ITER校正場線圈盒激光封焊獲進展

近日，由中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所負責的 ITER 校正場線圈（CC）採購包中首個1:1全尺寸底部（BCC）模型線圈，順利完成整體裝配中最重要的一步——激光封焊，並被 ITER 組織官方網站 newsline 綜合報道。該項技術的突破不僅表明項目組對高功率激光焊接設備與工藝研發終獲成果，更是當前國內萬瓦級激光焊接技術從實驗室走向重大國際工程應用的重要里程碑。

CC線圈繞組裝入線圈盒後是將盒體與盒蓋進行整體裝配封焊，為保證線圈的整體剛度，必須保證線圈盒上所有焊縫全焊透。長達30米的焊縫如果採用常規焊接方法必將產生巨大的焊接變形導致無法滿足線圈的外形尺寸要求。同時，為避免焊接時所產生的熱量對線圈盒內部繞組造成損傷，必須嚴格控制焊接時繞組表面的溫度不超過200攝氏度。項目組在經過充分的技術調研後決定採用激光焊接方法。

激光焊接作為一種先進的高能束焊接技術，是以聚焦的激光束作為能源轟擊焊接件所產生的熱量進行焊接的方法。與其他焊接方式相比其優勢在於：無需真空環境、熱輸入集中、熱變形小、焊縫深寬比大、精度高、易於實現自動焊接，被認為是最合適於CC線圈盒封焊的焊接方法。但將先進的激光焊接技術應用於CC線圈盒的焊接面臨著巨大的挑戰：首先是CC線圈盒的大尺寸結構。當前成熟工程應用激光焊接技術的典型領域如動力電池、汽車白車身的焊接均為中小型尺寸的焊接件，應用於尺寸如此巨大的工程焊接件尚無成功案例；其次，線圈盒的結構複雜。在多方向的彎曲結構給自動焊接過程的實施帶來巨大困難；第三，焊接厚度達20mm。當前工程中激光焊接的焊接深度基本為1-3mm，鮮有超過10mm的焊接厚度，隨著焊接厚度的增加，焊接過程的穩定性、熱源的精確控制以及對裝配精度的精確控制等因素都給線圈盒的封焊過程帶來未知挑戰。

在充分理解線圈盒激光焊接的技術難點基礎上，CC項目組在國內率先搭建了首套20kW光纖激光焊接系統（為國際上公開報道的激光焊接技術工程應用的最大功率）。研究開發了超高功率大厚板激光焊接技術，解決了當前激光焊接面對大型結構件裝配精度要求極高的「卡脖子」問題，掌握了大功率激光焊接熔深與熱場精準控制，以及大型複雜工程結構件焊接過程的應力場與應變場控制等關鍵技術，並形成CC線圈盒封焊的標準工藝規範，得到了英國焊接研究所 TWI 的高度讚許。2018年6月在 ITER 組織與歐洲核子研究組織的見證下，項目組順利完成首個全尺寸BCC線圈盒的激光封焊，焊後線圈盒整體焊接變形≤4mm，焊縫質量達到 ISO 13919-1 B級，繞組表面的溫度控制在200度以內，實現了 ITER 校正場線圈盒高標準和高質量焊接。

ITER BCC線圈盒激光焊接

來源：中國科學院合肥物質科學研究院

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