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1、 题 目： 热核聚变堆热锚TIG钎焊工艺研究 Study on the TIG brazing process of thermonuclear fusion reactor thermal anchor 指导教师： 职称： 学生姓名： 学号： 专 业： 材料成型及控制工程 院 （系）： 材料科学与工程学院 2012年5月30日 摘 要ITER国际热核聚变实验堆，被誉为地球上的人造太阳。在整个聚变堆装置中，磁支撑系统的热锚冷却管起着维持系统间温度平衡的作用，为保持热锚冷却管的低变形率和低泄漏率 ，电弧钎焊连接方法是一种较为理想的连接方法。与传统熔化焊相比，电弧钎焊近年来作为高效节能的钎焊技术，
2、具有热输入低、对木材组织性能影响小、节能环保、焊接效率高、易实现机械化和自动化，并且能克服ITER热锚熔化焊时产生热裂纹、氮气孔、母材性能降低等，同时还能避免热锚冷却管焊穿破坏以及冷却管和韧性板变形严重等问题。为保证ITER热锚焊接质量，本文采用TIG电弧钎焊工艺连接热锚，通过接头宏观形貌观察、金相微观组织观察、及显微硬度测试，研究了焊接角度、位置和钎剂使用对ITER热锚接头质量的影响，分析了接头的组织与性能进行了分析。研究结果表明，TIG电弧钎焊，焊接角度、位置以及钎剂使用对ITER热锚接头质量影响显著。不使用钎剂，改变焊接角度和位置，接头存在较宽界面区，接头为熔焊特征；选择合适焊接角度和位
3、置，并辅助使用钎剂，可以获得局部溶蚀，局部为钎焊界面的熔钎焊接头，具有熔焊和钎焊双重特征，接头质量较好。接头界面区是铜基钎料与不锈钢基材组元发生突变的区域，钎料组元向界面区扩散，界面区组织为Fe基体和颗粒状Cu基固溶体；不锈钢基材熔蚀及组元向焊缝扩散，焊缝组织由-Cu基体和颗粒状Fe基固溶体组成，固溶体的存在强化了界面区和焊缝性能。焊缝与基材间界面区显微硬度发生突变，热锚熔钎焊接头熔焊特征处，界面区宽大，显微硬度值变化平缓，界面区、基材以及焊缝的平均显微硬度分别为412HV20、209HV20和147.2HV20；接头钎焊特征处，界面区较窄，显微硬度在较小范围内发生突变，界面区、基材以及焊缝平
4、均显微硬度分别为487.5HV20、183.5HV20和138.9HV20，较窄界面区处固溶了更多钎料组元，显微硬度值更大。关键词：ITER；热锚冷却管；电弧钎焊；焊接工艺AbstractITER International Thermonuclear Experimental Reactor, known as the artificial sun on Earth. In the fusion reactor device, the cooling tube of the magnetic support thermal anchor plays to maintain the syste
5、m temperature balance between the role of arc brazing is an ideal in order to maintain the low deformation rates and low leakage rate of the cooling pipe of the hot anchor connection method. Compared with traditional fusion welding, arc brazing brazing technology in recent years as energy efficient,
6、 with low heat input, the impact on the Timber Organization performance, energy saving, high welding efficiency, easy mechanization and automation, and can overcome the ITER heat anchor fusion welding, hot cracking, nitrogen hole, the base metal performance, while avoiding thermal anchor cooling pip
7、e welding wear destruction and the cooling pipe and toughness board deformed.In order to ensure the welding quality of ITER thermal anchor, using the TIG arc brazing process to connect the thermal anchor, through the joint macro-morphology, microstructure, microstructure observations, and microhardn
8、ess testing, welding angle, position and flux on the ITER thermal anchor joint quality impact analysis of the organization and performance of the joints were analyzed.The results show that, of TIG arc brazing, welding angle, position, and flux of ITER thermal anchor connector significantly impacting
9、 on quality. Flux to change the welding angle and position, the joint existence of a broad interface area, the joint welding characteristics; select the appropriate welding angle and position, and supporting the use of flux, you can get local dissolution, local interface of melting solder for brazin
10、g welding head, with the dual characteristics of the welding and brazing joints of good quality. Connector interface area is a copper-based brazing stainless steel substrate element mutation in the region, brazing group diffusion to the interfacial region, the interface zone of the Fe matrix, and gr
11、anular Cu-based solid solution; stainless steel substrate corroded elements to diffusion weld, the weld metal by the -Cu matrix and granular Fe-based solid solution, the existence of solid solution strengthening of the interface zone and weld properties.Weld with a mutation in the interface region b
12、etween the substrate microhardness, thermal anchor molten braze welding head and welding characteristics at the interface region spacious microhardness changes smoothly between the interfacial region, the substrate and welds average microhardness for 412HV20 209HV20 and 147.2HV20; joints brazing cha
13、racteristics at the interface region is narrow, microhardness mutation to a lesser extent, the interfacial region, base material and weld average microhardness 487.5HV20 183.5HV20 and 138.9HV20, Office of the District of narrow interface solution more filler metal element micro hardness.Keyword: Int
14、ernational Thermonuclear Experimental Reactor; Thermal anchor cooling pipe ; Arc Brazing ; Welding process 目录摘 要iAbstractii目录I1概述11.1 引言11.2 研究背景11.3 钎焊简介31.3.1焊接材料31.3.2 接头形式41.3.3 加热方式41.3.4 应用特点41.3.5 润湿与铺展51.3.6 毛细流动51.3.7 相互作用51.3.8 焊后清洗61.4电弧钎焊技术61.4.1 电弧钎焊技术与传统熔焊技术对比61.4.2 电弧钎焊技术分类61.4.3 电弧钎焊
15、技术特点71.5 316LN核电用钢特性81.6 研究内容及研究路线81.6.1 研究内容81.6.2 技术路线82实验过程92.1 实验材料92.2 试验设备102.3 焊接工艺过程102.3.1焊前清理102.3.2 ITER热锚电弧钎焊工艺试验112.4 组织观察与分析122.5显微硬度测试123实验结果与讨论133.1焊接角度及位置对接头质量的影响133.2钎剂对接头质量的影响153.3接头金相显微组织观察163.3接头显微硬度174结论18参考文献19附件1：20附件221附件322附件4：23附件5xxiv外文翻译26致 谢411概述1.1 引言“国际热核聚变实验堆（ITER）计划
16、”，（ITER：International Thermonuclear Experimental Reactor），是目前全球规模最大的国际间科研合作项目之一3。自1985年美国和苏联提出建造国际热核聚变实验堆以来，ITER项目先后已有中国、欧盟、美国、俄罗斯、韩国、日本、印度加入，目前已完成聚变实验堆的设计，并实现了主体核心部件的建造，国际热核聚变实验堆如图1.1所示1,3。ITER计划目标是验证和平利用聚变能的科学技术可行性，并最终实现聚变能商用化，从根本上解决困扰人类的能源问题。图1.1国际热核聚变实验堆1.2 研究背景重力磁支撑系统是国际热核聚变实验堆（ITER）的重要组成部件之一，它
17、由18个分支磁支撑均匀分布在半径为10.51m的圆周上，如图1.2所示。该支撑系统除了承受极向磁场线圈、环向磁场线圈、校正磁场线圈极大重力外，在运行时，还需承受线圈冷却时产生的极大热应力和电磁力，以及强风、地震等自然载荷的影响6-9。每个分支磁支撑基座由21块梯形韧性钢板组成，韧性板厚30mm，高2.25m，顶宽1.035m，底宽1.5m，每块韧性板之间间隙为19mm。这种特殊基座结构允许环向磁场线圈沿径向移动，而抵抗在垂直方向和环向方向的移动8,9。在实验堆运行时，整个重力磁支撑系统维持在一个低温真空系统中，下端支撑基座温度为300K，而环向磁场线圈工作温度为4K，由于系统间温度的巨大差别，
18、在距离支撑板上端600mm处设计了一套热锚，在热锚冷却管中通入氦气使该处温度维持在80K，最终实现系统的温度平衡，热锚结构图如图1.3所示。图1.2重力磁支撑系统结构图热锚韧性板图1.3热锚结构图热锚冷却管直径为12mm、壁厚为1.28mm，韧性板厚度为30mm，由于这种管薄板厚的结构特点，给制造连接引入了极大困难，一直困扰着磁支撑板的制造进度。常规电弧熔焊方法因热输入高，冷却管极易焊穿，引起泄漏问题，且母材过热度大，热影响区宽，对组织和性能影响不利，焊后管件和板件变形严重，不利于精确装配，焊接过程中产生的飞溅问题也不利于焊件表面成形，电弧熔焊方法不适合用于热锚的连接。钎焊连接方法由于热输入小
19、，对母材组织成分影响小，能保证其性能，且易控制变形量，是一种热锚连接较为理想的焊接方法。炉中钎焊对焊件整体加热，加热时间长，对挤压或轧制态母材力学性能影响大，且其严格的接头间隙配合要求给连接造成困难，更重要是制造一个能容纳下整个韧性厚板的钎焊炉，造价高，不易实现自动化。火焰钎焊操作简便，但其火焰加热区大，在焊件上造成较宽温差区，焊后变形严重，对薄壁冷却管影响更为严重10。感应钎焊由于感应线圈制的造灵活性，广泛应用，但其热输入不易控制，焊件变形严重，也不适用于热锚的连接。 电弧钎焊技术是近年来广泛发展的一种高效节能钎焊技术，具备其他连接方法不具备的一系列优点。这种连接方法既继承了TIG或MIG熔
20、焊连接方法的优点，也合理地规避了他们的缺点。电弧热量集中，焊件升温快，母材在高温停留时间短，过热度低，组织和性能变化小；电弧特有的“阴极雾化”作用可以去除焊件表面氧化膜，避免使用腐蚀性钎剂对接头和母材造成腐蚀10；操作简便，可通过控制焊接参数，降低热输入，减小焊接应力，控制变形量，提高焊接效率，易实现自动化，在薄壁零件、镀锌钢板以及异种金属连接等领域有极广泛的应用。目前，对于奥氏体不锈钢的电弧钎焊技术国内外研究较少，对ITER用核级奥氏体不锈钢电弧钎焊技术研究更少，但这种方法所具备的优点给ITER热锚的连接制造带来了一定可行性。1.3 钎焊简介钎焊（Soldering and Brazing）
21、：利用熔点比母材（被钎焊材料）熔点低的填充金属（称为钎料或焊料），在低于母材熔点、高于钎料熔点的温度下，利用液态钎料在母材表面润湿、铺展和在母材间隙中填缝，与母材相互溶解与扩散，而实现零件间的连接的焊接方法12。较熔焊，钎焊时母材不熔化，仅钎料熔化；较之压焊，钎焊时不对焊件施加压力。钎焊形成的焊缝称为钎缝。钎焊所用的填充金属称为钎料。钎焊过程 表面清洗好的工件以搭接型式装配在一起，把钎料放在接头间隙附近或接头间隙之间。当工件与钎料被加热到稍高于钎料熔点温度后，钎料熔化（工件未熔化），并借助毛细管作用被吸入和充满固态工件间隙之间，液态钎料与工件金属相互扩散溶解，冷疑后即形成钎焊接头。1.3.1焊
22、接材料 钎料：即钎焊时用做填充金属的材料。对钎料的基本要求：低于工件金属的熔点；有足够的浸润性（钎料流入间隙的性能）；有与工件金属适当的溶解和扩散能力；焊机接头具有一定机械性能和物理、化学性能。根据熔点不同，钎料分为软钎料和硬钎料13。 软钎料：即熔点低于450的钎料，有锡铅基、铅基（T150，一般用于钎焊铜及铜合金，耐热性好，但耐蚀性较差）、镉基（是软钎料中耐热性最好的一种，T=250）等合金。软钎料主要用于焊接受力不大和工作温度较低的工件，如各种电器导线的连接及仪器、仪表元件的钎焊（主要用于电子线路的焊接）常用的软钎料有：锡铅钎料（应用最广、具有良好的工艺性和导电性，T100）、镉银钎料、
23、铅银钎料和锌银钎料等。软钎焊：指使用软钎料进行的钎焊。钎焊接头强度低（小于70Mpa）。硬钎料：即熔点高于450的钎料，有铝基、铜基、银基、镍基等合金。硬钎料主要用于焊接受力较大、工作温度较高的工件，如：自行车架、硬质合金刀具、钻探钻头等（主要用于机械零、部件的焊接）。常用的硬钎料有：铜基钎料、银基钎料（应用最广的一类硬钎料，具有良好的力学性能、导电导热性、耐蚀性。广泛用于钎焊低碳钢、结构钢、不锈钢、铜以及铜合金等）、铝基钎料（主要用于钎焊铝及铝合金）和镍基钎料（主要用于航天部门部门）等。硬钎焊：指使用硬钎料进行的钎焊。钎焊接头强度较高（大于200Mpa）。钎剂：即钎焊时使用的熔剂。钎剂的作用
24、：清除母材和钎料表面的氧化物及其它杂质；以液态薄膜的形式覆盖在工件金属和钎料的表面上，隔离空气起保护作用保护钎料及焊件不被氧化。改善液态钎料对工件金属的浸润性，增大钎料的填充能力。 钎剂的分类：钎剂通常分为软钎剂、硬钎剂和铝、镁、钛用钎剂三大类。（1） 软钎剂按其成分可分为无机软钎剂（具有很高的化学活性，去除氧化物的能力很强。能显著地促进液态钎料对母材的润湿。组分为无机酸和无机盐。一般的黑色金属和有色金属，包括不锈钢、耐热钢和镍铬合金等都可使用，但它残渣有腐蚀性，焊后必须清除干净）和有机软钎剂两类。常用的软钎剂有磷酸水溶液（只限于300以下使用，是钎焊含Cr不锈钢或锰青铜的适宜钎剂）、氯化锌水
25、溶液和松香（只能用于300以下钎焊表面氧化不严重的金、银、铜等金属）等。（2）硬钎剂常用的硬钎剂有硼砂、硼酸（活性温度高，均在800以上，只能配合铜基钎料使用，去氧化物能力差，不能去除Cr、Si、Al、Ti等的氧化物）、KBF4（氟硼酸钾，熔点低，去氧化能力强，是熔点低于750银基钎料的适宜钎剂）等。1.3.2 接头形式钎焊接头承接能力与接合面大小有关。因此，钎焊接头一般采用搭接接头或套接接头。设计钎焊接头时，应考虑钎焊件的装配定位和钎料的安置等。装配时，装配间隙要均匀、平整和适当。间隙太小，会影响钎料的渗入与润湿，达不到全部焊合；间隙太大，则浪费钎料，且会降低钎焊接头强度。一般钎焊接头间隙取
26、为0.050.2mm。1.3.3 加热方式钎焊的加热方式有烙铁加热、火焰加热、电阻加热、感应加热、浸渍加热和炉中加热等。烙铁加热温度较低，一般只适于软钎焊。浸渍加热类型有盐浴加热和金属浴加热，本身即提供钎剂或钎料，加热快，接头洁净。炉中加热：气氛、炉温可控，加热均匀、焊件变形小。浸渍加热和炉中加热均可用于同时焊多件或多条钎缝，特适合于焊接形状复杂且多钎缝的零件。1.3.4 应用特点（1）钎焊加热温度较低，接头光滑平整，组织和机械性能变化小，变形小，工件尺寸精确。（2）可焊异种金属，也可焊异种材料，且对工件厚度差无严格限制。（3）有些钎焊方法可同时焊多焊件、多接头，生产率很高（4）钎焊设备简单，
27、生产投资费用少。（5）接头强度低，耐热性差，且焊前清整要求严格，钎料价格较贵。应用：硬质合金刀具、钻探钻头、自行车车架、换热器、导管及各类容器等；在微波波导、电子管和电子真空器件的制造中，钎焊甚至是唯一可能的连接方法。 1.3.5 润湿与铺展钎焊时，只有熔化的液体钎料很好地润湿母材表面才能填满钎缝。衡量钎料对母材润湿能力的大小，可用钎料（液相）与母材（固相）相接触时的接触夹角大小来表示。影响钎料润湿母材的主要因素有：（1）钎料和母材的成份：若钎料与母材在固态和液态下均不发生物理化学作用，则他们之间的润湿作用就很差，如铅与铁。若钎料与母材能相互溶解或形成化合物，则认为钎料能较好地润湿母材，例如银
28、对铜。（2）钎焊温度：钎焊加热温度的升高，由于钎料表面张力下降等原因会改善钎料对母材的润湿性，但钎焊温度不能过高，否则会造成钎料流失，晶粒长大等缺陷。（3）母材表面氧化物：如果母材金属表面存在氧化物，液态钎料往往会凝聚成球状，不与母材发生润湿，所以，钎焊前必须充分清除氧化物，才能保证良好的润湿作用。（4）母材表面粗糙度：当钎料与母材之间作用较弱时，母材表面粗糙的沟槽起到了特殊的毛细作用，可以改善钎料在母材上的润湿与铺展。（5）钎剂：钎焊时使用钎剂可以清除钎料和母材表面的氧化物，改善润湿作用。1.3.6 毛细流动钎焊时，液体钎料要沿着间隙去填满钎缝，由于间隙很小，如同毛细管，所以称之为毛细流动。
29、毛细流动能力的大小，能决定钎料能否填满钎缝间隙。影响液体钎料毛细流动的因素很多，主要有钎料的润湿能力和接头间隙大小等，如钎料对母材润湿性好，接头有较小的间隙，都可以得到良好的钎料流动与填充性能。1.3.7 相互作用液态钎料在毛细填隙过程中与母材发生相互物理化学作用，这些相互作用对钎焊接头的性能影响很大，它们可以分为两种：（1）母材向钎料的溶解钎焊时一般都发生母材向液体钎料的溶解过程，可使钎料成份合金化，有利于提高接头强度。但母材的过度溶解会使液体钎料的熔点和粘度升高，流动性变差，往往导致不能填满钎缝间隙，同时可能使母材表面因过分溶解而出现凹陷等缺陷。（2）钎料组份向母材扩散钎焊时，也出现钎料组
30、份向母材的扩散，扩散以两种方式进行：一种是钎料组元向整个母材晶粒内部扩散，在母材毗邻钎缝处的一边形成固溶体层，对接头不会产生不良影响。另一种是钎料组元扩散到母材的晶粒边界，常常使晶界发脆，尤其是在薄件钎焊时比较明显。为了使钎接部分连接牢固，增强钎料的附着作用，钎焊时要用钎剂。它的作用是清除钎料和母材表面的氧化物，保护焊件和液态钎料在钎焊过程中免于氧化，改善液态钎料对焊件的润湿性。1.3.8 焊后清洗钎剂残渣大多数对钎焊接头起腐蚀作用，也妨碍对钎缝的检查，常需清除干净。含松香的活性钎剂残渣可用异丙醇、酒精、三氯乙烯等有机溶剂除去。由有机酸及盐组成的钎剂，一般都溶于水，可采用热水洗涤。由无机酸组成
31、的软钎剂溶于水，因此可用热水洗涤。含碱金属及碱土金属氯化物的钎剂（例如氯化锌），可用2%盐酸溶液洗涤14。硬钎焊用的硼砂和硼酸钎剂残渣基本上不溶于水，很难去除，一般用喷砂去除。比较好的方法是将已钎焊的工件在热态下放入水中，使钎剂残渣开裂而易于去除。含氟硼酸钾或氟化钾的硬钎剂（如剂102）残渣可用水煮或在10%柠檬酸热水中清除。铝用软钎剂残渣可用有机溶剂（例如甲醇）清除。铝用硬钎剂残渣对铝具有很大的腐蚀性，钎焊后必须清除干净。1.4电弧钎焊技术电弧钎焊：MIG电弧钎焊从某种意义上说也属于熔化极气体保护焊（MIG）。在焊接时不需要做焊前和焊后的处理，它采用低熔点的铜基焊丝代替碳钢焊丝，焊接时热输入
32、量低，母材不会熔化，提高了焊缝的抗腐蚀性能（铜基焊缝也耐腐蚀）。 1.4.1 电弧钎焊技术与传统熔焊技术对比电弧钎焊是一种钎焊和电弧熔焊相结合的技术。电弧钎焊是一种新型的硬钎焊工艺，使用的填充钎料熔点高于450而低于母材熔点。电弧钎焊热源以传统熔焊常用电弧为热源，钎焊材料在电极和母材间产生的电弧范围内熔化，润湿铺展母材，并通过钎料和基材母材间相互扩散和反应最终形成焊接接头。电弧钎焊和传统熔焊技术最显著的区别是可以通过恰当的钎焊丝、保护气体以及工艺参数选择，减小热量输入，增加钎料润湿铺展性，控制母材在焊接过程中较少或几乎不熔化。 1.4.2 电弧钎焊技术分类电弧钎焊是一种以电弧为热源的新型钎焊技
33、术工艺，根据电弧钎焊保护气体和电极材料的不同，电弧钎焊的技术分类为：熔化极惰性气体电弧钎焊技术、熔化极活性气体电弧钎焊技术、无忌惰性气体电弧钎焊技术、等离子电弧钎焊技术。熔化极电弧钎焊技术是以钎料焊丝作为电极，在惰性气体的保护下电极和工件间引燃电弧，钎料焊丝不断从焊枪中连续不断从焊枪中连续送进并熔化，冷却后形成焊缝并实现工件的连接。若焊接过程中使用的保护气体为Ar其气或Ar+He，则这种技术成为熔化极惰性气体电弧钎焊技术，由于保护保护气氛的保护，有效避免了钎料焊丝和母材在焊接过程中的动态氧化；若在保护气体Ar中加入了少量的O2、CO2、N2、或H2等，则为熔化极气体电弧钎焊技术，活性气体的加入
34、能使电弧更加稳定，增加钎料的流动性，改善焊缝外观。非熔化极电弧钎焊技术是以非熔化极作为电极，在惰性气体保护下电极和工件间印引燃电弧，连续不断的送进钎料焊丝，熔化冷凝后形成焊缝实现工件的连接。钨极惰性气体电弧钎焊是以钨极为电极，并在氩气的保护下实现对工件电弧钎焊，其钎料焊丝添加方式可以手工填丝或采用额外填丝辅助装置实现半自动填丝。快速TIG电弧钎焊常存在的问题在电弧的不稳和钎料流动性差等，因而在Ar气体中加入适量的He或H2气可以增加电弧稳定性和提高能量密度，促使钎料在母材上润湿铺展。按电源性质不同，目前TIG电弧钎焊还可以分为直流TIG电弧钎焊、交流TIG电弧钎焊以及脉冲电弧钎焊。等离子电弧钎
35、焊技术是以钨极为电极，在惰性气体保护下电极和工件间产生等离子电弧，并连续不断送入钎料焊丝，熔化冷凝后实现工件的连接。等离子电弧通常用非转移辅助电弧和转移电弧两部分组成，非转移电弧在惰性气体保护下用高电压脉冲于钨极和水冷铜喷嘴间产生，用于引燃电弧，转移电弧是在钨极和工件间由低电压产生并维持，加热钎料焊丝和工件，在惰性气体保护下完成焊接。按产生等离子电弧电源性质不同，等离子电弧钎焊也可以分为直流等离子电弧钎焊，交流等离子电弧钎焊和脉冲等离子电弧钎焊。除了以上所述的熔化极与非熔化极电弧钎焊技术以外，目前还发展了一些新电弧钎焊技术，等离子极复合钎焊技术就是其中一种，踏实等离子电弧钎焊设备和熔化极电弧钎
36、焊设备相结合的一种特殊焊接。近年来也发展了一些先进钎焊技术，如激光钎焊技术和电子钎焊技术，他们是利用激光光束和电子束作为热源加热钎料和母材，广泛用于薄壁零件和复杂零件的连接。1.4.3 电弧钎焊技术特点电弧钎焊技术是近年来广泛发展的一种高效节能的钎焊技术。焊接时，电弧热量集中，焊件升温快，母材在高温停留时间短，过热度低，组织和性能变化小；电弧特有的“阴极雾化”左右可以去除焊接表面的氧化膜，避免了腐蚀性钎剂对接头和母材的腐蚀；操作简便，可通过控制焊接参数，降低热量输入，减小焊接应力，控制变形量，提高焊接效率，且易实现自动化，在薄壁零件、镀锌钢板及异种金属连接中及其有广泛的应用。电弧钎焊技术特点如
37、下：1）电弧钎焊热量输入低，与传统熔焊相比只需较少的能量就能实现工件的连接，快速焊接，减少时间浪费。2）电弧钎焊能避免母材过量熔蚀，对薄壁连接时，更避免焊接过度熔蚀和焊穿，减少焊件变形。3）GMA电弧钎焊相比GMA熔焊，更少的飞溅，GTA电弧钎焊更能够实现无飞溅的电弧钎焊连接。4）电弧钎焊低输入减小了对接头热影响区组织性能的影响，能最大程度的发挥母材良好的性能。5）与普通钎焊相比，电弧钎焊更容易实现自动化和机械化，提高生产效率。6）钎料通常采用相对母材具有更好的塑性和韧性，易进行机械加工，且残余应力较低。7）电弧钎焊设备便宜，且操作简单，能降低生产成本。1.5 316LN核电用钢特性316L：
38、又称钛钢,316L精钢.钛材钢 材料牌号：00Cr17Ni14Mo2添加Mo(23%) ,优秀的耐点蚀性，耐高温、抗蠕变性能优秀。 机械性能：抗拉强度620MPa； 屈服强度310MPa；伸长率30%； 面积缩减40%；316L不锈钢的密度 8.03 g/cm3，奥氏体不锈钢一般都用这个值。 典型用途： 纸浆和造纸用设备热交换器、染色设备、胶片冲洗设备、管道、沿海区域建筑物外部用材料，以及高级手表的表链、表壳等用途。海水里用设备、化学、染料、造纸、草酸、肥料等生产设备；照像、食品工业、沿海地区设施、绳索、CD杆、螺栓、螺母 。 焊接性：常用不锈钢，由于其合金含量过高，所以极易在焊接是产生裂纹，
39、包括热裂纹及各种冷裂纹，另外，还会出现咬边、未焊透、密集气孔和裂纹不仅降低接头的牢固性，而且还会成为缝隙腐蚀的腐蚀源。改善这种结果进行清理操作时，它们还会夹带固体颗粒。这些缺陷可通过重新焊接或修磨后重焊进行修理。316L不锈钢由于本身低S、P，所以不易产生常规的缺陷，因此使用316L不锈钢作为热锚冷却管的焊接材料。另外，由于316L不锈钢加入了N，同时也增加了焊接难度，因此也需要一定的新的焊接方法。1.6 研究内容及研究路线1.6.1 研究内容电弧钎焊技术作为广泛发展的一种高效节能钎焊技术，具有热量输入低、对母材组织性能影响小、节能环保、焊接效率高、易实现机械化和自动化等一系列优点，能克服IT
40、ER热锚熔化焊易产生的热裂纹、氮气孔、母材性能、降低等缺陷，同时还能避免热锚冷却管焊穿破坏以及冷却管和韧性板变形严重问题，具有一定的理论研究和实际应用意义。在ITER装置中，对材料为316L的热锚冷却管进行TIG电弧钎焊工艺试验，通过改变焊接角度，位置，以及对钎剂的使用，得到这些因素对焊接接头的质量影响，从而获得高质量的焊接接头，观察接头焊缝和微观组织，确定组织成分界面区元素分布，并观察显微影响。1.6.2 技术路线本实验通过选择合理的热量输入参数，选择适当的焊接角度、焊接位置以及钎剂的使用得当ITER热锚冷却管板焊机接头。对焊接接头进行组织分析（金相分析），性能测试（显微硬度），通过分析讨论
41、，得出结论。2实验过程2.1 实验材料（1）基材材料ITER热锚冷却管材料为316L奥氏体不锈钢，尺寸为12mm1.28mm，状态为挤压状态；梯形韧性厚板材料为316LN奥氏体不锈钢，板厚30mm，高2.25m，顶宽1.035m，底宽1.5m，状态为热轧状态，其化学成分如表2.1所示，力学性能和物理性能如表2.2和2.3所示。 表2.1316L和316LN奥氏体不锈钢化学成分（质量分数，w%） 牌号316L316LN牌号316L316LNC.030.03N0.100.17Cr16.0018.0016.0018.00P0.0350.035Ni10.0014.0010.0014.00S0.0200
42、.020Mn2.002.00C0.100.10Mo2.003.002.003.00N0.050.05Si0.750.75FeBal.Bal.表2.2316L和316LN奥氏体不锈钢力学性能牌号温度（K）屈服强度（N/mm2）抗拉强度（N/mm2）316L300262574774021156316LN300328697779021415表2.3316L和316LN奥氏体不锈钢物理性能牌号密度（g/cm3）比热（J/kg）热导率（W/m）热膨胀系数（10-6/）磁性316L/316LN7.9850015.211618无（2）焊接材料ITER热锚要求具有良好导热性能，因而选用具有良好导热率的CuSi
43、3Mn铜基钎料焊丝作为填充材料，焊丝直径均为1.2mm。钎料焊丝化学成分及性能如表2.4所示。表2.4钎料焊丝化学成分及性能钎料化学成分（w，%）熔化区间/CuSiMnCuSi3Mn余量2.84.00.51.591010252.2 试验设备试验所用焊接设备为松下YC-315TX型号直流氩弧焊机，该焊机参数调节灵活方便，且为数字化显示，广泛用于焊接不锈钢、低碳钢、高强钢及铜等，如图2.1所示。图2.1松下YC-315TX型号直流氩弧焊机2.3 焊接工艺过程 2.3.1焊前清理（1）316L和316LN不锈钢基材清理316L和316LN奥氏体不锈钢表面存在一层致密Cr2O3氧化膜，从而保证不锈钢的
44、耐腐蚀性，但在钎焊过程中，这层氧化膜显著降低了钎料润湿铺展性，影响焊接过程正常进行，所以焊前必须对不锈钢试件表面进行处理。其清理过程如下：不锈钢试件用砂纸打磨表面直至露出金属光泽用丙酮酒精溶液擦拭表面以减少油污杂质等污染冷风吹干备用（2）钎料焊丝清理钎料焊丝表面氧化膜及油污对钎料获得良好润湿铺展性有一定影响，也需要对焊丝表面进行处理。钎料焊丝表面清理过程如下：钎料焊丝用砂纸打磨表面直至露出金属光泽用丙酮酒精溶液擦拭表面以减少油污杂质等污染冷风吹干备用2.3.2 ITER热锚电弧钎焊工艺试验为获得良好电弧钎焊热锚接头，避免焊接过程中316L不锈钢冷却管过量熔蚀，甚至发生熔穿现象，需对电弧钎焊工艺
45、进行试验。本试验主要研究焊接过程中焊接位置、焊接角度、钎剂使用对接头质量影响，焊接位置和角度主要影响接头间热量分布，钎剂使用主要是提高基材表面活性和去除氧化膜能力，它们都直接影响钎料的润湿铺展性能，对形成良好热锚接头有重要影响。试验方案如表2.6所示，其它试验参数如表2.7所示，热锚焊接示意图如图2.4所示。表2.6试验方案序号钎剂角度（）高度ymm距离xmm1301.5102601.5103302.5104602.5105硼酸601.510表2.7其它工艺参数 焊接电流/A焊接速度/(mm/min)填丝速度/(mm/min)气体流量/(L/min)喷嘴直径/mm钨极直径/mm50A50300
46、872.5图2.4热锚焊接示意图ITER热锚接头形式如图2.5所示，钎焊缝长度为50mm，每相邻两焊缝间间距为50mm，最终电弧钎焊热锚接头实物图如图2.6所示。图2.5ITER热锚接头形式图2.6ITER热锚电弧钎焊接头实物图2.4 组织观察与分析利用线切割机沿垂直于焊缝方向将对接板材试件和热锚接头试件切开，制备金相试样，金相试样制备过程如下：取样依次用100#、200#、400#、600#、800#和1000#砂纸打磨水冲洗研磨膏抛光水冲洗酒精擦拭表面热风吹干浸蚀剂浸蚀水冲洗酒精擦拭表面热风吹干进行金相观察。浸蚀剂为30%硝酸+30%盐酸+40%酒精混合溶液，浸蚀时间为10s。利用Olympus H2-UMA型金相采集系统观察试样的显微组织。2.5显微硬度测试根据GB/T 4340.12009制取冷却管板接头显微硬度测试试样，采用HV-1000型维氏显微硬度计，加载载荷为200gf和加载时间为10s，分别
