CN108544117A - 一种超导回旋加速器真空室的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导回旋加速器真空室不同壁厚焊接部位的焊接方法，包括以下步骤：焊接前进行反应力变形固定并布设焊接点；焊接完成之后，将工装夹具继续保持两工件的焊接位置适当时间，保证焊接后工件的变形量小于0.2mm；解决了超导回旋加速器不同壁厚工件焊接在一起时，因受热时间相同，散热速度不同而造成的薄壁工件发生变形的新的技术难题，达到了焊接后工件的变形量小于0.2mm的效果；本发明解决了超导回旋加速器不同材质工件焊接在一起时，因为焊缝较大较深不得不多次焊接，容易导致焊缝缺陷（诸如气孔、裂纹、夹渣等）的新的技术难题，达到了超导回旋加速器真空室焊接后百分之百无漏孔的效果，填补了国内超导回旋加速器真空室焊接工艺的空白。

Description

一种超导回旋加速器真空室的焊接方法

技术领域

本发明涉及超导回旋加速器领域，更具体地说，它涉及一种超导回旋加速器真空室的焊接方法。

背景技术

质子治疗是目前全球先进的肿瘤放射治疗技术，其能够利用微观的质子、重离子射线治疗肿瘤，并且对周围正常细胞有很少的伤害和副作用，疗效显著，具有良好的发展前景和巨大的商业价值，目前仅有个别发达国家掌握并应用该技术。而超导回旋加速器是质子治疗的重要设备之一。

超导回旋加速器是一种粒子加速器，其利用磁场和电场的共同作用，使带电粒子作回旋运动，并以高频电场对回旋运动的带电粒子进行反复加速的装置。其中真空系统是超导回旋加速器的基本组成之一，粒子在超导回旋加速器真空室内做回旋加速运动，经过加速间隙获得能量被加速。真空度的好坏对束流的品质和束流损失有重大影响，因此为了保证良好的真空环境，需要保证整个真空室的漏率不大于1.0e-10mbarL/s

相对于常规的回旋加速器的真空室，不同点在于，如图1所示，超导回旋加速器采用了真空室与低温恒温器合二为一的结构，这种结构可以减小超导回旋加速器的尺寸，避免出现真空室与恒温器之间夹层，但是这样的结构相对较复杂，焊接位置较多：由于其上还布置了静电偏转板引出电极支撑筒1-6、束流引出系统支撑筒1-5、径向束流探测靶支撑筒1-4、悬挂系统上支撑筒1-1若干个、悬挂系统下支撑筒1-2若干个、悬挂系统横向支撑筒1-3若干个，且还有多处是两种不同的材料焊接、不同壁厚的工件焊接，导致超导回旋加速器其焊接处较多，焊缝较大，容易导致焊缝缺陷（诸如气孔、裂纹、夹渣等），变形太大，焊后应力大等诸多问题。总之，超导回旋加速器真空室焊接工艺难，加工质量难以保证。

现有技术中并没有关于超导回旋器加速器焊接方法的报道，申请公布号为CN106944697A的中国专利，公开了一种四翼八边形射频四极场加速器腔体的焊接方法。但由于其结构与超导回旋加速器并不相同，因此，并没有指导意义。为了保证真空室加工的质量要求，需要开发一种针对超导回旋加速器真空室的焊接工艺方法，填补国内空白。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种超导回旋加速器真空室的焊接方法，目的在于解决不同壁厚、不同材质工件焊接时容易产生变形和沙漏的问题。

本发明为解决其技术问题是采取以下方案实现的：

一种超导回旋加速器真空室不同壁厚焊接部位的焊接方法，其特点是：包括以下步骤：

步骤一：焊接前进行反应力变形固定并布设焊接点；

具体操作如下：

1.将两工件需要焊接的位置进行对准安装；

2.采用工装夹具对薄壁工件进行反应力变形固定；

3.在ΦA的焊缝圆周上，均匀分布B个圆形截面的焊点；

步骤二：采用适合于溶池中不同壁厚工件融化的焊丝直径、焊接电流、焊接速度，将两工件连接处进行连续焊；

步骤三：焊接完成之后，将工装夹具继续保持两工件的焊接位置适当时间，保证焊接后工件的变形量小于0.2mm；

步骤四：检验满焊焊缝，对整个工件进行内部抽真空，进行氦质谱检漏，保证其漏率小于1.0e-10mbarL/s，对有缺陷的位置，进行局部的补焊。

所述步骤一的工装夹具为三爪式工装夹具、用于固定筒状工件，所述的三爪为分布在该工装夹具圆环上的三颗螺钉，将被夹持筒状工件靠近焊接的部位夹持在三颗螺钉中间，并且该筒状工件轴向与三颗螺钉组成的平面相垂直，通过调节三颗螺钉的长度进而起到固定筒状工件的作用。

所述步骤一的圆形截面的半径为R=3H；其中：A为等效焊缝圆周直径；B为点焊的个数；H为薄壁工件的厚度。

所述所述一的ΦA和点焊个数B的对应关系为：

A=10~70，B=4；

A=80~200，B=8；

A=200~600，B=12；

A=600~1200，B=20；

A=1200~1800，B=32；

如若焊缝不是圆周形式，可以将焊缝周长等效为同等ΦA圆的周长，选取相应的焊接点数。

所述步骤二的焊丝直径、焊接电流、焊接速度，具体为：焊丝直径为1.2~2.0,焊接电流为80~120A，焊接速度为300mm/min~500 mm/min；所述步骤三的适当时间为30分钟。

一种超导回旋加速器真空室不同材质焊接部位的焊接方法，其特点是：包括如下步骤：

步骤一：对同一个平面内外连接的不同材质工件的上端和下端分别开坡口，将不同材料的两个坡口对接后形成截面积为锥形的焊接沟槽；

步骤二：去除焊丝表面的氧化层；

步骤三：采用适合于坡口底部焊接的焊丝与电流，对两工件进行第一次满焊，满焊的过程中一定要保证溶池中的低碳钢和不锈钢都融化；

步骤四：利用砂纸打磨掉底层焊缝表面的氧化层，同时查看焊缝的缺陷；

步骤五：采用适合于坡口上部焊接的焊丝与电流，对所述的工件进行第二次焊接，满焊的过程中一定要保证溶池中的两种不同的材料都融化；

步骤六：检验第二次焊后是否存在焊缝缺陷，并针对缺陷处进行修补。

所述步骤三、步骤五的适合于坡口底部和坡口上部的焊丝直径为1.6~2.5mm。

所述步骤三、步骤五的适合于坡口底部和坡口上部焊接电流为140~180A。

本发明的优点效果

1、本发明通过焊接前对超导回旋加速器的薄壁工件进行反应力变形的固定、焊接后对该薄壁工件继续保持一定的固定时间，解决了超导回旋加速器不同壁厚工件焊接在一起时，因受热时间相同，散热速度不同而造成的薄壁工件发生变形的新的技术难题，达到了焊接后工件的变形量小于0.2mm的效果，填补了国内超导回旋加速器真空室不同壁厚焊接工艺的空白。

2、本发明通过对嵌入式连接的不同材质工件分别开坡口、通过对深沟槽焊接处进行第一次满焊、第二次满焊，通过打磨底层焊缝表面的氧化层等手段，解决了超导回旋加速器不同材质工件焊接在一起时，因为焊缝较大较深不得不多次焊接，容易导致焊缝缺陷（诸如气孔、裂纹、夹渣等）的新的技术难题，达到了超导回旋加速器真空室焊接后百分之百无漏孔的效果，填补了国内超导回旋加速器真空室不同材质焊接工艺的空白。

附图说明

图1为本发明超导回旋加速器真空室不同壁厚焊接部位示意图一；

图2为本发明超导回旋加速器真空室不同材质焊接部位示意图二；

图3为本发明超导回旋加速器真空室不同材质工件形状示意图；

图4为本发明超导回旋加速器真空室应用工件夹具反应力变形示意图。

图中，0：回旋加速器真空室；0-1：上法兰；0-2：下法兰；0-3：外筒

体；0-4：内筒体；1-1：悬挂系统上支撑筒；1-2：悬挂系统下支撑筒；1-3：悬挂系统横向支撑筒；1-4：径向束流探测靶支撑筒；1-5：束流引出系统支撑筒；1-6：静电偏转板引出电极支撑筒；2：低碳钢；3：三爪式工装夹具；4：固定板。

具体实施方式

发明原理

1、超导回旋加速器真空室的结构，如图1所示：主要由环形真空室0、环形真空室上的支撑筒组成；所述的环形真空室包括上法兰、下法兰、外筒体、内筒体组成，在环形真空室的上法兰面上布设有4个两两相对的悬挂系统上支撑筒1-1、在环形真空室的下法兰面上布设有4个两两相对的悬挂系统下支撑筒1-2、在环形真空室的外筒体上布设有4个两两相对的悬挂系统横向支撑筒1-3，同时，在环形真空室的外筒体上还分别布设有静电偏转板引出电极支撑筒1-6、束流引出系统支撑筒1-5、径向束流探测靶支撑筒1-4，在环形真空室的内筒体上还布设有与筒体不同材质的低碳钢，低碳钢2的嵌入位置如图2所示，低碳钢的形状如图3所示。

2、超导回旋加速器真空室焊接工艺难点来自三个方面，一、焊接位置较多，各类支撑筒不少于15个，这些支撑筒都需要焊接到环形真空室0上；二、被焊接部位薄厚不均，支撑筒为薄壁工件，环形真空室为厚壁工件，由于厚壁、薄壁在焊接时受热相同，但散热速度不同，致使薄壁工件受热相对大，变形大，变形大的后果既是变形后各个支撑筒与环形真空室0的角度不能保持90度互为垂直的角度或规定的角度。三、被焊接部位的材质不同。如图2、图3所示，低碳钢2要嵌入到环形真空室0不锈钢的内筒体0-4上，由于两种材质为内外连接，且在同一个环面上，要求沿着两种材质交界处的焊接为深沟槽焊接，用以保证焊接的牢固性，但深沟槽焊接又会带来副作用。

3、本发明不同壁厚焊接部位的焊接难点和解决方法。如图4所示，为了解决焊接后变形的问题，本发明采用三爪式工装夹具给薄壁工件施加一个反变形的应力，施加这种反变形的应力时间段为两个，一个是焊接过程中，一个是焊接以后。焊接过程中通过调节三颗螺钉的方法使之被螺钉夹持住而不能向任何方向发生倾斜，例如，由于重力的作用，变形方向为垂直向下，此时，由于发生变形方向的螺钉给变形工件一个向上的应力，阻止了该工件向下倾斜的趋势。其次，在焊接后的一定时间范围，继续保持对该工件的夹持状态，待温度下降到不会发生变形时再撤销夹持工件。

4、本发明不同材质焊接部位的焊接难点和解决方法。对于不同材质的焊接，要求焊接面积足够大才能牢固，具体为焊接处为深沟槽焊接，而不是表面焊接。深沟槽焊接必须分多次完成，而不能一次性完成，这是因为由于焊接量比较大，如果一次性完成焊接，单次焊接时间长，焊接开始部位和焊接结束部位温差大导致变形。例如：焊接开始的一端为几百度的高温，此时焊接末尾的一端仍然为常温，最先受热的沟槽变形使得整个长方形沟槽四周的间隙不均，间隙不均匀，造成焊接质量达不到预计要求。本发明深沟槽焊接的解决方法之一，围绕两种材质的上端交界处和下端交界处分别开坡口，每一对坡口形成一个锥形沟槽，该锥形沟槽用于解决不同材质的嵌入式连接的焊接深度问题。本发明深沟槽焊接的解决方法之二，为解决深沟槽焊接变形问题，分多次焊接，每次焊接量少一些，可以使得单次焊接的速度加快，这样可以保证长方形沟槽四周的焊接牢固程度相同；本发明深沟槽焊接的解决方法之三：解决多次焊接容易因为氧化层产生气泡的问题。由于每次焊接之间存在间隙时间，在间隙时间内，焊接处的表面容易产生氧化层，当在氧化层上再次焊接时就容易产生气泡，气泡产生漏气。本发明为解决氧化层问题，每次在焊接前都要用砂纸打磨焊接处的氧化层再进行焊接。

基于以上原理，本发明设计了一种超导回旋加速器真空室不同壁厚焊接部位的焊接方法，包括以下步骤：

一种超导回旋加速器真空室不同壁厚焊接部位的焊接方法，其特点是：包括以下步骤：

步骤一：焊接前进行反应力变形固定并布设焊接点；

具体操作如下：

1. 将两工件需要焊接的位置进行对准安装；

补充说明：如图1所示，所述两工件是泛指两类工件，包括环形真空

室和各类支撑筒。具体为将每个支撑筒分别与其对应的上法兰、或下法兰、或外筒体进行对准安装，也就是按照90度垂直角度或规定的角度，将各个支撑筒插入到环形真空室对应的圆孔中，此为对准安装。

2. 采用工装夹具对薄壁工件进行反应力变形固定；

补充说明：所述工装夹具为三爪式工装夹具、用于固定筒状工件，所述的三爪为分布在该工装夹具圆环上的三颗螺钉，将被夹持筒状工件靠近焊接的部位夹持在三颗螺钉中间，并且该筒状工件轴向与三颗螺钉组成的平面相垂直，通过调节三颗螺钉的长度进而起到固定筒状工件的作用。

如图1、图4的标号3代表三爪式工装夹具，其通过圆环上的三颗螺钉将支撑筒固定住，由于三爪式工装夹具被固定板4所固定，因此，该三爪式工装夹具能够给被夹持的工件1-1、1-2、1-3一个反应力变形的力，使得支撑筒不因受热不均而发生变形。实际应用中，可以按照焊接顺序，将当前三爪式工装夹具依次安装到准备焊接的工件上，焊接完成后再拆卸下来，用于下一个将要焊接的工件。

3. 在ΦA的焊缝圆周上，均匀分布B个圆形截面的焊点；

所述ΦA和点焊个数B的对应关系为：

A=10~70，B=4；

A=80~200，B=8；

A=200~600，B=12；

A=600~1200，B=20；

A=1200~1800，B=32；

如若焊缝不是圆周形式，可以将焊缝周长等效为同等ΦA圆的周长，选取相应的焊接点数。

所述的圆形截面的半径为R=3H；其中：A为等效焊缝圆周直径；B为点焊的个数；H为薄壁工件的厚度。

补充说明：ΦA既是指每个支撑筒的直径，根据直径A的不同，设置圆形截面上不同的焊点。

步骤二：采用适合于溶池中不同壁厚工件融化的焊丝直径、焊接电流、焊接速度，将两工件连接处进行连续焊；

具体为：焊丝直径为1.2~2.0,焊接电流为80~120A，焊接速度为300mm/min~500 mm/min；所述步骤三的适当时间为30分钟。

步骤三：焊接完成之后，将工装夹具继续保持两工件的焊接位置适当时间，保证焊接后工件的变形量小于0.2mm；

步骤四：检验满焊焊缝，对整个工件进行内部抽真空，进行氦质谱检漏，保证其漏率小于1.0e-10mbarL/s，对有缺陷的位置，进行局部的补焊。

补充说明：所述氦质谱检漏的具体过程如下：

步骤一、利用分子泵机组和氦质谱检漏仪对环形真空恒温室内部抽真空；

步骤二、当环形真空恒温室内部达到所要求的真空本底状态时，利用检漏工装对恒温器内外壁焊缝逐层、逐段喷洒氦气，以检验恒温器是否存在漏点。

步骤三、若检测到恒温器内外壁焊缝的当前段存在漏点，则对恒温器内外壁焊缝的当前段进行标记；

步骤四、重复步骤二、步骤三，直至检漏封头将恒温器内外壁焊缝全部检测完毕，并对存在漏点的所有焊缝段加以标记；

步骤五、将标记漏点的焊缝位置逐个修复完毕，再重复步骤2~4，依次对恒温器进行检漏复检，直至恒温器的整体漏率达到设计要求。

一种超导回旋加速器真空室不同材质焊接部位的焊接方法，其特点是：包括如下步骤：

步骤一：对同一个平面内外连接的不同材质工件的上端和下端分别开坡口，将不同材料的两个坡口对接后形成截面积为锥形的焊接沟槽；

步骤二：去除焊丝表面的氧化层；

步骤三：采用适合于坡口底部焊接的焊丝与电流，对两工件进行第一次满焊，满焊的过程中一定要保证溶池中的低碳钢和不锈钢都融化；

步骤四：利用砂纸打磨掉底层焊缝表面的氧化层，同时查看焊缝的缺陷；

步骤五：采用适合于坡口上部焊接的焊丝与电流，对所述的工件进行第二次焊接，满焊的过程中一定要保证溶池中的两种不同的材料都融化；

步骤六：检验第二次焊后是否存在焊缝缺陷，并针对缺陷处进行修补。

所述步骤三、步骤五的适合于坡口底部和坡口上部的焊丝直径为1.6~2.5mm。

所述步骤三、步骤五的适合于坡口底部和坡口上部焊接电流为140~180A。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此,本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。

Claims (8)

1.一种超导回旋加速器真空室不同壁厚焊接部位的焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：焊接前进行反应力变形固定并布设焊接点；

具体操作如下：

1.将两工件需要焊接的位置进行对准安装；

2.采用工装夹具对薄壁工件进行反应力变形固定；

3.在ΦA的焊缝圆周上，均匀分布B个圆形截面的焊点；

步骤二：采用适合于溶池中不同壁厚工件融化的焊丝直径、焊接电流、焊接速度，将两工件连接处进行连续焊；

步骤三：焊接完成之后，将工装夹具继续保持两工件的焊接位置适当时间，保证焊接后工件的变形量小于0.2mm；

步骤四：检验满焊焊缝，对整个工件进行内部抽真空，进行氦质谱检漏，保证其漏率小于1.0e-10mbarL/s，对有缺陷的位置，进行局部的补焊。

2.根据权利要求1所述一种超导回旋加速器真空室不同壁厚焊接部位的焊接方法，其特征在于：所述步骤一的工装夹具为三爪式工装夹具、用于固定筒状工件，所述的三爪为分布在该工装夹具圆环上的三颗螺钉，将被夹持筒状工件靠近焊接的部位夹持在三颗螺钉中间，并且该筒状工件轴向与三颗螺钉组成的平面相垂直，通过调节三颗螺钉的长度进而起到固定筒状工件的作用。

3.根据权利要求1所述一种超导回旋加速器真空室不同壁厚焊接部位的焊接方法，其特征在于：所述步骤一的圆形截面的半径为R=3H；其中：A为等效焊缝圆周直径；B为点焊的个数；H为薄壁工件的厚度。

4.根据权利要求1所述一种超导回旋加速器真空室不同壁厚焊接部位的焊接方法，其特征在于：所述所述步骤一的ΦA和点焊个数B的对应关系为：

A=10~70，B=4；

A=80~200，B=8；

A=200~600，B=12；

A=600~1200，B=20；

A=1200~1800，B=32；

如若焊缝不是圆周形式，可以将焊缝周长等效为同等ΦA圆的周长，选取相应的焊接点数。

5.根据权利要求1所述一种超导回旋加速器真空室不同壁厚焊接部位的焊接方法，其特征在于：所述步骤二的焊丝直径、焊接电流、焊接速度，具体为：焊丝直径为1.2~2.0,焊接电流为80~120A，焊接速度为300mm/min~500 mm/min；所述步骤三的适当时间为30分钟。

6.一种超导回旋加速器真空室不同材质焊接部位的焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：对同一个平面内外连接的不同材质工件的上端和下端分别开坡口，将不同材料的两个坡口对接后形成截面积为锥形的焊接沟槽；

步骤二：去除焊丝表面的氧化层；

步骤三：采用适合于坡口底部焊接的焊丝与电流，对两工件进行第一次满焊，满焊的过程中一定要保证溶池中的低碳钢和不锈钢都融化；

步骤四：利用砂纸打磨掉底层焊缝表面的氧化层，同时查看焊缝的缺陷；

步骤五：采用适合于坡口上部焊接的焊丝与电流，对所述的工件进行第二次焊接，满焊的过程中一定要保证溶池中的两种不同的材料都融化；

步骤六：检验第二次焊后是否存在焊缝缺陷，并针对缺陷处进行修补。

7.根据权利要求6所述的超导回旋加速器真空室的焊接方法，其特征在于：所述步骤三、步骤五的适合于坡口底部和坡口上部的焊丝直径为1.6~2.5mm。

8.根据权利要求6所述的超导回旋加速器真空室的焊接方法，其特征在于所述步骤三、步骤五的适合于坡口底部和坡口上部焊接电流为140~180A。