大型電子束焊接設備(EBW)真空抽氣系統設計
大抽速的真空抽氣系統是大型電子束焊接設備(electron beam welding,EBW)中必不可少的組成部分。本文介紹了一個(gè)大型電子束焊設備中真空抽氣系統的組成及其設計思路、方法,并對此真空抽氣系統所能得到的本底真空度、工況真空度以及各階段的抽氣時(shí)間進(jìn)行了詳細的計算。為大型真空設備的研制提供一個(gè)有益的思路和便捷的方法。
國際熱核聚變實(shí)驗反應堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）是正在建設中的一個(gè)為驗證全尺寸可控核聚變技術(shù)的可行性而設計的國際托卡馬克實(shí)驗堆。中科院等離子體所為解決ITER 項目工程采購包的焊接技術(shù)難題，滿(mǎn)足國際組對產(chǎn)品制造的嚴格要求，擬定組建一套大型電子束焊接設備。
電子束焊是近三十年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種熔化焊接方法, 它利用空間定向運動(dòng)的電子束以高速撞擊到工件表面后產(chǎn)生的熱能使工件熔化，形成焊縫。電子束焊接的質(zhì)量一方面取決于電子束源以及加工工藝的優(yōu)化，而從電子束的加工工藝來(lái)說(shuō)，很大程度上取決于真空的環(huán)境，真空度的提高可以減少高速電子束的減速和阻尼現象，而抽真空速率對電子束的整個(gè)加工時(shí)間起著(zhù)決定性的作用。
此大型電子束焊接設備的需抽容積較大，需要一個(gè)大抽速的真空系統，現對此真空抽氣系統進(jìn)行設計。
設計要求
為了使電子束內的雜質(zhì)微粒對真空的影響減至最小，延長(cháng)陰極壽命，應盡可能地提高電子束焊接室的真空度。工作時(shí)焊接室需經(jīng)常開(kāi)啟以更換焊接件，所以要盡可能地減少真空抽氣時(shí)間，以提高焊接效率。
此真空抽氣系統的具體設計要求如下：
(1) 焊接室需抽容積為48 m3，材料為復合不銹鋼。在焊接前，焊接室的本底真空度要求達到1×10- 2 Pa。
(2) 要求真空系統能適應頻繁地“放氣—抽真空”循環(huán)狀態(tài)，焊接室抽到1×10- 2 Pa 所用的時(shí)間要小于30 min。
(3) 電子槍的最大功率是60 kW，焊件材料為不銹鋼或純銅，電子槍工作時(shí)焊接室的真空度要求達到5×10- 2 Pa。
(4) 能迅速排除突然釋放的氣體。（因為焊接過(guò)程中有相當數量的金屬蒸氣釋放，并且工件及工件室表面的附著(zhù)氣體在受熱后也會(huì )釋放出來(lái)，如不及時(shí)排除，就會(huì )瞬時(shí)降低真空度）
真空抽氣系統的設計思路
真空抽氣系統方案的確定，必須滿(mǎn)足抽氣時(shí)間及真空度的要求。焊接室的體積較大以及要求抽到本底真空的時(shí)間較短，所以必須選擇大抽速的粗抽泵。電子束焊接裝置在工作時(shí)出氣率較大，為使其在工作時(shí)仍能滿(mǎn)足真空度的要求，必須選擇高抽速的主泵。工況下空氣中的雜質(zhì)較多，主泵必須在此工況下仍能正常工作。就目前的真空獲得技術(shù)，以及對國內外同類(lèi)裝置的調研，我們選擇的抽氣方案為：擴散泵做主抽真空泵，旋片泵- 羅茨泵機組作粗抽泵。
擴散泵的優(yōu)點(diǎn)：
(1) 擴散泵能提供巨大的排氣量，以對抗大的氣體負載；
(2) 擴散泵抽速大、壽命長(cháng)，高可靠、維護少；
(3) 可高效抽除所有的氣體分子（無(wú)抽氣選擇性）；
(4) 具有最優(yōu)的價(jià)格/ 抽速比。抽氣系統的原理如圖1 所示。
如圖1 所示，電子束室有自己獨立的抽氣系統，現主要設計焊接室的抽氣系統。系統結構及布局：擴散泵通過(guò)DN1000, 長(cháng)1m 的抽氣管道，經(jīng)直角高真空擋板閥與焊接室連接；羅茨泵通過(guò)DN250，長(cháng)2 m 的管道與主抽氣管道連接，并通過(guò)DN250，長(cháng)1 m 的管道與擴散泵連接；旋片泵通過(guò)DN100，長(cháng)1 m 的管道與羅茨泵連接。在此抽氣系統內，羅茨泵機組在抽氣前期做粗抽，當擴散泵啟動(dòng)時(shí)做擴散泵的前級泵。預留一窗口，當抽氣時(shí)間或真空度等有新的要求時(shí)，可配上新的泵組，從而滿(mǎn)足要求。
此套真空抽氣系統能達到的本底真空度為1.6×10- 3 Pa，工況真空度為2.4×10- 2 Pa，抽到本底真空度所用時(shí)間為20 min 22 s，滿(mǎn)足要求。真空抽氣系統主要由粗抽泵、主抽泵、前級泵以及之間的管道、閥門(mén)組成。設計真空抽氣系統時(shí)主要考慮抽氣時(shí)間及極限壓強。抽氣時(shí)間又分粗抽時(shí)間及主抽時(shí)間，如果裝置較大時(shí)粗抽時(shí)間為主要時(shí)間，可通過(guò)增大粗抽泵抽速來(lái)減少抽氣時(shí)間。對于不同氣流狀態(tài)下抽氣時(shí)間的計算有不同的計算方法，故要先判斷氣流狀態(tài)，再做計算。影響極限壓強的主要因素是主泵抽速、裝置壁面放氣率，其中主泵的有效抽速受管道流導的限制；而裝置壁面放氣率對于每種材料都不一樣，需對裝置中所用材料分別做計算。
本文對電子束焊接設備的真空抽氣系統做了詳細的分析及設計，并給出了具體的設計步驟，希望對以后類(lèi)似裝置的真空系統設計會(huì )有一定的參考價(jià)值。
