一种半气室氩弧熔铸铜绞线电极头成型装置的制作方法

本实用新型涉及放射性领域元件的加工，具体涉及一种半气室氩弧熔铸铜绞线电极头成型装置。

背景技术：

特种反应堆电源系统是一种特殊的核电源系统，在其运行时，反应堆电功率的输出需要经过数十根导线串联在一起引出至外部负载来完成的。这种核反应堆的堆芯结构复杂，内部燃料元件排列紧凑，间距小，元件上的引出电极位置高低错落，彼此间又呈一定角度分布，操作空间十分有限。

由于元件电极之间具有这种特有的大角度、小间距结构，因此要求电极彼此间的串联需要以柔性连接的方式实现。这种柔性连接方式一方面有利于元件在堆芯狭窄空间内的安装操作，另一方面相比较刚性连接而言，软连接方式有利于减缓元件受外部载荷冲击时的拘束应力，从而起到保护燃料元件的作用。

铜软线电极接头是实现此类软连接方法的关键部件，它由上千根直径为 0.15mm的细铜丝合成铜母线，一端与元件发射极引出电极相连，另一端连接相邻元件的接收极电极，从而使元件引出电极首尾相接串联在一起，形成一导电回路。电流母线在高真空(优于10^-5Pa)、高温(≥400oC)环境下长期工作(≥ 1000小时)。一座特种核电源系统由近百根发射极和接收极组成，每对电极需要 4根连接导线，一个电源系统近400根导线。因此将上千根细如发丝的铜丝与两端的导电实心棒材牢固连接并能批量化生产，是目前迫切需要解决的难题之一。

目前金属铜导线的软连接方法主要有铜金属端子压钳法、螺纹紧固法、钎焊等方法。因为堆芯元件电流母线要求具有传导大电流(>100A)的特点，而铜金属端子压钳法、螺纹紧固法由于导线连接处均为点接触型式，未达到冶金结合，会出现接触电阻增大而导致连接接头发热，在热应力循环作用下，容易出现松动，导致整个反应堆电源系统性能下降，所以以上两种机械连接方式都不太理想。钎焊连接中，由于铜丝很细，钎焊时钎料在毛细作用下，在细铜线侧，形成较长的硬化区域，不利于软导线电极在堆芯狭窄空间内的弯折安装，因此也不能采用钎焊连接的技术。由此可见上述几种常见的连接方法并不适用于特种燃料元件电极连接的特殊要求。

针对铜软线电极接头的制造要求，如果采用常规的电弧熔化焊接方法，由于细铜丝和粗铜柱的热容量相差极大，热容不均衡将导致二者无法实现有效的连接，即使熔化连接上，焊接过程中直径0.15mm铜丝极易熔断和氧化。氧化后的细铜丝很容易被折断，从而影响整个系统的稳定性和可靠性。

有鉴于此，特提出本实用新型。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的是提供一种半气室氩弧熔铸铜绞线电极头成型装置，能够避免常规的电弧熔化焊接方法导致的铜丝熔断氧化而影响系统稳定性和可靠性。

本实用新型的技术方案如下：

一种半气室氩弧熔铸铜绞线电极头成型装置，包括提供氩气环境的熔铸室和设置于所述熔铸室内的熔铸胎具；所述熔铸胎具用于固定铜绞线以便将铜绞线和熔融铜液熔铸成电极头。

进一步地，上述的半气室氩弧熔铸铜绞线电极头成型装置，所述熔铸室上端开口，内部设置有与氩气源连接的氩气充气管。

进一步地，上述的半气室氩弧熔铸铜绞线电极头成型装置，所述熔铸胎具设置于所述氩气充气管上方；所述熔铸室的下端密封。

进一步地，上述的半气室氩弧熔铸铜绞线电极头成型装置，所述熔铸室的开口处设置有向中心延伸的遮沿结构。

进一步地，上述的半气室氩弧熔铸铜绞线电极头成型装置，所述熔铸胎具包括铜盘、铜胎和石墨模具；所述铜盘上设置有用于放置铜胎的安装孔；所述铜胎和石墨模具上均设置有线束孔；所述铜胎的线束孔A和所述石墨模具的线束孔B配合。

进一步地，上述的半气室氩弧熔铸铜绞线电极头成型装置，所述铜胎上设置有与所述石墨模具配合的限位结构以使所述铜胎的线束孔A和所述石墨模具的线束孔B同轴。

进一步地，上述的半气室氩弧熔铸铜绞线电极头成型装置，所述铜胎的线束孔A尺寸不大于待熔铸的铜绞线线束以将其夹紧。

进一步地，上述的半气室氩弧熔铸铜绞线电极头成型装置，所述铜胎为下小上大的锥形或台形结构。

进一步地，上述的半气室氩弧熔铸铜绞线电极头成型装置，所述铜胎由多个组件拼合而成。

本实用新型的有益效果如下：

铜绞线与熔融铜液直接熔铸成电极头，实现电极端头一次性整体熔铸完成。既保证形成实心铜柱的同时，达到细铜丝能够与其均匀、牢固的连接，并且在铜柱与铜丝间过渡区域小，避免铜丝氧化，又实现成本低，效率高。

附图说明

图1为本实用新型的半气室氩弧熔铸铜绞线电极头成型装置的结构示意图。

图2为本实用新型的熔铸胎具的结构示意图。

图3为本实用新型的铜胎的结构示意图。

图4为本实用新型的石墨模具的结构示意图。

上述附图中，1、熔铸室；2、熔铸胎具；3、氩气充气管；4、铜盘；5、铜胎；6、石墨模具；7、限位结构；8、线束孔A；9、线束孔B。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

如图1所示，本实用新型提供了一种半气室氩弧熔铸铜绞线电极头成型方法，将铜绞线和熔融铜液直接熔铸成电极头；还提供了一种半气室氩弧熔铸铜绞线电极头成型装置，包括提供氩气环境的熔铸室1和设置于所述熔铸室1内的熔铸胎具2；所述熔铸胎具2用于固定铜绞线以便将铜绞线和熔融铜液熔铸成电极头。铜绞线与熔融铜液直接熔铸成电极头，实现电极端头一次性整体熔铸完成。既保证形成实心铜柱的同时，达到细铜丝能够与其均匀、牢固的连接，并且在铜柱与铜丝间过渡区域小，避免铜丝氧化，又实现成本低，效率高。

在本实施例中，实现熔铸室1的氩气氛围的具体方式为熔铸室1上端开口，内部设置有与氩气源连接的氩气充气管3。所述熔铸胎具2设置于所述氩气充气管3上方；所述熔铸室1的下端密封。这种结构能够避免当熔铸时熔铸室1气体受热，气流上升引起的周围的空气从底部吸入，破坏氩气的保护效果的问题。采用底部密封结构，有效阻止了周围空气进入，在底部设计有氩气输入口，充入氩气来维持焊接室内氩气的压力略高于焊接室外，保持熔铸室1内的氩气纯度；氩气流量根据实际情况确定，例如，氩弧熔铸室1的体积约为7.5L的情况下，要达到保护效果，每分钟换气要达到3～4次，所以充入的氩气流量30L/ 分钟。进一步地，熔铸室1的开口处设置有向中心延伸的遮沿结构，如此，减小了出口尺寸，又阻挡沿桶壁上升的气流，使气流在桶口改变方向，向中间聚拢，中间开口，方便操作。

如图2所示，所述熔铸胎具2包括铜盘4、铜胎5和石墨模具6；所述铜盘 4上设置有用于放置铜胎5的安装孔；所述铜胎5和石墨模具6上均设置有线束孔(参见图3和图4)；所述铜胎5的线束孔A 8和所述石墨模具6的线束孔B 9 配合。石墨模具6具有高熔点，性能稳定，加工成模具后，不会在铜熔铸时发生与模具粘连的情况。

如图3所示，所述铜胎5为下小上大的锥形或台形结构，由多个组件拼合而成，其上设置有与所述石墨模具配合的限位结构7以使所述铜胎5的线束孔A 和所述石墨模具的线束孔B同轴。锥形或台形结构能够保证铜胎5安装在安装孔内时，安装孔边缘对铜胎5产生横向的分力(在铜胎5的重力作用下)，横向挤压各组件，使其拼合成型。在本实施例中，所述铜胎5包括两个半圆柱结构，可以夹持、束缚细铜丝导线，在熔铸过程中不会发生铜丝滑落的情况。所述限位结构7为周围突起，中心凹陷的结构，是为保证熔铸后，实心铜柱与细铜丝束保持同轴，避免后续加工使用过程中发生问题。本实施例中，铜胎5的线束孔A尺寸不大于待熔铸的铜绞线线束以将其夹紧。

以实例进一步说明本实用新型的技术方案：

将直径0.15mm的细铜丝按设计的长度、匝数要求，在辅助模板上缠绕成由铜丝聚集成一股直径为12mm的铜丝捆，在该股铜丝捆外部套一长20mm、内径12mm的石墨管状模具，使该股铜丝略高于石墨模具上沿，石墨模具与下边的熔铸铜胎具之间夹装云母片。利用氩弧作为热源，将石墨模具内的铜丝熔化，熔融的铜金属液体在表面张力、重力和毛细作用的共同作用下自动流入下部的铜丝束间隙内，在石墨模具的周向拘束下冷却、凝固，最后铸造成一实心金属铜柱，并与下部的铜丝束连接成一体。

同时，在惰性气体(氩气)环境下降低了氧化对金属铜液的污染，可有效避免氧化带来的损害，大大提高了电极接头的熔铸质量。

熔铸法制备铜软线实心柱体电极接头的工艺流程由选丝、裁剪、装配石墨模具、装配熔铸铜胎具、半气室氩弧熔铸成型、接头检验、成品等七个部分组成。

(1)选丝

导电铜丝的取材选用直径Φ0.15mm，以利于柔性连接的实现。加注铜料选取Φ2mm的无氧铜丝。为了便于铜丝的加装，选用标准的软铜绞线，软铜绞线采用高速笼绞机退扭绞合，绞合后的成品圆整、顺直，结构紧密，无散股现象，可以方便各种后续的熔铸。

(2)裁剪

铜丝缠绕的股数应满足承受大电流传导的要求。设计电流为150A，铜料导电能力按5A/mm²标准计算，那么该电流下允许的最小截面积为30mm²，为留有安全裕度，即铜丝束的直径为10mm。根据需要剪裁所需铜绞线长度尺寸

(3)装配石墨模具

将石墨管套在缠绕好的铜丝束上，形成一露底状的坩埚模具。根据铜软线电极接头中实心铜柱过渡段的应用尺寸要求，调节石墨模具在铜丝束中的位置，使铜丝略高于石墨模具上端。石墨模具内壁要求与铜丝束紧密贴合。

(4)装配熔铸铜胎具

将已箍好石墨结晶器的铜丝束放入焊接室，焊接前采用先通入氩气2～3分钟，用氩气清洗焊接室，利用氩气将焊接室内的空气排出。

(5)半气室氩弧熔铸成型

铜软线电极接头的熔铸工艺采用两步法，具体如下：

①铜丝熔铸：利用氩弧熔化铜丝，熔化的液态金属在重力和毛细作用的共同作用下，缓慢向下塌陷形成实心铜柱，以备后续作为铸料填充到石墨模具中。

②铜料熔注：将准备好的铜料，送到电弧下，在电弧的作用下，铜料开始熔化，滴入石墨模具中，与下部的铜丝束连接成一体，在石墨模具的周向拘束下冷却凝固，铸造成一实心金属铜柱。形成边熔化、边流动、边铸造的独特工艺。成型后，撤除氩弧焊枪，焊接室持续通入氩气，工件在焊接室内冷却至约 150℃，再停止氩气输送。

(6)试验结果

采用熔铸工艺得到的铜软线电极实心柱状端头，接头外观圆滑，尺寸均匀，结构密实，无气孔、裂纹等明显缺陷。另外，由于是同种材料自熔化填充熔铸，铸件内部组织均匀，不存在明显的成分偏析现象。

本实用新型首次将氩弧熔铸成型技术应用于此类软连接电极结构的加工制造中，创新性的提出了铜软线接头的氩弧半气室保护熔铸技术方案和工艺及胎具独特设计的使用。采用该项工艺技术制备的电极接头尺寸均匀，结构密实，无气孔、裂纹等缺陷，提高生产效率高，便于批量化制备，可操作性强。熔铸工艺流程及参数的固化为电极接头的成功制备提供了可靠的质量保证。

氩弧熔铸技术具有、熔化铸造同步、操作简单等优点，采用该工艺成功实现了铜导线软线电极接头两侧实心端头结构的制造，保证了电极结构外形尺寸的均匀性和熔铸端头内部组织的密实度，端头无气孔、夹渣、裂纹等缺陷。导电细铜丝和熔铸铜棒之间形成均匀牢固的连接接头，构件整体既有一定的强度，又有一定的柔性，目前该电极接头已成功应用于电加热器考验装置和热物理台架中特种转换器电流引出端，在高温(≥400oC)、高真空(优于10-5Pa)条件下安全连续稳定工作3000多小时。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若对本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其同等技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。