大厚度板真空電子束焊接機真空室的研制

馬 斌　賀云艷　謝桂紅　李 震

大厚度板真空電子束焊接機真空室的研制

馬 斌賀云艷謝桂紅李 震

（桂林獅達機電技術工程有限公司，廣西 桂林 541004）

根據大厚度復合鋼板真空電子束焊接的要求，研制了一臺專用電子束焊接機，解決了大型真空室箱體在高真空狀態下的變形問題，采用合理的真空密封結構和X射線的屏蔽防護，保證了焊接過程的穩定可靠，很好地滿足了生產需求。

真空室；變形；密封；X射線的屏蔽防護

隨著我國工業建設的高速發展，裝備制造業對鋼板的厚度、質量的要求不斷提高，大厚度復合鋼板生產工藝有必要采取有別于傳統工藝的方法，真空電子束焊接成為一種較好的選擇。針對大厚度復合鋼板的焊接專機是解決此問題的關鍵，桂林獅達機電技術工程有限公司在電子束焊機技術的基礎上，研制出一種結構合理、密封可靠、帶X射線的屏蔽防護的真空室，在實際生產中已得到了應用，較好地滿足了裝備制造業的需求。

1　設計參數要求

真空室是電子束焊接設備的主要部件之一，電子束焊接的生產工藝過程都是在真空室中進行。真空室主要由箱體、門和法蘭組成。由于使用的要求不同，真空室有圓形和盒形等結構。盒形箱體制造復雜，耗費金屬材料多，但其內部可利用的空間大，適合于大厚度復合鋼板平穩地進出真空室。

根據真空電子束焊接的特點，用于大厚度復合鋼板焊接的真空室有下列要求：

（1）真空室在工作時承受0.1MPa大氣壓，真空室的變形量應控制在≤0.5mm。箱體采用盒形結構，門采用平板結構；

（2）門和法蘭選用可靠的密封形式，真空室的漏氣率≤10-7Pa·L/s；

（3）可靠的X射線的屏蔽防護，應對任何工作人員的職業照射水平進行控制：一年中的有效劑量≤50mSv。

2　部件設計

2.1箱體和門

箱體由五個平面構成，門設置在箱體面積最小的平面上。箱體和門的厚度可按矩形平板計算，為了減少板材的厚度，在箱體和門的外殼使用矩形加強筋。

箱體和門的已知參數如下，在計算時要選擇面積最大的面進行計算，尺寸如圖1所示：

箱體和門的材料為16Mn，其常溫下材料的抗拉強度σb=480 MPa；

溫度t平均=20℃；工作溫度下材料的屈服極限σs=310 MPa；

B=520cm，b=50cm，L=500cm，l=50cm，箱體高H=250cm；

板周邊固定，受外壓0.1MPa，不做水壓試驗p=0.098MPa①按強度極限確定彎曲時許用應力

圖1　箱體示意圖

式中，合金鋼材料安全系數nb=3.0

②按屈服極限確定彎曲時許用應力

式中，合金鋼材料安全系數ns=1.6

③確定最小厚度

壁厚附加量C=C1+C2+C3=0.08+0.1+0≈0.2 ［cm］

殼體實際壁厚S=S0+C=0.9+0.2=1.1 ［cm］

實際取S=3.5cm

④校核應力

滿足了應力要求。

⑤選矩形截面加強筋，如圖2所示，寬與高之比為1/10，計算所需要的截面模量

式中，K——系數，與筋兩端的固定方式有關，剛性固定取K=12

計算加強筋寬度

圖2　加強筋的剖面圖

加強筋的尺寸：

實際取橫筋 SP1=3.5cm，高hp1=30cm，SP2=3.5cm，高hp2=30cm

⑥計算加強筋和壁聯合的截面模量

加強筋的截面積

壁部分的截面積

加強筋截面的慣性矩（對通過其質心而平行于壁面的軸線）

壁部分截面的慣性矩（對通過其質心而平行于壁面的軸線）

由壁到聯合重心的距離

加強筋與壁聯合作用的截面模量

⑦校核應力

即箱體的設計滿足應力要求。同理，門的設計能滿足應力要求，此不贅述。

大厚度復合鋼板的焊接在真空室內進行，真空室的內部裝配有XY工作臺、升降臺和旋轉工作臺等精密的運動機構。在真空室承壓的工作狀態下，對箱體的五個平面進行變形量的測量，變形量在0.2 ～ 0.4mm范圍內，符合設計要求，這就保證了真空室內部的運動機構的精度及穩定地運行，從而滿足大厚度復合鋼板的焊接精度的要求。

2.2門和法蘭的密封設計

為了隔絕大氣，要求通過密封途徑將真空室的漏氣率限制在10-7Pa·L/s的范圍之內，大厚度復合鋼板的電子束焊接設備一般需要的真空度為10-2～10-3Pa。正確地設計密封結構、選擇適當的密封材料是決定真空室的質量好壞的關鍵之一。

電子束焊接設備的門、法蘭與箱體之間的密封設計為可反復拆卸的靜密封結構。設計時，密封槽的截面積要大于密封圈的截面積，且能允許密封圈的截面高度壓縮25%。為了避免密封槽端口處的棱角劃傷密封圈，密封槽的端角處應有R0.5的倒角，以消除密封圈的損傷在受力后會蔓延擴大導致密封失效的隱患。門、法蘭的密封槽設計結構如圖3所示：

圖3　密封槽及密封圈壓縮前后的示意圖

密封材料選擇丁腈橡膠，此類橡膠具有優異的耐油、耐水、耐熱和較低的透氣性，壓縮永久變形小，使用壽命長，適用溫度為-25℃～150℃，可在10-4Pa的高真空范圍內廣泛使用。

真空室組裝完畢后，將真空室的真空度抽到10-2Pa后進行保壓檢測，15小時后真空室的真空度下降至100Pa以內，計算其漏氣率為10-8Pa·L/s，符合設計要求。

2.3X射線的屏蔽防護

電子束焊接設備在常態下工作時，電子槍發生器中的陰極燈絲加熱到一定溫度時會逸出電子，逸出電子在陰極和陽極之間的數十千伏的高壓電場中被加速，通過磁透鏡聚焦后，形成高能量的電子束，當電子束轟擊金屬焊件的表面時，電子束總能量的1%左右的動能轉換為X射線。X射線有波長短、能量高、具有很強的貫穿能力的特征。由于置于真空室內的焊件的周圍沒有任何屏蔽物質，故X射線呈漫散射狀態向真空室內的空間發射，進而穿透箱體的薄弱部位，這對長期在設備前操作的人員的健康是危害極大的。正確設計X射線的屏蔽結構、選擇適當的材質是X射線防護的關鍵。

X射線通過材料時以近似指數的形式衰減，當量劑量指數隨著材料厚度的增加而逐漸下降。在工作電壓低于100kV時，箱體為16Mn、δ3.5cm的材質能有效地阻止連續X射線的輻射。設計真空室時，還要采取以下措施：

（1）箱體壁板之間的焊縫應設計成階梯狀止口，防止X射線穿透焊縫而輻射出來。真空室的外部焊縫為斷續焊接以加強箱體的強度，真空室內的焊縫為連續焊接以確保真空的密封性能。如圖4所示：

圖4　階梯止口焊縫

（2）密封部位（如門、法蘭）設計成迷宮結構，使X射線從其縫隙出來必須經過多次散射。X射線每散射一次，其強度下降幾個數量級，經多次散射后，其強度即可下降到允許的劑量值。如圖5所示：

圖5　迷宮結構

（3）為便于觀察電子束焊接的工藝過程，在真空室的箱體側面或門上開設觀察窗。觀察窗設計為可反復拆卸的鋼化玻璃加鉛玻璃的結構。設計時，鋼化玻璃放置在內層，承受真空室的內外壓力差；鋼化玻璃與座之間采用靜密封結構，保證真空室的密封性能；鉛玻璃放置在外層，適當厚度的鉛玻璃將X射線屏蔽；座設計為階梯結構，有效地防止X射線從某些縫隙中泄露。如圖6所示：

圖6　觀察窗示意圖

在電子束焊接機制造完畢后，委托當地核與輻射安全監督站對該焊接機周圍進行輻射空氣吸收劑量率進行監測，監測結果均＜120nSv/h，即年有效劑量約為0.96mSv/年≤50mSv/年，符合X射線的屏蔽防護的要求。

3　結論

經過三年多的連續生產實踐表明，桂林獅達機電技術工程有限公司設計制造的大厚度復合鋼板真空電子束焊接機工作穩定可靠，各方面性能良好，所生產的鋼板完全達到了生產標準，較好地滿足了客戶的需求，為企業創造了新的經濟效益。

［1］ 達道安.真空設計手冊（第3版）［M］.北京：國防工業出版社，2006.

［2］ 陳大先.機械設計手冊（第5版）［M］.北京：化學工業出版社，2008.

［3］ 張以忱.電子槍與離子束技術［M］.北京：冶金工業出版社，2004.

［4］ 史戎堅.電子加速器工業應用導論［M］.北京：中國質檢出版社，2012.

Design and manufacture of electron beam welding machine vacuum chamber

Design and manufacture of vacuum electron beam welding device according to the demand of welding of the large thick plates are introduced in this paper. Solve the large vacuum chamber casing deformation under high vacuum. Adopt the reasonable structure of vacuum sealing and X ray shielding protection， the stabilization and credibility during welding process are ensured and the demand of production are well satisfied.

Vacuum chamber； deformation； seal； X ray shielding protection

TG47

A

1008-1151（2016）02-0077-03

2016-01-10

火炬計劃項目（2009GH010181）；創新基金項目（05C26224501279）；創新基金項目（10C26224502821）。

馬斌（1968－），女，桂林獅達機電技術工程有限公司工程師，研究方向為電子束設備的研發制造及電子束加工工藝。