專利名稱：一種用于超導(dǎo)線圈盒的窄間隙激光填絲焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于超導(dǎo)線圈盒的窄間隙激光填絲焊接方法。
背景技術(shù)：
國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃是當(dāng)今世界最大的科學(xué)工程國(guó)際科技合作計(jì)劃之一，其規(guī)模僅次于國(guó)際空間站，是我國(guó)有史以來(lái)有機(jī)會(huì)、有能力、以平等伙伴身份參加的規(guī)模最大的國(guó)際科技合作項(xiàng)目，2007年中國(guó)正式開(kāi)展了核聚變的研究工作。核聚變的實(shí)現(xiàn)有三種途徑:磁約束、引力約束、慣性約束。ITER的目的是建造一個(gè)托馬克型聚變實(shí)驗(yàn)堆，探索和平利用聚變能發(fā)電的科學(xué)和工程技術(shù)可行性。托馬克是一種利用磁約束方式來(lái)實(shí)現(xiàn)受控盒聚變的環(huán)形容器，中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈，通電時(shí)托馬克的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場(chǎng)，將其中的等離子體加熱到很高的溫度并約束帶電粒子，以達(dá)到聚變的目的。線圈需置于不銹鋼殼體內(nèi)，進(jìn)行最后的封焊，使之達(dá)到ITER計(jì)劃執(zhí)行中心對(duì)焊接質(zhì)量的要求，為確保強(qiáng)度而要求必須全焊透，為防止損壞超導(dǎo)線圈要求控制焊接對(duì)線圈的影響溫度，嚴(yán)格控制焊接引起的線圈幾何變形及一次焊接成功率100%等。該計(jì)劃在國(guó)際范圍內(nèi)實(shí)屬首次，不存在該方面的研究與應(yīng)用。基于上述要求的分析，若采用傳統(tǒng)電弧焊，其熱影響區(qū)大，焊后變形達(dá)不到要求，且人為影響因素較大，不能滿足焊接成功率的要求，而電子束焊的成本又過(guò)高，應(yīng)用價(jià)值較低。基于激光焊接的諸多優(yōu)勢(shì)以及多種高自動(dòng)化的實(shí)施方式，使其成為該項(xiàng)目實(shí)施的不二之選。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于超導(dǎo)線圈盒的窄間隙激光填絲焊接方法，使用該方法對(duì)超導(dǎo)線圈盒進(jìn)行焊接，可以達(dá)到ITER計(jì)劃執(zhí)行中心對(duì)焊接質(zhì)量的要求。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種用于超導(dǎo)線圈盒的窄間隙激光填絲焊接方法，該方法針對(duì)核聚變反應(yīng)堆超導(dǎo)線圈盒，利用激光對(duì)超導(dǎo)線圈殼體進(jìn)行窄間隙激光填絲焊接，將整個(gè)線圈盒密封。其中:所述核聚變反應(yīng)堆超導(dǎo)線圈盒為尺寸5 10m、板厚15 25mm的空間拱形結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)為316LN不銹鋼；焊接形式為U形半盒和蓋板封焊(B/TCC結(jié)構(gòu)線圈盒)或兩個(gè)L形半盒封焊(SCC結(jié)構(gòu)線圈盒)。在超導(dǎo)線圈盒焊縫中開(kāi)窄間隙V型坡口，坡口角度為3 4°，坡口底部為4 6mm的鈍邊。該方法焊接順序?yàn)?先對(duì)鈍邊點(diǎn)固焊接，再用激光連續(xù)焊接鈍邊，然后對(duì)坡口焊縫實(shí)施多層填熱絲的激光焊接，最終實(shí)現(xiàn)線圈盒的整體封焊。

所述多層填熱絲的激光焊接，其每一層以及整體工件均采用多段、對(duì)稱、交替的焊接順序，每一層全部焊接完成后，再實(shí)施下一層的焊接。所述激光的光源由高功率光纖激光器發(fā)出，其中:激光功率2.5 6.0kW，焊接速度0.5 3m/min,送絲速度3 5m/min,光斑直徑0.2 Imm,離焦量30 50mm。采用光纖激光焊接時(shí)，光纖芯徑為200 μ m，激光加工頭的聚焦鏡焦長(zhǎng)為500mm，準(zhǔn)直鏡焦長(zhǎng)150mm。填充焊絲采用φ 1.5mm的焊絲，牌號(hào)為316L。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):1、本發(fā)明利用激光對(duì)大型超導(dǎo)線圈殼體進(jìn)行窄間隙激光填絲焊接，實(shí)現(xiàn)焊絲與基材的焊合，并且可以保證焊后無(wú)裂紋、氣孔及未熔合等質(zhì)量缺陷，完全達(dá)到歐盟焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及超導(dǎo)線圈盒的封焊要求。2、本發(fā)明首次解決了超導(dǎo)線圈盒的封焊問(wèn)題，達(dá)到了密封與真空度的要求，到達(dá)線圈表層的焊接溫度低于200°C，整體焊接變形小于3mm。3、本發(fā)明的方法具有廣泛的外延性和擴(kuò)展性，對(duì)激光加工技術(shù)的拓展提升以及其它大型構(gòu)件的焊接問(wèn)題均有極大的指導(dǎo)和借鑒意義。4、本發(fā)明的提出，具有極大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及國(guó)際效益。


圖1為本發(fā)明SCC超導(dǎo)線圈盒示意圖。圖2為本發(fā)明B/TCC超導(dǎo)線圈盒示意圖。圖3為本發(fā)明SCC超導(dǎo)線圈焊接形式示意圖。圖4為本發(fā)明B/TCC超導(dǎo)線圈焊接形式示意圖。圖5為本發(fā)明的坡口形式示意圖。圖6為本發(fā)明SCC超導(dǎo)線圈焊接順序示意圖。圖7為本發(fā)明B/TCC超導(dǎo)線圈焊接順序示意圖。圖8為本發(fā)明實(shí)施例1超導(dǎo)線圈盒焊接后焊接質(zhì)量宏觀效果圖。圖中:1為SCC超導(dǎo)線圈上側(cè)焊道；2為SCC超導(dǎo)線圈下側(cè)焊道；3為B/TCC超導(dǎo)線圈外側(cè)焊道；4為B/TCC超導(dǎo)線圈內(nèi)側(cè)焊道；5為坡口 ；6為鈍邊。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明應(yīng)用激光焊接技術(shù)，采用雙機(jī)器人、光纖激光器、激光加工頭，送絲機(jī)等一體化焊接設(shè)備，由機(jī)器人控制加工頭的運(yùn)動(dòng)或激光器的出光等，采用送絲系統(tǒng)將熱絲送于焊縫中，實(shí)現(xiàn)焊絲與基材的焊合。焊接時(shí)，先對(duì)鈍邊點(diǎn)固焊接，再用激光連續(xù)焊接鈍邊，然后對(duì)坡口焊縫實(shí)施多層填熱絲的激光焊接，最終實(shí)現(xiàn)線圈盒的整體封焊。通過(guò)本發(fā)明的焊接方法，解決了我國(guó)首個(gè)國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃中超導(dǎo)線圈密封問(wèn)題，并且為超大型結(jié)構(gòu)體的焊接提供了一種有效的方法。下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)發(fā)明進(jìn)一步描述。實(shí)施例中所用激光的光源由高功率光纖激光器發(fā)出，其中各參數(shù)限定為以下范圍內(nèi):激光功率2.5 6.0kff,焊接速度0.5 3m/min,送絲速度3 5m/min,光斑直徑0.2 Imm,離焦量30 50mm。采用光纖激光焊接時(shí)，光纖芯徑為200 μ m，激光加工頭的聚焦鏡焦長(zhǎng)為500mm，準(zhǔn)直鏡焦長(zhǎng)150mm。 實(shí)施例1:
本實(shí)施例為SCC結(jié)構(gòu)線圈盒焊接實(shí)施步驟，該線圈盒結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體焊接步驟為:(I)將超導(dǎo)線圈盒焊縫加工成V型坡口，采用丙酮清洗干凈，去除表面的油污和雜質(zhì)。(2)將超導(dǎo)線圈盒固定到承重及仿形夾具上，利用夾具加緊。(3)激光焊接頭及送絲嘴與機(jī)器人手臂相連接，控制機(jī)器人與激光器的協(xié)調(diào)動(dòng)作。(4)啟動(dòng)焊接裝置，設(shè)置激光器的出光功率、加工頭及送絲嘴與加工件表面的距離、保護(hù)氣體流量及氣體噴嘴與熔池的距離、焊接速度、送絲速度等開(kāi)始焊接。 (5)對(duì)于SCC線圈盒的焊接順序，具體步驟如下:①鈍邊點(diǎn)固焊接設(shè)定工藝參數(shù)，點(diǎn)固焊縫長(zhǎng)度約為15 25mm，間距約200 300mm。如圖1所示，該線圈盒為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，將其分為八個(gè)區(qū)域，包括四個(gè)直線段和四個(gè)圓弧段，如圖3所示，分為上側(cè)焊道I與下側(cè)焊道2。采用雙機(jī)器人結(jié)構(gòu)，可一次性完成兩個(gè)對(duì)邊的焊接，點(diǎn)固順序如圖6所示:直線段a、b —直線段C、d —圓弧段e、f —圓弧段g、h，上側(cè)焊道點(diǎn)固完成后，利用翻轉(zhuǎn)機(jī)將整個(gè)線圈盒翻轉(zhuǎn)180°，按照與上側(cè)焊道相同的方法進(jìn)行下側(cè)焊道的點(diǎn)固。②鈍邊的連續(xù)焊接鈍邊的連續(xù)激光焊接采用與點(diǎn)固相同的工藝參數(shù)與焊接順序。并采用對(duì)稱交替焊接的原則，從直線段或圓弧段的中間位置向兩側(cè)焊接，焊縫長(zhǎng)度在500 800_。將工件第二次翻轉(zhuǎn)180°，采用相同的方式進(jìn)行SCC線圈盒另一側(cè)焊道的鈍邊連續(xù)激光焊接。③填充焊縫的焊接填充焊縫的各區(qū)段焊接順序與點(diǎn)固及鈍邊相同，每層的焊接順序?yàn)樯蟼?cè)焊道I與下側(cè)焊道2對(duì)稱交替，如圖3所示，即對(duì)下側(cè)焊道填充第一層(A層)，將工件第三次翻轉(zhuǎn)180°，對(duì)上側(cè)焊道填充第一層(B層)，再對(duì)上側(cè)焊道填充第二層(C層)，將工件第四次翻轉(zhuǎn)180°，對(duì)下側(cè)焊道填充第二層(D層)，再對(duì)下側(cè)焊道填充第三層(E層)……如此循環(huán)，直至完全填滿，SCC線圈盒焊接完成，另外每一層填充完成后，在下一層填充前都需對(duì)焊道用砂紙、銼刀、壓縮空氣等進(jìn)行清理。如圖8所示，在本實(shí)施例中，通過(guò)對(duì)焊縫處進(jìn)行檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔及未熔合等質(zhì)量缺陷，焊縫成形良好，完全滿足歐盟焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)施例2:本實(shí)施例為B/TCC結(jié)構(gòu)線圈盒焊接實(shí)施步驟，該線圈盒結(jié)構(gòu)如圖2所示，其焊接步驟與實(shí)施例1大體相同，其不同之處是B/TCC線圈盒分為a'、b'大弧段，c'、d'直線段，e'、f、g'、h'小弧段，如圖4所示，焊道分為外側(cè)焊道3和內(nèi)測(cè)焊道4，同樣為各段及內(nèi)、夕卜側(cè)焊道對(duì)稱交替焊接，但線圈盒無(wú)需翻轉(zhuǎn)，焊接工序有所簡(jiǎn)化，因此，為減小熱輸入的積累，各層間采用如圖4焊接順序:對(duì)外側(cè)焊道3填充第一層(A'層)，再對(duì)內(nèi)測(cè)焊道4填充第一層(B'層)，然后對(duì)外側(cè)焊道填充第二層(C'層)，然后依次填充D'層、E'層、F'層……如此循環(huán)，直至填滿，B/TCC線圈盒焊接完成。
權(quán)利要求
1.一種用于超導(dǎo)線圈盒的窄間隙激光填絲焊接方法，其特征在于該方法針對(duì)核聚變反應(yīng)堆超導(dǎo)線圈盒，利用激光對(duì)超導(dǎo)線圈殼體進(jìn)行窄間隙激光填絲焊接，將整個(gè)線圈盒密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于所述核聚變反應(yīng)堆超導(dǎo)線圈盒為尺寸5 10m、板厚15 25mm的空間拱形結(jié)構(gòu),其材質(zhì)為316LN不銹鋼；焊接形式為U形半盒和蓋板封焊或兩個(gè)L形半盒封焊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于在超導(dǎo)線圈盒焊縫中開(kāi)窄間隙V型坡口，坡口角度為3 4°，坡口底部為4 6mm的鈍邊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的焊接方法，其特征在于該方法焊接順序?yàn)橄葘?duì)鈍邊點(diǎn)固焊接，再用激光連續(xù)焊接鈍邊，然后對(duì)坡口焊縫實(shí)施多層填熱絲的激光焊接，最終實(shí)現(xiàn)線圈盒的整體封焊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的焊接方法，其特征在于所述多層填熱絲的激光焊接，其每一層以及整體工件均采用多段、對(duì)稱、交替的焊接順序，每一層全部焊接完成后，再實(shí)施下一層的焊接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的焊接方法，其特征在于所述激光的光源由高功率光纖激光器發(fā)出，其中激光功率2. 5 6. Okff,焊接速度O. 5 3m/min，送絲速度3 5m/min，光斑直徑O. 2 Imm,離焦量30 50_。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的焊接方法，其特征在于采用光纖激光焊接時(shí)，光纖芯徑為200 μ m，激光加工頭的聚焦鏡焦長(zhǎng)為500mm，準(zhǔn)直鏡焦長(zhǎng)150mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的焊接方法，其特征在于填充焊絲采用φ 1.5mm的焊絲，牌號(hào)為316L。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于超導(dǎo)線圈盒的窄間隙激光填絲焊接方法，該方法針對(duì)核聚變反應(yīng)堆超導(dǎo)線圈盒，利用激光對(duì)大型超導(dǎo)線圈殼體進(jìn)行窄間隙激光填絲焊接，將整個(gè)線圈盒密封。本發(fā)明方法首先將被焊件開(kāi)窄間隙V型坡口，采用丙酮對(duì)焊縫及表面進(jìn)行清洗，然后將其放于承重夾具及仿形夾具上固定，利用由機(jī)器人帶動(dòng)的激光加工頭，采用先點(diǎn)固，再用激光連續(xù)焊接鈍邊，然后對(duì)坡口焊縫實(shí)施多層填熱絲的激光焊接，且每層均采用對(duì)稱交替的焊接順序，最終實(shí)現(xiàn)線圈盒的整體封焊。本發(fā)明解決了我國(guó)首個(gè)國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃中超導(dǎo)線圈密封問(wèn)題，并且為超大型結(jié)構(gòu)體的焊接提供了一種有效的方法。
文檔編號(hào)B23K26/20GK103252578SQ201210037688
公開(kāi)日2013年8月21日 申請(qǐng)日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月17日
發(fā)明者朱麗娜, 石磊, 唱麗麗, 邢飛 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司