ITER校正场线圈盒封焊系统设计及关键技术研究

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国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor简称ITER)校正场线圈(Correction Coils简称CC)作为ITER线圈的一种,其主要作用即用来补偿由于制造误差、接头、引线、母线及装配误差造成的纵场和极向场线圈绕组形位偏差所带来的磁场误差。本文的研究目的是针对于ITER校正场线圈盒封焊的具体实际情况及要求,在大量的调研,方案设计及分析的基础上,研制出一整套适用于校正场线圈盒封焊的激光焊接系统并建立投入使用。并通过具体的试验,验证了该套系统的可行性,保证对校正场线圈盒封焊的主要质量要求,为ITER校正场线圈制造的顺利完成提供有力的技术支撑。  根据CC线圈盒最终封焊的工艺要求,提出几种不同焊接方法进行方案设计并结合CC线圈盒的实际情况进行对比分析,最终确定激光焊作为线圈盒封焊的焊接方法。通过进一步优化设计与分析,合理地布置机器人及线圈盒以及对机器人的焊接运动过程进行仿真,设计双机器人配合各自的线性滑轨并添加机器人底座的手动滑台模块增加焊接机器人的作业范围,完成覆盖CC线圈盒的所有焊缝。  针对ITER校正场线圈盒特殊的几何外形,设计研制线圈盒封焊过程中的工装夹具与翻转设备。提出线圈盒工装设计要求,设计支撑底座与C型卡具相结合的线圈盒焊接工装,从而满足在装配过程中对装配间隙与错边进行调整,在焊接过程中提供焊接平台,并对线圈盒进行刚性约束有效的控制焊接变形。鉴于SCC(side CC简称SCC)线圈盒的特殊性,SCC线圈盒为可旋转调节的支撑底座,在封焊时可为SCC线圈盒提供两种不同形态的焊接平台。通过有限元分析,设计优化SCC线圈盒特殊翻转架,并定义其翻转动作过程。分析整套ITER校正场线圈盒激光封焊控制系统的设计要求,利用SIEMENS PLC系统S7-300完成对系统的电气集成控制。  针对ITER校正场线圈盒的封焊提出采用窄间隙多层激光填热丝焊接技术。通过对窄间隙激光焊接原理,窄间隙中激光束的传输特性研究,确定最佳的光束传播系统设计,在此基础上通过试验,确定最终的坡口结构。并对主要焊接工艺参数进行摸索,得到了成形良好内部无缺陷、拥有良好力学性能的焊接接头。证明此套系统在合适的工艺参数下可满足ITER线圈盒封焊的焊缝质量要求。为了保护线圈盒内部的绕组,在线圈盒的实际焊接结构中设计背部垫板。制作线圈盒短样,对线圈盒封焊时内部的温度分布进行研究,通过布置热电偶来采集温度变化,并进行数值模拟分析与试验结果相对比。结果表明,模拟结果与试验结果相吻合,测量点处的最高温度为255°,控制绕组上的温度仅为60°,说明激光焊接过程的能量输入所产生的温度不会对绕组产生伤害,证明在该套系统下的封焊焊接工艺可满足ITER线圈盒封焊的温度控制要求。  在SCC线圈盒的截面尺寸及形状结构的基础上,设计SCC模型线圈盒,验证该套系统在线圈盒封焊上的焊缝质量及焊接变形控制情况。分析确定模型盒封焊的先定位焊后连续焊,分段、跳焊、对称、多次翻身的原则,使其受热尽量均匀来控制其焊接变形。分析线圈盒焊缝表面局部的未熔合及凹陷缺陷以及内部气孔的形成机理及抑制措施。通过对模型盒的变形量检测,模型盒的整体变形控制在±2mm以内较为理想,验证了线圈盒封焊的焊接结构、焊接系统以及焊接工艺的合理性,为正式线圈盒的封焊提供了最关键的技术保障。
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