大型電子束焊接設(shè)備(EBW)真空抽氣系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)是大型電子束焊接設(shè)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(shè)備中真空抽氣系統(tǒng)的組成及其設(shè)計思路、方法,并對此真空抽氣系統(tǒng)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(xì)的計算。為大型真空設(shè)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(yīng)堆ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)是正在建設(shè)中的一個為驗證全尺寸可控核聚變技術(shù)的可行性而設(shè)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(shù)難題,滿足國際組對產(chǎn)品制造的嚴(yán)格要求,擬定組建一套大型電子束焊接設(shè)備。

  電子束焊是近三十年來新發(fā)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(chǎn)生的熱能使工件熔化,形成焊縫。電子束焊接的質(zhì)量一方面取決于電子束源以及加工工藝的優(yōu)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(huán)境,真空度的提高可以減少高速電子束的減速和阻尼現(xiàn)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(shè)備的需抽容積較大,需要一個大抽速的真空系統(tǒng),現(xiàn)對此真空抽氣系統(tǒng)進行設(shè)計。

設(shè)計要求

  為了使電子束內(nèi)的雜質(zhì)微粒對真空的影響減至最小,延長陰極壽命,應(yīng)盡可能地提高電子束焊接室的真空度。工作時焊接室需經(jīng)常開啟以更換焊接件,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(tǒng)的具體設(shè)計要求如下:

  (1) 焊接室需抽容積為48 m3,材料為復(fù)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(tǒng)能適應(yīng)頻繁地“放氣—抽真空”循環(huán)狀態(tài),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(dāng)數(shù)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(tǒng)的設(shè)計思路

  真空抽氣系統(tǒng)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(zhì)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(shù),以及對國內(nèi)外同類裝置的調(diào)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(yōu)點:

  (1) 擴散泵能提供巨大的排氣量,以對抗大的氣體負(fù)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(yōu)的價格/ 抽速比。抽氣系統(tǒng)的原理如圖1 所示。

大型電子束焊接設(shè)備(EBW)真空抽氣系統(tǒng)設(shè)計

  如圖1 所示,電子束室有自己獨立的抽氣系統(tǒng),現(xiàn)主要設(shè)計焊接室的抽氣系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及布局:擴散泵通過DN1000, 長1m 的抽氣管道,經(jīng)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(tǒng)內(nèi),羅茨泵機組在抽氣前期做粗抽,當(dāng)擴散泵啟動時做擴散泵的前級泵。預(yù)留一窗口,當(dāng)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(tǒng)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(tǒng)主要由粗抽泵、主抽泵、前級泵以及之間的管道、閥門組成。設(shè)計真空抽氣系統(tǒng)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(tài)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(tài),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(dǎo)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(shè)備的真空抽氣系統(tǒng)做了詳細(xì)的分析及設(shè)計,并給出了具體的設(shè)計步驟,希望對以后類似裝置的真空系統(tǒng)設(shè)計會有一定的參考價值。