大厚度板真空電子束焊接機(jī)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(jī)真空室的研制

馬 斌賀云艷謝桂紅李 震

（桂林獅達(dá)機(jī)電技術(shù)工程有限公司，廣西 桂林 541004）

根據(jù)大厚度復(fù)合鋼板真空電子束焊接的要求，研制了一臺(tái)專用電子束焊接機(jī)，解決了大型真空室箱體在高真空狀態(tài)下的變形問題，采用合理的真空密封結(jié)構(gòu)和X射線的屏蔽防護(hù)，保證了焊接過程的穩(wěn)定可靠，很好地滿足了生產(chǎn)需求。

真空室；變形；密封；X射線的屏蔽防護(hù)

隨著我國工業(yè)建設(shè)的高速發(fā)展，裝備制造業(yè)對鋼板的厚度、質(zhì)量的要求不斷提高，大厚度復(fù)合鋼板生產(chǎn)工藝有必要采取有別于傳統(tǒng)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(fù)合鋼板的焊接專機(jī)是解決此問題的關(guān)鍵，桂林獅達(dá)機(jī)電技術(shù)工程有限公司在電子束焊機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制出一種結(jié)構(gòu)合理、密封可靠、帶X射線的屏蔽防護(hù)的真空室，在實(shí)際生產(chǎn)中已得到了應(yīng)用，較好地滿足了裝備制造業(yè)的需求。

1　設(shè)計(jì)參數(shù)要求

真空室是電子束焊接設(shè)備的主要部件之一，電子束焊接的生產(chǎn)工藝過程都是在真空室中進(jìn)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(jié)構(gòu)。盒形箱體制造復(fù)雜，耗費(fèi)金屬材料多，但其內(nèi)部可利用的空間大，適合于大厚度復(fù)合鋼板平穩(wěn)地進(jìn)出真空室。

根據(jù)真空電子束焊接的特點(diǎn)，用于大厚度復(fù)合鋼板焊接的真空室有下列要求：

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

（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(hù)，應(yīng)對任何工作人員的職業(yè)照射水平進(jìn)行控制：一年中的有效劑量≤50mSv。

2　部件設(shè)計(jì)

2.1箱體和門

箱體由五個(gè)平面構(gòu)成，門設(shè)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(jì)算，為了減少板材的厚度，在箱體和門的外殼使用矩形加強(qiáng)筋。

箱體和門的已知參數(shù)如下，在計(jì)算時(shí)要選擇面積最大的面進(jìn)行計(jì)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(qiáng)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(yàn)p=0.098MPa①按強(qiáng)度極限確定彎曲時(shí)許用應(yīng)力

圖1　箱體示意圖

式中，合金鋼材料安全系數(shù)nb=3.0

②按屈服極限確定彎曲時(shí)許用應(yīng)力

式中，合金鋼材料安全系數(shù)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(shí)際壁厚S=S0+C=0.9+0.2=1.1 ［cm］

實(shí)際取S=3.5cm

④校核應(yīng)力

滿足了應(yīng)力要求。

⑤選矩形截面加強(qiáng)筋，如圖2所示，寬與高之比為1/10，計(jì)算所需要的截面模量

式中，K——系數(shù)，與筋兩端的固定方式有關(guān)，剛性固定取K=12

計(jì)算加強(qiáng)筋寬度

圖2　加強(qiáng)筋的剖面圖

加強(qiáng)筋的尺寸：

實(shí)際取橫筋 SP1=3.5cm，高h(yuǎn)p1=30cm，SP2=3.5cm，高h(yuǎn)p2=30cm

⑥計(jì)算加強(qiáng)筋和壁聯(lián)合的截面模量

加強(qiáng)筋的截面積

壁部分的截面積

加強(qiáng)筋截面的慣性矩（對通過其質(zhì)心而平行于壁面的軸線）

壁部分截面的慣性矩（對通過其質(zhì)心而平行于壁面的軸線）

由壁到聯(lián)合重心的距離

加強(qiáng)筋與壁聯(lián)合作用的截面模量

⑦校核應(yīng)力

即箱體的設(shè)計(jì)滿足應(yīng)力要求。同理，門的設(shè)計(jì)能滿足應(yīng)力要求，此不贅述。

大厚度復(fù)合鋼板的焊接在真空室內(nèi)進(jìn)行，真空室的內(nèi)部裝配有XY工作臺(tái)、升降臺(tái)和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)等精密的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在真空室承壓的工作狀態(tài)下，對箱體的五個(gè)平面進(jìn)行變形量的測量，變形量在0.2 ～ 0.4mm范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求，這就保證了真空室內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度及穩(wěn)定地運(yùn)行，從而滿足大厚度復(fù)合鋼板的焊接精度的要求。

2.2門和法蘭的密封設(shè)計(jì)

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(nèi)，大厚度復(fù)合鋼板的電子束焊接設(shè)備一般需要的真空度為10-2～10-3Pa。正確地設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)、選擇適當(dāng)?shù)拿芊獠牧鲜菦Q定真空室的質(zhì)量好壞的關(guān)鍵之一。

電子束焊接設(shè)備的門、法蘭與箱體之間的密封設(shè)計(jì)為可反復(fù)拆卸的靜密封結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)，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(yīng)有R0.5的倒角，以消除密封圈的損傷在受力后會(huì)蔓延擴(kuò)大導(dǎo)致密封失效的隱患。門、法蘭的密封槽設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(yōu)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(nèi)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(jìn)行保壓檢測，15小時(shí)后真空室的真空度下降至100Pa以內(nèi)，計(jì)算其漏氣率為10-8Pa·L/s，符合設(shè)計(jì)要求。

2.3X射線的屏蔽防護(hù)

電子束焊接設(shè)備在常態(tài)下工作時(shí)，電子槍發(fā)生器中的陰極燈絲加熱到一定溫度時(shí)會(huì)逸出電子，逸出電子在陰極和陽極之間的數(shù)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(dāng)電子束轟擊金屬焊件的表面時(shí)，電子束總能量的1%左右的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為X射線。X射線有波長短、能量高、具有很強(qiáng)的貫穿能力的特征。由于置于真空室內(nèi)的焊件的周圍沒有任何屏蔽物質(zhì)，故X射線呈漫散射狀態(tài)向真空室內(nèi)的空間發(fā)射，進(jìn)而穿透箱體的薄弱部位，這對長期在設(shè)備前操作的人員的健康是危害極大的。正確設(shè)計(jì)X射線的屏蔽結(jié)構(gòu)、選擇適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)是X射線防護(hù)的關(guān)鍵。

X射線通過材料時(shí)以近似指數(shù)的形式衰減，當(dāng)量劑量指數(shù)隨著材料厚度的增加而逐漸下降。在工作電壓低于100kV時(shí)，箱體為16Mn、δ3.5cm的材質(zhì)能有效地阻止連續(xù)X射線的輻射。設(shè)計(jì)真空室時(shí)，還要采取以下措施：

（1）箱體壁板之間的焊縫應(yīng)設(shè)計(jì)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(xù)焊接以加強(qiáng)箱體的強(qiáng)度，真空室內(nèi)的焊縫為連續(xù)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(shè)計(jì)成迷宮結(jié)構(gòu)，使X射線從其縫隙出來必須經(jīng)過多次散射。X射線每散射一次，其強(qiáng)度下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)，經(jīng)多次散射后，其強(qiáng)度即可下降到允許的劑量值。如圖5所示：

圖5　迷宮結(jié)構(gòu)

（3）為便于觀察電子束焊接的工藝過程，在真空室的箱體側(cè)面或門上開設(shè)觀察窗。觀察窗設(shè)計(jì)為可反復(fù)拆卸的鋼化玻璃加鉛玻璃的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)，鋼化玻璃放置在內(nèi)層，承受真空室的內(nèi)外壓力差；鋼化玻璃與座之間采用靜密封結(jié)構(gòu)，保證真空室的密封性能；鉛玻璃放置在外層，適當(dāng)厚度的鉛玻璃將X射線屏蔽；座設(shè)計(jì)為階梯結(jié)構(gòu)，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(jī)制造完畢后，委托當(dāng)?shù)睾伺c輻射安全監(jiān)督站對該焊接機(jī)周圍進(jìn)行輻射空氣吸收劑量率進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)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(hù)的要求。

3　結(jié)論

經(jīng)過三年多的連續(xù)生產(chǎn)實(shí)踐表明，桂林獅達(dá)機(jī)電技術(shù)工程有限公司設(shè)計(jì)制造的大厚度復(fù)合鋼板真空電子束焊接機(jī)工作穩(wěn)定可靠，各方面性能良好，所生產(chǎn)的鋼板完全達(dá)到了生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，較好地滿足了客戶的需求，為企業(yè)創(chuàng)造了新的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊（第3版）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

［2］ 陳大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第5版）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［3］ 張以忱.電子槍與離子束技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

［4］ 史戎堅(jiān).電子加速器工業(yè)應(yīng)用導(dǎo)論［M］.北京：中國質(zhì)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(jì)劃項(xiàng)目（2009GH010181）；創(chuàng)新基金項(xiàng)目（05C26224501279）；創(chuàng)新基金項(xiàng)目（10C26224502821）。

馬斌（1968－），女，桂林獅達(dá)機(jī)電技術(shù)工程有限公司工程師，研究方向?yàn)殡娮邮O(shè)備的研發(fā)制造及電子束加工工藝。