川崎前锋上海上港:大型電子束焊接設備(EBW)真空抽氣系統設計

真空系統 錢津 中科院等離子體研究所

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  大抽速的真空抽氣系統是大型電子束焊接設備(electron beam welding,EBW)中必不可少的組成部分。本文介紹了一個大型電子束焊設備中真空抽氣系統的組成及其設計思路、方法,并對此真空抽氣系統所能得到的本底真空度、工況真空度以及各階段的抽氣時間進行了詳細的計算。為大型真空設備的研制提供一個有益的思路和便捷的方法。

  國際熱核聚變實驗反應堆ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)是正在建設中的一個為驗證全尺寸可控核聚變技術的可行性而設計的國際托卡馬克實驗堆。中科院等離子體所為解決ITER 項目工程采購包的焊接技術難題,滿足國際組對產品制造的嚴格要求,擬定組建一套大型電子束焊接設備。

  電子束焊是近三十年來新發展起來的一種熔化焊接方法, 它利用空間定向運動的電子束以高速撞擊到工件表面后產生的熱能使工件熔化,形成焊縫。電子束焊接的質量一方面取決于電子束源以及加工工藝的優化,而從電子束的加工工藝來說,很大程度上取決于真空的環境,真空度的提高可以減少高速電子束的減速和阻尼現象,而抽真空速率對電子束的整個加工時間起著決定性的作用。

  此大型電子束焊接設備的需抽容積較大,需要一個大抽速的真空系統,現對此真空抽氣系統進行設計。

設計要求

  為了使電子束內的雜質微粒對真空的影響減至最小,延長陰極壽命,應盡可能地提高電子束焊接室的真空度。工作時焊接室需經??粢愿緩附蛹?,所以要盡可能地減少真空抽氣時間,以提高焊接效率。

  此真空抽氣系統的具體設計要求如下:

  (1) 焊接室需抽容積為48 m3,材料為復合不銹鋼。在焊接前,焊接室的本底真空度要求達到1×10- 2 Pa。

  (2) 要求真空系統能適應頻繁地“放氣—抽真空”循環狀態,焊接室抽到1×10- 2 Pa 所用的時間要小于30 min。

  (3) 電子槍的最大功率是60 kW,焊件材料為不銹鋼或純銅,電子槍工作時焊接室的真空度要求達到5×10- 2 Pa。

  (4) 能迅速排除突然釋放的氣體。(因為焊接過程中有相當數量的金屬蒸氣釋放,并且工件及工件室表面的附著氣體在受熱后也會釋放出來,如不及時排除,就會瞬時降低真空度)

真空抽氣系統的設計思路

  真空抽氣系統方案的確定,必須滿足抽氣時間及真空度的要求。焊接室的體積較大以及要求抽到本底真空的時間較短,所以必須選擇大抽速的粗抽泵。電子束焊接裝置在工作時出氣率較大,為使其在工作時仍能滿足真空度的要求,必須選擇高抽速的主泵。工況下空氣中的雜質較多,主泵必須在此工況下仍能正常工作。就目前的真空獲得技術,以及對國內外同類裝置的調研,我們選擇的抽氣方案為:擴散泵做主抽真空泵,旋片泵- 羅茨泵機組作粗抽泵。

擴散泵的優點:

  (1) 擴散泵能提供巨大的排氣量,以對抗大的氣體負載;

  (2) 擴散泵抽速大、壽命長,高可靠、維護少;

  (3) 可高效抽除所有的氣體分子(無抽氣選擇性);

  (4) 具有最優的價格/ 抽速比。抽氣系統的原理如圖1 所示。

大型電子束焊接設備(EBW)真空抽氣系統設計

  如圖1 所示,電子束室有自己獨立的抽氣系統,現主要設計焊接室的抽氣系統。系統結構及布局:擴散泵通過DN1000, 長1m 的抽氣管道,經直角高真空擋板閥與焊接室連接;羅茨泵通過DN250,長2 m 的管道與主抽氣管道連接,并通過DN250,長1 m 的管道與擴散泵連接;旋片泵通過DN100,長1 m 的管道與羅茨泵連接。在此抽氣系統內,羅茨泵機組在抽氣前期做粗抽,當擴散泵啟動時做擴散泵的前級泵。預留一窗口,當抽氣時間或真空度等有新的要求時,可配上新的泵組,從而滿足要求。

  此套真空抽氣系統能達到的本底真空度為1.6×10- 3 Pa,工況真空度為2.4×10- 2 Pa,抽到本底真空度所用時間為20 min 22 s,滿足要求。真空抽氣系統主要由粗抽泵、主抽泵、前級泵以及之間的管道、閥門組成。設計真空抽氣系統時主要考慮抽氣時間及極限壓強。抽氣時間又分粗抽時間及主抽時間,如果裝置較大時粗抽時間為主要時間,可通過增大粗抽泵抽速來減少抽氣時間。對于不同氣流狀態下抽氣時間的計算有不同的計算方法,故要先判斷氣流狀態,再做計算。影響極限壓強的主要因素是主泵抽速、裝置壁面放氣率,其中主泵的有效抽速受管道流導的限制;而裝置壁面放氣率對于每種材料都不一樣,需對裝置中所用材料分別做計算。

  本文對電子束焊接設備的真空抽氣系統做了詳細的分析及設計,并給出了具體的設計步驟,希望對以后類似裝置的真空系統設計會有一定的參考價值。