專利名稱：一種超導托卡馬克裝置饋線系統冷卻管路混合接頭的焊接工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及特種焊接技術領域，具體涉及一種超導托卡馬克裝置饋線系統冷卻管路混合接頭的焊接工藝，更具體涉及采用釬焊焊接方法實現3003鋁合金冷卻管路與316L 不銹鋼冷卻管路混合接頭的焊接，滿足冷卻管的真空漏率不大于10-9 · m3/s，冷卻管耐壓 3MPa，焊后冷卻管變形量彡5mm的工藝要求。
背景技術：
可控熱核磁約束聚變研究是當代自然科學研究中一項具有十分重大意義的研究領域，它的目標是在地球上創建與太陽內部溫度相當的極高溫條件，利用海水中豐富的氘資源，進行核聚變反應，釋放出巨大的聚變能量，為人類提供“取之不盡，用之不竭”的新能源。近年來世界上許多國家都在積極研究超導磁約束核聚變實驗裝置，國際上稱此類裝置為超導托卡馬克。饋線系統為該裝置的核心部件-超導磁體系統提供勵磁電流和冷卻介質，也是裝置內部診斷器件與外界相關設備的傳輸通道，因此，饋線系統在超導托卡馬克裝置中具有至關重要的作用。饋線系統中的冷卻管需要向超導托卡馬克的主要磁體系統運輸冷卻液(80K液態氦)，因工作環境不同采用不同材料(316L不銹鋼和3003鋁合金)。在冷卻管路連接處需要滿足接頭尺寸小，密封性以及連接強度要求高，去除鋁合金及不銹鋼表面氧化物，需長時間在低溫高壓的工作環境下正常工作等要求，而且鋁合金與不銹鋼的釬焊性各有不同，需要考慮釬焊前的消除內應力退火、控制釬焊溫度防止金相變化改變力學性能、選擇合適的釬劑去除混合接頭的母材氧化膜、釬焊后立即去除腐蝕性釬劑或采用無腐蝕釬劑等問題，這為混合接頭焊接工藝提出了一個難題，在國內相關研究領域中，難以找出可以保證所有要求的混合接頭焊接工藝，本發明就這一難題提供了一種解決方案。
發明內容
本發明提供了一種超導托卡馬克裝置饋線系統冷卻管路混合接頭的焊接工藝，采用釬焊焊接方法實現3003鋁合金冷卻管路與316L不銹鋼冷卻管路混合接頭的焊接，滿足了冷卻管的真空漏率不大于10_9Ι^ ·πι3/8，冷卻管耐壓3MPa，焊后冷卻管變形量彡5mm的工藝要求。從而保證整個裝置的安全高效運轉。本發明的技術方案如下
本發明實現鋁合金冷卻管路與不銹鋼冷卻管路混合接頭的焊接，由鋁合金管路和不銹鋼管路經特殊焊接工藝釬焊而成，采用釬焊焊接方法實現3003鋁合金冷卻管路與316L不銹鋼冷卻管路混合接頭的焊接，具體操作步驟如下 (1)鋁合金和不銹鋼冷卻管路的前處理
a、不銹鋼冷卻管路焊前應對工件退火，消除內應力；
b、使用丙酮去除鋁合金與不銹鋼件在加工等過程中接觸的油污，帶有薄的氧化膜鋁合金可以直接釬焊，是否可以直接釬焊可以用微歐姆計測合金的表面電阻來判斷，表面在300 1000 Ω X 10_6時適合直接釬焊；如果鋁合金的氧化膜較厚，可以使用不銹鋼鋼絲刷打磨去除，但為了防止砂粒嵌入，不能使用砂紙打磨；搭接長度選用4 5倍的壁厚；接頭間隙應為0. 08 0. IOmm ；
(2)配置釬劑以氟化鋁和氟化鋁酸鉀為基料，再加入一定量的界面活化劑調配而成，其具體組成按重量百分比為28 31% Κ、16 18% Al、49 53% F、Fe彡0. 03%, Ca ^ 0. 2%, LOH ^ 3. 5% ；釬料熔化溫度 575-590°C ；
(3)涂抹冷卻管路將釬劑中加入少量水制成過飽和溶液，用毛刷均勻涂抹釬劑于焊接處，釬焊時無需手工添加釬劑，簡化工藝；
(4)配置氧-乙炔氣體火焰
采用氧-乙炔混合氣體進行火焰釬焊，混合氣體的流量比例為1 :1. 1 1 :1. 2 ；
(5)混合接頭預熱火焰釬焊前應對工件作充分均勻的預熱；
(6)按常規的釬焊方法對混合接頭的焊接
因釬焊件單件厚度最少在1. 6 2. 8mm,選用H02-12型等壓式焊炬，噴嘴選用2號梅花嘴，火焰使用中性焰或輕微還原焰，釬焊時火焰焰芯距工件3 5mm，在316L不銹鋼顏色為褐紅色的時候手工添加焊接材料，釬焊溫度嚴格控制在600 610°C，釬焊時加熱溫度要均勻，釬料在火焰前方沿切向添加，混合接頭的間隙適當；
(7)焊后處理用不銹鋼鋼絲刷打磨焊縫表面，去除釬焊圓角和焊縫處的殘余釬料，無需清洗，不需熱處理。所述的釬料的組分和重量百分比為88%的Al，12%的Si。釬焊時，所述混合接頭的搭接長度選用4 5倍的壁厚，接頭間隙應為0. 08 0.IOmm0本發明的有益效果
1、釬焊時無需手工添加釬劑，簡化工藝，減少焊工和設備暴露于粉塵環境。2、通過特殊前后處理，使用特殊釬劑、釬料，釬劑、釬料比例精準設定，使用特定溫度在間隙處釬焊而成，提高焊點質量和產能。3、所用的釬劑釬料環保、無腐蝕，混合接頭尺寸小，密封性以及連接強度高，去除鋁合金及不銹鋼表面氧化物，釬焊的接頭可長時間在低溫高壓的工作環境下正常工作。本發明的原型件已經焊接完畢，并進行了受力漏率等測試，工作情況良好。
圖1為本發明的釬焊混合接頭示意圖。1為釬焊處。
具體實施例方式超導托卡馬克裝置饋線系統冷卻管路混合接頭的焊接工藝，即通過釬焊焊接316L 不銹鋼冷卻管和3003鋁合金冷卻管，具體操作如下
1、不銹鋼冷卻管在釬焊前進行退火處理消除內應力；
2、焊接前使用丙酮去除鋁合金與不銹鋼件在加工等過程中接觸的油污，帶有薄的氧化膜鋁合金可以直接釬焊，是否可以直接釬焊可以用微歐姆計測合金的表面電阻來判斷。如果合金的表面電阻允許范圍內，則可以直接釬焊。如果鋁合金的氧化膜較厚，可以使用不銹鋼鋼絲刷打磨去除，但為了防止砂粒嵌入，不能使用砂紙打磨；
3、釬焊使用氧-乙炔混合氣體，流量比例應為1 :1. 1 1 :1. 2，火焰使用中性焰或輕微還原焰。釬焊時火焰焰芯距工件3-5mm。釬焊時先預熱316L不銹鋼和3003鋁合金接頭，在 316L不銹鋼顏色為褐紅色的時候手工添加焊接材料，釬焊溫度在釬料熔化溫度575-590°C 以上25-60°C，但不高于母材3003鋁合金固相線溫度，溫度需嚴格控制在約600_610°C。釬焊時加熱溫度要均勻。釬料在火焰前方沿切向添加。焊接所用釬料的為Filalu 1192，成分為88%Al、12%Si，熔點為575-590°C。使用 Al-Si釬料，由于主要成分與母材Al相同且Si也能與母材中Al形成固溶體，釬料的Al可以很好地潤濕鋪展，釬焊性很好。而對于316L不銹鋼，釬料中Si與母材中狗有一定的互溶度，也利于釬料的潤濕與鋪展，釬焊性尚好。焊接所用釬劑成分約為30%K、18%A1、50%F、Fe 彡 0. 03%、Ca 彡 0. 2%、
LOH彡3. 5%，灰色固體，無味，熔點575-590°C。釬焊時無需手工添加釬劑，簡化工藝。減少焊工和設備暴露于粉塵環境。釬劑釬料比例精準設定，提高焊點質量和產能。環保、無腐蝕。釬劑為無腐蝕釬劑，火焰釬焊前應對工件作充分的預熱，釬焊過程中盡量減小釬劑與火焰的接觸時間。4、按照上述工藝要求進行對316L不銹鋼冷卻管和3003鋁合金冷卻管的混合接頭進行釬焊焊接。5、釬焊焊接結束后，無需清洗，不需熱處理，用不銹鋼鋼絲刷打磨焊縫表面，去除釬焊圓角和焊縫處的殘余釬料。抗拉強度試驗
制備(j^6*80的3A21以及Φ 21. 22*80的不銹鋼實心材料各兩件，在鋁合金上開 Φ 21. 38同心內孔，深度8作為搭接長度(搭接長度4 5倍母材厚度選擇)，在不銹鋼上開 Φ 18內孔，釬焊后拉伸，試樣均斷裂在搭接盡頭的鋁母材處，取斷裂處的環形截面作為計算截面，計算得出兩試樣斷裂強度為120. 2MPii，122. 2 MPa.試樣與未經加熱的母材比較，抗拉強度低于167 169 MPa0由于3A21是非熱處理強化鋁合金，在釬焊溫度下，冷作強化母材因釬焊退火而軟化。將試驗件的抗拉強度與退火狀態下3A21的強度進行比較，試驗件強度符合100 150 MPa要求。真空漏率檢驗
漏率檢驗，漏檢口真空度0. 8Pa，質譜儀本底氦離子流常溫4. 0*10_9Pam3/s，檢驗時質譜儀氦離子流4. 0*10_9Pam3/s，5次低溫循環后4. 0*10_9Pam3/s，檢漏時質譜儀氦離子流4. 0*10-9Pam3/s，完全符合要求。
權利要求
1.一種超導托卡馬克裝置饋線系統冷卻管路混合接頭的焊接工藝，其特征在于采用釬焊焊接方法實現3003鋁合金冷卻管路與316L不銹鋼冷卻管路混合接頭的焊接，具體操作步驟如下(1)鋁合金和不銹鋼冷卻管路的前處理a、不銹鋼冷卻管路焊前應對工件退火，消除內應力；b、使用丙酮去除鋁合金與不銹鋼件在加工等過程中接觸的油污，帶有薄的氧化膜鋁合金可以直接釬焊，是否可以直接釬焊可以用微歐姆計測合金的表面電阻來判斷，表面在 300 1000 Ω X 10_6時適合直接釬焊；如果鋁合金的氧化膜較厚，可以使用不銹鋼鋼絲刷打磨去除，但為了防止砂粒嵌入，不能使用砂紙打磨；搭接長度選用4 5倍的壁厚；接頭間隙應為0. 08 0. IOmm ；(2)配置釬劑以氟化鋁和氟化鋁酸鉀為基料，再加入一定量的界面活化劑調配而成，其具體組成按重量百分比為28 31% Κ、16 18% Al、49 53% F、Fe彡0. 03%, Ca ^ 0. 2%, LOH ^ 3. 5% ；釬料熔化溫度 575-590°C ；(3)涂抹冷卻管路將釬劑中加入少量水制成過飽和溶液，用毛刷均勻涂抹釬劑于焊接處，釬焊時無需手工添加釬劑，簡化工藝；(4)配置氧-乙炔氣體火焰采用氧-乙炔混合氣體進行火焰釬焊，混合氣體的流量比例為1 :1. 1 1 :1. 2 ；(5)混合接頭預熱火焰釬焊前應對工件作充分均勻的預熱；(6)按常規的釬焊方法對混合接頭的焊接因釬焊件單件厚度最少在1. 6 2. 8mm,選用H02-12型等壓式焊炬，噴嘴選用2號梅花嘴，火焰使用中性焰或輕微還原焰，釬焊時火焰焰芯距工件3 5mm，在316L顏色為褐紅色的時候手工添加焊接材料，釬焊溫度嚴格控制在600 610°C，釬焊時加熱溫度要均勻，釬料在火焰前方沿切向添加，混合接頭的間隙適當；(7)焊后處理釬焊結束后無需清洗，不需熱處理，用不銹鋼絲刷打磨焊縫表面，去除釬焊圓角和焊縫處的殘余釬料，即可。
2.根據權利1所述的超導托卡馬克裝置饋線系統冷卻管路混合接頭的焊接工藝，其特征在于所述的釬料的組分和重量百分比為88%的Al，12%的Si。
3.根據權利1所述的超導托卡馬克裝置饋線系統冷卻管路混合接頭的焊接工藝，其特征在于釬焊時，所述混合接頭的搭接長度選用4 5倍的壁厚，接頭間隙應為0. 08 0. IOmm0
全文摘要
本發明提供了一種超導托卡馬克裝置饋線系統冷卻管路混合接頭的焊接工藝，采用釬焊焊接方法實現3003鋁合金冷卻管路與316L不銹鋼冷卻管路混合接頭的焊接，釬焊時通過選用特定的釬料釬劑、接頭的清理方法、加熱方法、溫度等特殊工藝，該混合接頭為鋁合金冷卻管路與不銹鋼冷卻管路釬焊而成，該混合接頭廣泛用于超導托卡馬克裝置饋線系統冷卻管路中，滿足其接頭尺寸小，對密封性以及連接強度要求高，去除鋁合金及不銹鋼表面氧化物等要求。
文檔編號B23K35/363GK102513629SQ20111039461
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月2日 優先權日2011年12月2日
發明者劉素梅, 宋云濤, 曾天俊, 陸坤 申請人:中國科學院等離子體物理研究所