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ITER国际热核聚变实验堆项目是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形装置，目前已经进入总装阶段，而内部线圈导体以及接头的制作是整导体安装的最终部分同时也是难度最大的部分.装置内部真空线圈系统(internal vacuum coil system， ITER)的设置是为了减轻边缘局域的影响，并提供等离子体的垂直稳定.它们被安装在屏蔽模块和真空容器之间，在辐射( ~ 3000 MGy)和温度(运行期间100 ℃，烘烤期间200 ℃)的恶劣环境工作中. IVCs是等离子体控制和稳定线圈系统的一部分.在装置内的不同位置需要不同的接头形式.这些接头形式将线圈的各部分连接在一起，也同时将线圈与馈线连接在一起.这些接头最终必须在真空室内完成.
内部线圈导体的组成是由无氧铜铜管、中间层绝缘层MgO以及外部316LN不锈钢铠甲组成.而接头的制造首先要实现铜管的焊接，待铜管焊完后再填充MgO，最后套上不锈钢套管利用挤压机对不锈钢套管进行挤压，最后再焊接不锈钢套管.而整个的焊接过程均在狭小空间内完成.鉴于铜的导热性很强，焊接时热量很快从加热区传导出去，导致焊件温度难以升高，金属难以熔化填充金属与母材不能良好融合. 另外，铜在高温液态下极容易氧化，且极容易形成气孔.而用于内部线圈接头的铜管厚度达到了6 mm，相比较之下采用TIG焊能获得较高质量的焊缝且较容易实现较小焊接空间内的自动化焊接，因此为了满足ITER内部线圈接头设计与制造技术文件的要求以及便于现场焊接，最终选择采用开放式TIG焊接机头加气体跟罩保护的方式进行焊接.
为了验证电弧预热的可行性，文中通过模拟 45°和90°两种空间位置分别进行了焊接试验，通过对样品进行非破坏性试验(射线检测)，宏观和显微检查每个样品的横截面以及测量焊缝和母材的硬度变化规律. 经分析发现，电弧预热对焊缝热影响区并无明显影响，从而验证了采用电弧预热的方案是可行的.
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选择母材为ϕ46 mm × 6 mm的无氧铜铜管和直径为1 mm的ERCu焊丝，试验采用法国Ploysoude MUIV64S型开放式全位置窄间隙氩弧焊机. 该焊接系统主要由焊接电源(PC600)、智能水箱、窄间隙机头(包括送丝机构和焊枪)、控制系统等组成. 由于在真空室内部对于焊接操作有着不同的方向要求(图1)，因此焊接工艺必须适用于最终的应用，为此分别选取了空间位置45°和90°进行TIG焊试验. 铜管坡口形式如图2所示. 焊接前，坡口装配间隙≤ 2 mm，焊接时，先进行脉冲打底最后送丝填充. 焊接时，管内通氩气(纯度99.997%)作为焊缝背面保护气体，采用氩气和氦气(70%Ar + 30%He)作为焊缝正面保护气体；同时加跟罩通氩气保护，焊接前使用电弧在焊缝坡口两侧25 mm内各自熔一圈加热，预热温度为300 ~ 400 ℃. 打底焊采用脉冲电流(峰值电流IHP，基值电流ILP)，焊接试样所采取的具体工艺参数如表1和表2所示. 焊接完成后焊缝经无损检测合格后，将焊缝余高打磨抛光后，切割取出所需要进行试验的铜管，再用电火花切割试样，使其焊缝中心在获得的试样中心位置.
图 1 不同位置的真空室内焊接接头
Figure 1. Welded joints in the vacuum vessel at different positions
图 2 铜管坡口示意图(mm)
Figure 2. Schematic diagram of copper pipe
表 1 焊接工艺参数
Table 1. Welding parameters
空间位置角度θ/(°) 焊接位置 预热温度T/℃ 焊接电流I/A 焊接速度v/(mm·min−1) 送丝速度vs /(mm·min−1) 气体流量Q/(L·min−1) 正面 背面 45 打底焊 300 ~ 450 IHP:260 ~ 320
ILP:18060 — 20 ~ 25 10 ~ 20 填充焊1 300 ~ 450 250 ~ 305 65 300 ~ 350 20 ~ 25 10 ~ 20 填充焊2 300 ~ 450 230 ~ 290 70 400 ~ 450 20 ~ 25 10 ~ 20 填充焊3 300 ~ 450 240 ~ 280 70 400 ~ 450 20 ~ 25 10 ~ 20 填充焊4 300 ~ 450 240 ~ 260 70 300 ~ 350 20 ~ 25 10 ~ 20 90 打底焊 300 ~ 450 IHP:280 ~ 340
ILP:18060 — 20 ~ 25 10 ~ 20 填充焊1 300 ~ 450 200 ~ 285 65 300 ~ 350 20 ~ 25 10 ~ 20 填充焊2 300 ~ 450 200 ~ 280 70 400 ~ 450 20 ~ 25 10 ~ 20 填充焊3 300 ~ 450 200 ~ 280 70 400 ~ 450 20 ~ 25 10 ~ 20 填充焊4 300 ~ 450 200 ~ 280 70 300 ~ 350 20 ~ 25 10 ~ 20 表 2 热影响区宏观宽度(mm)
Table 2. Macro width of HAZ
试样
编号45°试样热影响区
宏观宽度w190°试样热影响区
宏观宽度w2左侧 右侧 左侧 右侧 1 12.1 11.9 13.7 8.5 2 10.7 14.1 11.4 13.8 按照标准ISO 17636—2:2013 《Non-destructive testing of welds-Radiographic testing-Part 2: X- and gamma-ray techniques with digital detectors》进行射线检测. 热影响区(heat affected zone，HAZ)是根据宏观组织观察和晶粒尺寸变化来评估的，使用Keyence VHX 6000型光学显微镜获得的图像获得了截面上热影响区的宽度. 根据热影响区的宽度尺寸图，从而得出热影响区的范围. 每个试样的横截面先进行机械打磨，然后进行抛光处理. 按照ASTM E407—2007《金属和合金微蚀的标准操作规程》采用体积为10％的过硫酸铵31号腐蚀剂腐蚀，以显示其微观结构.
按照ISO 6507-1：2018《Metallic materials-Vickers hardness test—Part1：Test method》进行试样的显微硬度试验，加载载荷为4.9 N. 根据ISO 9015-2：2001《Destructive tests on welds in metallic materials—Hardness testing—Part 2：Microhardness test on arc welded joints》所采用的方法有：一种是使用R方法(压痕法)在每个样品的剖面中间进行测试；另一种是个别的压痕(方法E)在焊接的不同位置进行测试. 对于方法R(压痕法)，根据ISO 9015-2中选择压痕之间的距离为1.13 mm. 母材、焊缝金属和热影响区为了更接近边缘利用低负荷沿着整个长度的轮廓线来进行测量.
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焊缝缺陷根据ISO 10675-1：2013《Non-destructive testing of welds—Acceptance levels for radiographic testing Part1：Steel，nickel，titanium and their alloys》1级验收等级相当于ISO 5817 ：2014《Welding—Fusion-weld joints in steel，nickel，titanium and their alloys(beam welding excluded)—Quality levels for imperfections》B级来进行判断.根据ISO 17636-1:2013 《Non-destructive testing of welds — Radiographic testing — Part 1: X- and gamma-ray techniques with film》对45 ℃和90°试样观察线性气孔以及单个气孔，并进行验收. 45 ℃试样未发现缺陷，而90 ℃试样的线性气孔长度为1.72 mm，单个气孔长度0.51 mm均在标准接受范围内. 根据以上分析可以得出两个位置的试样均合格.
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热影响区的评估是基于截面上的晶粒尺寸变化获得了截面上热影响区宏观宽度，其测量结果如表2所示. 事实上电弧预热过程会导致焊缝附近的晶粒尺寸长大，这是由于操作时温度升高导致的.
图3为接头和母材的微观组织. 从图3可知，两种接头的微观组织与母材的微观组织一致.
图 3 接头和母材的微观组织
Figure 3. Macrostructure of the joint cross-section. (a) 45° joint; (b) 90° joint; (c) copper base metal
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图4为采用ISO 9015-2的E方法测量显微硬度测试点的具体位置. 表3为接头不同区域的显微硬度测量结果. 图5为接头的硬度分布. 从表3和图5可知，焊缝的硬度稍高于热影响区和母材，热影响区硬度与母材硬度无显著差异.该测量结果与退火的铜管材料具有一定的相关性，这是由TIG焊过程中焊道内的凝固速率较高，填充材料纯度较低导致.
图 4 沿试样剖面的显微硬度测试点
Figure 4. Microhardness points along sample profile
表 3 接头的显微硬度(HV0.5)
Table 3. Microhardness of joints
空间位置角度θ/(°) 母材区 热影响区 焊缝区 实测值 平均值 实测值 平均值 实测值 平均值 45 55.8，55.8，54.9，56.1 55.65 54.5，54.1，55.4，54.0 54.5 58.6，55.6，56.8 57.0 90 50.8，52.4，52.0，50.6 51.45 53.6，52.3，51.3，52.4 52.4 55.6，54.6，55.2 55.13 
图 5 接头的硬度分布
Figure 5. Hardness distribution of joints. (a) 45° sample; (b) 90° sample
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(1)焊缝中发现了线性气孔和单个气孔，其尺寸和长度均符合ISO10675-1:2013中的验收标准，根据这些结果认为空间位置45°和90°的试样均合格.
(2)分别对铜管母材、热影响区和焊缝金属的硬度进行测量，得出热影响区硬度与母材硬度无显著差异，但显微组织有明显差异，焊缝金属硬度稍高，由此可知，电弧预热对热影响区没有显著影响.
(3)根据无损检测、微观检测以及显微硬度结果可以得出，采用电弧预热对焊缝和HAZ并无影响，这种焊接方法是可行的.
Welding feasibility analysis of arc preheating scheme for ITER anaerobic copper TIG welding
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摘要: 装置内部真空线圈系统(internal vacuum coil system， ITER)内部线圈超导导体接头由于其工作环境恶劣，故对焊缝质量要求较高，接头性能的好坏将直接影响到内部线圈能否正常运行. 由于真空室空间受到限制以及对周边环境的要求，最终铜管焊接接头选择采用TIG焊的方法. 为了验证包括预热在内的无氧铜的焊接工艺，针对采用开放式机头利用TIG焊电弧预热的方式，对无氧铜铜管进行电弧预热以达到铜管焊接时所需要的温度. 通过对铜焊接接头进行无损检测、宏观和显微检查以及焊缝、热影响区和母材的硬度测量，系统地评估了电弧预热对热影响区的影响. 结果表明，热影响区与母材硬度无显著差异，焊缝金属硬度稍高，但显微组织有明显差异，在观测范围内电弧预热对热影响区并无显著影响，证明了采用电弧预热的方案是可行的.
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关键词:
- 装置内部真空线圈系统 /
- 电弧预热 /
- 无氧铜铜管焊接 /
- 硬度测量 /
- 显微组织
Abstract: Due to its harsh working environment, the superconducting conductor joint of ITER's internal coil has high requirements on weld quality. The performance of the joint will directly affect the normal operation of the internal coil. Due to the limitation of vacuum chamber space and the requirements of the surrounding environment, the final choice of copper pipe welding joint TIG welding method. In order to verify the welding process of oxygen free copper including preheating, arc preheating of oxygen free copper tube was carried out by TIG arc preheating method with open head to reach the temperature required for copper tube welding. Through nondestructive testing, macroscopic and microscopic inspection of copper welded joints and hardness measurement of weld, heat affected zone and base metal, the influence of arc preheating on heat affected zone is systematically evaluated. The results show that there is no significant difference between heat affected zone and base metal hardness, but there is a significant difference in microstructure, weld metal hardness is slightly higher, within the observation range, Arc preheating has no significant effect on the heat affected zone, which proves that arc preheating is feasible.-
Key words:
- ITER /
- arcpreheating /
- oxygen free copper pipe welding /
- hardnessmeasurement /
- microstructure
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图 3 接头和母材的微观组织
Figure 3. Macrostructure of the joint cross-section. (a) 45° joint; (b) 90° joint; (c) copper base metal
表 1 焊接工艺参数
Table 1. Welding parameters
空间位置角度θ/(°) 焊接位置 预热温度T/℃ 焊接电流I/A 焊接速度v/(mm·min−1) 送丝速度vs /(mm·min−1) 气体流量Q/(L·min−1) 正面 背面 45 打底焊 300 ~ 450 IHP:260 ~ 320
ILP:18060 — 20 ~ 25 10 ~ 20 填充焊1 300 ~ 450 250 ~ 305 65 300 ~ 350 20 ~ 25 10 ~ 20 填充焊2 300 ~ 450 230 ~ 290 70 400 ~ 450 20 ~ 25 10 ~ 20 填充焊3 300 ~ 450 240 ~ 280 70 400 ~ 450 20 ~ 25 10 ~ 20 填充焊4 300 ~ 450 240 ~ 260 70 300 ~ 350 20 ~ 25 10 ~ 20 90 打底焊 300 ~ 450 IHP:280 ~ 340
ILP:18060 — 20 ~ 25 10 ~ 20 填充焊1 300 ~ 450 200 ~ 285 65 300 ~ 350 20 ~ 25 10 ~ 20 填充焊2 300 ~ 450 200 ~ 280 70 400 ~ 450 20 ~ 25 10 ~ 20 填充焊3 300 ~ 450 200 ~ 280 70 400 ~ 450 20 ~ 25 10 ~ 20 填充焊4 300 ~ 450 200 ~ 280 70 300 ~ 350 20 ~ 25 10 ~ 20 
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表 2 热影响区宏观宽度(mm)
Table 2. Macro width of HAZ
试样
编号45°试样热影响区
宏观宽度w190°试样热影响区
宏观宽度w2左侧 右侧 左侧 右侧 1 12.1 11.9 13.7 8.5 2 10.7 14.1 11.4 13.8
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表 3 接头的显微硬度(HV0.5)
Table 3. Microhardness of joints
空间位置角度θ/(°) 母材区 热影响区 焊缝区 实测值 平均值 实测值 平均值 实测值 平均值 45 55.8，55.8，54.9，56.1 55.65 54.5，54.1，55.4，54.0 54.5 58.6，55.6，56.8 57.0 90 50.8，52.4，52.0，50.6 51.45 53.6，52.3，51.3，52.4 52.4 55.6，54.6，55.2 55.13
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[1] Procurement of the ITER In-Vessel coil Joints Design and Manufacturing [R]. Document 1.1 Update, 14.10. . 2019. [2] ISO 17636-2-2013. Non-destructive testing of welds - Radiographic testing - Part 2: X- and gamma-ray techniques with digital detectors[S]. [3] ISO 6507-1-2018. Metallic materials-Vickers hardness test-Part 1: Test method[S] [4] 雷玉成, 郁雯霞, 李彩辉, 等. 不预热情况下的紫铜TIG焊熔池温度场的数值模拟[J]. 焊接学报, 2006, 27(5): 1 − 4. doi: 10.3321/j.issn:0253-360X.2006.05.001 Lei Yu-cheng, Yu Wen-xia, Li Cai-hui, Cheng Xiao-nong. Numerical simulation of molten pool temperature field for TIG welding of pure copper without preheating[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2006, 27(5): 1 − 4. doi: 10.3321/j.issn:0253-360X.2006.05.001 [5] ASTM E407-2015. Standard Practice for Microetching Metals and Alloys[S]. [6] 王克鸿, 李建勇, 嵇大圆, 等. 熔化带极自动等离子熔敷焊接纯铜技术[J]. 焊接学报, 2007, 28(5): 13 − 16. doi: 10.3321/j.issn:0253-360X.2007.05.004 Wang Kehong, Li Jianyong, Ji Dayuan, Zhang Deku. Pure copper coating deposited by automatic plasma welding with melting strip electrode technology[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2007, 28(5): 13 − 16. doi: 10.3321/j.issn:0253-360X.2007.05.004 [7] 王磊, 卫国强, 高洪永, 等. 焊接热输入对纯铜焊缝组织及力学性能的影响[J]. 焊接技术, 2014, 8(12): 10 − 14. Wang Lei, Wei Guoqiang, Gao Hongyong, et al. Effect of welding heat input on microstructure and mechanical properties of pure copper weld[J]. Welding Technology, 2014, 8(12): 10 − 14. [8] ISO 9015-2-2016. Destructive tests on welds in metallic materials—Hardness testing-Part 2: Microhardness testing of welded joints [S]. -
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