CN104690409A - 纯铌低温真空压力容器的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于纯铌低温真空薄壁压力容器的真空电子束焊接方法，包括如下技术要点：两道次焊接、低线能量输入控制、两类接头结构设计。本发明采用的方法，与现有技术相比，其优点和有益效果是：无有害气体侵蚀、焊缝质量好，x射线检测证实无超标气孔、未熔合、裂纹等缺陷；焊接接头区域导电能力强；构件焊接变形量小，压力容器整体成型精度高。

Description

纯铌低温真空压力容器的焊接方法
 
技术领域
本发明涉及压力容器的加工制造焊接技术领域，尤其是涉及一种具有低温超导特性的有色金属纯铌（Nb）的低温真空薄壁压力容器的焊接方法。即对低温超导技术条件下使用的纯铌真空压力容器壳体的真空电子束焊接方法。
 
背景技术
纯铌材料由于具有低温超导特性，成为国际工程物理技术领域中研制“大型高能直线加速器”、“同步辐射加速器”和“自由电子激光器”等尖端设备所必需的低温真空薄壁压力容器的关键金属原料。超导腔作为加速器的心脏部件就是此类纯铌薄壁压力容器的典型代表产品，其工作于低温液氦环境中，腔体内部为带电粒子束流定向运动提供10-8mba以上的超高真空通道，粒子经过各个舱段时均受到一次电场加速作用，从而获得持续稳定的高速、高能带电粒子流。该类压力容器的主体通常设计为薄壁回转形结构壳体，且壳体外部带有支管、法兰等零件。目前，行业内主要采用氩弧焊（TIG）方法实现该类压力容器主体部件、外部支管和法兰等零组件的连接成型，但现有技术对焊缝成形及接头热影响区范围、有害气体防护等技术要点控制尚不理想；另外，现有技术未能对焊接接头的结构形式添加例如定位台阶等控制成型精度的方法，易导致焊接加工后压力容器的焊接接头局部呈现出明显超差的变形。因而，对于纯铌薄壁压力容器的焊接接头力学性能、产品的导电性能以及整体结构成型精度均产生不利影响。
 
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于纯铌低温真空压力容器的焊接方法，工艺简单，焊接质量高。
为达到本发明的目的，提供一种纯铌低温真空压力容器的焊接方法，设计两类焊接接头结构形式供选用，即Ⅰ型环缝对接结构和环形叠接结构；采用真空电子束焊接对每个焊接接头结构形式依次实施定位焊、深熔焊两个工艺道次。
优选地，所述环形叠接结构设有定位台阶和溢流槽。
优选地，对于每个焊接接头结构形式，深熔焊与定位焊之间的时间间隔不短于5min。
优选地，对于Ⅰ型环缝对接结构，定位焊的聚焦电流为552~572 I f/mA、电子束流为20~30I w/mA、焊接速度为20~30v/(mm·s-1)；深熔焊的聚焦电流为562~582 I f/mA、电子束流为80~100I w/mA、焊接速度为8~16v/(mm·s-1)、真空室压力为(4.5~5.7)×10-5 P/mba。
优选地，对于环形叠接结构，定位焊的聚焦电流为560~570 I f/mA、电子束流为20~38I w/mA、焊接速度为20~30v/(mm·s-1)；深熔焊的聚焦电流为565~580 I f/mA、电子束流为65~95I w/mA、焊接速度为10~15v/(mm·s-1)、真空室压力均为(4.5~5.7)×10-5 P/mba。
本发明的纯铌低温真空压力容器的焊接方法采用真空电子束焊接，借助真空电子束焊机的真空室提供的真空环境，并利用电子束作为能量源焊接纯铌薄壁压力容器构件，隔绝有害气体对熔池和焊缝的侵蚀，提高焊缝及热影响区金属的纯净度，从而增强纯铌构件焊接接头区域的导电能力，提高了焊接质量；只采用二个道次施焊工艺，大大简化了工艺步骤；对每个焊接接头结构形式依次采用定位焊、深熔焊，焊接质量高。
本发明的纯铌低温真空压力容器的焊接方法采用优化的工艺参数来调节电子束流聚焦模式，并减少焊接线能量，以此方式降低接头区域局部变形量，提高焊接加工精度。
本发明的纯铌低温真空压力容器的焊接方法，对压力容器构件设计并使用两类典型焊接接结构形式，设计定位台阶来提高焊接成型后整体结构精度，并结合纯铌金属的熔化流动特点设计了溢流槽以改善焊缝形态，提高焊接接头的力学性能。
 
附图说明
下面结合附图和本发明的具体实施例对本发明作进一步详细描述：
图1是本发明中Ⅰ型环缝对接结构的示意图。
图2是本发明中环形叠接结构的示意图。
图3是图2的A（定位台阶）部位放大图。
图4是图2的B（溢流槽）部位放大图。
图5是本发明实施例中单舱超导腔的结构示意图。
图中：
1为Ⅰ型环缝对接结构，2为环形叠接结构，3为法兰盘，4束管（薄壁筒体），5为加速舱，6为测量接管，7为支管、定位台阶8、溢流槽9。
 
具体实施方式
本发明的纯铌低温真空压力容器的焊接方法：
（1） 采用真空电子束焊接技术
借助真空电子束焊机自带的真空室，通过机械泵、罗茨泵和扩散泵等设备抽真空后能够为纯铌薄壁压力容器构件的焊接提供一个相对真空环境，与当前常规氩弧焊方法所使用的空气环境内氩气流（Ar）防护相比，能够非常有效地隔绝空气中的氧（O）、氢（H）、氮（N）等元素对高温熔化金属和焊接热影响区的侵蚀，同时也避免了氩气（Ar）向焊接熔池中的溶解现象，纯铌构件的金属纯净度不会因焊接加工过程而降低，因此本发明所能达到的防护效能具有显著的优势。经充分的试验测试证实，使真空电子束焊机的真空室内压力降低至1.0×10-5mba对应的真空度时，既能够对纯铌构件焊接过程提供充足的防护，也可避免过长的抽真空准备时间对各个泵组的磨损和能源消耗。
（2）设计两类焊接接头结构形式供选用，即Ⅰ型环缝对接结构和环形叠接结构
①Ⅰ型环缝对接结构
图1所示为Ⅰ型环缝对接结构的示意图，该类焊接接头结构形式适用于主承载部位。
②环形叠接结构
图2所示为环形叠接结构的示意图，该类焊接接头结构形式适用于非主承载部位、容器端部法兰与容器筒体连接处。参见图3，对该类焊接接头结构形式增添一个定位台阶8来改善装配精度，从而提高焊接成型后整体结构的位置精度，定位台阶阶面的宽度b取为压力容器最薄筒体壁厚δ的0.2倍为宜。参见图4，在接缝外侧设计一个溢流槽9有助于改善焊缝形态，溢流槽的槽宽a为最薄筒体壁厚δ的0.65倍，溢流槽的槽深h小于最薄筒体壁厚δ的1.2倍。
Ⅰ型环缝对接结构和环形叠接结构都是典型的焊接接头结构形式，本发明对环形叠接结构作了改进。
（3）采用两道次施焊
本发明简化了焊接过程，只采用定位焊、深熔焊两个工艺道次即能够实现任意两构件的优质焊接，相比于传统的电子束焊接三道次工艺流程，本发明能减少第三道次焊接对焊缝表面修整的工作量和能源损耗，却同样取得美观的焊缝形貌，同时防止了该第三道次焊接的热循环过程对焊接接头产生晶粒粗化等不良影响。本发明所称的定位焊，是指在两个零组件装配后的接缝圆周上选定均布的多段圆弧区域（例如12段圆弧区域，每段圆弧区域长度控制为约15mm），对每段圆弧区域接缝采用较低线能量的电子束流进行焊接（线能量具体数值参照后附详细工艺参数），以此定位方式来固定各个零组件的相对位置，防止在后续深熔焊中由于接缝两侧金属受热后应力释放造成局部错边量明显增加而影响最终焊接加工质量；深熔焊是指，电子束流相比于定位焊方式下具有更高的线能量，并且施焊时应确保相对于定位焊的完成时刻，时间间隔不短于5min。深熔焊完成后，两零组件即形成了永久性连接，并且焊缝的正反面成形良好且焊趾过渡平滑、无咬边及错边缺陷，反面余高可控制不超过0.30mm，全焊缝无氧化现象，接头连接强度可靠。
对于每个焊接接头结构形式，均先采用定位焊工艺，再采用深熔焊工艺。对于Ⅰ型环缝对接结构，采用上述两道次施焊可以使接头焊后的热收缩变形量稳定控制在0.2~0.4mm范围内，结合零部件焊前的长度公差量控制，即可对整套压力容器构件实现高精度焊接成型。
本发明通过优化工艺参数实现对电子束流聚焦模式调节，并借助不同聚焦模式下电子束流热源效能差异，进一步调节工艺参数来降低焊接线能量，从而减小构件的焊接变形量。
对于1.0~5.0mm壁厚的Ⅰ型环缝对接结构（如图1），本发明采用的聚焦及工艺参数见表1。
表1 对接焊缝-焊接工艺规范参数
对于2.0~6.5mm壁厚的环形叠接结构（如图2），本发明采用的聚焦及工艺参数见表2。
 
表2 叠接焊缝-焊接工艺规范参数
现以具体实施例详细说明本发明的纯铌低温真空压力容器的焊接方法：
本实施例针对典型的纯铌薄壁压力容器——单舱超导腔，该单舱超导腔结构如图5所示，壁厚为3.0±0.25mm，加速舱最大外径φ530mm。该单舱超导腔的束管4通过Ⅰ型环缝对接结构1与加速舱5焊接成型，法兰盘3、测量接管6、支管7等零部件通过环形叠接结构2与束管4焊接成型。其中的环形叠接结构2设置了定位台阶和溢流槽，如图3和图4。
将各零部件实现紧密装夹后，采用真空电子束焊接，依次实施定位焊和深熔焊，要求：
真空电子束焊机能够提供加速电压不小于60KV；
对Ⅰ型环缝对接结构1，建议装配时确保零件相对于轴线的错边量小于0.20mm，接缝间隙小于0.02mm；
对环形叠接结构2，建议装配时确保零件接缝间隙控制小于0.13mm；
对Ⅰ型环缝对接结构1，优选工艺参数见表3：
表3 对接焊缝1-工艺参数
对环形叠接结构2，优选工艺参数见表4：
表4 环形叠接焊缝2-工艺参数
本发明由于采用上述技术方案，在生产中应用取得了良好的效果，与现有氩弧焊技术相比，有效抵御了有害气体的侵蚀、减轻了焊接接头残余电阻率比率RRR的损失，增强接头区域导电能力，X射线无损检测其具体质量效果指标对比参见表5；通过对焊接过程的优化控制，使得构件焊接接头几乎无明显的角变形痕迹；此外，Ⅰ型环缝对接结构的有效使用使得纯铌薄壁压力容器整体的焊接变形量远小于氩弧焊方法，整体结构的同轴度显著提高；环缝叠接结构及定位台阶和溢流槽的设计使得压力容器整体结构的端面平行度显著提高，且焊缝成形美观，焊趾与母材过渡圆滑，降低应力集中系数，利于改善接头力学性能。
表5 技术应用实效对比

Claims (5)

1.纯铌低温真空压力容器的焊接方法，其特征在于：设计两类焊接接头结构形式供选用，即Ⅰ型环缝对接结构和环形叠接结构；采用真空电子束焊接对每类焊接接头结构形式依次实施定位焊、深熔焊两个工艺道次。
2.根据权利要求1所述的纯铌低温真空压力容器的焊接方法，其特征在于：所述环形叠接结构设有定位台阶和溢流槽。
3.根据权利要求1所述的纯铌低温真空压力容器的焊接方法，其特征在于：对于每个焊接接头结构形式，深熔焊与定位焊之间的时间间隔不短于5min。
4.根据权利要求1所述的纯铌低温真空压力容器的焊接方法，其特征在于：对于Ⅰ型环缝对接结构，定位焊的聚焦电流为552~572 I f/mA、电子束流为20~30I w/mA、焊接速度为20~30v/(mm·s-1)；深熔焊的聚焦电流为562~582 I f/mA、电子束流为80~100I w/mA、焊接速度为8~16v/(mm·s-1)、真空室压力均为(4.5~5.7)×10-5 P/mba。
5.根据权利要求1所述的纯铌低温真空压力容器的焊接方法，其特征在于：对于环形叠接结构，定位焊的聚焦电流为560~570 I f/mA、电子束流为20~38I w/mA、焊接速度为20~30v/(mm·s-1)；深熔焊的聚焦电流为565~580 I f/mA、电子束流为65~95I w/mA、焊接速度为10~15v/(mm·s-1)、真空室压力均为(4.5~5.7)×10-5 P/mba。
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