超导六极线圈用Bladder电子束焊接工艺研究_姚俊杰.pdf

2023年 第5期 热加工62焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g超导六极线圈用Bladder电子束焊接工艺研究姚俊杰，王旺林，马文丽兰州科近泰基新技术有限责任公司甘肃兰州 730000摘要：为了测试单饼六极线圈低温电磁性能是否达到设计指标，基于铝合金壳层结构，选用 Bladder&Key 精确预应力装配技术。Bladder在超导六极线圈精确预应力装配中起到至关重要的作用，由于Bladder最高承受压力为40MPa，因此对焊接质量及焊缝强度要求严格。通过对电子束焊接工艺的探索及应用，产品一次合格率提高至99%，最高承受压力满足要求，为超导磁铁在基于预应力施加技术 Bladder&Key方面提供了更多选择。关键词：超导；线圈；电子束焊接；Bladder1 序言由 中 国 科 学 院 近 代 物 理 研 究 所 承 担 的“十二五”规划重大科技基础设施强流重离子加速器装置和国家自然科学基金委员会重大科学仪器项目低能量强流离子加速器装置都将采用运行于45GHz的世界首台第四代电子回旋共振离子源。为满足装置的高性能需要，中科院近代物理研究所正在进行基于全铌三锡股线复合超导磁体的45GHz 高电荷态电子回旋共振离子源的研制，并率先在国际上建成首台第四代全超导ECR离子源装置（the Fourth generation ECR ion source，简称FECR），该装置将挑战现有铌三锡超导磁体技术的瓶颈和45GHz高功率微波等离子体加热产生高电荷重离子束的极限1。FECR 超导离子源磁场模型如图1所示。稀有同位素束流装置FRIB离子源磁体截面示意如图2所示。FECR 离子源磁体样机的线圈由6个铌三锡六极线圈和2个铌三锡螺线管线圈组成，六极线圈采用单根铌三锡超导线绕制而成。基于单股线的铌三锡超导六极线圈存在绕制难度大、热处理工艺复杂和外形尺寸精度难控制等问题，为保证该线圈的顺利研制，设计了保持全尺六极线圈径向方向尺寸一致、长度方向接近一半减少量的半长度铌三锡六极线圈。而为了测试该单饼六极线圈低温电磁性能是否达到设计指标，基于预应图1FECR 超导离子源磁场模型图2 FRIB离子源磁体截面示意注：16为六级线圈编号，AF为Bladder编号。2023年 第5期 热加工63焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g力施加技术Bladder&Key 和铝合金壳层结构，首次提出并设计了Mirror模型（见图3）。Mirror模型在室温装配过程中采用Bladder&Key技术对六极线圈施加预应力1。图3Mirror模型的爆炸图图4Bladder结构示意2 Bladder结构介绍Bladder由两块0.3mm厚304不锈钢薄板和水接头组成，一般是通过激光焊或电子束焊接而成，总长952mm，其结构如图4所示。Bladder最高承受压力为40MPa，以水接头未流出水且 Bladder 也未发生破裂视为合格。Bladder 及其垫板作为一个整体插入到磁体结构中（见图3）。随着水压的增大，Bladder塑性变形也相应变大。在Bladder作用下，加载键对应位置上会撑开一个间隙，首先将加载键取出并叠放一定厚度的薄垫片，再将有过盈量的加载键插入到磁体结构中，最后Bladder泄压为0。磁体机械结构通过带有过盈量的加载键实现对线圈的室温预紧。3 304不锈钢性能304不锈钢是应用最为广泛的一种铬-镍不锈钢，作为一种用途广泛的不锈钢，其具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性，冲压、弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象（使用温度-196800）。在大气中耐腐蚀，若是在工业性气氛或重污染地区，则需要及时清洁以避免腐蚀。适合用于食品加工、储存和运输，具有良好的加工性能和焊接性。304不锈钢物理性质见表1。表1304不锈钢物理性质熔点/线膨胀系数/（10-6K-1）密度/（g/cm3）比热容/（kJ/kgK）热导率/（W/mK）弹性模量（20）/GPa139814540100：17.20500：18.47.930.50100：16.3500：21.51934 焊接试验设计焊接采用SST高压电子束焊机，型号为ZD150-15C CV11M。根据壁厚为0.3mm的304不锈钢板焊接所需的热输入，初步确定焊接参数的大致范围，然后采用“平板对接试焊平板搭接单面焊双面成形焊接”的顺序进行试验。根据以上两种焊接试验结果，进行参数调整或再次重复前两步试验，直至得出能够进行实际生产的焊接参数2。4.1 平板对接试焊平板对接试焊的装夹及焊接方式如图5、图6所示。焊缝要求正面成形良好，表面微凸，有一定余高，无咬边、漏焊、弧坑及气孔等焊接缺陷，熔深0.5mm。1）确定表面聚焦电流。以较小的焊接电流（12mA），在工作距离一定的不锈钢靶块上进行表面聚焦电流试验3。当电子束入射到不锈钢表面2023年 第5期 热加工64焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g零件，圆周焊缝一次成形，且找正容易，大大提高了生产效率，降低了生产成本及质量风险。焊缝要求单面焊双面成形，即要求焊缝正面成形良好，背面不仅焊透，且要有一定余高，无咬边、焊瘤等焊接缺陷，焊缝背面相对于正面的要求更高。图5平板对接试焊装夹方式示意图7平板搭接产品装夹示意1全尺寸Bladder 2螺钉 3螺钉 4水接头压板 5压板S 6压板L 7底板 8底座图6平板对接试焊焊接方式示意图8平板搭接焊接方式表33组焊接参数及所需热输入计算结果编号电压/kV焊接电流/mA聚焦电流/mA焊接速度/mm/s热输入/（J/mm）11202.31860604.621202.81860605.631502.81860607时，逐渐调整聚焦电流的大小，直至显示器中焊接光点亮度最大且呈四处发散星状，此时测得表面聚焦电流为1860mA。2）确定焊接参数。根据测得的表面聚焦电流，确定的焊接参数见表2。根据式（1），即 ()0211lJJJJL=-+()TT=.=.XB AW RA 11112131415212321222324253313233343545arrrrrawwwrrrrrarrrrraa|=.|，（1）式中 J测量点聚焦电流（mA）；J1起弧点聚焦电流（mA）；J2收弧点聚焦电流（mA）；l0测量点到起弧点距离（mm）；L焊接长度（mm）。计算得出聚焦电流为1875mA。表2平板对接试焊焊接参数电压/kV焊接电流/mA焊接速度/（mm/s）聚焦电流/mA1201.54018753）平板对接试焊结论。由于工件为两块0.3mm厚板材并排焊接，工装压紧后工件总厚度约0.6mm，电子束流必须精准焊接在焊缝中间，否则电子束流会将一侧工件熔透、另一侧漏焊。在实际焊接中，必须将原材料焊缝边缘打磨露出明亮金属光泽，在电子显微镜下放大观察才能发现焊缝位置，找正难度大。并且此种装夹、焊接方式会导致焊接时焊缝不能一次成形，需要装夹两次，不仅效率低下，而且成本较高。4.2 平板搭接单面焊双面成形焊接平板搭接单面焊双面成形的装夹与焊接方式如图7、图8所示。该装夹方式操作简单，一次装夹3个首先以3组基本焊透的焊缝为基础，计算304不锈钢板焊接所需热输入的大致范围，结果见表3。其中，热输入计算公式为 lUI/v （2）式中l热输入（J/mm）；U电压（V）；I焊接电流（A）；v焊接速度（mm/）。由表3可得出，壁厚为0.3mm 的304不锈钢板焊接所需的热输入为4.67J/mm。1）确定表面聚焦电流。以较小的焊接电流（12mA），在工作距离一定的304不锈钢板靶块上进行表面聚焦电流试验。在电子束入射到304不锈钢板表面时，逐渐调整聚焦电流的大小，直至显示器中2023年 第5期 热加工65焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g焊接光点亮度最大且呈四处发散星状，此时测得表面聚焦电流为1860mA。2）确定焊接参数并试验。由经验得知，304不锈钢薄板的焊接为上聚焦时，成形情况较好，故此处的聚焦电流与正面成形焊缝试验时一样，电弧电压和焊接速度仍选取表3中数值。采用表4中的焊接参数进行焊接时，束流穿透上板，但与下板未熔合，导致焊接失败。焊缝外观如图9所示。采用表5中的焊接参数进行焊接，焊缝外观如图10所示。表4第1组焊接参数试验验证电压/kV焊接电流/m聚焦电流/m焊接速度/（mm/s）备注1202.3186060上散焦表5第2组焊接参数试验验证电压/（kV）焊接电流/（m）聚焦电流/（m）焊接速度/（mms）备注1202.8186060上散焦图9第1组试验所得焊缝外观图11第3组试验所得焊缝正面图10第2组试验所得焊缝外观图12第3组试验所得焊缝背面图13气密性测试采用表6中的焊接参数进行焊接，得到如图11、图12所示的焊缝成形。由图11、12可知，焊缝正面及背面成形良好，背面平滑且有一定余高，无咬边、焊瘤等缺陷。通过以上试验所得结果可知，表6中焊接参数可用于单面焊接、双面成形的焊接施工中。3）气密性测试。对采用表6中焊接参数所焊接的试件进行气密性测试，测试压力为40MPa，保压0.5h无泄漏，测试过程如图13所示。经过气密性测试满足使用要求4，说明此参数可以用来进行对接试验。表6第3组焊接参数试验验证电压/kV焊接电流/m聚焦电流/m焊接速度/（mms）备注1502.8186060上散焦、圆形振荡5 结束语 1）通过对电子束焊接工艺探索及应用，Bladder采用电子束单面焊双面成形工艺焊缝成形良好，便于找正装夹，焊接效率高，产品合格率大幅提升。2）对于超薄板材采用电子束焊接能够精准控制输入能量，焊缝致密耐压，Bladder承受压力能够达到40MPa。参考文献：1 朱丽超导离子源铌三锡高场磁体预应力结构设计及实验研究D兰州：兰州理工大学，2021.2 杨大洪TC4钛合金真空电子束焊接工艺研究D重庆：重庆大学，20083 张弘宇，李中泉，屈化民，等薄铌板电子束焊接工艺研究J中国机械工程，2015，26（17）：2314-2317.4 Helmut Schultz电子束焊接技术M周山山，译武汉：华中科技大学出版社，2021.20230211