大抽速的真空抽氣系統(tǒng)是大型電子束焊接設(shè)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(shè)備中真空抽氣系統(tǒng)的組成及其設(shè)計(jì)思路、方法,并對(duì)此真空抽氣系統(tǒng)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(xì)的計(jì)算。為大型真空設(shè)備的研制提供一個(gè)有益的思路和便捷的方法。

　　國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）是正在建設(shè)中的一個(gè)為驗(yàn)證全尺寸可控核聚變技術(shù)的可行性而設(shè)計(jì)的國(guó)際托卡馬克實(shí)驗(yàn)堆。中科院等離子體所為解決ITER 項(xiàng)目工程采購(gòu)包的焊接技術(shù)難題，滿足國(guó)際組對(duì)產(chǎn)品制造的嚴(yán)格要求，擬定組建一套大型電子束焊接設(shè)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(yùn)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(xiàn)象，而抽真空速率對(duì)電子束的整個(gè)加工時(shí)間起著決定性的作用。

　　此大型電子束焊接設(shè)備的需抽容積較大，需要一個(gè)大抽速的真空系統(tǒng)，現(xiàn)對(duì)此真空抽氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)要求

　　為了使電子束內(nèi)的雜質(zhì)微粒對(duì)真空的影響減至最小，延長(zhǎng)陰極壽命，應(yīng)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(tǒng)的具體設(shè)計(jì)要求如下：

　　(1) 焊接室需抽容積為48 m3，材料為復(fù)合不銹鋼。在焊接前，焊接室的本底真空度要求達(dá)到1×10- 2 Pa。

　　(2) 要求真空系統(tǒng)能適應(yīng)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(dá)到5×10- 2 Pa。

　　(4) 能迅速排除突然釋放的氣體。（因?yàn)楹附舆^(guò)程中有相當(dāng)數(shù)量的金屬蒸氣釋放，并且工件及工件室表面的附著氣體在受熱后也會(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(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

　　真空抽氣系統(tǒng)方案的確定，必須滿足抽氣時(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(duì)國(guó)內(nèi)外同類裝置的調(diào)研，我們選擇的抽氣方案為：擴(kuò)散泵做主抽真空泵，旋片泵- 羅茨泵機(jī)組作粗抽泵。

擴(kuò)散泵的優(yōu)點(diǎn)：

　　(1) 擴(kuò)散泵能提供巨大的排氣量，以對(duì)抗大的氣體負(fù)載；

　　(2) 擴(kuò)散泵抽速大、壽命長(zhǎng)，高可靠、維護(hù)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(tǒng)的原理如圖1 所示。

　　如圖1 所示，電子束室有自己獨(dú)立的抽氣系統(tǒng)，現(xiàn)主要設(shè)計(jì)焊接室的抽氣系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及布局：擴(kuò)散泵通過(guò)DN1000, 長(zhǎng)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(zhǎng)2 m 的管道與主抽氣管道連接，并通過(guò)DN250，長(zhǎng)1 m 的管道與擴(kuò)散泵連接；旋片泵通過(guò)DN100，長(zhǎng)1 m 的管道與羅茨泵連接。在此抽氣系統(tǒng)內(nèi)，羅茨泵機(jī)組在抽氣前期做粗抽，當(dāng)擴(kuò)散泵啟動(dòng)時(shí)做擴(kuò)散泵的前級(jí)泵。預(yù)留一窗口，當(dāng)抽氣時(shí)間或真空度等有新的要求時(shí)，可配上新的泵組，從而滿足要求。

　　此套真空抽氣系統(tǒng)能達(dá)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，滿足要求。真空抽氣系統(tǒng)主要由粗抽泵、主抽泵、前級(jí)泵以及之間的管道、閥門(mén)組成。設(shè)計(jì)真空抽氣系統(tǒng)時(shí)主要考慮抽氣時(shí)間及極限壓強(qiáng)。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(duì)于不同氣流狀態(tài)下抽氣時(shí)間的計(jì)算有不同的計(jì)算方法，故要先判斷氣流狀態(tài)，再做計(jì)算。影響極限壓強(qiáng)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(dǎo)的限制；而裝置壁面放氣率對(duì)于每種材料都不一樣，需對(duì)裝置中所用材料分別做計(jì)算。

　　本文對(duì)電子束焊接設(shè)備的真空抽氣系統(tǒng)做了詳細(xì)的分析及設(shè)計(jì)，并給出了具體的設(shè)計(jì)步驟，希望對(duì)以后類似裝置的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)有一定的參考價(jià)值。