一种用于超导线圈盒的窄间隙激光填丝焊接方法技术

本发明专利技术公开了一种用于超导线圈盒的窄间隙激光填丝焊接方法，该方法针对核聚变反应堆超导线圈盒，利用激光对大型超导线圈壳体进行窄间隙激光填丝焊接，将整个线圈盒密封。本发明专利技术方法首先将被焊件开窄间隙V型坡口，采用丙酮对焊缝及表面进行清洗，然后将其放于承重夹具及仿形夹具上固定，利用由机器人带动的激光加工头，采用先点固，再用激光连续焊接钝边，然后对坡口焊缝实施多层填热丝的激光焊接，且每层均采用对称交替的焊接顺序，最终实现线圈盒的整体封焊。本发明专利技术解决了我国首个国际热核聚变实验堆计划中超导线圈密封问题，并且为超大型结构体的焊接提供了一种有效的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光材料加工
，具体涉及。
技术介绍
国际热核聚变实验堆(ITER)计划是当今世界最大的科学工程国际科技合作计划之一，其规模仅次于国际空间站，是我国有史以来有机会、有能力、以平等伙伴身份参加的规模最大的国际科技合作项目，2007年中国正式开展了核聚变的研究工作。核聚变的实现有三种途径:磁约束、引力约束、惯性约束。ITER的目的是建造一个托马克型聚变实验堆，探索和平利用聚变能发电的科学和工程技术可行性。托马克是一种利用磁约束方式来实现受控盒聚变的环形容器，中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈，通电时托马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度并约束带电粒子，以达到聚变的目的。线圈需置于不锈钢壳体内，进行最后的封焊，使之达到ITER计划执行中心对焊接质量的要求，为确保强度而要求必须全焊透，为防止损坏超导线圈要求控制焊接对线圈的影响温度，严格控制焊接引起的线圈几何变形及一次焊接成功率100%等。该计划在国际范围内实属首次，不存在该方面的研究与应用。基于上述要求的分析，若采用传统电弧焊，其热影响区大，焊后变形达不到要求，且人为影响因素较大，不能满足焊接成功率的要求，而电子束焊的成本又过高，应用价值较低。基于激光焊接的诸多优势以及多种高自动化的实施方式，使其成为该项目实施的不二之选。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，使用该方法对超导线圈盒进行焊接，可以达到ITER计划执行中心对焊接质量的要求。本专利技术的技术方案如下:，该方法针对核聚变反应堆超导线圈盒，利用激光对超导线圈壳体进行窄间隙激光填丝焊接，将整个线圈盒密封。其中:所述核聚变反应堆超导线圈盒为尺寸5 10m、板厚15 25mm的空间拱形结构，其材质为316LN不锈钢；焊接形式为U形半盒和盖板封焊(B/TCC结构线圈盒)或两个L形半盒封焊(SCC结构线圈盒)。在超导线圈盒焊缝中开窄间隙V型坡口，坡口角度为3 4°，坡口底部为4 6mm的钝边。该方法焊接顺序为:先对钝边点固焊接，再用激光连续焊接钝边，然后对坡口焊缝实施多层填热丝的激光焊接，最终实现线圈盒的整体封焊。 所述多层填热丝的激光焊接，其每一层以及整体工件均采用多段、对称、交替的焊接顺序，每一层全部焊接完成后，再实施下一层的焊接。所述激光的光源由高功率光纤激光器发出，其中:激光功率2.5 6.0kW，焊接速度0.5 3m/min,送丝速度3 5m/min,光斑直径0.2 Imm,离焦量30 50mm。采用光纤激光焊接时，光纤芯径为200 μ m，激光加工头的聚焦镜焦长为500mm，准直镜焦长150mm。填充焊丝采用φ 1.5mm的焊丝，牌号为316L。本专利技术具有以下优点:1、本专利技术利用激光对大型超导线圈壳体进行窄间隙激光填丝焊接，实现焊丝与基材的焊合，并且可以保证焊后无裂纹、气孔及未熔合等质量缺陷，完全达到欧盟焊接质量标准及超导线圈盒的封焊要求。2、本专利技术首次解决了超导线圈盒的封焊问题，达到了密封与真空度的要求，到达线圈表层的焊接温度低于200°C，整体焊接变形小于3mm。3、本专利技术的方法具有广泛的外延性和扩展性，对激光加工技术的拓展提升以及其它大型构件的焊接问题均有极大的指导和借鉴意义。4、本专利技术的提出，具有极大的经济、社会及国际效益。附图说明图1为本专利技术SCC超导线圈盒示意图。图2为本专利技术B/TCC超导线圈盒示意图。图3为本专利技术SCC超导线圈焊接形式示意图。图4为本专利技术B/TCC超导线圈焊接形式示意图。图5为本专利技术的坡口形式示意图。图6为本专利技术SCC超导线圈焊接顺序示意图。图7为本专利技术B/TCC超导线圈焊接顺序示意图。图8为本专利技术实施例1超导线圈盒焊接后焊接质量宏观效果图。图中:1为SCC超导线圈上侧焊道；2为SCC超导线圈下侧焊道；3为B/TCC超导线圈外侧焊道；4为B/TCC超导线圈内侧焊道；5为坡口 ；6为钝边。具体实施例方式本专利技术应用激光焊接技术，采用双机器人、光纤激光器、激光加工头，送丝机等一体化焊接设备，由机器人控制加工头的运动或激光器的出光等，采用送丝系统将热丝送于焊缝中，实现焊丝与基材的焊合。焊接时，先对钝边点固焊接，再用激光连续焊接钝边，然后对坡口焊缝实施多层填热丝的激光焊接，最终实现线圈盒的整体封焊。通过本专利技术的焊接方法，解决了我国首个国际热核聚变实验堆计划中超导线圈密封问题，并且为超大型结构体的焊接提供了一种有效的方法。下面结合附图及实施例对专利技术进一步描述。实施例中所用激光的光源由高功率光纤激光器发出，其中各参数限定为以下范围内:激光功率2.5 6.0kff,焊接速度0.5 3m/min,送丝速度3 5m/min,光斑直径0.2 Imm,离焦量30 50mm。采用光纤激光焊接时，光纤芯径为200 μ m，激光加工头的聚焦镜焦长为500mm，准直镜焦长150mm。 实施例1:本实施例为SCC结构线圈盒焊接实施步骤，该线圈盒结构如图1所示，具体焊接步骤为:(I)将超导线圈盒焊缝加工成V型坡口，采用丙酮清洗干净，去除表面的油污和杂质。(2)将超导线圈盒固定到承重及仿形夹具上，利用夹具加紧。(3)激光焊接头及送丝嘴与机器人手臂相连接，控制机器人与激光器的协调动作。(4)启动焊接装置，设置激光器的出光功率、加工头及送丝嘴与加工件表面的距离、保护气体流量及气体喷嘴与熔池的距离、焊接速度、送丝速度等开始焊接。 (5)对于SCC线圈盒的焊接顺序，具体步骤如下:①钝边点固焊接设定工艺参数，点固焊缝长度约为15 25mm，间距约200 300mm。如图1所示，该线圈盒为对称结构，将其分为八个区域，包括四个直线段和四个圆弧段，如图3所示，分为上侧焊道I与下侧焊道2。采用双机器人结构，可一次性完成两个对边的焊接，点固顺序如图6所示:直线段a、b —直线段C、d —圆弧段e、f —圆弧段g、h，上侧焊道点固完成后，利用翻转机将整个线圈盒翻转180°，按照与上侧焊道相同的方法进行下侧焊道的点固。②钝边的连续焊接钝边的连续激光焊接采用与点固相同的工艺参数与焊接顺序。并采用对称交替焊接的原则，从直线段或圆弧段的中间位置向两侧焊接，焊缝长度在500 800_。将工件第二次翻转180°，采用相同的方式进行SCC线圈盒另一侧焊道的钝边连续激光焊接。③填充焊缝的焊接填充焊缝的各区段焊接顺序与点固及钝边相同，每层的焊接顺序为上侧焊道I与下侧焊道2对称交替，如图3所示，即对下侧焊道填充第一层(A层)，将工件第三次翻转180°，对上侧焊道填充第一层(B层)，再对上侧焊道填充第二层(C层)，将工件第四次翻转180°，对下侧焊道填充第二层(D层)，再对下侧焊道填充第三层(E层)……如此循环，直至完全填满，SCC线圈盒焊接完成，另外每一层填充完成后，在下一层填充前都需对焊道用砂纸、锉刀、压缩空气等进行清理。如图8所示，在本实施例中，通过对焊缝处进行检测，没有发现裂纹、气孔及未熔合等质量缺陷，焊缝成形良好，完全满足欧盟焊接质量标准。实施例2:本实施例为B/TCC结构线圈盒焊接实施步骤，该线圈盒结构如图2所示，其焊接步骤与实施例1大体相同，其不同之处是B/TCC线圈盒分为a'、b'大弧段，c'、d'直线段，e'、f、g'、h'小弧段，如图4所示，焊道分为外侧焊道3和内测焊道4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于超导线圈盒的窄间隙激光填丝焊接方法，其特征在于：该方法针对核聚变反应堆超导线圈盒，利用激光对超导线圈壳体进行窄间隙激光填丝焊接，将整个线圈盒密封。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱丽娜，石磊，唱丽丽，邢飞，
申请(专利权)人：沈阳新松机器人自动化股份有限公司，
类型：发明
国别省市：