一种用于制作方排管冷却水道的焊接组件及其制备方法
阅读说明：本技术 一种用于制作方排管冷却水道的焊接组件及其制备方法 (Welding assembly for manufacturing square-tube-array cooling water channel and preparation method thereof ) 是由 吴玉程 沈旭 朱晓勇 于 2020-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及热等静压扩散焊接技术领域,公开了一种用于制作方排管冷却水道的焊接组件及其制备方法,包括：包套本体、包套端盖以及至少两个方排管；所述包套本体内开设有贯穿两端的空腔,至少一个方排管沿包套本体轴向均匀设置在空腔内,包套端盖设有与方排管位置及形状相匹配的开口,包套端盖的尺寸略小于空腔的尺寸。本发明有效解决多方管间的扩散连接以及方管焊接变形问题,其整体成型后的排管间无间隙,成型后的冷却水道可有效承受高温高压环境,同时可满足冷却效果以及安全性的要求。(The invention relates to the technical field of hot isostatic pressing diffusion welding, and discloses a welding assembly for manufacturing a square-tube cooling water channel and a preparation method thereof, wherein the welding assembly comprises the following steps: the jacket comprises a jacket body, a jacket end cover and at least two square calandria; the novel cable sheath is characterized in that a cavity penetrating through two ends is formed in the sheath body, at least one square tube is uniformly arranged in the cavity along the axial direction of the sheath body, the sheath end cover is provided with an opening matched with the square tube in position and shape, and the size of the sheath end cover is slightly smaller than that of the cavity. The invention effectively solves the problems of diffusion connection among multi-side pipes and welding deformation of the square pipes, no gap exists among the integrally formed pipes, the formed cooling water channel can effectively bear high-temperature and high-pressure environment, and the requirements of cooling effect and safety can be met.)
技术领域
本发明涉及热等静压扩散焊接技术领域，具体涉及一种用于制作方排管冷却水道的焊接组件及其制备方法。
背景技术
在核聚变反应堆的设计中，低活化铁素体/马氏体钢(Reduced Activa tion Ferri tic/Martensitic Steel s.RAFM钢)成为首选的核聚变反应堆第一壁/包层结构材料，除了作为面向等离子部件，除了肩负氚任务以外，由于其第一壁直接面向等离子体，它还起到保护真空室和超导磁体，以及屏蔽聚变反应辐射的作用。同时，聚变反应产生的中子流和热流会进入包层中，中子在包层中由于速度减低而产生的热能以及热流中的一部分能量被包层的冷却系统吸收，可以用来发电，冷却系统作为包层的重要部件直接影响到包层的冷却效果和安全服役。
根据目前的结构设计要求，存在方排管结构形式，但是采用传统熔焊或者高能束焊将方管与方管焊接，会产生焊接应力造成焊接变形，同时，方管内拐角可能存在较大应力，长期使用可能造成焊接裂纹进而裂纹扩展导致部件失效。此外采用传统的板直接进行加工方孔，生产效率低同时也难以加工1m以上的方孔。
现有技术中有的采用热等静压扩散焊接成型，但是被焊部件在包套中全密封，使得管内部压力与包套的外腔体压力不一致，使得部件因压力过大容易造成变形。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于制作方排管冷却水道的焊接组件及其制备方法，解决了现有技术中方排管内部压力与包套的外腔体压力不一致，使得部件因压力过大容易造成变形的问题，实现了1-3m方排管的扩散连接以及焊接变形问题，方排管扩散连接后能够有效承受高温高压，且内部管路不会因为连接产生裂纹和缺陷。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
根据本发明的一方面，提供了一种用于制作方排管冷却水道的焊接组件，包括：包套本体1、包套端盖2以及至少两个方排管3(以下也可简称为“方管”)；所述包套本体1内开设有贯穿两端的空腔11，至少一个方排管3沿包套本体1轴向均匀设置在空腔11内，包套端盖2设有与方排管3位置及形状相匹配的开口21，包套端盖2的尺寸略小于空腔11的尺寸。
根据本发明的示例性实施例，包套端盖2与空腔11之间的间隙小于0.05mm。
根据本发明的示例性实施例，方排管3与空腔11之间的间隙小于0.20mm。
根据本发明的示例性实施例，包套本体1以及包套端盖2均采用304钢材制得，方排管3采用低活化铁素体/马氏体钢制得。
根据本发明的示例性实施例，包套端盖2的开口21位于方排管3的外壁与内壁之间，并且开口21四角采用倒圆角设置。
根据本发明的另一方面，提供了一种方排管冷却水道的制备方法，包括以下步骤：
对方排管3待焊面进行精加工，使其粗糙度小于Ra3.2，方排管3为低活化铁素体/马氏体钢；
制作包套本体1，包套本体1内开设有贯穿两端的空腔11，至少两个方排管3沿包套本体1轴向均匀设置在空腔11内，方排管3与空腔11之间的间隙小于0.20mm；
制作包套端盖2，包套端盖2与空腔11之间的间隙小于0.05mm，包套端盖2设有与方排管3位置及形状相匹配的开口21；
将精加工后的方排管3和制得的包套本体1以及包套端盖2进行超声清洗，干燥；
分别将包套端盖2与空腔11以及方排管3进行封焊，焊接时真空漏率小于10-3Pa·m3/S；
对至少两个方排管3进行热等静压扩散焊接，热等静压压力介质为氩气，热等静压扩散焊接的温度为900-1200℃、压力为100-140MPa，保温时间为2-5h；
对方排管3进行管堵头密封，然后进行调质处理，去除包套本体1以及包套端盖2并干燥。
根据本发明的示例性实施例，所述调质处理包括：
水淬，淬火温度1100～1200℃；回火，回火温度750～900℃，时间0.5～3h。
根据本发明的示例性实施例，对方排管3进行管堵头密封时采用氩弧焊方式对方排管3裸露两端进行密封。
根据本发明的示例性实施例，去除包套本体1以及包套端盖2时采用刨床或铣床加工方式进行去除。
根据本发明的示例性实施例，采用真空电子束焊接方式分别将包套端盖2与空腔11以及方排管3进行封焊。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
首先本发明提供了一种用于制作方排管冷却水道的焊接组件，通过包套本体和包套端盖的分别设计，为待焊接方管的新的焊接工艺提供了可能；
同时在本发明中，包套并不将被焊部件全密封，而且被焊部位密封，使管内部压力与包套的外腔体压力一致，不仅仅有效的解决了因为包套全密封造成部件因压力过大而造成变形的问题，同时要利于方排管间的扩散连接。
本发明提供的扩散连接工艺能够解决1-3m长方排管的扩散连接以及焊接变形问题，方排管扩散连接后有效承受高温高压，内部管路不会因为连接产生裂纹和缺陷，所配合采用的包套封焊等技术手段，有效的解决了含复杂水冷流道部件在连接(焊接)时的变形问题，扩散焊后将管采用堵头密封，有效的解决了调质处理后造成的氧化问题。使成型后的整体水冷流道可有效承受高温高压环境，满足了冷却系统对包层冷却效果及安全性的要求。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为实施例1中用于制作方排管冷却水道的焊接组件的结构示意图；
图2为实施例1中包套端盖的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的100Mpa时方排管扩散焊接面的金相图；
图4为根据本发明实施例的140Mpa时方排管扩散焊接面的金相图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在说明书及权利要求书当中使用了某些名称来指称特定组件。应当理解，本领域普通技术人员可能会用不同名称来指称同一个组件。本申请说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的实质性差异作为区分组件的准则。如在本申请说明书和权利要求书中所使用的“包含”或“包括”为一开放式用语，其应解释为“包含但不限定于”或“包括但不限定于”。具体实施方式部分所描述的实施例为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围。
本申请实施例为了解决现有技术中被焊部件在包套中全密封，使得管内部压力与包套的腔体压力不一致，使得部件因压力过大容易造成变形的问题，创新性设计了一种全新的焊接组件，并应用该焊接组件提供了一种方排管冷却水道扩散连接的制备工艺。
本申请实施例为了能达到以上技术效果，总体设计思路如下：将包套本体1与包套端盖2进行密封，将包套端盖2与方排管3进行密封，使包套本体1，包套端盖2，方排管3外部间形成密封，密封后采用氦质谱背压检漏检测密封效果，确保包套与方管间无泄漏，密封有效。方管内部处于开放，被压工件在热等静压压力介质作用下，管内部承压压力与包套的外腔体承压压力一致，不仅仅有效的解决了因为包套全密封造成部件因压力过大而造成变形的问题，同时扩散焊界面所承受的压力为工作压力的两倍，有利于方管间的扩散连接。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1
请参照图1-2，本实施例提供一种用于制作方排管冷却水道的焊接组件，包括包套本体1、包套端盖2以及多个方排管3。本发明中“多个”指代两个或者更多。
包套本体1开设有贯穿两端的空腔11。
多个方排管3沿包套本体1轴向均匀设置在空腔11(以下也可称作“包套腔体”)内，方排管3与空腔11之间的间隙小于0.20mm，优选小于0.10mm。
包套端盖2设有与方排管3位置及形状相匹配的开口21。
所述包套端盖2与空腔11间隙配合，在本实施例中包套端盖2与空腔11配合间隙小于0.05mm。
在本实施例中包套端盖2的格子状开口21设置有倒圆角22。
一般地，可根据所有待焊接方排管3外形尺寸制作包套本体1，使组焊后方排管3外形尺寸与包套本体1的空腔11配合。
实施例2
请参照图1-2，本实施例提供一种采用如实施例1所述的方排管冷却水道的制备方法，包括以下步骤：
对方排管3待焊面进行精加工，使其粗糙度低于Ra3.2；在本实施例中方排管3材质为RAFM钢。
制作包套本体1以及包套端盖2，采用304钢材质进行制备，具体包括：
根据所有待焊接方管3外形尺寸制作包套本体1，使组焊后方排管3外形尺寸与包套本体1的空腔11配合小于0.10mm；
根据方排管3数量、外径及壁厚制作包套端盖2，其中端盖2与包套本体1的空腔11配合间隙小于0.05mm，格子状开口21数量等于方排管3数量且其尺寸小于方管3外径、大于方管内径(即，开口21位于方排管3的外壁与内壁之间)；
将精加工后的方管3部件和制作好的包套本体1及包套端盖2进行超声清洗，干燥；
将方管3放入包套本体1后，盖上包套端盖2；
采用真空电子束焊接方式，分别将包套端盖2与包套腔体11、每个格子状开口21与方管3进行封焊，焊接时真空漏率小于10-3Pa·m3/S，焊接后确保包套本体1、端盖2和方管3外部间形成密封，焊后采用氦质谱背压检漏检测密封效果，确保包套与方管间无泄漏，密封有效；方管3内部处于开放；
对多个方排管3进行热等静压扩散焊接，压力介质为氩气，热等静压扩散焊接的温度为900-1200℃、压力为100-140MPa，保温时间为2-5h；
随后依次进行管堵头密封、调质处理、去除包套本体1以及包套端盖2和干燥。
具体地，调质处理步骤具体包括：
水淬，淬火温度1100～1200℃；回火，回火温度750～900℃，时间0.5～3h。
管堵头密封具体采用氩弧焊对方排管3裸露两端进行密封。
去除包套本体1以及包套端盖2具体采用刨床或铣床加工方式进行去除。
尺寸检测结果
开展4组流道为5×5mm矩形管进行扩散连接，经热等静压后5×5mm流道管变形控制在0.08mm～0.13mm，具体参见表1。
表1扩散焊截面尺寸检测
序号
原始尺寸
100Mpa
140MPa
1
5.0×5.0mm
5.0×5.024mm
5.0×5.016mm
2
5.0×5.0mm
5.035×5.081mm
5.020×5.016mm
3
5.0×5.0mm
5.0×5.080mm
5.024×5.016mm
4
5.0×5.08mm
5.0×5.024mm
5.024×5.130mm
由此可见，根据本发明的焊接工艺，可有效解决方排管焊接变形的问题。
金相检测
图3，4分别为100Mpa和140Mpa时方排管扩散焊界面的金相图。从图3、4上可知方排管连接界面均结合致密，无明显缺陷，界面处有碳化物析出，扩散后母材金相组织呈回火马氏体组织状态。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。