純鈮低溫真空壓力容器的焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】 [0001]
[0002] 本發(fā)明涉及壓力容器的加工制造焊接技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種具有低溫超導(dǎo)特 性的有色金屬純鈮（Nb)的低溫真空薄壁壓力容器的焊接方法。即對(duì)低溫超導(dǎo)技術(shù)條件下 使用的純鈮真空壓力容器殼體的真空電子束焊接方法。
【背景技術(shù)】 [0003]
[0004] 純鈮材料由于具有低溫超導(dǎo)特性，成為國(guó)際工程物理技術(shù)領(lǐng)域中研制"大型高能 直線加速器"、"同步輻射加速器"和"自由電子激光器"等尖端設(shè)備所必需的低溫真空薄壁 壓力容器的關(guān)鍵金屬原料。超導(dǎo)腔作為加速器的心臟部件就是此類純鈮薄壁壓力容器的典 型代表產(chǎn)品，其工作于低溫液氦環(huán)境中，腔體內(nèi)部為帶電粒子束流定向運(yùn)動(dòng)提供KT8Hiba以 上的超高真空通道，粒子經(jīng)過各個(gè)艙段時(shí)均受到一次電場(chǎng)加速作用，從而獲得持續(xù)穩(wěn)定的 高速、高能帶電粒子流。該類壓力容器的主體通常設(shè)計(jì)為薄壁回轉(zhuǎn)形結(jié)構(gòu)殼體，且殼體外部 帶有支管、法蘭等零件。目前，行業(yè)內(nèi)主要采用氬弧焊（TIG)方法實(shí)現(xiàn)該類壓力容器主體部 件、外部支管和法蘭等零組件的連接成型，但現(xiàn)有技術(shù)對(duì)焊縫成形及接頭熱影響區(qū)范圍、有 害氣體防護(hù)等技術(shù)要點(diǎn)控制尚不理想；另外，現(xiàn)有技術(shù)未能對(duì)焊接接頭的結(jié)構(gòu)形式添加例 如定位臺(tái)階等控制成型精度的方法，易導(dǎo)致焊接加工后壓力容器的焊接接頭局部呈現(xiàn)出明 顯超差的變形。因而，對(duì)于純鈮薄壁壓力容器的焊接接頭力學(xué)性能、產(chǎn)品的導(dǎo)電性能以及整 體結(jié)構(gòu)成型精度均產(chǎn)生不利影響。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]
[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種適用于純鈮低溫真空壓力容器的焊接方法，工藝簡(jiǎn) 單，焊接質(zhì)量1?。
[0007] 為達(dá)到本發(fā)明的目的，提供一種純鈮低溫真空壓力容器的焊接方法，設(shè)計(jì)兩類焊 接接頭結(jié)構(gòu)形式供選用，即I型環(huán)縫對(duì)接結(jié)構(gòu)和環(huán)形疊接結(jié)構(gòu)；采用真空電子束焊接對(duì)每 個(gè)焊接接頭結(jié)構(gòu)形式依次實(shí)施定位焊、深熔焊兩個(gè)工藝道次。
[0008] 優(yōu)選地，所述環(huán)形疊接結(jié)構(gòu)設(shè)有定位臺(tái)階和溢流槽。
[0009] 優(yōu)選地，對(duì)于每個(gè)焊接接頭結(jié)構(gòu)形式，深熔焊與定位焊之間的時(shí)間間隔不短于 5min。
[0010] 優(yōu)選地，對(duì)于I型環(huán)縫對(duì)接結(jié)構(gòu)，定位焊的聚焦電流為552~572Jf/mA、電子束流 為2(T30Jw/mA、焊接速度為;深熔焊的聚焦電流為562~582Jf/mA、電子束 流為8(Tl00Jw/mA、焊接速度為8~16jV(mm?si、真空室壓力為（4. 5~5. 7)X1(T5/Vmba。 [0011] 優(yōu)選地，對(duì)于環(huán)形疊接結(jié)構(gòu)，定位焊的聚焦電流為56(T570Jf/mA、電子束流為 2(T38Jw/mA、焊接速度為20~30^(臟?s-1);深熔焊的聚焦電流為565~580Jf/mA、電子束流 為65~95Jw/mA、焊接速度為10~15^(臟?si、真空室壓力均為（4. 5~5. 7)X1(T5/Vmba。
[0012] 本發(fā)明的純鈮低溫真空壓力容器的焊接方法采用真空電子束焊接，借助真空電子 束焊機(jī)的真空室提供的真空環(huán)境，并利用電子束作為能量源焊接純鈮薄壁壓力容器構(gòu)件， 隔絕有害氣體對(duì)熔池和焊縫的侵蝕，提高焊縫及熱影響區(qū)金屬的純凈度，從而增強(qiáng)純鈮構(gòu) 件焊接接頭區(qū)域的導(dǎo)電能力，提高了焊接質(zhì)量；只采用二個(gè)道次施焊工藝，大大簡(jiǎn)化了工藝 步驟；對(duì)每個(gè)焊接接頭結(jié)構(gòu)形式依次采用定位焊、深熔焊，焊接質(zhì)量高。
[0013] 本發(fā)明的純鈮低溫真空壓力容器的焊接方法采用優(yōu)化的工藝參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)電子束 流聚焦模式，并減少焊接線能量，以此方式降低接頭區(qū)域局部變形量，提高焊接加工精度。
[0014] 本發(fā)明的純鈮低溫真空壓力容器的焊接方法，對(duì)壓力容器構(gòu)件設(shè)計(jì)并使用兩類典 型焊接接結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)定位臺(tái)階來(lái)提高焊接成型后整體結(jié)構(gòu)精度，并結(jié)合純鈮金屬的熔 化流動(dòng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了溢流槽以改善焊縫形態(tài)，提高焊接接頭的力學(xué)性能。
【附圖說(shuō)明】 [0015]
[0016]下面結(jié)合附圖和本發(fā)明的具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述： 圖1是本發(fā)明中I型環(huán)縫對(duì)接結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明中環(huán)形疊接結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0018]圖3是圖2的A(定位臺(tái)階）部位放大圖。
[0019]圖4是圖2的B(溢流槽）部位放大圖。
[0020] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例中單艙超導(dǎo)腔的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖中： 1為I型環(huán)縫對(duì)接結(jié)構(gòu)，2為環(huán)形疊接結(jié)構(gòu)，3為法蘭盤，4束管(薄壁筒體)，5為加速艙， 6為測(cè)量接管,7為支管、定位臺(tái)階8、溢流槽9。
[0022]【具體實(shí)施方式】
[0023] 本發(fā)明的純鈮低溫真空壓力容器的焊接方法： (1)采用真空電子束焊接技術(shù) 借助真空電子束焊機(jī)自帶的真空室，通過機(jī)械泵、羅茨泵和擴(kuò)散泵等設(shè)備抽真空后能 夠?yàn)榧冣壉”趬毫θ萜鳂?gòu)件的焊接提供一個(gè)相對(duì)真空環(huán)境，與當(dāng)前常規(guī)氬弧焊方法所使用 的空氣環(huán)境內(nèi)氬氣流(Ar)防護(hù)相比，能夠非常有效地隔絕空氣中的氧（0)、氫（H)、氮（N)等 元素對(duì)高溫熔化金屬和焊接熱影響區(qū)的侵蝕，同時(shí)也避免了氬氣（Ar)向焊接熔池中的溶 解現(xiàn)象，純鈮構(gòu)件的金屬純凈度不會(huì)因焊接加工過程而降低，因此本發(fā)明所能達(dá)到的防護(hù) 效能具有顯著的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)充分的試驗(yàn)測(cè)試證實(shí)，使真空電子束焊機(jī)的真空室內(nèi)壓力降低至 I.OXl(r5mba對(duì)應(yīng)的真空度時(shí)，既能夠?qū)冣墭?gòu)件焊接過程提供充足的防護(hù)，也可避免過長(zhǎng) 的抽真空準(zhǔn)備時(shí)間對(duì)各個(gè)泵組的磨損和能源消耗。
[0024] (2)設(shè)計(jì)兩類焊接接頭結(jié)構(gòu)形式供選用，即I型環(huán)縫對(duì)接結(jié)構(gòu)和環(huán)形疊接結(jié)構(gòu) ①I型環(huán)縫對(duì)接結(jié)構(gòu) 圖1所示為I型環(huán)縫對(duì)接結(jié)構(gòu)的示意圖，該類焊接接頭結(jié)構(gòu)形式適用于主承載部位。
[0025] ②環(huán)形疊接結(jié)構(gòu) 圖2所示為環(huán)形疊接結(jié)構(gòu)的示意圖，該類焊接接頭結(jié)構(gòu)形式適用于非主承載部位、容 器端部法蘭與容器筒體連接處。參見圖3,對(duì)該類焊接接頭結(jié)構(gòu)形式增添一個(gè)定位臺(tái)階8來(lái) 改善裝配精度，從而提高焊接成型后整體結(jié)構(gòu)的位置精度，定位臺(tái)階階面的寬度b取為壓 力容器最薄筒體壁厚S的0.2倍為宜。參見圖4,在接縫外側(cè)設(shè)計(jì)一個(gè)溢流槽9有助于改 善焊縫形態(tài)，溢流槽的槽寬a為最薄筒體壁厚S的0.65倍，溢流槽的槽深h小于最薄筒體 壁厚S的1. 2倍。
[0026] I型環(huán)縫對(duì)接結(jié)構(gòu)和環(huán)形疊接結(jié)構(gòu)都是典型的焊接接頭結(jié)構(gòu)形式，本發(fā)明對(duì)環(huán)形 疊接結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)。
[0027] (3)采用兩道次施焊 本發(fā)明簡(jiǎn)化了焊接過程，只采用定位焊、深熔焊兩個(gè)工藝道次即能夠?qū)崿F(xiàn)任意兩構(gòu)件 的優(yōu)質(zhì)焊接，相比于傳統(tǒng)的電子束焊接三道次工藝流程，本發(fā)明能減少第三道次焊接對(duì)焊 縫表面修整的工作量和能源損耗，卻同樣取得美觀的焊縫形貌，同時(shí)防止了該第三道次焊 接的熱循環(huán)過程對(duì)焊接接頭產(chǎn)生晶粒粗化等不良影響。本發(fā)明所稱的定位焊，是指在兩個(gè) 零組件裝配后的接縫圓周上選定均布的多段圓弧區(qū)域(例如12段圓弧區(qū)域，每段圓弧區(qū)域 長(zhǎng)度控制為約15mm)，對(duì)每段圓弧區(qū)域接縫采用較低線能量的電子束流進(jìn)行焊接(線能量具 體數(shù)值參照后附詳細(xì)工藝參數(shù))，以此定位方式來(lái)固定各個(gè)零組件的相對(duì)位置，防止在后續(xù) 深熔焊中由于接縫兩側(cè)金屬受熱后應(yīng)力釋放造成局部錯(cuò)邊量明顯增加而影響最終焊接加 工質(zhì)量；深熔焊是指，電子束流相比于定位焊方式下具有更高的線能量，并且施焊時(shí)應(yīng)確保 相對(duì)于定位焊的完成時(shí)刻，時(shí)間間隔不短于5min。深熔焊完成后，兩零組件即形成了永久性 連接，并且焊縫的正反面成形良好且焊趾過渡平滑、無(wú)咬邊及錯(cuò)邊缺陷，反面余高可控制不 超過0. 30_，全焊縫無(wú)氧化現(xiàn)象，接頭連接強(qiáng)度可靠。
[0028]對(duì)于每個(gè)焊接接頭結(jié)構(gòu)形式，均先采用定位焊工藝，再采用深熔焊工藝。對(duì)于I型環(huán)縫對(duì)接結(jié)構(gòu)，采用上述兩道次施焊可以使接頭焊后的熱收縮變形量穩(wěn)定控制在 0. 2~0. 4_范圍內(nèi)，結(jié)合零部件焊前的長(zhǎng)度公差量控制，即可對(duì)整套壓力容器構(gòu)件實(shí)現(xiàn)高精 度焊接成型。
[0029]本發(fā)明通過優(yōu)化工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束流聚焦模式調(diào)節(jié)，并借助不同聚焦模式下 電子束流熱源效能差異，進(jìn)一步調(diào)節(jié)工藝參數(shù)來(lái)降低焊接線能量，從而減小構(gòu)件的焊接變 形量。
[0030] 對(duì)于l.〇~5.Omm壁厚的I型環(huán)縫對(duì)接結(jié)構(gòu)（如圖1)，本發(fā)明采用的聚焦及工藝參 數(shù)見表1。
[0031] 表1對(duì)接焊縫-焊接工藝規(guī)范參數(shù)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 純鈮低溫真空壓力容器的焊接方法，其特征在于：設(shè)計(jì)兩類焊接接頭結(jié)構(gòu)形式供選 用，g卩I型環(huán)縫對(duì)接結(jié)構(gòu)和環(huán)形疊接結(jié)構(gòu)；采用真空電子束焊接對(duì)每類焊接接頭結(jié)構(gòu)形式 依次實(shí)施定位焊、深熔焊兩個(gè)工藝道次。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的純鈮低溫真空壓力容器的焊接方法，其特征在于：所述環(huán)形 疊接結(jié)構(gòu)設(shè)有定位臺(tái)階和溢流槽。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的純鈮低溫真空壓力容器的焊接方法，其特征在于：對(duì)于每個(gè) 焊接接頭結(jié)構(gòu)形式，深熔焊與定位焊之間的時(shí)間間隔不短于5min。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的純鈮低溫真空壓力容器的焊接方法，其特征在于：對(duì)于I型 環(huán)縫對(duì)接結(jié)構(gòu)，定位焊的聚焦電流為552~572Jf/mA、電子束流為2(T30Jw/mA、焊接速度為 20~30以(臟?s-1);深熔焊的聚焦電流為562~582Jf/mA、電子束流為8(Tl00Jw/mA、焊接速 度為8~16f/(mm?s〇、真空室壓力均為（4. 5~5. 7)X10 5/Vmba。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的純鈮低溫真空壓力容器的焊接方法，其特征在于：對(duì)于環(huán) 形疊接結(jié)構(gòu)，定位焊的聚焦電流為56(T570Jf/mA、電子束流為2(T38Jw/mA、焊接速度為 20~30以(臟?s-1);深熔焊的聚焦電流為565~580Jf/mA、電子束流為65~95Jw/mA、焊接速度 為 10~15F/(mm?s〇、真空室壓力均為（4. 5~5. 7)X10 5/Vmba。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于純鈮低溫真空薄壁壓力容器的真空電子束焊接方法，包括如下技術(shù)要點(diǎn)：兩道次焊接、低線能量輸入控制、兩類接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本發(fā)明采用的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：無(wú)有害氣體侵蝕、焊縫質(zhì)量好，x射線檢測(cè)證實(shí)無(wú)超標(biāo)氣孔、未熔合、裂紋等缺陷；焊接接頭區(qū)域?qū)щ娔芰?qiáng)；構(gòu)件焊接變形量小，壓力容器整體成型精度高。
【IPC分類】B23K15-04
【公開號(hào)】CN104690409
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310663169
【發(fā)明人】王勇, 潘麗華, 毛冬青, 沈慧萍, 周鷹龍
【申請(qǐng)人】上海新力動(dòng)力設(shè)備研究所
【公開日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2013年12月10日