JP2023552009A

JP2023552009A - 核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセス方法

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Publication number: JP2023552009A
Application number: JP2022516631A
Authority: JP
Inventors: 志宏劉; 振飛劉; 建国馬
Original assignee: HEFEI JUNENG ELECTRO PHYSICS HIGH-TECH DEVELOPMENT Co Ltd; Huainan New Energy Research Center; Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: HEFEI JUNENG ELECTRO PHYSICS HIGH-TECH DEVELOPMENT Co Ltd; Huainan New Energy Research Center; Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-12-14
Anticipated expiration: 2041-12-23
Also published as: CN113977060B; JP7454807B2; CN113977060A; WO2023087488A1

Abstract

本発明は、溶接技術分野に関する。核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセスを開示する。このプロセスは以下のステップＳ１及びステップＳ２を含む。ステップＳ１において、変断面板の突合せ溶接継目の背面に敷板を配置し、変断面板は、直面板セグメントと曲面板セグメントとを含み、敷板は、直敷板セグメントと曲敷板セグメントとを含み、曲敷板セグメントの一方側は、曲面板セグメントの背面に密着され、曲敷板セグメントの厚さは、曲面板セグメントの直面板セグメントに接続される側から曲面板セグメントの他方側に向かって徐々に増大し、ステップＳ２において、電子ビーム溶接により直面板セグメントに対応する突合せ溶接継目及び曲面板セグメントに対応する突合せ溶接継目を順に溶接する。本発明によれば、変断面板に対する１回での電子ビーム溶接成形が実現されるため、溶接作業効率が大幅に向上し、大量生産が実現され、核融合炉真空室装置の生産進歩に有利であるとともに、溶接変形が減少し、真空室側壁と窓筐体とを組み立てるときの形状及び位置精度が確保される。【選択図】図４

Description

本発明は、溶接技術分野に関し、特に核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセス方法に関する。

核融合炉真空室窓の筐体は、核融合炉真空室の重要構造であり、真空室と外部診断装置、センサ装置などの装置との接続を実現するために用いられ、厚さが大きいステンレス鋼板を接続して製造されるものである。図１に示すように、真空室の側壁と接続するために、窓筐体を一端である程度曲げる必要がある。ステンレス鋼板の厚さが大きいため、窓筐体全体を溶接した後、曲げることは容易ではなく、まず狭板材１０を曲げ加工した後に、狭板材１０を窓筐体に接合する必要がある。

曲げ成形した狭板材１０を溶接する際に、図２に示すように、溶接断面は変断面であり、曲げセグメント３０と非曲げセグメント４０とを含む。現在、一般的には、非曲げセグメント４０を電子ビーム溶接により溶接している。窓筐体の非曲げセグメント４０が長いため、空間が限られた電子ビーム溶接機内で曲げセグメント３０に対する回転溶接を実現することができない。そのため、通常、非曲げセグメント４０を電子ビームにより溶接した後に、さらに開先アルゴンアーク溶接の方法により曲げセグメント３０を溶接する。

しかしながら、開先アルゴンアーク溶接の方法により曲げセグメント３０を溶接する際に、ステンレス鋼板の厚さが大きいため、多層多パス溶接プロセスを採用する必要がある。そうすると、突合せ溶接継目２０の溶接変形が大きく、溶接作業に時間がかかる問題がある。一セットの窓筐体には５パスのこのような溶接継目があり、各パスの溶接継目については、開先から溶接完成まで約７日間が必要である。核融合炉真空室には、複数セットの窓筐体が必要とされるため、大量生産が実現されにくいとともに、溶接変形が大きいと、真空室と窓筐体との精確な接合が困難であり、機械的校正には多くの時間がかかり、核融合炉真空室装置の生産は大きく阻害される。

上記問題を鑑み、本発明の目的は、従来技術において、開先アルゴンアーク溶接の方法により曲げセグメントを溶接するときに、溶接変形が大きく、溶接作業に時間がかかるため、大量生産を実現しにくく、真空室と窓筐体との精確な接続に影響を与えるという問題を解決するために、核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセス方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の技術的手段は以下の通りである。

本発明に係る核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセスは、以下のステップを含む。
ステップＳ１において、変断面板の突合せ溶接継目の背面に敷板を配置し、変断面板は、直面板セグメントと曲面板セグメントとを含み、敷板は、直敷板セグメントと曲敷板セグメントとを含み、曲敷板セグメントの一方側は、曲面板セグメントの背面に密着され、曲敷板セグメントの厚さは、曲面板セグメントの直面板セグメントに接続される側から曲面板セグメントの他方側に向かって徐々に増大し、
ステップＳ２において、電子ビーム溶接により直面板セグメントに対応する突合せ溶接継目及び曲面板セグメントに対応する突合せ溶接継目を順に溶接する。

好ましくは、前記ステップＳ２は、以下のステップＳ２１からステップＳ２３を含み、
ステップＳ２１において、曲面板セグメントに対応する突合せ溶接継目を水平方向に沿って複数の部分に等分し、
ステップＳ２２において、電子ビーム溶接により、第１溶接プロセスパラメータで直面板セグメントに対応する突合せ溶接継目を溶接し、
ステップＳ２３において、電子ビーム溶接により、第２溶接プロセスパラメータで前記曲面板セグメントを等分した各部分に対応する突合せ溶接継目を順に溶接し、
第１溶接プロセスパラメータ及び第２溶接プロセスパラメータのパラメータには、いずれも溶接ビーム電流、収束電流及び溶接速度が含まれ、第１溶接プロセスパラメータと第２溶接プロセスパラメータとは値が異なる。

好ましくは、前記ステップＳ２２において、第１溶接プロセスパラメータにおける溶接ビーム電流をＩ_ｂとし、前記ステップＳ２３において、第２溶接プロセスパラメータにおける溶接ビーム電流をＩ_ａｎとすると、
であり、式中、ｎは曲面板セグメントの等分数を示し、Ｒは曲面板セグメントの内側弧の半径を示し、ａは曲面板セグメントを示し、ｂは直面板セグメントを示す。

好ましくは、前記ステップＳ２２において、第１溶接プロセスパラメータにおける収束電流をＬ_ｂとし、前記ステップＳ２３において、第２溶接プロセスパラメータにおける収束電流をＬ_ａｎとすると、
であり、式中、ｎは曲面板セグメントの等分数を示し、Ｎは曲面板セグメントの等分総量を示し、Ｒは曲面板セグメントの内側弧の半径を示し、ａは曲面板セグメントを示し、ｂは直面板セグメントを示す。

好ましくは、前記ステップＳ２２において、第１溶接プロセスパラメータにおける溶接速度をＶ_ｂとし、前記ステップＳ２３において、第２溶接プロセスパラメータにおける溶接速度をＶ_ａとすると、
であり、式中、ａは曲面板セグメントを示し、ｂは直面板セグメントを示す。

好ましくは、前記ステップＳ２２と前記ステップＳ２３における電子ビーム溶接の加圧電圧値は同じである。

好ましくは、前記ステップＳ２２において、電子ビーム溶接時の溶接ビーム電流の振動波形は円形波であり、振幅は１～３ｍｍであり、振動周波数は１０～１０００Ｈｚである。

好ましくは、前記ステップＳ２３において、電子ビーム溶接時の溶接ビーム電流の振動波形は方形波であり、溶接方向における振幅は１～３ｍｍであり、溶接方向に垂直な方向における振幅は０ｍｍであり、振動周波数は１０～１０００Ｈｚである。

好ましくは、曲面板セグメントの正面に２つの接続板を配置し、２つの接続板は、それぞれ突合せ溶接継目の両側に位置し、前記接続板の一方側は、前記曲面板セグメントの正面に密着され、前記接続板の他方側は、前記曲面板セグメントの両端にそれぞれ接続される。

本発明の実施例に係る核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセス方法は、従来技術に比べて以下の有益な効果を有する。

本発明の実施例に係る核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセス方法では、変断面板１の突合せ溶接継目の背面に敷板２を配置し、厚さが曲面板セグメントの直面板セグメントに接続される側から曲面板セグメントの他方側に向かって徐々に増大する変厚さ敷板の構造を使用することにより、変断面板の曲面板セグメントにおける突合せ溶接継目での溶込み深さは、ビーム方向における突合せ断面厚さよりも大きいため、変断面板を１回で溶接成形することができ、曲面板セグメントを溶接するときに開先アルゴンアーク溶接に変換する必要がない。窓筐体を製造するための変断面板の突合せ溶接継目を１回でクランプし、１回で電子ビーム溶接成形するため、１本の溶接継目では、クランプから溶接完了まで約半日かかり、溶接作業の効率が大幅に向上し、大量生産は可能になり、核融合真空室装置の生産進捗に有利であるとともに、１回で溶接成形され、途中に溶接方式を変更する必要がないため、溶接変形が減少し、真空室の側壁と窓筐体を組み立てるときの形状及び位置精度が確保され、機械的校正のコストを削減される。

窓筐体の局所模式図である。窓筐体を溶接する際の突合せ溶接継目の断面模式図である。本発明の実施例において変断面板に敷板、接続板を配置した構造の模式図である。本発明の実施例において変断面板に敷板、接続板を配置した構造の断面模式図である。

１０、狭板材；２０、突合せ溶接継目；３０、曲げセグメント；４０、非曲げセグメント；
１、変断面板；１１、直面板セグメント；１２、曲面板セグメント；
２、敷板；２１、直敷板セグメント；２２、曲敷板セグメント；
３、接続板。

以下、図面及び実施例により本発明の実施形態をさらに詳しく説明する。以下の実施例は本発明を説明するためのものであって、本発明の範囲を制限するものではない。

本発明の実施例に係る核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセス方法は、窓筐体を製造するための変断面構造の突合せ溶接継目２０を溶接するのに使用される。この変断面構造は、等厚変断面板１であり、ステンレス鋼材質で作成される。複数の変断面板１の突合せ溶接継目２０に対して図３に示される溶接方向に沿って溶接を行い、窓筐体を形成する。

電子ビーム溶接プロセス方法は、以下のステップを含む。
ステップＳ１：変断面板１の突合せ溶接継目２０の背面に敷板２を配置する。これによって、溶融池が重力の作用により漏れることがないとともに、先端欠陥が引き出され、突合せ溶接継目組織が浄化される。図３、４に示すように、変断面板１は、等厚変断面板であり、直面板セグメント１１と曲面板セグメント１２を含む。直面板セグメント１１及び曲面板セグメント１２の厚さはいずれもδである。敷板２は、直敷板セグメント２１と曲敷板セグメント２２を含む。曲敷板セグメント２２の一方側は、曲面板セグメント１２の背面に密着される。曲敷板セグメント２２の厚さは、曲面板セグメント１２の直面板セグメント１１に接続される側から曲面板セグメント１２の他方側に向かって徐々に大きくなる。曲面板セグメントを溶接する際に、溶込み深さはビーム方向における突合せ断面厚さよりも大きいことが保証されることで、曲面板セグメントに対する電子ビーム溶接成形の実現が保証される。例えば、曲面板セグメント１２における断面の内側弧の側において、曲面板セグメント１２と直面板セグメント１１との接続点をＡ点とし、曲面板セグメント１２の他方側の端点をＢ点とする場合、曲敷板セグメント２２の厚さはＡ点からＢ点の方向に向かって徐々に大きくなる。好ましくは、曲敷板セグメント２２の曲面板セグメント１２に密着した側は円弧状であり、曲敷板セグメント２２上の円弧辺の対角は直角であり、１つの直角辺は曲敷板セグメント２２の曲面板セグメント１２に対抗する側辺であり、もう１つの直角辺は曲敷板セグメント２２の底辺であり、これによって、敷板２が容易に配置され得る。さらに、曲敷板セグメント２２の頂辺は、曲面板セグメント１２に密着した側から側辺の直角辺方向へ延在して配置され、頂辺は、底辺と平行に配置される。底辺の長さは頂辺の長さより長い。頂辺と底辺との間の鉛直距離は曲敷板セグメント２２の最大厚さである。また、底辺は、側辺の直角辺の側から直敷板セグメント２１の方向へ延在して配置される。直敷板セグメント２１は矩形である。曲敷板セグメント２２の底辺は直敷板セグメント２１の底辺は同一の直線にある。直敷板セグメント２１及び曲敷板セグメント２２は一体に成形されることが好ましい。

ステップＳ２：電子ビーム溶接により直面板セグメント１１に対応する突合せ溶接継目２０及び曲面板セグメント１２に対応する突合せ溶接継目２０を順に溶接する。

変断面板１の突合せ溶接継目２０の背面に敷板２を配置し、厚さが曲面板セグメント１２の直面板セグメント１１に接続される側から曲面板セグメント１２の他方側に向かって徐々に増大する変厚さ敷板２の構造を使用することにより、変断面板１の曲面板セグメント１２における突合せ溶接継目２０での溶込み深さは、ビーム方向における突合せ断面厚さよりも大きいため、変断面板１を１回で溶接成形することができ、曲面板セグメント１２を溶接するときに開先アルゴンアーク溶接に変換する必要がないため、溶接作業の効率が大幅に向上し、大量生産は可能になり、核融合真空室装置の生産進捗に有利であるとともに、溶接変形が減少し、真空室の側壁と窓筐体を組み立てるときの形状及び位置精度が確保される。

さらに、ステップＳ１の後であってステップＳ２の前には、曲面板セグメント１２の正面に２つの接続板３を配置するステップをさらに含む。図３に示すように、２つの接続板３はそれぞれ突合せ溶接継目２０の両側に位置する。接続板３の一方側は円弧状であり、他方側は直線状である。接続板３の円弧状である側は曲面板セグメント１２の正面に密着され、接続板３の直線状である他方側は曲面板セグメント１２の両端にそれぞれ接続される。図４に示すように、接続板３はＡ点とＢ点との間に接続される。曲面板セグメント１２を斜め上向きに溶接する際に、溶融池は重力により下向きに流れるが、接続板３の存在により曲面板セグメントでの溶融池が重力の影響から保護され得る。接続板溶融池が流失しても構わず、溶接後に接続板を取り外せればよい。接続板は曲面板セグメントの溶融池の完全性を保護することができる。ここで、２つの接続板の厚さは同じであり、２つの接続板の厚さの和は変断面板の厚さδと同じである。

さらに、ステップＳ２は、以下のステップを含む。
ステップＳ２１：曲面板セグメント１２に対応する突合せ溶接継目２０を水平方向に沿って複数の部分に等分する。例えば、図３に示すように、曲面板セグメント１２の断面の内側弧側において、曲面板セグメント１２と直面板セグメント１１との接続点をＡ点とし、曲面板セグメント１２の他方側にある端部をＢ点とし、Ａ点の底辺における投影点をＣ点とし、Ｂ点の底辺における投影点をＤ点とする場合、ＣＤセグメントを複数の部分に等分する。

ステップＳ２２：電子ビーム溶接により、第１溶接プロセスパラメータで直面板セグメント１１に対応する突合せ溶接継目２０を溶接する。

ステップＳ２３：電子ビーム溶接により、第２溶接プロセスパラメータで曲面板セグメント１２を等分したそれぞれの部分に対応する突合せ溶接継目２０を順に溶接する。ここで、第１溶接プロセスパラメータ及び第２溶接プロセスパラメータのパラメータには、いずれも溶接ビーム電流、収束電流及び溶接速度が含まれる。第１溶接プロセスパラメータと第２溶接プロセスパラメータは、値が異なる。異なる溶接プロセスパラメータ値で電子ビーム溶接プロセスにより変断面板１を１回で溶接成形する。

ステップＳ２２において、第１溶接プロセスパラメータにおける溶接ビーム電流はＩ_ｂで示され、単位はｍＡである。ステップＳ２３において、第２溶接プロセスパラメータにおける溶接ビーム電流はＩ_ａｎで示され、単位はｍＡである。
Ｉ_ａｎは、電子ビーム溶接機の定格ビーム電流以下である。
式中、ｎは曲面板セグメントの等分数を示す。例えば、ｎの値の範囲は１～１０であり、１～１０以内の任意の整数であってもよい。Ｒは曲面板セグメントの内側弧の半径を示す。ａは曲面板セグメントを示す。ｂは直面板セグメントを示す。

ステップＳ２２において、第１溶接プロセスパラメータにおける収束電流はＬ_ｂで示され、単位はｍＡである。ステップＳ２３において、第２溶接プロセスパラメータにおける収束電流はＬ_ａｎで示され、単位はｍＡである。
式中、ｎは曲面板セグメントの等分数を示す。Ｎは曲面板セグメントの等分総量を示し、１０であってもよい。Ｒは曲面板セグメントの内側弧の半径を示す。ａは曲面板セグメントを示す。ｂは直面板セグメントを示す。

ステップＳ２２において、第１溶接プロセスパラメータにおける溶接速度はＶ_ｂで示され、単位はｍｍ／ｓである。ステップＳ２３において、第２溶接プロセスパラメータにおける溶接速度はＶ_ａで示され、単位はｍｍ／ｓである。
式中、ａは曲面板セグメントを示し、ｂは直面板セグメントを示す。

さらに、第１溶接プロセスパラメータ及び第２溶接プロセスパラメータには、加圧電圧がさらに含まれる。ステップＳ２２及びステップＳ２３における電子ビーム溶接の加圧電圧値は同じである。

異なる溶接プロセスパラメータで直面板セグメント１１及び曲面板セグメント１２をそれぞれ溶接することにより、溶接時に直面板セグメント１１及び曲面板セグメント１２に形成される溶接ビーム電流の振動波は異なる。ステップＳ２２において、電子ビーム溶接時の溶接ビーム電流の振動波形は円形波であり、振幅が１～３ｍｍであり、振動周波数が１０～１０００Ｈｚである。さらに、ステップＳ２３において、電子ビーム溶接時の溶接ビーム電流の振動波形は方形波であり、溶接方向における振幅が１～３ｍｍであり、溶接方向に垂直な方向における振幅が０ｍｍであり、振動周波数が１０～１０００Ｈｚである。

以上の説明は、本発明の好ましい実施形態に過ぎない。本発明の技術原理から逸脱しない限り、当業者が種々の改良及び置換を行うことができ、これらの改良及び置換も本発明の保護範囲に含まれるべきである。

Claims

以下のステップＳ１とステップＳ２とを含む核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセス方法であって、
ステップＳ１において、変断面板の突合せ溶接継目の背面に敷板を配置し、変断面板は、直面板セグメントと曲面板セグメントとを含み、敷板は、直敷板セグメントと曲敷板セグメントとを含み、曲敷板セグメントの一方側は、曲面板セグメントの背面に密着され、曲敷板セグメントの厚さは、曲面板セグメントの直面板セグメントに接続される側から曲面板セグメントの他方側に向かって徐々に増大し、
ステップＳ２において、電子ビーム溶接により直面板セグメントに対応する突合せ溶接継目及び曲面板セグメントに対応する突合せ溶接継目を順に溶接することを特徴とする、核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセス方法。
前記ステップＳ２は、以下のステップＳ２１からステップＳ２３を含み、
ステップＳ２１において、曲面板セグメントに対応する突合せ溶接継目を水平方向に沿って複数の部分に等分し、
ステップＳ２２において、電子ビーム溶接により、第１溶接プロセスパラメータで直面板セグメントに対応する突合せ溶接継目を溶接し、
ステップＳ２３において、電子ビーム溶接により、第２溶接プロセスパラメータで前記曲面板セグメントを等分した各部分に対応する突合せ溶接継目を順に溶接し、
第１溶接プロセスパラメータ及び第２溶接プロセスパラメータのパラメータには、いずれも溶接ビーム電流、収束電流及び溶接速度が含まれ、第１溶接プロセスパラメータと第２溶接プロセスパラメータとは値が異なることを特徴とする、請求項１に記載の核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセス方法。
前記ステップＳ２２において、第１溶接プロセスパラメータにおける溶接ビーム電流をＩ_ｂとし、前記ステップＳ２３において、第２溶接プロセスパラメータにおける溶接ビーム電流をＩ_ａｎとすると、
であり、式中、ｎは曲面板セグメントの等分数を示し、Ｒは曲面板セグメントの内側弧の半径を示し、ａは曲面板セグメントを示し、ｂは直面板セグメントを示すことを特徴とする、請求項２に記載の核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセス方法。
前記ステップＳ２２において、第１溶接プロセスパラメータにおける収束電流をＬ_ｂとし、前記ステップＳ２３において、第２溶接プロセスパラメータにおける収束電流をＬ_ａｎとすると、
であり、式中、ｎは曲面板セグメントの等分数を示し、Ｎは曲面板セグメントの等分総量を示し、Ｒは曲面板セグメントの内側弧の半径を示し、ａは曲面板セグメントを示し、ｂは直面板セグメントを示すことを特徴とする、請求項２に記載の核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセス方法。
前記ステップＳ２２において、第１溶接プロセスパラメータにおける溶接速度をＶ_ｂとし、前記ステップＳ２３において、第２溶接プロセスパラメータにおける溶接速度をＶ_ａとすると、
であり、式中、ａは曲面板セグメントを示し、ｂは直面板セグメントを示すことを特徴とする、請求項２に記載の核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセス方法。
前記ステップＳ２２と前記ステップＳ２３における電子ビーム溶接の加圧電圧値は同じであることを特徴とする、請求項２に記載の核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセス方法。
前記ステップＳ２２において、電子ビーム溶接時の溶接ビーム電流の振動波形は円形波であり、振幅は１～３ｍｍであり、振動周波数は１０～１０００Ｈｚであることを特徴とする、請求項２に記載の核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセス方法。
前記ステップＳ２３において、電子ビーム溶接時の溶接ビーム電流の振動波形は方形波であり、溶接方向における振幅は１～３ｍｍであり、溶接方向に垂直な方向における振幅は０ｍｍであり、振動周波数は１０～１０００Ｈｚであることを特徴とする、請求項２に記載の核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセス方法。
前記ステップＳ１の後であって前記ステップＳ２の前には、曲面板セグメントの正面に２つの接続板を配置するステップをさらに含み、２つの接続板は、それぞれ突合せ溶接継目の両側に位置し、前記接続板の一方側は、前記曲面板セグメントの正面に密着され、前記接続板の他方側は、前記曲面板セグメントの両端にそれぞれ接続されることを特徴とする、請求項１に記載の核融合炉真空室窓の変断面構造の電子ビーム溶接プロセス方法。