CN116690024A - 一种超导腔结构及焊接工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的一种超导腔结构及焊接工艺方法，包括碗形结构的第一焊接接头和第二焊接接头；第一环形面由第一圆周和第二圆周之间的区域组成，第二环形面由第三圆周和第四圆周之间的区域组成；第一圆周的半径大于第二圆周的半径；第一台阶和第二台阶对接后，第一圆周与第三圆周的接缝形状为圆形，第二圆周和第四圆周的接缝为环形凹槽。该超导腔结构的第一焊接接头和第二焊接接头对接处内表面开设有凹槽，减少了焊缝区域的熔化金属质量，从而减少了下榻量，使得焊缝背面余高可以得到有效控制。另外，通过合理设置焊接工艺参数，减少焊接缺陷的产生，改善了焊缝区域的内表面光洁度，提高了腔体的加速性能。

Description

一种超导腔结构及焊接工艺方法

技术领域

本发明涉及高能加速器装置的制造技术领域，更具体的涉及一种超导腔结构及焊接工艺方法。

背景技术

超导铌腔是重离子加速器、散裂中子源、同步辐射光源等大科学装置加速器部分的核心部件，其在加工制造过程中对内表面光洁度要求很高，任何的表面缺陷都有可能导致腔体在运行过程中出现失超。另外，内表面的光洁度还关乎着腔体内表面的表面电阻，当表面电阻较大时会导致腔体功率损耗增加，对超导腔的加速梯度有不利影响。特别是铌腔的加工过程中，超导腔各部件的电子束焊接过程会极大地降低内表面的光洁度，主要体现在焊缝的背面余高上。

超导腔体主要采用薄壁纯铌制成，焊接过程采用全熔透焊接，焊缝下方由于结构的限制无法添加衬板，焊缝区域的熔化金属在重力和表面张力作用下形成底部下榻区域，冷却后形成背面余高。

超导腔主体主要由半碗、束管、法兰等组件拼焊而成，其中两个半碗的对接焊是最重要的焊接过程，因为该焊缝位于腔体中磁场最强的位置，且焊缝长度最长，而焊缝区域背面余高过高或过低，以及焊接过程产生的焊接缺陷都会影响超导腔的高场性能，进而影响腔体的加速性能。因此，如何控制焊缝的背面余高以及减少焊缝缺陷的产生是丞待解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种超导腔结构及焊接工艺方法，用于解决现有技术中焊缝背面余高不易控制以及产生焊缝缺陷的问题。

本发明实施例提供一种超导腔结构，所述结构包括第一焊接接头和第二焊接接头；

所述第一焊接接头和所述第二焊接接头均为碗形，所述第一焊接接头的焊接面为第一环形面，所述第二焊接接头的焊接面为第二环形面；

所述第一环形面由第一圆周和第二圆周之间的区域组成，所述第一环形面包括至少一个第一台阶，所述第二环形面由第三圆周和第四圆周之间的区域组成，所述第一圆周的半径与所述第三圆周的半径相同，所述第二圆周的半径与所述第四圆周的半径相同；所述第一圆周的半径大于所述第二圆周的半径；

所述第二环形面包括与所述第一台阶数量相同的第二台阶，所述第一台阶和所述第二台阶对接后，所述第一圆周与所述第三圆周的接缝形状为圆形，所述第二圆周和所述第四圆周的接缝为环形凹槽。

可选地，所述第一焊接接头还连接有束管，所述束管用于对带电粒子导向。

可选地，所述第一台阶和所述第二台阶的台阶数为至少一个，当所述台阶数大于或等于两个时，所述第一焊接接头和所述第二焊接接头互锁。

可选地，所述环形凹槽的槽深为第一距离，所述环形凹槽的槽宽为第二距离。

可选地，所述环形凹槽由相交的第一面和第二面组成，所述第一面与所述第二面相交的接缝为圆形接缝，所述圆形接缝位于所述环形凹槽的中间位置。

本发明实施例还提供一种焊接工艺方法，包括：

在真空室中，将第一焊接接头和第二焊接接头通过带有第一轴的第一工装和带有第二轴的第二工装夹紧，以控制所述超导腔的移动；

使用电子束焊机的三爪卡盘夹持所述第一轴，并调节滚轮架高度至所述第一焊接接头和所述第二焊接接头的水平中心轴线与所述电子束焊机的数控坐标系的X轴平行；电子束焊接坐标系包括与超导腔焊接结构平行的X轴，垂直于地面的Z轴，以及与下周处于同一平面且与X轴垂直的Y轴。

将所述真空室抽真空后，设置通过电子束进行点固焊接的第一焊接参数对所述第一焊接接头和第二焊接接头接缝顶部进行第一次点固焊接；旋转所述三爪卡盘，使被所述第一工装和所述第二工装夹紧的所述第一焊接接头和第二焊接接头绕所述X轴以相同的方向间断性旋转三次，且每次旋转角度为90度；每旋转一次后，在所述接缝顶部进行一次点固焊接，得到第一超导腔结构；

设置定位焊接的第二焊接参数以及三爪卡盘的连续性旋转速度，采用所述电子束对所述接缝顶部焊接，直至所述三爪卡盘带动所述第一超导腔结构旋转360度，结束所述定位焊接得到第二超导腔结构；

将所述第二超导腔结构在所述真空室中冷却第一时间后，对所述第二超导腔结构进行深熔焊接，得到目标超导腔结构；

在所述目标超导腔结构在所述真空室中冷却第二时间之后，将所述真空室恢复到常压，取出所述目标超导腔结构。

可选地，所述深熔焊接包括焊接起弧段焊接、中间段焊接和收弧段焊接；

在所述起弧段焊接中，在所述第二超导腔结构的所述接缝表面确定起弧位置；采用电流缓升工艺，从所述起弧位置开始使电子束流从0mA线性增加至目标束流大小；在所述电子束流缓慢增加过程中，同时控制所述第二超导腔结构旋转至第一角度；

所述电子束流大小增加至所述目标束流大小后，所述深熔焊接进入所述中间段焊接；对所述目标束流添加扫描波形后持续焊接，并控制所述第二超导腔结构继续旋转，直至所述起弧位置旋转360度；

在所述起弧位置旋转360度之后，开始进行所述收弧端焊接：

从所述起弧位置开始继续旋转所述第二超导腔结构至第二角度，并将所述电子束流从所述目标束流缓慢减小至0mA；所述第二角度大于所述第一角度。

可选地，所述第一焊接参数包括加速电压以及第一焊接束流；

所述加速电压范围为60～70kV，所述第一焊接束流范围为15～20mA。

可选地，所述第一时间的范围为20～40min。

本发明实施例至少具有以下有益效果：

本发明实施例提供的一种超导腔结构及焊接工艺方法，所述结构包括第一焊接接头和第二焊接接头；所述第一焊接接头和所述第二焊接接头均为碗形，所述第一焊接接头的焊接面为第一环形面，所述第二焊接接头的焊接面为第二环形面；所述第一环形面由第一圆周和第二圆周之间的区域组成，所述第一环形面包括至少一个第一台阶，所述第二环形面由第三圆周和第四圆周之间的区域组成，所述第一圆周的半径与所述第三圆周的半径相同，所述第二圆周的半径与所述第四圆周的半径相同；所述第一圆周的半径大于所述第二圆周的半径；所述第二环形面包括与所述第一台阶数量相同的第二台阶，所述第一台阶和所述第二台阶对接后，所述第一圆周与所述第三圆周的接缝形状为圆形，所述第二圆周和所述第四圆周的接缝为环形凹槽。该超导腔结构的第一焊接接头和第二焊接接头对接处内表面开设有凹槽，减少了焊缝区域的熔化金属质量，从而减少了下榻量，使得焊缝背面余高可以得到有效控制。另外，通过合理设置焊接工艺参数，减少焊接缺陷的产生，改善了焊缝区域的内表面光洁度，提高了腔体的加速性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种超导腔结构接头截面示意图；

图2为本发明实施例提供的第一种超导腔结构接头截面局部示意图；

图3为本发明实施例提供的第二种超导腔结构接头截面局部示意图；

图4为本发明实施例提供的第三种超导腔结构接头截面局部示意图；

图5为本发明实施例提供的一种焊接工艺方法流程图；

图6为本发明实施例提供的一种电子束焊接超导腔夹装示意图；

图7为本发明实施例提供的一种深熔焊接不同阶段位置示意图。

附图标记：

1-第一焊接接头；2-第二焊接接头；3-束管；4-法兰；5-第一轴；6-第二轴；7-三爪卡盘；8-滚轮架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种超导腔结构接头截面示意图。

如图1所示，所述结构包括第一焊接接头1和第二焊接接头2；

所述第一焊接接头1和所述第二焊接接头2均为碗形，所述第一焊接接头1的焊接面为第一环形面，所述第二焊接接头2的焊接面为第二环形面；

所述第一环形面由第一圆周和第二圆周之间的区域组成，所述第一环形面包括至少一个第一台阶，所述第二环形面由第三圆周和第四圆周之间的区域组成，所述第一圆周的半径与所述第三圆周的半径相同，所述第二圆周的半径与所述第四圆周的半径相同；所述第一圆周的半径大于所述第二圆周的半径；

所述第二环形面包括与所述第一台阶数量相同的第二台阶，所述第一台阶和所述第二台阶对接后，所述第一圆周与所述第三圆周的接缝形状为圆形，所述第二圆周和所述第四圆周的接缝为环形凹槽。

具体地，第一焊接接头1和第二焊接接头2属于超导腔结构中的部分组件，第一焊接接头1和第二焊接接头2的厚度为铌腔工件的厚度。

第一焊接接头1和第二焊接接头2的形状就相当于具有一定厚度的，没有碗底平面的碗。第一环形面和第二环形面相当于碗口截面，第一圆周相当于碗口截面外表面的圆周，而第二圆周则相当于碗口内表面的圆周。第一圆周与第三圆周的接缝形状为圆形，位于超导腔的外表面。图1中的A为超导腔结构接头截面局部。

图2为本发明实施例提供的第一种超导腔结构接头截面局部示意图。

如图2所示，第二圆周和第四圆周形成的接缝为环形凹槽，即环形凹槽位于超导腔结构的内表面。当沿着外部的圆形接缝进行焊接时，待焊缝焊透时，在超导腔结构内表面的焊缝下方，由于凹槽的存在，熔化金属质量减小，从而减少了下榻量，特别是熔化金属在下榻时也被进一步束缚在槽内，使得焊缝背面余高得到有效控制。在本发明中，凹槽的宽度为a，凹槽深度为b。

通过在超导腔结构中碗形对接区域中加工出台阶面即可实现控制背面余高的要求，而且前期加工过程较为简单方便，无需通过大量的工艺优化试验来减小背面余高，且由于超导纯铌的材料成本及加工费用较为昂贵，试验次数的降低使得前期工艺试验的成本大幅降低。

综上，本发明实施例提供的一种超导腔结构及焊接工艺方法，所述结构包括第一焊接接头和第二焊接接头；所述第一焊接接头和所述第二焊接接头均为碗形，所述第一焊接接头的焊接面为第一环形面，所述第二焊接接头的焊接面为第二环形面；所述第一环形面由第一圆周和第二圆周之间的区域组成，所述第一环形面包括至少一个第一台阶，所述第二环形面由第三圆周和第四圆周之间的区域组成，所述第一圆周的半径与所述第三圆周的半径相同，所述第二圆周的半径与所述第四圆周的半径相同；所述第一圆周的半径大于所述第二圆周的半径；所述第二环形面包括与所述第一台阶数量相同的第二台阶，所述第一台阶和所述第二台阶对接后，所述第一圆周与所述第三圆周的接缝形状为圆形，所述第二圆周和所述第四圆周的接缝为环形凹槽。该超导腔结构的第一焊接接头和第二焊接接头对接处内表面开设有凹槽，减少了焊缝区域的熔化金属质量，从而减少了下榻量，使得焊缝背面余高可以得到有效控制。另外，通过合理设置焊接工艺参数，减少焊接缺陷的产生，改善了焊缝区域的内表面光洁度，提高了腔体的加速性能。

在一种可能的实施方式中，所述第一焊接接头还连接有束管，所述束管用于对带电粒子导向。

具体地，超导腔主要用于加速带电粒子，束管3除了加速带电粒子，还对带电粒子起导向的作用。如图1所示，第一焊接接头1和第二焊接接头2分别连接束管3，每个束管3的一端连接法兰4，法兰4用于将超导腔结构连接在超导设备上。

在一种可能的实施方式中，所述第一台阶和所述第二台阶的台阶数为至少一个，当所述台阶数大于或等于两个时，所述第一焊接接头和所述第二焊接接头互锁。

具体地，图3为本发明实施例提供的第二种超导腔结构接头截面局部示意图。

如图3所示，第一焊接接头1的第一环形面上的第一台阶和所述第二台阶的台阶数大于或者等于两个时，第一环形面和第二环形面上除了用于形成的凹槽的台阶，其他台阶互锁，避免第一焊接接头1和第二焊接接头2在装配和焊接过程中发生错边现象，在保证了控制背面余高的前提下，降低了产生缺陷的可能。在本发明实施例中，包括构成环形凹槽的台阶，第一台阶和第二台阶的台阶数为两个。凹槽的宽度为a，凹槽深度为b。

在一种可能的实施方式中，所述环形凹槽的槽深为第一距离，所述环形凹槽的槽宽为第二距离。

具体地，如图1所示，环形凹槽具有一定的深度和宽度，当凹槽形状设计不合理时可能导致熔化金属无法完全填充凹槽，会出现焊缝正面即超导腔结构的外表面，或焊缝下方即超导腔的内表面的凹陷，以及凹槽的边缘咬边等缺陷，因此，需要将环形凹槽的尺寸控制在一定范围内。在本申请中，槽深b第一距离的范围为0.1～0.3mm，槽宽a第二距离的范围为1～3mm。

在一种可能的实施方式中，所述环形凹槽由相交的第一面和第二面组成，所述第一面与所述第二面相交的接缝为圆形接缝，所述圆形接缝位于所述环形凹槽的中间位置。

具体地，图4为本发明实施例提供的第三种超导腔结构接头截面局部示意图。

如图4所示，第一焊接接头1和第二焊接接头2对接后形成的环形凹槽的截面是开口的三角形，且开口方向朝向超导腔结构的内部。三角形的两个边分别位于第一面和第二面，三角形中开口对应的顶点位于第一面和第二面相交形成的圆形接缝上。环形凹槽截面为三角形，可使焊接过程中从顶点处下榻的熔化金属能够更好地覆盖整个凹槽区域，有利于防止熔化金属在填充凹槽时产生的孔隙等缺陷。凹槽的宽度为a，凹槽深度为b。

图5是本发明实施例提供的一种焊接工艺方法流程图。

如图5，该焊接工艺方法包括以下步骤：

步骤101，在真空室中，将第一焊接接头和第二焊接接头通过带有第一轴的第一工装和带有第二轴的第二工装夹紧，以控制所述超导腔的移动。

具体地，图6是本发明实施例提供的一种电子束焊接超导腔夹装示意图。

如图6所示，在真空室中，采用电子束对超导腔结构焊接时，先将第一焊接接头1和第二焊接接头2对接在一起，然后通过第一工装和第二工装将第一焊接接头1和第二焊接接头2夹紧。第一工装和第二工装为筒状结构，分别套在第一焊接接头1和第二焊接接头2上，并分别与第一焊接接头1和第二焊接接头2圆周接触。第一工装的一侧连接有第一轴5，第二工装连接有第二轴6。第一工装和第二工装将第一焊接接头1和第二焊接接头2夹紧后，通过控制第一轴5和第二轴6就可以控制超导腔结构的移动。

步骤102，使用电子束焊机的三爪卡盘夹持所述第一轴，并调节滚轮架高度至所述第一焊接接头和所述第二焊接接头的水平中心轴线与所述电子束焊机的数控坐标系的X轴平行。

具体地，电子束焊机是利用高速运动的电子束流轰击工件的原理进行焊接加工的一种比较精密的焊接设备，真空电子束焊在焊接过程中利用定向高速运动的电子束流撞击工件使动能转化为热能而使工件熔化，形成焊缝。

三爪卡盘7是连接在电子束焊接机上的，电子束焊接机控制三爪卡盘7旋转。

超导腔结构被第一工件和第二工件夹紧之后，用三爪卡盘7夹持住第二轴6，再用滚轮架8支撑起第一轴5，滚轮架8的顶部与第一轴5接触，且第一轴5可相对于滚轮架8转动。滚轮架8的高度可调，调节滚轮架8的高度至超导腔结构的中心轴线与电子束焊接机的数控坐标系的X轴平行。

步骤103，将所述真空室抽真空后，设置通过电子束进行点固焊接的第一焊接参数对所述第一焊接接头和第二焊接接头接缝顶部进行第一次点固焊接；旋转所述三爪卡盘，使被所述第一工装和所述第二工装夹紧的所述第一焊接接头和第二焊接接头绕所述X轴以相同的方向间断性旋转三次，且每次旋转角度为90度；每旋转一次后，在所述接缝顶部进行一次点固焊接，得到第一超导腔结构。

具体地，电子束焊接时，由电子枪产生电子束并加速。对超导腔结构进行焊接时，电子束枪固定在超导腔对接接缝的正上方。

安装好超导腔结构之后，先将真空室抽真空至2×10^-6mbar，然后设置第一焊接参数先进行点固焊，点固焊为在超导腔结构外表面的圆形接缝上均布点焊四次。具体操作为，先在圆形接缝点固焊一次，然后通过控制电子束焊机的三爪卡盘7控制超导腔结构绕坐标系的X轴旋转90度，再进行第二次点焊，继续以相同的方向旋转两次相同的角度，完成绕圆形焊缝的四次点固焊，完成四次点固焊接的超导腔结构为第一超导腔结构。四次点固焊接的参数均为第一焊接参数。进行点固焊接，是为了防止超导腔结构在后续定位焊接和深熔焊过程中，第一焊接接头1和第二焊接接头2间出现错边现象。

步骤104，设置定位焊接的第二焊接参数以及三爪卡盘的连续性旋转速度，采用所述电子束对所述接缝顶部焊接，直至所述三爪卡盘带动所述第一超导腔结构旋转360度，结束所述定位焊接得到第二超导腔结构。

具体地，点焊完成后，开始定位焊接，设置好用于定位焊接的焊接参数，即第二焊接参数，以及三爪卡盘7的旋转速度。定位焊接是沿着圆形焊缝连续焊接一圈。在本发明实施例中，设置的第二焊接参数包括第一焊接参数以及在第一焊接参数的基础上增加的扫描波形，扫描波形可以是圆波、三角波、正弦波或∞形扫描波形中的其中一种，扫描幅值控制在0.2～0.5mm之间，扫描幅值很小时无法起到扫描效果，与不加扫描的情况差不多。另外定位焊接焊缝宽度要求不能很大，否则会引起较大的变形，而扫描幅值较大时会使焊缝宽度增加。同时设置三爪卡盘7以7～9mm/s的线速度旋转360度，旋转的同时，电子枪以第二焊接参数对第一超导腔结构进行焊接。完成定位焊接的第一超导腔结构为第二超导腔结构。定位焊接是为了防止在进行深熔焊时第一焊接接头1和第二焊接接头2对接面出现空隙。

步骤105，将所述第二超导腔结构在所述真空室中冷却第一时间后，对所述第二超导腔结构进行深熔焊接，得到目标超导腔结构。

具体地，对超导腔结构完成定位焊接后，在真空室中放置一段时间进行冷却，冷却之后再进行深熔焊接。深熔焊接也称作深度穿透焊接，焊接时，从超导腔结构外表面的接缝熔透至超导腔结构的内表面，深熔焊接之后也就是完成了对超导腔结构的焊接。完成深熔焊接的第二超导腔结构为目标超导腔结构。

步骤106，在所述目标超导腔结构在所述真空室中冷却第二时间之后，将所述真空室恢复到常压，取出所述目标超导腔结构。

具体地，刚完成深熔焊接之后，目标超导腔结构还留有余热，此时还需在真空室中放置冷却一段时间，即第二时间之后，再卸去真空，然后就可以从真空室中取出焊接好的超导腔结构。第二时间一般为至少半个小时，才能保证大部分余热已经散去。而冷却结束后再卸去真空，则是因为如果深熔焊完直接卸去真空会使得超导腔结构表面大量吸附气体杂质，因为纯铌在高温时吸附气体的能力比常温时高的多。

在一种可能的实施方式中，所述深熔焊接包括焊接起弧段焊接、中间段焊接和收弧段焊接；

在所述起弧段焊接中，在所述第二超导腔结构的所述接缝表面确定起弧位置；采用电流缓升工艺，从所述起弧位置开始使电子束流从0mA线性增加至目标束流大小；在所述电子束流缓慢增加过程中，同时控制所述第二超导腔结构旋转至第一角度；

所述电子束流大小增加至所述目标束流大小后，所述深熔焊接进入所述中间段焊接；对所述目标束流添加扫描波形后持续焊接，并控制所述第二超导腔结构继续旋转，直至所述起弧位置旋转360度；

在所述起弧位置旋转360度之后，开始进行所述收弧端焊接：

从所述起弧位置开始继续旋转所述第二超导腔结构至第二角度，并将所述电子束流从所述目标束流缓慢减小至0mA；所述第二角度大于所述第一角度。

具体地，电流缓升工艺指的是使电流从0mA开始以一定速率缓慢增加至目标电流大小，可以使电流柔顺变化，避免迅速加热带来的飞溅等焊接缺陷。

深熔焊接的过程可以分为三个阶段，分别为起弧段焊接、中间段焊接和收弧端焊接，电流大小也就是束流大小。

图7为本发明实施例提供的一种深熔焊接不同阶段位置示意图。

如图7所示，首先进行的起弧段焊接，先确定起弧段焊接的起始位置，即第二超导腔结构的最高点。从起始位置开始，采用电流缓升工艺使电流增加至目标束流大小，电流增加的同时控制第二超导腔结构以一定旋转速度旋转至第一角度，超导腔结构旋转到第一角度时，此时的电流大小刚好达到目标电流大小。起弧段焊接过程焊接的距离为第一角度对应第二超导腔结构外表面焊缝的弧长，起弧段焊接的区域为起弧区。

起弧段焊接结束后，继续设置用于中间段焊接的焊接参数，电流为目标电流大小，包括扫描波形和对应的扫描幅值，还有三爪卡盘7的旋转速度。从第二角度开始以设置好的中间段焊接的焊接参数进行焊接，焊接的同时，三爪卡盘7带动第二超导腔结构以设定好的旋转速度旋转至起弧段焊接的起始位置。需要说明的是，在进行中间段焊接时，第二超导腔结构的旋转方向与进行起弧段焊接时的旋转方向一致。

在第二超导腔结构再次旋转至起始位置时，说明中间段焊接已经结束，接下来就是最后的收弧段焊接。收弧段焊接还是从起始位置开始，逐渐将焊接电流从目标电流大小逐渐减小至0mA，收弧段焊接电流减小的速率小于起弧段电流增加的速率。因为收弧段焊接电流减小的速率小于起弧段电流增加的速率时，收弧段焊接的焊接距离大于起弧度段的焊接距离，也就是将起弧段焊接的距离完全覆盖，相当于对焊缝起始区域进行重熔，消除起弧段的缩孔，并保证起弧段区域完全熔透。在本发明实施例中，起弧段焊接距离对应超导腔结构旋转的角度为3～5度，收弧段焊接距离对应的角度为6～10度，收弧段焊接的区域为收弧区。

在本发明实施例中，深熔焊接过程中，扫描幅值范围设置为0.5～1.0mm，目标电流大小范围为30～40mA。

在一种可能的实施方式中，所述第一焊接参数包括加速电压以及第一焊接束流；

所述加速电压范围为60～70kV，所述第一焊接束流范围为15～20mA。

具体地，在对超导腔结构开始焊接之前，先设置好加速电压为60～70kV。因为电压较高时容易烧穿，只能用于厚板焊接，电压较低时因为铌材熔点较高，不容易焊透。整个焊接过程都采用此电压。

而第一焊接束流大小设置在15～20mA，是由于电流较小时无法熔化材料，电流较大时易引起变形。在点固焊接和定位焊接时，都设置束流大小在这个范围内。

在一种可能的实施方式中，所述第一时间的范围为20～40min。

具体地，在完成定位焊接后，进行深熔焊接前，需要先将超导腔结构在真空室中进行冷却，冷却时间一般为20～40min。因为冷却时间在这个范围内既能保证其刚好冷却至室温，也不会因为冷却耽误太多焊接时间，提高焊接效率。

需要说明的是，电子束焊接过程设置的参数针对开槽尺寸不同的接头可稍作调整，一般来说，当凹槽高度增加时，可以稍微减小束流大小，当开槽尺寸不变，槽的形状由常规的方形变为三角形时，可以适当增加焊接束流大小。

综上所述，本发明实施例提供的一种超导腔结构及焊接工艺方法，所述结构包括第一焊接接头和第二焊接接头；所述第一焊接接头和所述第二焊接接头均为碗形，所述第一焊接接头的焊接面为第一环形面，所述第二焊接接头的焊接面为第二环形面；所述第一环形面由第一圆周和第二圆周之间的区域组成，所述第一环形面包括至少一个第一台阶，所述第二环形面由第三圆周和第四圆周之间的区域组成，所述第一圆周的半径与所述第三圆周的半径相同，所述第二圆周的半径与所述第四圆周的半径相同；所述第一圆周的半径大于所述第二圆周的半径；所述第二环形面包括与所述第一台阶数量相同的第二台阶，所述第一台阶和所述第二台阶对接后，所述第一圆周与所述第三圆周的接缝形状为圆形，所述第二圆周和所述第四圆周的接缝为环形凹槽。该超导腔结构的第一焊接接头和第二焊接接头对接处内表面开设有凹槽，减少了焊缝区域的熔化金属质量，从而减少了下榻量，使得焊缝背面余高可以得到有效控制。另外，通过合理设置焊接工艺参数，减少焊接缺陷的产生，改善了焊缝区域的内表面光洁度，提高了腔体的加速性能。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种超导腔结构，所述结构包括第一焊接接头和第二焊接接头；

所述第一焊接接头和所述第二焊接接头均为碗形，所述第一焊接接头的焊接面为第一环形面，所述第二焊接接头的焊接面为第二环形面；

所述第一环形面由第一圆周和第二圆周之间的区域组成，所述第一环形面包括至少一个第一台阶，所述第二环形面由第三圆周和第四圆周之间的区域组成，所述第一圆周的半径与所述第三圆周的半径相同，所述第二圆周的半径与所述第四圆周的半径相同；所述第一圆周的半径大于所述第二圆周的半径；

所述第二环形面包括与所述第一台阶数量相同的第二台阶，所述第一台阶和所述第二台阶对接后，所述第一圆周与所述第三圆周的接缝形状为圆形，所述第二圆周和所述第四圆周的接缝为环形凹槽。

2.如权利要求1所述的超导腔结构，其特征在于，所述第一焊接接头还连接有束管，所述束管用于对带电粒子导向。

3.如权利要求1所述的超导腔结构，其特征在于，所述第一台阶和所述第二台阶的台阶数为至少一个，当所述台阶数大于或等于两个时，所述第一焊接接头和所述第二焊接接头互锁。

4.如权利要求1所述的超导腔结构，其特征在于，所述环形凹槽的槽深为第一距离，所述环形凹槽的槽宽为第二距离。

5.如权利要求1所述的超导腔结构，其特征在于，所述环形凹槽由相交的第一面和第二面组成，所述第一面与所述第二面相交的接缝为圆形接缝，所述圆形接缝位于所述环形凹槽的中间位置。

6.一种焊接工艺方法，其特征在于，应用于上述权利要求1至5中的任一所述超导腔结构，所述工艺方法包括：

在真空室中，将第一焊接接头和第二焊接接头通过带有第一轴的第一工装和带有第二轴的第二工装夹紧，以控制所述超导腔的移动；

使用电子束焊机的三爪卡盘夹持所述第一轴，并调节滚轮架高度至所述第一焊接接头和所述第二焊接接头的水平中心轴线与所述电子束焊机的数控坐标系的X轴平行；

将所述真空室抽真空后，设置通过电子束进行点固焊接的第一焊接参数对所述第一焊接接头和第二焊接接头接缝顶部进行第一次点固焊接；旋转所述三爪卡盘，使被所述第一工装和所述第二工装夹紧的所述第一焊接接头和第二焊接接头绕所述X轴以相同的方向间断性旋转三次，且每次旋转角度为90度；每旋转一次后，在所述接缝顶部进行一次点固焊接，得到第一超导腔结构；

设置定位焊接的第二焊接参数以及三爪卡盘的连续性旋转速度，采用所述电子束对所述接缝顶部焊接，直至所述三爪卡盘带动所述第一超导腔结构旋转360度，结束所述定位焊接得到第二超导腔结构；

将所述第二超导腔结构在所述真空室中冷却第一时间后，对所述第二超导腔结构进行深熔焊接，得到目标超导腔结构；

在所述目标超导腔结构在所述真空室中冷却第二时间之后，将所述真空室恢复到常压，取出所述目标超导腔结构。

7.如权利要求6所述的工艺方法，其特征在于，所述深熔焊接包括焊接起弧段焊接、中间段焊接和收弧段焊接；

在所述起弧段焊接中，在所述第二超导腔结构的所述接缝表面确定起弧位置；采用电流缓升工艺，从所述起弧位置开始使电子束流从0mA线性增加至目标束流大小；在所述电子束流缓慢增加过程中，同时控制所述第二超导腔结构旋转至第一角度；

所述电子束流大小增加至所述目标束流大小后，所述深熔焊接进入所述中间段焊接；对所述目标束流添加扫描波形后持续焊接，并控制所述第二超导腔结构继续旋转，直至所述起弧位置旋转360度；

在所述起弧位置旋转360度之后，开始进行所述收弧端焊接：

从所述起弧位置开始继续旋转所述第二超导腔结构至第二角度，并将所述电子束流从所述目标束流缓慢减小至0mA；所述第二角度大于所述第一角度。

8.如权利要求6所述的工艺方法，其特征在于，所述第一焊接参数包括加速电压以及第一焊接束流；

所述加速电压范围为60～70kV，所述第一焊接束流范围为15～20mA。

9.如权利要求6所述的工艺方法，其特征在于，所述第一时间的范围为20～40min。