專利名稱：一種用于超導線圈盒的窄間隙激光填絲焊接方法
技術領域：
本發明涉及激光材料加工技術領域，具體涉及一種用于超導線圈盒的窄間隙激光填絲焊接方法。
背景技術：
國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃是當今世界最大的科學工程國際科技合作計劃之一，其規模僅次于國際空間站，是我國有史以來有機會、有能力、以平等伙伴身份參加的規模最大的國際科技合作項目，2007年中國正式開展了核聚變的研究工作。核聚變的實現有三種途徑:磁約束、引力約束、慣性約束。ITER的目的是建造一個托馬克型聚變實驗堆，探索和平利用聚變能發電的科學和工程技術可行性。托馬克是一種利用磁約束方式來實現受控盒聚變的環形容器，中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈，通電時托馬克的內部會產生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度并約束帶電粒子，以達到聚變的目的。線圈需置于不銹鋼殼體內，進行最后的封焊，使之達到ITER計劃執行中心對焊接質量的要求，為確保強度而要求必須全焊透，為防止損壞超導線圈要求控制焊接對線圈的影響溫度，嚴格控制焊接引起的線圈幾何變形及一次焊接成功率100%等。該計劃在國際范圍內實屬首次，不存在該方面的研究與應用。基于上述要求的分析，若采用傳統電弧焊，其熱影響區大，焊后變形達不到要求，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高，應用價值較低。基于激光焊接的諸多優勢以及多種高自動化的實施方式，使其成為該項目實施的不二之選。

發明內容
本發明的目的在于提供一種用于超導線圈盒的窄間隙激光填絲焊接方法，使用該方法對超導線圈盒進行焊接，可以達到ITER計劃執行中心對焊接質量的要求。本發明的技術方案如下:一種用于超導線圈盒的窄間隙激光填絲焊接方法，該方法針對核聚變反應堆超導線圈盒，利用激光對超導線圈殼體進行窄間隙激光填絲焊接，將整個線圈盒密封。其中:所述核聚變反應堆超導線圈盒為尺寸5 10m、板厚15 25mm的空間拱形結構，其材質為316LN不銹鋼；焊接形式為U形半盒和蓋板封焊(B/TCC結構線圈盒)或兩個L形半盒封焊(SCC結構線圈盒)。在超導線圈盒焊縫中開窄間隙V型坡口，坡口角度為3 4°，坡口底部為4 6mm的鈍邊。該方法焊接順序為:先對鈍邊點固焊接，再用激光連續焊接鈍邊，然后對坡口焊縫實施多層填熱絲的激光焊接，最終實現線圈盒的整體封焊。

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、對稱、交替的焊接順序，每一層全部焊接完成后，再實施下一層的焊接。所述激光的光源由高功率光纖激光器發出，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，光纖芯徑為200 μ m，激光加工頭的聚焦鏡焦長為500mm，準直鏡焦長150mm。填充焊絲采用φ 1.5mm的焊絲，牌號為316L。本發明具有以下優點:1、本發明利用激光對大型超導線圈殼體進行窄間隙激光填絲焊接，實現焊絲與基材的焊合，并且可以保證焊后無裂紋、氣孔及未熔合等質量缺陷，完全達到歐盟焊接質量標準及超導線圈盒的封焊要求。2、本發明首次解決了超導線圈盒的封焊問題，達到了密封與真空度的要求，到達線圈表層的焊接溫度低于200°C，整體焊接變形小于3mm。3、本發明的方法具有廣泛的外延性和擴展性，對激光加工技術的拓展提升以及其它大型構件的焊接問題均有極大的指導和借鑒意義。4、本發明的提出，具有極大的經濟、社會及國際效益。


圖1為本發明SCC超導線圈盒示意圖。圖2為本發明B/TCC超導線圈盒示意圖。圖3為本發明SCC超導線圈焊接形式示意圖。圖4為本發明B/TCC超導線圈焊接形式示意圖。圖5為本發明的坡口形式示意圖。圖6為本發明SCC超導線圈焊接順序示意圖。圖7為本發明B/TCC超導線圈焊接順序示意圖。圖8為本發明實施例1超導線圈盒焊接后焊接質量宏觀效果圖。圖中:1為SCC超導線圈上側焊道；2為SCC超導線圈下側焊道；3為B/TCC超導線圈外側焊道；4為B/TCC超導線圈內側焊道；5為坡口 ；6為鈍邊。
具體實施例方式本發明應用激光焊接技術，采用雙機器人、光纖激光器、激光加工頭，送絲機等一體化焊接設備，由機器人控制加工頭的運動或激光器的出光等，采用送絲系統將熱絲送于焊縫中，實現焊絲與基材的焊合。焊接時，先對鈍邊點固焊接，再用激光連續焊接鈍邊，然后對坡口焊縫實施多層填熱絲的激光焊接，最終實現線圈盒的整體封焊。通過本發明的焊接方法，解決了我國首個國際熱核聚變實驗堆計劃中超導線圈密封問題，并且為超大型結構體的焊接提供了一種有效的方法。下面結合附圖及實施例對發明進一步描述。實施例中所用激光的光源由高功率光纖激光器發出，其中各參數限定為以下范圍內: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，光纖芯徑為200 μ m，激光加工頭的聚焦鏡焦長為500mm，準直鏡焦長150mm。 實施例1:
本實施例為SCC結構線圈盒焊接實施步驟，該線圈盒結構如圖1所示，具體焊接步驟為:(I)將超導線圈盒焊縫加工成V型坡口，采用丙酮清洗干凈，去除表面的油污和雜質。(2)將超導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器人手臂相連接，控制機器人與激光器的協調動作。(4)啟動焊接裝置，設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、送絲速度等開始焊接。 (5)對于SCC線圈盒的焊接順序，具體步驟如下:①鈍邊點固焊接設定工藝參數，點固焊縫長度約為15 25mm，間距約200 300mm。如圖1所示，該線圈盒為對稱結構，將其分為八個區域，包括四個直線段和四個圓弧段，如圖3所示，分為上側焊道I與下側焊道2。采用雙機器人結構，可一次性完成兩個對邊的焊接，點固順序如圖6所示:直線段a、b —直線段C、d —圓弧段e、f —圓弧段g、h，上側焊道點固完成后，利用翻轉機將整個線圈盒翻轉180°，按照與上側焊道相同的方法進行下側焊道的點固。②鈍邊的連續焊接鈍邊的連續激光焊接采用與點固相同的工藝參數與焊接順序。并采用對稱交替焊接的原則，從直線段或圓弧段的中間位置向兩側焊接，焊縫長度在500 800_。將工件第二次翻轉180°，采用相同的方式進行SCC線圈盒另一側焊道的鈍邊連續激光焊接。③填充焊縫的焊接填充焊縫的各區段焊接順序與點固及鈍邊相同，每層的焊接順序為上側焊道I與下側焊道2對稱交替，如圖3所示，即對下側焊道填充第一層(A層)，將工件第三次翻轉180°，對上側焊道填充第一層(B層)，再對上側焊道填充第二層(C層)，將工件第四次翻轉180°，對下側焊道填充第二層(D層)，再對下側焊道填充第三層(E層)……如此循環，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焊道用砂紙、銼刀、壓縮空氣等進行清理。如圖8所示，在本實施例中，通過對焊縫處進行檢測，沒有發現裂紋、氣孔及未熔合等質量缺陷，焊縫成形良好，完全滿足歐盟焊接質量標準。實施例2:本實施例為B/TCC結構線圈盒焊接實施步驟，該線圈盒結構如圖2所示，其焊接步驟與實施例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，焊道分為外側焊道3和內測焊道4，同樣為各段及內、夕卜側焊道對稱交替焊接，但線圈盒無需翻轉，焊接工序有所簡化，因此，為減小熱輸入的積累，各層間采用如圖4焊接順序:對外側焊道3填充第一層(A'層)，再對內測焊道4填充第一層(B'層)，然后對外側焊道填充第二層(C'層)，然后依次填充D'層、E'層、F'層……如此循環，直至填滿，B/TCC線圈盒焊接完成。
權利要求
1.一種用于超導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核聚變反應堆超導線圈盒，利用激光對超導線圈殼體進行窄間隙激光填絲焊接，將整個線圈盒密封。
2.根據權利要求1所述的焊接方法，其特征在于所述核聚變反應堆超導線圈盒為尺寸5 10m、板厚15 25mm的空間拱形結構,其材質為316LN不銹鋼；焊接形式為U形半盒和蓋板封焊或兩個L形半盒封焊。
3.根據權利要求1所述的焊接方法，其特征在于在超導線圈盒焊縫中開窄間隙V型坡口，坡口角度為3 4°，坡口底部為4 6mm的鈍邊。
4.根據權利要求1-3任一所述的焊接方法，其特征在于該方法焊接順序為先對鈍邊點固焊接，再用激光連續焊接鈍邊，然后對坡口焊縫實施多層填熱絲的激光焊接，最終實現線圈盒的整體封焊。
5.根據權利要求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、對稱、交替的焊接順序，每一層全部焊接完成后，再實施下一層的焊接。
6.根據權利要求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.根據權利要求6所述的焊接方法，其特征在于采用光纖激光焊接時，光纖芯徑為200 μ m，激光加工頭的聚焦鏡焦長為500mm，準直鏡焦長150mm。
8.根據權利要求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，牌號為316L。
全文摘要
本發明公開了一種用于超導線圈盒的窄間隙激光填絲焊接方法，該方法針對核聚變反應堆超導線圈盒，利用激光對大型超導線圈殼體進行窄間隙激光填絲焊接，將整個線圈盒密封。本發明方法首先將被焊件開窄間隙V型坡口，采用丙酮對焊縫及表面進行清洗，然后將其放于承重夾具及仿形夾具上固定，利用由機器人帶動的激光加工頭，采用先點固，再用激光連續焊接鈍邊，然后對坡口焊縫實施多層填熱絲的激光焊接，且每層均采用對稱交替的焊接順序，最終實現線圈盒的整體封焊。本發明解決了我國首個國際熱核聚變實驗堆計劃中超導線圈密封問題，并且為超大型結構體的焊接提供了一種有效的方法。
文檔編號B23K26/20GK103252578SQ201210037688
公開日2013年8月21日 申請日期2012年2月17日 優先權日2012年2月17日
發明者朱麗娜, 石磊, 唱麗麗, 邢飛 申請人:沈陽新松機器人自動化股份有限公司