电子束焊接真空系统设计 报 告 人：钱津 导 师：王小明 单 位：六室真空组

汇 报 大 纲 1 2 3 4 5 6 题目来源 国内外装置现状及课题意义 设计的主要内容 实验设计方案及预期效果 关键问题和所需的主要设备 进度安排及完成毕业论文日期

一、题 目 来 源 等离子体所ITER采购包电子束焊接 工艺和设备技术方案

课 题 来 源 中科院等离子体所为解决ITER项目工程采购包的焊接技术难题，在前期市场与技术调研的基础上决定集成电子束焊接设备。主要用于ITER校正场线圈盒（CC）、高温超导电流引线（HTS-CL）以及线圈终端盒（CTB）的焊接。 电子束焊接设备需在真空环境下进行工作，故现需要建造一个大型的可快速抽真空的真空系统。

二、国内外装置现状及课题意义 国外概述 国内概述 1948年 西德物理学家K.H.Steigerwald首次提出概念 1954年 法国的J.A.Stohr博士设计和制造 1958年后美英日及前苏联相继开始研究 其后，随着真空技术发展，研制出了真空电子束焊接装置 （ 解决了许多常规焊接方法无法焊接的特种金属的焊接问题，使焊接技术又发展到一个新的阶段 ） 国内概述 上世纪60年代后开始研究 数量不少，近100台，但品种单一 目前仍没有较大型的真空电子束焊接装置

主要生产研制机构 德国PTR和IGM公司 法国TECHMETA（泰克米特）公司 英国CVE公司 德国Probeam公司 乌克兰巴东电焊研究所 北京航空工艺研究所 中科院沈阳金属所 桂林电器科学研究所

各国装置 德国PTR公司 ebw3000/150CNC型电子束焊机 真空室;1.7m*1.25m*1.45m 法国TECHMETA公司 LARA52型 真空室： 0.35m*0.6m*0.8m

各国装置 乌克兰巴东电焊研究所 KL110型 真空室：2.5m*2.5m*5m

各国装置 桂林电科所 HDZ-3B EB welder 真空室：0.3m*0.3m*0.2m

真空中焊接的优点 真空中焊接的优点： 1.真空电子束焊接可以防止熔化金属受到氧、氮等有害气体的污染，而且有利于焊缝金属的除气和净化，因而特别适于活泼金属焊接。 2.用于焊接真空密封元件时，焊后元件内部保持在真空状态。 3.在真空中进行焊接，焊缝纯净、光洁，呈镜面，无氧化等缺陷。 4.由于没有气压作用，焊接部件在焊接时不易发生形变。

二、课题意义 购进电子束焊接设备意义： 此课题的意义： 解决特种金属焊接问题 解决ITER项目工程采购包（feeder）的焊接技术难题 满足国际组对于产品制造的严格要求 远瞻等离子体未来科研项目的需要，提升制造工艺水平 此课题的意义： 完成一个对大体积真空室进行快速抽气，获得真空的真空系统，满足电子束焊接的要求。 为以后feeder项目以及等离子所的其他类似的真空系统的设计提供参数、经验。

三、设计主要内容 --- 目录 设计内容 两路扩散泵机组 罗茨泵和机械泵串联前级 真空设计指标 确定各参数 矩形焊接室相关的真空参数 布置真空抽气系统 设计内容 两路扩散泵机组 罗茨泵和机械泵串联前级 焊接室可获得的本底真空度 真空系统设计计算 焊接室工况条件下可获得的真空度 粗抽抽气时间（各抽气阶段时间） 真空系统经费预算与采购 真空系统制造

设计指标 1. 综合考虑该电子束焊接设备的的焊接工件与焊接要求，分析不同类型设备的工作能力、精度、可靠性以及性价比等定型该设备为矩形真空室。 1. 综合考虑该电子束焊接设备的的焊接工件与焊接要求，分析不同类型设备的工作能力、精度、可靠性以及性价比等定型该设备为矩形真空室。 2. 真空室尺寸根据焊接件及工作台尺寸要求确定。由于真空室尺寸大，需要分段，到现场通过法兰机械连接，密封圈密封。 3. 可在50分钟的时间内使焊接室的真空度达到5Pa，在65分钟的时间内使焊接室的真空度达到5×10-1Pa。 4. 在工作压强下，真空室受外压力而产生的应力和形变不会过大。

采用矩形真空室 真空室方案确定 优点： 矩形真空室是电子束焊接设 备普遍采用的结构，风险小 矩形真空室是电子束焊接设 备普遍采用的结构，风险小 矩形真空室侧面滑动移门，工作台可以方便移动出真空 室，而圆形真空室需要顶部开门，安装和移出工件都要从顶部吊起，非常不便 3. 矩形真空室可以采用分段式密封圈密封，现场机械连接简单

矩形焊接室相关的真空参数 焊接室结构材料采用Q345低碳钢。为减少这种材料大的放气率，内侧通过爆炸焊接工艺，覆盖304不锈钢板材。 体积 V = 50m3

按真空室分类 选择真空度 高真空电子束焊（5×10-2—10-4Pa） 低真空电子束焊（1—10Pa） 非真空电子束焊（大气中） 应用广泛，工件尺寸受真空室大小限制 低真空电子束焊（1—10Pa） 系统简单、启动快、效率高，减弱金属蒸发 非真空电子束焊（大气中） 摆脱了工作室尺寸对工件的限制 考虑到加工效果，选择高真空电子束焊，真空抽到10-2 Pa量级

泵组的选择 扩散泵串联机械泵 扩散泵串联油增压泵，再串联机械泵 扩散泵串联罗茨泵，再串联机械泵 优点 缺点 扩散泵串联机械泵 1、结构简单 2、工作可靠，成本低 1、启动慢 2、预抽时间长 3、容易反油 扩散泵串联油增压泵，再串联机械泵 1、预抽时间短 （中间有油增压泵） 2、不常用 扩散泵串联罗茨泵，再串联机械泵 由于方案中要求工作气压稳定在10-2 Pa，故只考虑高真空系统（6.67×10-2 —1.33×10-3 Pa）的泵组 最后选择第三种泵组，常用，效果好

规管的选择 APR262 PCG400 PKR251 根据不同真空要求选取规管 量程(mbar) 20～2.2E5 5E-2～1.5E5 输出电压(V) 1～9.8 1.9～10.23 0.5～9.5 反应时间(ms) 10 图 根据不同真空要求选取规管

四、设计方案及预期效果 真空系统布置图 抽气系统由两路扩散泵机组组成。主泵扩散泵的标称抽速为50000L／s，运行范围为1.210-1— 6.310-6 Pa,最大气载为3300Pa·l/s。

热扩散泵抽气曲线 — Pumping speed/cold cap — Pumping speed/Hallo baffle — Throughput

前级泵 单台主扩散泵排气量的排除和前级真空由RPS－4001罗茨泵和MS-631机械泵串级式提供： 1.罗茨泵的工作范围为1600—0.7Pa，标称抽速为3900m3/h （1083 l/s） 2.机械泵的工作范围为107—8Pa，标称抽速为590m3/h （164l/s） 考虑到从大气至1600Pa气压范围，机械泵的抽速略小，每路抽气系统配置2台机械泵。

抽气时间 总抽气时间1h13min，满足设计要求 气压范围 (mbar) 抽气时间 (min.) 主抽泵 101316 40 656 l/s @4机械泵 160.01 29 1592 l/s @2罗茨泵 0.011.210-3 3 14254 l/s @2扩散泵 1.210-310-4 0.7 3.2104l/s @2扩散泵 总抽气时间1h13min，满足设计要求

强度分析 为方便运输等，可将真空室做成分段式，现分为3段，每段4米 真空室中间段 取真空室的中间段作为分析对象（材料为Q345，载荷为0.1MPa内压），对其做应力分析

不同加强筋尺寸的应力、应变和变形情况 加强筋间距(mm) 加强筋尺寸(mm) 基板厚度(mm) 最大变形(mm) 最大等效应力（MPa） 最大等效应变 1000 200×500 60 7（顶部） 131 0.6 200×600 5.2（顶部） 113 200×700 4（顶部） 94 0.5 200×800 3.1（顶部） 84.5 0.4

预期效果 1 2 3 建立合适的真空室，方便电子焊接的使用 设计真空系统，满足材料出气情况下的极限真空要求，以及抽气时间要求 建立电子束焊接真空系统，通过设计真空室的大小以及泵组、材料的选择，满足电子束焊接工作时对极限真空的要求（考虑到金属烧熔蒸发率及各种材料放气 )。为了能在规定时间内完成抽气，对真空系统进行计算、优化。通过软件对真空室情况进行模拟，以达到优化的目的。采购合适的设备，达到经济实用的目的。也为以后同种大型真空系统设计留下经验。 1 建立合适的真空室，方便电子焊接的使用 2 设计真空系统，满足材料出气情况下的极限真空要求，以及抽气时间要求 3 考虑各器件的采购，建立起实用、经济的真空系统

对真空的影响 五、关键问题和所需的主要设备 烧融蒸发率 金属的烧融蒸发气压 焊接出气及低碳钢放气 碳钢在真空中焊接时，由于钢中原含有的气体会释放出来，焊缝金属容易产生微气孔。

所需的主要设备 名称 型号 单价 扩散泵 NHS35 27000 罗茨泵机组 RPS-4001 34000 机械泵 MS-631 直角挡板阀 DN1000 120000 气动蝶阀 DN250 DN100 真空测量 真空控制

所需的主要设备

六、进度安排及完成毕业论文日期 系统设计 总结研究成果 选购设备、组建 ⊙选购合适的设备 ⊙组建系统 10.09~10.12 11.~11. ⊙真空室设计 ⊙泵的选定 ⊙系统结构设计 ⊙选购合适的设备 ⊙组建系统 ⊙完成小论文的发表工作 ⊙撰写大论文 系统设计 10.09~10.12 11.~11. 总结研究成果 选购设备、组建

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