大型電子束焊接設備(EBW)真空抽氣系統設計

2012-05-25 錢津 中科院等離子體研究所

  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(de)(de)本底真空度(du)、工況真空度(du)以(yi)及各階段的(de)(de)抽氣時間進行了詳細(xi)的(de)(de)計算。為大型真空設備的(de)(de)研制提供一(yi)個(ge)有益的(de)(de)思路和便捷的(de)(de)方法。

  國(guo)(guo)際熱核聚變(bian)實驗(yan)反應堆ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)是正(zheng)在建設(she)中的(de)(de)一個為(wei)驗(yan)證全尺寸可控(kong)核聚變(bian)技術(shu)的(de)(de)可行性而設(she)計的(de)(de)國(guo)(guo)際托卡馬克實驗(yan)堆。中科院等(deng)離子(zi)體所為(wei)解決ITER 項目工程(cheng)采(cai)購包的(de)(de)焊(han)接(jie)技術(shu)難題(ti),滿足國(guo)(guo)際組對產品制造的(de)(de)嚴格要求(qiu),擬定組建一套大型(xing)電子(zi)束(shu)焊(han)接(jie)設(she)備。

  電(dian)(dian)(dian)子束(shu)(shu)焊(han)是近三十年來新發展(zhan)起來的(de)一種(zhong)熔化焊(han)接(jie)方(fang)法, 它(ta)利用(yong)空(kong)間定向運動的(de)電(dian)(dian)(dian)子束(shu)(shu)以(yi)高(gao)速(su)(su)撞擊到工(gong)件表面(mian)后產生的(de)熱能使工(gong)件熔化,形成(cheng)焊(han)縫。電(dian)(dian)(dian)子束(shu)(shu)焊(han)接(jie)的(de)質(zhi)量(liang)一方(fang)面(mian)取決(jue)(jue)于(yu)電(dian)(dian)(dian)子束(shu)(shu)源以(yi)及加(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)的(de)優化,而從電(dian)(dian)(dian)子束(shu)(shu)的(de)加(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)來說,很大程度上取決(jue)(jue)于(yu)真空(kong)的(de)環境,真空(kong)度的(de)提高(gao)可以(yi)減(jian)少高(gao)速(su)(su)電(dian)(dian)(dian)子束(shu)(shu)的(de)減(jian)速(su)(su)和(he)阻(zu)尼現象,而抽真空(kong)速(su)(su)率對電(dian)(dian)(dian)子束(shu)(shu)的(de)整個加(jia)工(gong)時間起著決(jue)(jue)定性的(de)作用(yong)。

  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(shu)內的(de)雜質微粒對真空的(de)影響(xiang)減(jian)至最(zui)小,延長陰極(ji)壽命(ming),應(ying)盡(jin)(jin)可能(neng)地(di)提(ti)高(gao)電子束(shu)焊接室(shi)的(de)真空度。工作時焊接室(shi)需經常開啟(qi)以更換焊接件(jian),所以要盡(jin)(jin)可能(neng)地(di)減(jian)少真空抽氣時間,以提(ti)高(gao)焊接效率。

  此真空抽(chou)氣系統的具體(ti)設(she)計要求(qiu)如(ru)下(xia):

  (1) 焊(han)接室需抽容(rong)積為(wei)48 m3,材料為(wei)復合不銹鋼。在焊(han)接前,焊(han)接室的本底真(zhen)空(kong)度要求達到1×10- 2 Pa。

  (2) 要(yao)求真(zhen)空系(xi)統(tong)能適應頻繁地(di)“放氣(qi)—抽(chou)真(zhen)空”循(xun)環狀態(tai),焊(han)接(jie)室抽(chou)到1×10- 2 Pa 所用的時間要(yao)小于30 min。

  (3) 電子槍的(de)最大功率是60 kW,焊件材料(liao)為不(bu)銹鋼(gang)或純(chun)銅(tong),電子槍工作(zuo)時焊接室的(de)真空度要(yao)求達(da)到5×10- 2 Pa。

  (4) 能迅速排(pai)除(chu)突(tu)然釋放的(de)氣體。(因為(wei)焊接過(guo)程(cheng)中有相當數量的(de)金屬蒸氣釋放,并且工件(jian)及(ji)工件(jian)室表面的(de)附著(zhu)氣體在受熱后(hou)也會(hui)釋放出來,如(ru)不(bu)及(ji)時排(pai)除(chu),就會(hui)瞬(shun)時降低(di)真空度)

真空抽氣(qi)系統的(de)設計(ji)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(beng)能提供巨(ju)大的排氣量(liang),以對抗大的氣體負載;

  (2) 擴散(san)泵(beng)抽速大、壽(shou)命長,高可靠、維護少;

  (3) 可高效(xiao)抽除所有的氣體分(fen)子(無抽氣選擇性);

  (4) 具有最(zui)優的價格/ 抽速比。抽氣系統的原理如(ru)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(lian)接(jie),并通過(guo)(guo)DN250,長1 m 的(de)管道與擴(kuo)散泵(beng)(beng)連(lian)接(jie);旋(xuan)片(pian)泵(beng)(beng)通過(guo)(guo)DN100,長1 m 的(de)管道與羅茨泵(beng)(beng)連(lian)接(jie)。在此抽(chou)(chou)氣系統內,羅茨泵(beng)(beng)機(ji)組在抽(chou)(chou)氣前期做(zuo)粗(cu)抽(chou)(chou),當(dang)擴(kuo)散泵(beng)(beng)啟(qi)動時做(zuo)擴(kuo)散泵(beng)(beng)的(de)前級(ji)泵(beng)(beng)。預(yu)留一窗口(kou),當(dang)抽(chou)(chou)氣時間或真空度等(deng)有新(xin)的(de)要求時,可配上(shang)新(xin)的(de)泵(beng)(beng)組,從而滿足(zu)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(qi)流狀(zhuang)態下(xia)抽氣(qi)時間的(de)計(ji)(ji)算(suan)有不同的(de)計(ji)(ji)算(suan)方法(fa),故要先判斷(duan)氣(qi)流狀(zhuang)態,再做計(ji)(ji)算(suan)。影(ying)響極限(xian)壓強的(de)主(zhu)(zhu)要因素(su)是主(zhu)(zhu)泵(beng)抽速、裝(zhuang)置(zhi)壁(bi)面(mian)放(fang)(fang)氣(qi)率,其中(zhong)主(zhu)(zhu)泵(beng)的(de)有效抽速受管道流導的(de)限(xian)制;而(er)裝(zhuang)置(zhi)壁(bi)面(mian)放(fang)(fang)氣(qi)率對于每種材(cai)料都(dou)不一樣,需對裝(zhuang)置(zhi)中(zhong)所(suo)用材(cai)料分(fen)別做計(ji)(ji)算(suan)。

  本(ben)文對(dui)電子束(shu)焊(han)接設備的(de)真(zhen)空抽氣系(xi)統(tong)做了(le)詳細的(de)分析及(ji)設計(ji)(ji),并給出(chu)了(le)具(ju)體的(de)設計(ji)(ji)步驟(zou),希望對(dui)以后類似裝置的(de)真(zhen)空系(xi)統(tong)設計(ji)(ji)會有一定的(de)參考價值。