CN113953628B

CN113953628B - 一种铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法

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Publication number: CN113953628B
Application number: CN202111158316.XA
Authority: CN
Inventors: 尹邦跃; 魏国良; 杨启法; 马明武; 景志凯; 屈哲昊; 郑新海
Original assignee: China Institute of Atomic of Energy
Current assignee: China Institute of Atomic of Energy
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2041-09-30
Also published as: CN113953628A

Abstract

本发明涉及一种铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法，方法包括在铝合金包壳靶件上加工气孔并将铝针置于气孔内；将铝合金包壳靶件置于焊接装置内；调整铝合金包壳靶件在焊接装置内的位置，使铝针对准钨电极，并安装密封腔室挡板；用真空泵对密封腔室抽真空后并用氦气源向密封腔室内充入氦气；启动焊机进行焊接，完成铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接；本发明的方法可以实现铝合金包壳靶件稳定的位于密封腔室内，并且氦气源向密封腔室内充入氦气之后氦气的压力稳定，使得焊接过程中不用担心铝液易被氦气吹散的问题，能够使焊缝内尚未凝固的铝液流动想焊缝的根部补充，避免了根部产生裂纹。

Description

一种铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法

技术领域

本发明属于堵孔焊工艺技术领域，具体涉及一种铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法。

背景技术

核级6061-T6铝合金可应用于制造中国先进研究堆(CARR)等研究堆辐照双层镎靶件的所有结构件，所有结构件包括内包壳管、外包壳管、上端塞、下端塞、上定位件、下定位件、支撑管、定位片和吊装头。一个镎靶件由内靶管、外靶管及其它结构件组成，一根靶管共有5个焊缝：2个轴向对接环缝，2个端面搭接环缝，1个充氦堵孔焊，靶管内装有Al-Np O₂环形芯块。那么一个镎靶件至少有10个焊缝，对接和端接环缝采用真空电子束焊接工艺，堵孔焊一般采用氩弧焊工艺。镎靶件设计要求靶管内充入0.1～0.12MPa、99.99％高纯氦气，氦气体积份额不小于94％，堵孔焊焊缝不允许出现裂纹、夹渣和大于

气孔等缺陷，熔深不小于包壳壁厚的90％，焊缝泄漏率小于1.33×10^-9Pa·m³/s。

传统的压水堆UO₂燃料元件充氦堵孔焊是充入2MPa高纯氦气，然后对锆合金包壳管进行堵孔焊。快堆MOX燃料元件是充入0.1MPa高纯氦气，然后对不锈钢包壳管进行堵孔焊。锆合金和不锈钢的焊接难度不大，元件充氦堵孔焊技术成熟。研究堆镎靶件是往靶管内充入0.1MPa高纯氦气，然后对铝合金包壳管进行堵孔焊，铝合金靶管的充氦堵孔焊难度很大。因为氦气的热导率远大于氩气，氩弧焊时靶管内的氦气受热膨胀，靶管内、外气体存在较大压力差，而此时焊缝内的铝液尚未凝固，于是铝液易被氦气吹散，导致堵孔焊失败。由于铝极易氧化、表面氧化铝膜难以彻底清除干净、氧化膜吸附水导致氢气来不及逸出，铝合金氩弧焊(TIG)时极易产生夹杂和气孔。铝的热导率很高、热膨胀系数很大，焊后凝固收缩快，热应力大；加之6061铝合金含有硅元素，铝液流动性差，焊缝根部铝液补充不足，又有应力集中，极易产生裂纹。铝合金焊缝内部的气孔和裂纹导致堵孔焊的泄漏率不合格。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法，包括以下步骤：

步骤(1)、在铝合金包壳靶件上加工气孔并将铝针置于气孔内；

步骤(2)、将铝合金包壳靶件置于焊接装置内，焊接装置包括密封腔室、密封腔室挡板、钨电极和气管，密封腔室的一端形成有开口，密封腔室挡板可拆卸密封连接密封腔室一端；密封腔室上形成有钨极孔，钨电极的一端穿过钨极孔，钨电极的另一端连接焊机，气管一端连通密封腔室，气管的另一端具有两个端口，一个端口连接真空泵，另一个端口连接氦气源；

步骤(3)、调整铝合金包壳靶件在焊接装置内的位置，使铝针对准钨电极，并安装密封腔室挡板；

步骤(4)、用真空泵对密封腔室抽真空后并用氦气源向密封腔室内充入氦气；

步骤(5)、启动焊机进行焊接，完成铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接。

进一步，在步骤(1)中，气孔的截面为圆形，铝针的截面为三角形。

进一步，在步骤(1)中，将铝针置于气孔内之后，铝针的顶部超出气孔。

进一步，在步骤(1)中，将铝针置于气孔内之前，铝针和气孔均进行打磨去除氧化膜。

进一步，在步骤(4)中、用真空泵对密封腔室抽真空并用氦气源向密封腔室内充入氦气循环2～3次。

进一步，充入氦气后，密封腔室内的氦气的压强为0.12MPa。

进一步，在步骤(5)中，焊机的电流为70～90A。

进一步，在步骤(5)中，焊接的时间为4～5s。

进一步，在步骤(5)中，焊机的电流衰减至零的时间为4s。

进一步，密封腔室和密封腔室挡板的外部用铅屏蔽。

本发明的效果在于：本发明的方法可以实现铝合金包壳靶件稳定的位于密封腔室内，并且氦气源向密封腔室内充入氦气之后氦气的压力稳定，使得焊接过程中不用担心铝液易被氦气吹散的问题，能够使焊缝内尚未凝固的铝液流动想焊缝的根部补充，避免了根部产生裂纹。

附图说明

图1是本发明的铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法的流程图；

图2是本发明的焊接装置的结构示意图；

图3是本发明的铝合金包壳靶件的结构示意图；

图4是图3中A处的放大结构示意图；

图5是本发明的铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法的焊缝金相图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例提供一种铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法，包括以下步骤：

步骤(1)、在铝合金包壳靶件1上加工气孔15并将铝针16置于气孔15内；具体来说，如图3和图4所示，本实施例的铝合金包壳靶件1包括内包壳管11、芯块12、外包壳管13和端塞14。其中内包壳管11、芯块12和外包壳管13由内向外层层包覆设置，而端塞14则需要焊接固定在内包壳管11、芯块12和外包壳管13的两端，从而形成将芯块12密封包覆的铝合金包壳靶件1。那么，本实施例的气孔15就是在端塞14的表面加工完成，气孔15的截面为圆形，气孔15尺寸不超过

铝针16的截面为三角形，那么铝针16和气孔15的内壁之间存在间隙，方便气体的流动。并且，将铝针16置于气孔15内之后，铝针16的顶部超出气孔15，使得铝针16在焊接时融化后有足够的材料去填充气孔15。值得注意的是，将铝针16置于气孔15内之前，铝针16和气孔15均进行打磨去除氧化膜，避免对焊接造成影响。

步骤(2)、将铝合金包壳靶件1置于焊接装置2内，如图2所示，本实施例的焊接装置2包括密封腔室21、密封腔室挡板22、钨电极23和气管24，密封腔室21的一端形成有开口，开口用于放入和取出铝合金包壳靶件1，而密封腔室挡板22可拆卸密封连接密封腔室21一端，用于打开和遮蔽开口。密封腔室21的侧壁外部上形成有钨极孔，钨电极23的一端穿过钨极孔，钨电极23的另一端连接焊机，气管24一端连通密封腔室21，气管24的另一端具有两个端口，一个端口连接真空泵，另一个端口连接氦气源。当然，根据实际需要，可以在气管24上安装压力表25实时检测密封腔室21内的压力。

步骤(3)、调整铝合金包壳靶件1在焊接装置2内的位置，使铝针16对准钨电极23，并安装密封腔室挡板22；只要铝针16对准了钨电极23，才能够进行焊接。并且，铝针16和钨电极23之间的间距为1～2mm。

步骤(4)、用真空泵对密封腔室21抽真空后并用氦气源向密封腔室21内充入氦气；在步骤(4)中，用真空泵对密封腔室21抽真空并用氦气源向密封腔室21内充入氦气循环2～3次。充入氦气后，密封腔室21内的氦气的压强为0.12MPa。具体来说，先对密封腔室21抽真空5～10min，再充入高出0.12Mpa的氦气3～5min，如此反复循环2～3次，保证密封腔室21内和铝合金包壳靶件1内都是0.12MPa的高纯氦气。

步骤(5)、启动焊机进行焊接，完成铝合金包壳靶件1的充氦堵孔焊接。在步骤(5)中，焊机的电流为70～90A，焊接的时间为4～5s，焊机的电流衰减至零的时间为4s，可以避免弧坑产生缺陷。焊接完成后，等候1～2min在打开密封腔室挡板22，可以避免堵孔焊缝过快冷却而产生裂纹。

进一步地，本实施例的密封腔室21和密封腔室挡板22的外部用铅屏蔽。

通过本实施例的铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法得到的焊缝金相如图5所示，该焊缝未发现裂纹，且测试得到焊缝泄漏率小于1.33×10^-9Pa·m³/s，合格率接近100％。

本实施例的方法可以实现铝合金包壳靶件1稳定的位于密封腔室21内，并且氦气源向密封腔室21内充入氦气之后氦气的压力稳定，使得焊接过程中不用担心铝液易被氦气吹散的问题，能够使焊缝内尚未凝固的铝液流动想焊缝的根部补充，避免了根部产生裂纹

本领域技术人员应该明白，本发明的方法和系统并不限于具体实施方式中的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、在铝合金包壳靶件上加工气孔并将铝针置于所述气孔内，所述铝合金包壳靶件1包括内包壳管11、芯块12、外包壳管13和端塞14；其中内包壳管11、芯块12和外包壳管13由内向外层层包覆设置，而端塞14则需要焊接固定在内包壳管11、芯块12和外包壳管13的两端，从而形成将芯块12密封包覆的铝合金包壳靶件1；气孔15就是在端塞14的表面加工完成，铝针16和气孔15的内壁之间存在间隙；所述将铝针置于所述气孔内之后，所述铝针的顶部超出所述气孔；

步骤(2)、将所述铝合金包壳靶件置于焊接装置内，所述焊接装置包括密封腔室、密封腔室挡板、钨电极和气管，所述密封腔室的一端形成有开口，所述密封腔室挡板可拆卸密封连接所述密封腔室一端；所述密封腔室上形成有钨极孔，所述钨电极的一端穿过所述钨极孔，所述钨电极的另一端连接焊机，所述气管一端连通所述密封腔室，所述气管的另一端具有两个端口，一个所述端口连接真空泵，另一个所述端口连接氦气源；

步骤(3)、调整所述铝合金包壳靶件在所述焊接装置内的位置，使所述铝针对准所述钨电极，并安装密封腔室挡板；铝针16和钨电极23之间的间距为1~2mm；

步骤(4)、用所述真空泵对所述密封腔室抽真空后并用所述氦气源向所述密封腔室内充入氦气；

步骤(5)、启动焊机进行焊接，完成铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接，焊接完成后，等候1~2min再打开密封腔室挡板22。

2.如权利要求1所述的铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述气孔的截面为圆形，所述铝针的截面为三角形。

3.如权利要求2所述的铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述将铝针置于所述气孔内之前，所述铝针和所述气孔均进行打磨去除氧化膜。

4.如权利要求1所述的铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法，其特征在于，在所述步骤(4)中、所述用所述真空泵对所述密封腔室抽真空并用所述氦气源向所述密封腔室内充入氦气循环2~3次。

5.如权利要求4所述的铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法，其特征在于，所述充入氦气后，所述密封腔室内的所述氦气的压强为0.12Mpa。

6.如权利要求1所述的铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，所述焊机的电流为70~90A。

7.如权利要求6所述的铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，焊接的时间为4~5s。

8.如权利要求6所述的铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，所述焊机的电流衰减至零的时间为4s。

9.如权利要求1~8任一项所述的铝合金包壳靶件的充氦堵孔焊接方法，其特征在于，所述密封腔室和所述密封腔室挡板的外部用铅屏蔽。