超高真空重离子加速器冷却储存环的焊接

liu

结合超高真空对焊缝的要求，通过对板厚为2 mm的超高真空重离子加速器冷却储存环中一个零件的焊接工艺分析，总结了不锈钢超高真空容器薄壁件的焊接要点。关键词：超高真空；薄壁；焊接

Welding process analysis of a thin—wall part used in UHV system
WU Zhi—hong
(Lanzhou Vacuum Equipment Co．，Ltd．，Lanzhou 730050，China)

Abstract：A welling process is summarized and discussed to a thin-wall pipe of the cooling storage ring of UHV heavy-ion accelerator，of which the wall thickness δ=2 mm，according to the ultra-high vacuum equirements for seam welding．
Key words：ultra-high vacuum；thin-wall part；seam welding
    表面物理化学研究、粒子加速器和储存环、等离子体物理和热核聚变、半导体集成电路制造、超纯度材料冶炼、宇宙空间模拟研究、低温能源技术和宇宙观察红外望远镜等现代尖端科学都需要运用超高真空技术。由于超高真空获得的成本很高，目前绝大多数项目还处于研究院所和大学实验室中。该类设备一般具有复杂的外形，严格的形位公差尺寸，相当一部分真空室体部件具有低导磁率、薄壁、焊后无法进行机械加工的特点和极小的漏率要求。为满足这些技术，必须对材料选择、焊接措施和清洁处理等关键环节进行严格控制。在设计制造过程中特别要考虑焊接质量，必须采用合理的焊接结构和工艺措施满足设计要求。

1 超高真空容器对焊缝的要求

    在真空机组配置确定的情况下，设备所能达到的极限压力取决于由系统外部流向系统内部的总漏率Qo与虚漏所形成的总“漏”率∑Q1之和的大小及抽气系统的有效抽速。
    真空技术中所讲的漏孔是指当封闭的容器内部与外部的气体压力或浓度不同时，可以使气体由器壁的一侧泄露到另一侧去的小孑L、缺陷、或隙缝以及渗透元件或漏气装置。漏孔由于尺寸微小、形状复杂，无法用几何尺寸表示其大小，所以一般用等效流导或者漏气速率(简称“漏率”)来表示其大小，单位为Pa·L/s。
    焊缝是真空制造工艺中最容易产生漏孔的区域之一，常见的焊缝外观缺陷及其它缺陷，如未熔合、未焊透、夹渣、气孔、裂纹及内应力都是超高真空系统中的漏孔或者虚漏源的隐患。为了最大程度地减少焊缝缺陷，便于检测，超高真空要求焊接的零部件使焊缝尽量处在真空侧，大气侧焊缝仅作为间断加强焊缝，同时使最大数量的焊缝能在制造阶段分别测试，在最终装配前给予矫正。由于一些零部件的截面尺寸小，内壁施焊受到限制，某些部位只能采用大气侧焊缝，焊缝应一次焊好，以避免两次焊接时造成有害空间，那么必须保证单面焊双面成型的效果优良。
    另外还应该指出，由于压差、振动和热循环等原因在接头内产生的应力和应变，可能会使含有缺陷的焊缝产生裂纹从而使焊缝受损，或者在使用过程中焊缝受腐蚀，这样就可能形成漏点。
    因而所采用的焊接方法必须在这些条件下能使焊缝的漏率满足技术要求。
    目前，超高真空容器普遍采用奥氏体不锈钢。应该讲，奥氏体不锈钢的可焊性和焊接工艺性是良好的，为什么要提出超高真空容器对焊缝的要求呢?其原因是超高真空容器要求泄漏率很低，也带来对焊缝密封性的苛刻要求，微小的泄漏难检、难补、难消除。实践证明，非超高真空容器通常采用压力检漏法不能满足超高真空容器漏率的要求，亦即在压力检漏检不出漏点的情况下，采用氦质谱检漏，仍可能发现漏孔，达不到漏率要求。因此对超高真空容器来讲，须采用高灵敏度的氦质谱进行检漏。
    为保证焊缝满足超高真空容器漏率的要求，针对奥氏体不锈钢，焊接工艺上主要应解决两个问题，一是防止热裂纹的产生，其产生机理是在焊缝一次结晶中，低熔点共晶物聚积在焊缝中心线处，在热应力的作用下形成。同时应防止碳化物形成，造成脆硬组织裂纹。二是尽可能减少焊接缺陷的产生。

2 超高真空重离子加速器冷却储存环对焊接的要求

    HIRFL-CSR超高真空室体结构特点：薄壁、弧形、截面多为矩形。材料为316LN、316L或304L奥氏体不锈钢。
    奥氏体不锈钢材料主要特点：导热系数小、线膨胀系数大。因此工件在自由状态焊接时易于产生较大的焊接变形，焊接后收缩大，几何尺寸难以保证。
    薄壁件的特点：截面尺寸小，刚性差、变形量大，焊后不易加工。
    作为研究实验设备，超高真空重离子加速器冷却储存环对焊接有其独特的要求，焊缝漏率小于1×10-8Pa·L/s，最大焊接变形量≤O.5 mm。因此
    综合考虑好奥氏体不锈钢和薄壁件的焊接特点，使焊接后的几何尺寸满足技术要求。

3 焊接解决方案

    解决上述问题应着手从材料、焊接方法、焊接措施三个方面进行。
    材料方面，母材和焊接材料尽可能选择超低碳不锈钢，并应严格控制S、P等杂质。一方面，防止低熔点共晶物的产生，同时未稳定的不锈钢焊接时易产生碳化物的析出问题，而超低碳不锈钢例如304L和316L，因为它们的成分是低碳的，在426oC～871oC范围内对碳化物析出的敏感性小，它们对碳化物析出是充分免疫的，易于焊接而不会使热影响区的耐蚀性损失。另一方面防止热裂纹的产生，由于焊缝金属的合金组成对热裂纹敏感性问题是非常重要的，母材、填充金属必须具有合适的成分，获得合理的焊缝合金组成，焊接时采用相应的工艺保障措施来提高熔池的冷却速度，如短弧焊、低线能量、窄焊道技术等，就可以避免热裂纹。
    氩弧焊是目前普遍采用的焊接超高真空奥氏体不锈钢薄壁件的方法。氩弧焊具有以下突出优点。
    ①由于氩气的保护，被焊金属和焊丝中合金元素不易烧损，焊缝成分易于控制。
    ②弧焊过程中的电弧还有自动清除表面氧化物的作用，因此可成功地焊接易氧化、氮化、化学活泼性强的有色金属、不锈钢和各种合金。
    ③电弧稳定，即使在很小的焊接电流(＜10 A)下仍可稳定地燃烧，特别适用于薄板和超薄板材料的焊接。
    ④焊缝区无熔渣，焊工在操作时可以清楚地看到熔池和焊缝的形成过程，便于操作。
    ⑤背面熔透良好且液态金属不易流散，是实现单面焊双面成形的理想方法。
    ⑥焊缝质量高，又由于热源集中，所以焊接时的热影响区小，有利于改善焊缝接头的残余应力和内部组织，工件变形小，保证了工件的气密性和力学性能。
    用氩弧焊焊接的焊缝完全能达到超高真空技术要求的焊缝漏率，而且焊缝组织的物理、化学性能均能达到超高系统的设计要求。
    奥氏体不锈钢薄壁结构焊接件最难解决的问题是收缩和变形。对于奥氏体不锈钢薄壁结构焊接件在无法进行机械加工时，必须实现按计算出的收缩量欲留收缩余量、焊接变形的预防及焊接结构变形的矫正等特殊的焊接工艺措施，以保证工件焊接后的几何尺寸。需要强调的一点是，焊接变形是难免的，重要的是施焊过程中必须采取特殊的焊接工艺措施，减少焊接变形，控制焊接变形方向，使工件最终焊接完毕后恢复原来形状或者使工件变形易于矫正以满足设计要求。
    另外采用高精度的数控激光切割下料来降低焊接前的材料变形。
4 实例分析

    图1是我公司为中科院某研究所制造的HIRFL-CSR中一个零件的截面焊接结构示意图。工件外观轮廓是弧度为6o的弧形，中心半径尺寸7643mm，截面为矩形。焊缝漏率小于1×10-8 Pa·L／s。

4．1 材料的选择
采用瑞典AVESTY公司的316L奥氏体不锈钢。母材化学成分见表 1。
表 1 母材化学成分（德国钢材标准）
Table 1 Composition of materiel to be welded(according to DIN)

型 号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni
	≤%
316L	0.03	1.00	2.00	0.045	0.030	16.5～18.5	2.50～3.00	11.00～14.00

从重离子加速器实验技术角度讲，316L具有较高的耐腐蚀性和蠕变强度，导磁率小于1.01，是制造加速器冷却储存环的理想材料。从焊接材料角度讲，316L属于超低碳不锈钢，它们对碳化物析出是充分免疫的。根据板厚尺寸焊接时填充316焊丝或直接熔焊均可获得理想的焊缝金属合金组成，可以有效防止焊缝金属中或热影响区中的热裂纹，减小漏孔的出现。从超高真空焊接结构来看，I处角接焊缝处于真空侧，符合超高真空对焊缝的设计要求。Ⅱ处对接焊缝处于大气侧，因此该处焊缝的焊接质量是此工件的关键之处，必须保证单面焊双面成形效果优良。为达到这一点，Ⅱ处焊缝施焊时，管内应通氩气保护，确保背面成形优良，防止内表面氧化。
4．2 焊接前的清洁要求
施焊场地为专用洁净室。工件毛坯采用物理和化学方法去除表面的氧化物层和其它污染物，满足超高真空卫生要求。在整个施焊过程中保证工件的清洁度，防止工件二次污染。
4．3 焊接设备
焊接方法采用手工非熔化极气体保护焊(氩弧焊)。焊接设备选用TiG方波氩弧焊机(美国林肯SQTiG355)。设备具备高频起弧、方波整流、衰减收弧功能，并且有先进的小电流技术、平稳、可控制的聚集电弧。
4．4 焊接结构和方法
采用不开地口不埴充焊丝熔化焊。I处焊缝角高(1～1.5)mm。Ⅱ处焊缝余高(O.5～1)mm。经过计算和试验，立板预留焊缝收缩余量0.4 mm，以确保焊接后零件的几何尺寸。施焊时将工件刚性约束固定在板厚为40 mm的平板上，减少焊接变形和加速散热速度，提高焊接熔池的冷却速度，降低热裂纹倾向。刚性固定尽可能使焊缝处于平焊位置，保证焊缝成形优良。每道焊缝分成几段、几次施焊，使后序焊缝矫正，减少上一次焊接引起的工件变形。根据工件变形情况，随时调整焊接顺序和方向，控制工件整体的变形方向，使工件易于整形。
实际操作中，在不妨碍视线的情况下，尽量采用短弧，增强保护效果。焊嘴尽量垂直或保持与工件表面较大的夹角。充分利用方波氩弧焊机具有的平稳、可控制的聚集电弧选择合理、稳定的低线能量和熔合比，控制熔池大小，形成窄焊道。这样可以减少热
影响区宽度，防止工件变形，保证I、Ⅱ处焊缝金属合金组成稳定，有效避免了热裂纹。收弧时利用TIG方波氩弧焊机的优点，衰减收弧，防止缩孔、弧坑裂纹等表面缺陷，进一步有效地防止热裂纹。
需要强调，I处焊缝施焊后先进行氦质谱检漏，合格后再焊Ⅱ处焊缝。
4．5 焊接工艺参数
表2为具体施焊时的工艺参数。

表2 施焊工艺参数
Table 2 Welding parameters

焊缝位置	焊接层数	焊接电流(A)	焊接速度(mm/min)	氩气(%)	电源特性	电极棒规格(mm)
I	1	50～60	140～160	99.999	直流正极	铈钨棒￠2.4
II	1	50～60	140～160	99.999	直流正极	铈钨棒￠2.4

4．6 检验
外观检查：工件外表面焊缝成型好，无表面缺陷。满足超高真空技术对焊缝的外观要求。
尺寸检测：工件满足设计尺寸要求。
漏率检测：采用VARIAN公司的高灵敏度氦质谱检漏仪(最小可检漏率小于1×10-9Pa·L／s)
检测，焊缝总漏率小于1×10-8 Pa·L／s，符合设计
要求。

5 结论

通过上述分析和检验结果，总结出不锈钢超高真空容器薄壁件的焊接要点。
①由于超低碳不锈钢对碳化物析出是充分免疫的，母材应尽可能选用超低碳不锈钢。
②焊接过程中工件及施焊场地保持清洁，符合超高真空卫生要求。
③采用氩弧焊焊接方法，实现单面焊双面成型效果优良。
④采用短弧焊、低线能量、窄焊道控制接头金属合金组成，解决热裂纹问题。
⑤预留收缩余量，采取刚性约柬、加怏工件的散热速度、调整焊接顺序等工艺措旒，矫丁F、减少和控制工件峦形。
⑥衰减收弧，防止弧坑裂纹。
以上工艺措施已用于我公司在超高真空不锈钢薄壁容器的批量生产。