提供的焊接件接头焊前加工示意图；
图3是本发明实施例提供的焊接夹具焊前装配示意图；
图3a为本发明实施例提供的焊件装配完成后的等轴侧示意图；
图3b为本发明实施例提供的焊件内部机构的剖面示意图；
图3c为本发明实施例提供的焊件装配完成后的等轴侧示意图；
图3d本发明实施例提供的外套管机构示意图；
图3e本发明实施例提供的管件抱卡位置示意图；
图3f本发明实施例提供的抱卡机构示意图；
图4是本发明实施例提供的焊接面EPMA图；
图5是本发明实施例提供的焊接头拉伸应力-应变曲线图。
1.多楔钉凸件；2.Ti+Ni箔；3.多楔钉凹件；4.316L；5.Zr合金；6.施载螺栓7.预紧螺栓；8.限位外套管；9.薄壁316L管；10.限位抱卡；11.薄壁Zr管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供的用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法，包括以下步骤：
S101：管件对接端口机加工制焊接样、焊前表面处理；
S102：选择中间层；
S103：采用夹具、真空扩散焊接加载前进行表面清洁及焊接件加载；
S104：真空扩散焊接。
在本发明的实施例中，所连接的为核用长尺寸薄壁燃料包壳与电加热原件套管组件，对焊前管件装配精度、同轴度要求高，焊后变形控制严格。且对于长尺寸薄壁管件无法由轴向对圆环面持续施加压力。另外现有包壳材料的Zr合金性质活泼易与大部分钎料发生高温溶蚀。基于此本发明设计了长尺寸薄壁对接真空扩散焊夹具及工艺。
在本发明的实施例中，所需连接的材料为Zr合金(Zr-4)与316L不锈钢，Zr合金在300-400℃范围内的高温高压水蒸汽中具备良好的耐蚀性能、适中的力学性能、较低的原子热中子吸收截面，对核燃料有良好的相容性，因此可用作水冷核反应堆的堆芯机构材料(燃料包壳、压力管、支架和孔道管)。316L不锈钢耐蚀性、热强性好。可用作输送高温腐蚀性液体的管道。
本发明实施例提供的用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法，具体包括以下步骤：
步骤一，首先依照设计图纸对焊件端口进行加工，316L不锈钢端部加工为多楔钉凸件，Zr合金端部加工为凹件。扩散焊接是高精度固相连接，表面粗糙度需达到0.15mm，因此需喷丸抛光处理样坯端口，获得类似镜面状样坯。依次用蒸馏水、无水乙醇反复清洗，吹干备用，接头加工形式如图2所示。
步骤二，焊接件中间层设计。由于核用包壳为Zr合金5，性质活泼，可与多数中间层发生反应，产生溶蚀现象，导致接头生成金属间化合物而失效。因此本实施例中选用的中间层为Ti+Ni箔2，中间层可通过原子扩散的方式与两金属形成固溶体过渡层，阻断Zr合金5与316L4的反应。且能在相对较低的温度下实现键合。提升接头的稳定性、可靠性。管件/中间层的装配顺序为316L-Ni-Ti-Zr，Ti+Ni箔2的两端设置有多楔钉凹件3和多楔钉凸件1，Ti+Ni层的覆盖形式见图2。
步骤三，根据焊件尺寸进行夹具设计，焊接需求为Zr合金/316L不锈钢对接，而长尺寸薄壁件焊接时无法由轴向对焊接面施加压力，焊接存在困难。基于此本发明设计了抱卡-套管限位夹具。夹具外套管周布有四点位的紧固螺栓，通过管内抱卡对焊件限位、夹持。通过轴向约束，促使焊接面闭合。利用原理为不同金属材料热膨胀系数不同，加热时膨胀量不同，以小变形焊件约束大变形焊件产生的应力为焊接面闭合提供持续驱动力。此处选择的夹具材料为殷瓦合金(Invar，也称为殷钢)，是一种镍铁合金，它的热膨胀系数极低，能在很宽的温度范围内保持固定长度。它的中文名字叫殷钢，英文名字叫殷瓦合金(Invar)，意思是体积不变，由于殷瓦钢极易发生锈蚀，焊件装载时必须全程佩戴乳胶手套，夹具设计如图3所示。
焊件在加载前，用丙酮、酒精反复清洗，保持焊接面洁净。随后在管件与抱卡之间放置石墨纸，按照焊管-抱卡-外套管的顺序装配，装配顺序如图3所示。图3中的a、c为焊件装配完成后的等轴侧示意图，由图3中的a、c中可以看出焊件装配完成后由位于外套管内部的限位抱卡对焊件进行夹持，管件端口的卡榫机构对接装配后，由外套管周布的螺栓提供紧固力。图3中的b、d、e、f分别为内部机构的剖面示意图、外套管机构示意图、管件抱卡位置示意图、抱卡机构示意图。
步骤四，真空扩散焊接过程，具体焊接工艺加热步骤为：用1小时使炉内温度加热到800℃，在800℃保温10分钟；用40分钟将炉内温度加热到850℃；在850℃保温1小时；用1小时使炉内温度冷却到800℃、然后用3小时冷却到200℃、最后关闭加热装置及扩散泵，等待试样随炉冷却到室温。本发明设计的阶梯式加热流程可分阶段，不间断的向焊接面闭合提供动力。
实施例1：
Zr-4合金/304不锈钢(Ti+Ni复合中间层)的实现方法：
步骤一，首先依照设计图纸对焊件端口进行加工，304不锈钢端部加工为多楔钉凸件，Zr合金端部加工为凹件。喷丸抛光处理样坯端口，获得类似镜面状样坯。依次用蒸馏水、无水乙醇反复清洗，吹干备用。
步骤二，焊接件中间层设计。由于核用包壳为Zr合金，性质活泼，可与多数中间层发生反应，产生溶蚀现象，导致接头生成金属间化合物而失效。因此本实施例中选用的中间层为Ti+Ni箔，中间层可通过原子扩散的方式与两金属形成固溶体过渡层，阻断Zr合金与304不锈钢的反应。且能在相对较低的温度下实现键合。提升接头的稳定性、可靠性。管件/中间层的装配顺序为304-Ni-Ti-Zr。
步骤三，根据焊件尺寸进行夹具设计，焊接需求为Zr合金/304不锈钢对接。基于此本发明设计了抱卡-套管限位夹具。夹具外套管周布有四点位的紧固螺栓，通过管内抱卡对焊件限位、夹持。通过轴向约束，促使焊接面闭合。利用原理为不同金属材料热膨胀系数不同，加热时膨胀量不同，以小变形焊件约束大变形焊件产生的应力为焊接面闭合提供持续驱动力。此处选择的夹具材料为殷瓦合金(Invar，也称为殷钢)。由于殷瓦钢极易发生锈蚀，焊件装载时必须全程佩戴乳胶手套。
焊件在加载前，用丙酮、酒精反复清洗，保持焊接面洁净。随后在管件与抱卡之间放置石墨纸，按照焊管-抱卡-外套管的顺序装配，可以看出焊件装配完成后由位于外套管内部的限位抱卡对焊件进行夹持，管件端口的卡榫机构对接装配后，由外套管周布的螺栓提供紧固力。
步骤四，真空扩散焊接过程，具体焊接工艺加热步骤为：用1小时使炉内温度加热到800℃，在800℃保温10分钟；用40分钟将炉内温度加热到850℃；在850℃保温1小时；用1小时使炉内温度冷却到800℃、然后用3小时冷却到200℃、最后关闭加热装置及扩散泵，等待试样随炉冷却到室温。
实施例2：
Zr-4合金/304L不锈钢(Ta+Ni复合中间层)
步骤一，首先依照设计图纸对焊件端口进行加工，304L不锈钢端部加工为多楔钉凸件，Zr合金端部加工为凹件。喷丸抛光处理样坯端口，获得类似镜面状样坯。依次用蒸馏水、无水乙醇反复清洗，吹干备用。
步骤二，焊接件中间层设计。由于核用包壳为Zr合金，性质活泼，可与多数中间层发生反应，产生溶蚀现象，导致接头生成金属间化合物而失效。因此本实施例中选用的中间层为Ta+Ni箔，中间层可通过原子扩散的方式与两金属形成固溶体过渡层，阻断Zr合金与304L不锈钢的反应。且能在相对较低的温度下实现键合。提升接头的稳定性、可靠性。管件/中间层的装配顺序为304-Ni-Ta-Zr。
步骤三，根据焊件尺寸进行夹具设计，焊接需求为Zr合金/304L不锈钢对接。基于此本发明设计了抱卡-套管限位夹具。夹具外套管周布有四点位的紧固螺栓，通过管内抱卡对焊件限位、夹持。通过轴向约束，促使焊接面闭合。利用原理为不同金属材料热膨胀系数不同，加热时膨胀量不同，以小变形焊件约束大变形焊件产生的应力为焊接面闭合提供持续驱动力。此处选择的夹具材料为殷瓦合金(Invar，也称为殷钢)。由于殷瓦钢极易发生锈蚀，焊件装载时必须全程佩戴乳胶手套。
焊件在加载前，用丙酮、酒精反复清洗，保持焊接面洁净。随后在管件与抱卡之间放置石墨纸，按照焊管-抱卡-外套管的顺序装配，可以看出焊件装配完成后由位于外套管内部的限位抱卡对焊件进行夹持，管件端口的卡榫机构对接装配后，由外套管周布的螺栓提供紧固力。
步骤四，真空扩散焊接过程，具体焊接工艺加热步骤为：用1小时使炉内温度加热到800℃，在800℃保温10分钟；用40分钟将炉内温度加热到850℃；在850℃保温1小时；用1小时使炉内温度冷却到800℃、然后用3小时冷却到200℃、最后关闭加热装置及扩散泵，等待试样随炉冷却到室温。
本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
首先本发明设计的焊接夹具与焊接工艺能够实现长尺寸薄壁管件的连接。克服了小径薄壁长尺寸工件焊接时无法由轴向对焊接面施加压力的困难。其次通过设计的焊件端口加工形式解决了薄壁管件的对中找正问题。最后通过设计的工艺改善了Zr合金与316L不锈钢焊接的冶金问题。对比现有技术，本发明确有其效。例如，某技术中设计到Zr合金与316L不锈钢焊接，选择将焊件端口加工为内外套管的形式来达到焊接目的，对比本发明，该技术存在几点问题：1、内外套管的配合精度高，对加工技术的要求比较高。2、内外套管的装配形式容易在管口端面处产生缝隙，这对于核用部件来说是绝对不允许的。3、对于内外套管的焊接方法，依然无法对焊接面施加足够的压力驱动界面闭合。4、由于具有活泼性质的锆合金与中间层发生的溶蚀现象，导致在焊接中间层的选择上，存在困难。而本发明提出的方法有效避免了上述问题。并通过焊后接头的一些表征实验对本发明的有效性进行了验证。
本实验通过机加工方法，获得焊接接头拉伸试样，将获得的拉伸试样置于压缩试验机压力加载台上，以1mm/min的拉伸速率进行拉伸试验，获得拉伸试验数据；通过焊接头拉伸应力-应变曲线图、焊接面EPMA图、分析本发明提供的方案对焊件焊接效果影响程度。焊接面元素扩散EPMA图如图4所示，焊接头拉伸应力-应变曲线如图5所示。
由所得焊接头拉伸应力-应变曲线图5知，本发明提供的方法可使焊接接头连接可靠稳定。由拉伸应力-应变曲线可以看出，焊后接头的应力可达198MPa以上。且完全断裂前，曲线末段呈现为台阶状，展现出一定韧性特征。说明选用的中间层及制定的焊接加热流程对焊接头韧性有提升。
由所得焊件界面EPMA图4知，通过设计的焊接加热流程，Ni/Ti元素得以向两侧充分扩散，钢侧大于20μm，铜侧大于30μm，说明通过加入Ni/Ti箔形成固溶体可将两金属连接牢固，且能避免金属间化合物的生成，提升接头服役的可靠性、稳定性。
由以上实验结果可知，当采用本发明提供的焊接夹具及加热工艺流程后，焊接面结合良好。无气孔、间隙、夹渣等缺陷。界面上元素扩散充分，通过形成固溶体将两金属结合牢固。由拉伸应力-应变曲线可知随机切取焊接位点的抗载能力达198MPa以上，说明焊接效果良好。
如图2～5所示，在长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接的过程中，各组件的连接关系如下：
多楔钉凸件1和多楔钉凹件3应配合使用以固定和对准管件。这些组件可以帮助保证管件的对接准确度。
Ti+Ni箔2在此发明实施例中被用作中间层S102，这个层可以起到增强焊接强度和防止杂质进入焊缝的作用。
316L4和Zr合金5是待焊接的管件材料。这两种材料都是常用的焊接材料，具有良好的焊接性能和耐腐蚀性。
施载螺栓6和预紧螺栓7被用于在焊接过程中固定管件位置，确保焊接质量。
限位外套管8被用于限制管件的移动，保证管件在焊接过程中的位置稳定。
薄壁316L管9和薄壁Zr管11是需要焊接的薄壁管件，他们的材料与上述的316L4和Zr合金5相对应。
限位抱卡10被用于固定薄壁管件，防止在焊接过程中的不必要移动。
这个长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法具有以下工作原理：
管件对接端口机加工制焊接样、焊前表面处理S101：首先对管件进行精细加工，以保证其对接端口形状、尺寸满足焊接要求。此外，为了提高焊接质量，还需要对管件表面进行处理，如去油、去锈、打磨等，以减少表面杂质。
选择中间层S102：中间层在这里是Ti+Ni箔的选择是为了在焊接过程中提供一个稳定的扩散源，以增强焊缝的强度和韧性。中间层的材料需要与待焊接的管件材料有良好的相容性。
采用夹具、真空扩散焊接加载前进行表面清洁及焊接件加载S103：在焊接之前，需要对管件表面进行清洁，以去除影响焊接质量的杂质。然后将管件以及中间层加载到真空扩散焊接设备中。在加载过程中，需要使用多楔钉凸件和多楔钉凹件以及施载螺栓、预紧螺栓、限位外套管和限位抱卡等工具来固定和对准管件。
真空扩散焊接S104：在真空环境下，通过加热使管件材料和中间层材料发生扩散反应，从而形成焊缝。真空环境可以减少气体杂质的影响，提高焊接质量。在此过程中，薄壁316L管和薄壁Zr管通过扩散焊接方法连接在一起。
为能更好的解释说明本发明的设计目的。现结合图3对本发明设计的夹具工作原理及夹具机构进行详细说明。如图3a所示为装配件整体轴侧图，从外部整体展示了夹具的构造。如内部机构的剖面示意图3b所示两焊件通过外套管8与套管外周布的固定位施载螺栓6限制焊件的位置。即通过限位外套管上周布的四位点带螺纹限位孔及施载螺栓来夹持管件。四点位与管件成一定角度通过施载螺栓旋进挤压限位抱卡10夹紧待焊管件9、11。将两焊件夹紧后通过外套管法兰盘周布的预紧螺栓7将两焊件结合成一个整体。通过管口的多楔形凸件与凹件的吻合，对中找正。此时焊接结合紧密，无变形移动。其中的各部件名称后续将装配整体置于钼丝真空炉中按既定加热工艺焊接。利用原理为以热膨胀率低的焊接夹具限制热膨胀率高的轴向移动。通过热膨胀产生的热应力持续驱动焊接面的闭合。通过该手段即可实现焊接。
实施例一：
1.根据设计图纸对焊件端口进行加工，316L不锈钢端部加工为多楔钉凸件，Zr合金端部加工为凹件。
2.制作接头加工形式，将316L不锈钢和Zr合金分别加工成多楔钉凸件和凹件，并采用喷丸抛光处理样坯端口，获得类似镜面状样坯。
3.依次用蒸馏水、无水乙醇反复清洗，吹干备用，准备焊接。
4.装配焊接件，中间层采用Ti+Ni箔，将其两端设置有多楔钉凹件和多楔钉凸件，管件/中间层的装配顺序为316L-Ni-Ti-Zr。
5.设计并制作抱卡-套管限位夹具，外套管周布有四点位的紧固螺栓，通过管内抱卡对焊件限位、夹持。
6.用丙酮、酒精反复清洗焊件，随后在管件与抱卡之间放置石墨纸，按照焊管-抱卡-外套管的顺序装配。
7.真空扩散焊接过程，采用阶梯式加热流程，用1小时使炉内温度加热到800℃，在800℃保温10分钟；用40分钟将炉内温度加热到850℃；在850℃保温1小时；用1小时使炉内温度冷却到800℃、然后用3小时冷却到200℃、最后关闭加热装置及扩散泵，等待试样随炉冷却到室温。
实施例二：
1.根据设计图纸对焊件端口进行加工，316L不锈钢端部加工为多楔钉凸件，Zr合金端部加工为凹件。
2.制作接头加工形式，将316L不锈钢和Zr合金分别加工成多楔钉凸件和凹件，并采用喷丸抛光处理样坯端口，获得类似镜面状样坯。
3.依次用蒸馏水、无水乙醇反复清洗，吹干备用，准备焊接。
4.装配焊接件，中间层采用Ti+Ni箔，将其两端设置有多楔钉凹件和多楔钉凸件，管件/中间层的装配顺序为316L-Ni-Ti-Zr。
5.设计并制作夹具，采用轴向约束促使焊接面闭合。
6.用丙酮、酒精反复清洗焊件，随后在管件与夹具之间放置石墨纸，按照焊管-夹具的顺序装配。
7.真空扩散焊接过程，采用阶梯式加热流程，用1小时使炉内温度加热到800℃，在800℃保温10分钟；用40分钟将炉内温度加热到850℃；在850℃保温1小时；用1小时使炉内温度冷却到800℃、然后用3小时冷却到200℃、最后关闭加热装置及扩散泵，等待试样随炉冷却到室温。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法，其特征在于，所述用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法，包括管件对接端口机加工制焊接样、焊前表面处理；选择中间层；采用夹具、真空扩散焊接加载前进行表面清洁及焊接件加载；真空扩散焊接。
2.如权利要求1所述的用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法，其特征在于，所述用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法连接的为核用长尺寸薄壁燃料包壳与电加热原件套管组件，对于长尺寸薄壁管件无法由轴向对圆环面持续施加压力。
3.如权利要求1所述的用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法，其特征在于，所述用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法连接的材料为Zr合金与316L不锈钢，Zr合金用作水冷核反应堆的，316L不锈钢用作输送高温腐蚀性液体的管道。
4.如权利要求1所述的用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法，其特征在于，所述用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法，包括以下步骤：
步骤一，对焊件端口进行加工，316L不锈钢端部加工为多楔钉凸件，Zr合金端部加工为凹件；
步骤二，焊接件中间层设计，中间层为Ti+Ni箔，中间层通过原子扩散的方式与两金属形成固溶体过渡层，阻断Zr合金与316L的反应；
步骤三，根据焊件尺寸进行夹具设计，采用抱卡-套管限位夹具为Zr合金/316L不锈钢对接；
步骤四，真空扩散焊接过程，具体焊接工艺加热步骤为：使炉内温度加热保温；将炉内温度再加热保温；使炉内温度冷却、然后冷却到200℃、最后关闭加热装置及扩散泵，等待试样随炉冷却到室温。
5.如权利要求4所述的用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法，其特征在于，所述步骤一中扩散焊接表面粗糙度需达到0.15mm，进行喷丸抛光处理样坯端口，获得镜面状样坯；依次用蒸馏水、无水乙醇反复清洗，吹干备用。
6.如权利要求4所述的用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法，其特征在于，所述步骤二中管件/中间层的装配顺序为316L-Ni-Ti-Zr，Ti+Ni箔的两端设置有多楔钉凹件和多楔钉凸件。
7.如权利要求4所述的用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法，其特征在于，所述步骤三中抱卡-套管限位夹具外套管周布有四点位的紧固螺栓，通过管内抱卡对焊件限位、夹持；通过轴向约束，促使焊接面闭合；材料为殷瓦合金；焊件在加载前，用丙酮、酒精反复清洗，在管件与抱卡之间放置石墨纸，按照焊管-抱卡-外套管的顺序装配。
8.如权利要求4所述的用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法，其特征在于，所述步骤四中用1小时使炉内温度加热到800℃，在800℃保温10分钟；用40分钟将炉内温度加热到850℃；在850℃保温1小时。
9.如权利要求4所述的用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接方法，其特征在于，所述步骤四中用1小时使炉内温度冷却到800℃、然后用3小时冷却到200℃。
10.一种用于权利要求1到9所述方法的用于长尺寸薄壁管件对接真空扩散焊接机构，其特征在于，包括：
多楔钉凸件和多楔钉凹件应配合使用以固定和对准管件；Ti+Ni箔在此发明实施例中被用作中间层；316L和Zr合金是待焊接的管件材料；施载螺栓和预紧螺栓被用于在焊接过程中固定管件位置；限位外套管被用于限制管件的移动；薄壁316L管和薄壁Zr管是需要焊接的薄壁管件，材料与上述的316L和Zr合金相对应；限位抱卡被用于固定薄壁管件，防止在焊接过程中的不必要移动。
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