大型真空電子束焊接艙設計分析與研制

徐曉飛，馬軼倫，李初曄，左從進

（中國航空制造技術研究院，北京 100024）

1 引言

隨著真空電子束焊接技術的日趨成熟［1］和航空航天技術的迅猛發展，真空電子束焊接技術在輕量化、復雜化、大型化［2］典型飛航彈體結構件生產制造過程中參與的廣度和深度均有大幅度提高［3］。為推動真空電子束焊接技術在航空航天的適應性研究和規模化應用，研制一套大型真空電子束焊接艙是十分必要的。

真空電子束焊接艙是真空電子束焊接設備的基礎部件和關鍵部件，按其容積大小可分為微型（V＜1m3）、小型（1m3≤V＜20m3）、中型（20m3≤V＜80m3）和大型（80m3≤V）真空電子束焊接艙；按其X射線防護等級不同可分為普通防護型和重點防護型真空電子束焊接艙。

大型、重點防護型真空電子束焊接艙具有容積大、真空度高、X射線泄漏劑量低、焊接易變形、制造難度大、生產成本高等特點。因此，國內外對相關產品的研究和研制相對較少。采用三維軟件完成大型真空電子束焊接艙數字化設計；利用有限元分析技術開展真空室真空和起吊狀態的應力-應變分析和計算，研究分析真空室結構設計的一般規律，為設備優化改進提供理論依據；分析并制定了真空室焊接工藝和X射線防護方案，最后用實例驗證大型真空電子束焊接艙的關鍵技術指標，進而證實研制方案的有效性和可靠性，大大縮短了設備的研制周期、降低了研制成本。

2 大型真空電子束焊接艙數字化設計

研制大型真空電子束焊接艙內腔尺寸為（9×4×3）m，容積108m3，重約120t，包括真空室、室大門、真空系統和防護系統等部件，具有生產制造難度大、優化改進成本高等特點。

2.1 真空室的結構設計與分析

真空電子束焊接時的真空度通常約為（5×10-2）Pa，真空室壁板過薄，則真空室強度不夠，易產生永久變形；過厚會造成材料浪費，制造和運輸成本將大幅度提高，因此如何確定真空室各壁板厚度及筋板的布局是至關重要的。

為方便估算真空室壁板厚度，將真空室上壁板簡化為周界固定的平板，如圖1所示。所承受負載為面載荷q，根據周界固定的矩形平板受均勻面載荷時中心點撓度f和應力σ公式為：

圖1 周界固定的平板Fig.1 The Flat Panel Fixed Around

式中：c3、c6—與a/b值相關的矩形平板系數，可查表1獲得；q—平板所承受面載荷；b—平板短邊長度；h—平板厚度；E—材料彈性模量210GPa。

由于壁板自重產生的面載荷遠小于工作狀態下大氣壓所產生的壓力，故取q=1.01×105N/m2。根據式（1）、式（2）在不同的a/b、b和h值時求得平板中心相應的撓度f和應力σ，如表1、表2所示。

表1 矩形平板系數Tab.1 The Coefficient of Rectangular Plate

表2 撓度與應力對應表Tab.2 Table of Deflection and Stress

為確保真空室具備足夠剛性，避免材料浪費，結合表2中的數值，初步設計時真空室壁板選擇鋼板厚40mm，筋板高度初定為300mm，筋板間隔約為1m，按此原則設計真空室，如圖2所示。真空室由底座、底板、前側板、后側板、頂板、左側板以及筋板焊接而成。底座是真空室的基礎，起支撐和固定真空室室壁的作用。頂板中央（圖2中A面），為電子槍的安裝面，工作狀態下，A面的形變大小和形變穩定性直接影響到電子束流的位置精度，進而影響到整個設備的焊接質量、焊接效率和規模化應用；為抑制抽真空時頂面形變，增加了交叉、對稱型加強筋用來克服大氣壓對頂板的作用。前側板、后側板和左側板均亦設有加強筋。真空室右側開口，為提高設備氣密性開口處增設有高140mm的門框板。同時，為提高真空室安裝、調試和搬運的便捷性，在真空室頂面四角設置了四個起吊座。

圖2 三維真空室示意圖Fig.2 Diagram of 3D Vacuum Chamber

2.2 室大門的結構設計

如圖3所示，室大門由驅動系統、吊輪組件、拉緊組件、V型支撐軌、支撐橫梁、方柱、導向軌、導向輪組件等組成。支撐橫梁安裝在真空室頂面和兩個固定在地面上的立柱上；門板由40mm碳鋼板和垂直筋焊接而成，經由兩個活動吊輪組件懸掛在支撐橫梁上，并由驅動系統中三相交流變頻電機直驅V輪在V型支撐軌上滾動，進而帶動門板完成室大門的開合；導向軌和導向輪組件用來調整門板與真空室門框間間隙大小，確保門板氣密性和運動靈活性。四個拉緊組件安裝在室大門的四角，當門板滑動到位時，由氣缸拉緊門板，減小抽真空初期的泄漏量，縮短抽真空時長。

圖3 三維室大門示意圖Fig.3 Diagram of 3D Vacuum Chamber Door

2.3 真空系統

真空系統有兩個重要指標：一個是工作時的真空度，設計指標為p1=5×10-2Pa；另一個是達到工作狀態時所需抽真空時間t，設計指標為t=30min。綜合考慮兩個指標和經濟成本，并根據真空電子束焊接技術的特點，本真空系統，如圖4所示。包括低真空系統、高真空系統和真空檢測裝置。低真空系統主要由主泵羅茨泵和前級泵旋片泵組成；高真空系統主要由擴散泵、擴散泵前級泵組和超低溫水冷機組組成；檢測裝置包括室真空計和擴散泵真空計兩種，系統根據兩個真空計的真空度大小來控制各種閥的通斷，進而完成室內抽真空。

圖4 三維真空系統示意圖Fig.4 Diagram of 3D Vacuum System

低真空泵主泵確定：低真空系統主要功能是將真空室的壓力由大氣壓狀態（P0=1.01×105Pa）抽至低真空狀態P2=5Pa，本階段工作時長t1約為整個抽真空周期的三分之二左右，即：t1=0.667t=20min，則根據主泵選擇計算公式：

V—真空容積。

故低真空主泵選擇萊寶公司的WH4400系列羅茨泵，標稱抽速為4400m3.h-1。由于羅茨泵無法單獨使用，必須配備前級泵以降低排出壓力，即前級泵的極限真空須要達到主泵的預真空度，且其抽速必須大于主泵的最大排氣量，再考慮到預抽時間和預抽真空度的要求，低真空系統選擇兩組并聯的SV750B旋片泵作為羅茨泵的前級泵，預抽時間t'1約為：

同時考慮到管道長度和真空室泄露等因素，高真空系統的工作時間設計為t2=4min，則高真空系統擴散泵的抽速預估為：

2.4 防護系統

真空電子束焊接艙防護系統包括X射線防護系統和安全防護系統。為防止設備在使用過程中X射線泄漏對操作人員造成不可逆的傷害，在真空室和室大門外側采取嚴格的包鉛處理［4-5］，筋板處包鉛方法（黑色部分為鉛板），如圖5所示。平板處包鉛方法（黑色部分為鉛板），如圖6所示。擋板閥與擴散泵處采用鉛房防止射線泄漏，如圖7所示。

圖5 筋板包鉛示意Fig.5 Diagram of Lead Coating Process Between with and without Stiffener

圖6 平板包鉛示意Fig.6 Diagram of Flat Plate Lead Coating Process

圖7 鉛房示意圖Fig.7 Diagram of 3D Lead Room

安全防護系統包括真空室兩側的安全繩、室內的關門按鈕和聲光報警裝置等，以便緊急制動和提醒操作人員注意。

3 真空室有限元理論分析與優化

前文通過數學計算確定了真空室壁板厚度，筋板高度和筋板間，該設計是否合理，對數模進行必要的有限元分析，驗證設備的可靠性和安全性是十分必要的［6］。

3.1 工作狀態受力分析

將真空室的3D模型進行簡化處理，去掉室大門支撐和真空室外的鉛板，轉換輸入至有限元分析軟件，如圖8 所示。利用SOLID185實體單元對簡化后的數字模型進行有限元網格劃分。

圖8 真空室簡化模型Fig.8 The Simplified Model of Vacuum Chamber

選取真空室材料的密度7.8T/m3，彈性模量E=210GPa，約束條件設定為：在真空室底座施加固定面約束，在真空室其他五個面的外表面施加1 個大氣壓的均勻載荷，并在施加重力條件下對真空室進行受力分析，分析結果真空室應力示意圖，如圖9所示。真空室應變示意圖，如圖10 所示。室大門應變示意圖，如圖11所示。

圖9 真空室應力示意圖Fig.9 Stress Diagram of Vacuum Chamber

圖10 真空室應變示意圖Fig.10 Strain Diagram of Vacuum Chamber

圖11 室大門應變示意圖Fig.11 Strain Diagram of Vacuum Chamber Door

有限元分析結果如下：工作狀態下真空室門框與室大門接合處為最大應力點，約為91MPa；最大應變在真空室頂面中央，即圖1中A面，約為1.6mm；真空室側壁最大應為0.35mm；室大門上最大應變在大門中央，約為1.2mm。

結果分析表明：孔口處應變量最大，加強筋可有效的降低壁板應變。因此在孔周邊設置連續加強筋，并縮短真空室頂面加強筋間的跨距至800mm，重新計算分析得A面的應變約為1.3mm。

3.2 真空室吊裝安全分析

為驗證真空室吊裝時的安全性和可靠性，重新對真空焊接艙進行約束：在設備正上方2m處選一點A并施加固定約束，點A與設備四個起吊點利用位置耦合的方式建立連接，同時對真空室水平方向上施加對稱的位移約束，在施加重力條件下對真空進行受力分析，分析結果真空室吊裝應力示意圖，如圖12所示。真空室吊裝應變示意圖，如圖13所示。

圖12 真空室吊裝應力示意圖Fig.12 Stress Diagram of Hoisting Vacuum Chamber

圖13 真空室吊裝應變示意圖Fig.13 Strain Diagram of Hoisting Vacuum Chamber

分析結果表明：設備吊裝時，設備最大應力點為4個吊裝孔以及起吊座與側板的連接處，約為116MPa；最大應變位于真空室底座，約為10.8mm；因此，增加起吊座與真空室壁的聯接，減少應力集中，可進一步提高真空室吊裝過程的安全性。

4 真空室和室大門焊接工藝制定

真空室和室大門焊縫長、板材面積大，焊接前后極易變形，產生焊縫缺陷，進而造成焊縫漏氣的現象，為提高焊縫質量，結合以往經驗，制定以下焊接工藝。

4.1 材料制備

真空室體積較大，焊后不易加工，因此所有板材均采用數控火焰切割方式下料，型材采用鋸床下料完成，保證斷面的齊整性；板材和型材需加工特征均焊前加工；由于板材具有焊接收縮性，所有板料長寬尺寸在理論尺寸值上增加1.2‰的焊接收縮量。

4.2 焊接坡口及工藝要求

為防止焊縫處漏氣、憋氣，拼接板材采用內外兩側焊接，內焊縫滿焊，外焊縫斷續焊，對接焊接坡口采用，如圖14所示。角接焊縫坡口，如圖15所示。筋板焊接坡口，如圖16所示。焊接前清理焊接坡品及焊縫兩側100mm，不得有油污、鐵銹、渣土等雜質；真空室內側焊縫采用氬弧焊焊接，保證焊縫光滑、平整和美觀；焊縫咬邊深度不大于0.5mm；外露焊縫焊后磨平與母材等高，角接部分平滑過渡等。

圖14 對接焊縫坡口示意圖Fig.14 Diagram of Butt Weld Groove

圖15 角接焊縫坡口示意圖Fig.15 Diagram of Fillet Weld Groove

圖16 筋板焊縫示意圖Fig.16 Diagram of Weld Groove Between Flat Plate and Stiffener

4.3 防焊接變形優化措施

為減小焊接時和焊后真空室變形，制定配加重物焊接、優化焊接順序、增加內支撐和熱處理消除焊接應力等方法。

4.3.1 配加重物焊接法

單面板材尺寸較大（約為4m×9m），不易購買到成品，故按完成拼接，如圖17所示。

圖17 配加重物焊接示意圖Fig.17 Diagram of Welding Technology Added Weights

為避免因焊縫較長焊后產生永久變形，每側焊接兩遍后翻轉一次，如此反復直至拼接完成。

加強筋焊接采用斷續焊接，在空置區增加重物，并嚴格按照A區、B區、C區的順序焊接，即焊接A區時，在B區和C區配加相應重物以防止焊接變形，如圖18所示。

圖18 筋板焊接示意圖Fig.18 Diagram of Stiffener Welding Technology Added Weights

4.3.2 優化焊接順序和增加內支撐

首先用型材焊接真空室底座并拼焊頂板和底板；其次將底板焊接到底座上并完成底座底板組件的特征加工；再次焊接前側板、后側板、頂板和門板的筋板，當四周有筋板時，先焊四周再焊中間；最后用增加內支撐的方法將真空室焊接起來，真空室內部加多組支撐用來承受頂板的重力，支撐間隔約500mm，真空室角接處采用斜角支撐，斜角支撐間隔約1m，如圖19所示。

圖19 真空室支撐示意圖Fig.19 Auxiliary Support of Vacuum Chamber

4.3.3 室大門熱處理

在設備使用過程中，室大門變形往往是導致設備氣密性差、極限真空上不去或抽真空時間延長的重要因素，因此在室大門焊接完成后，進行去應力退火，消除焊接應力，以保持室大門精度穩定是十分必要的，室大門熱處理曲線圖，如圖20所示。

圖20 室大門熱處理曲線示意圖Fig.20 Heat Treatment Curve of Vacuum Chamber Door

5 實例驗證與結論

按上述理論分析和工藝方法對設備進行研制，成功制造出108m3大型真空電子束焊艙一臺，如圖21所示。

圖21 大型真空電子束焊接艙實物圖Fig.21 Real Photo of Large Vacuum Electron Beam Welding Cabin

對真空焊接艙的進行抽真空實驗，如圖22所示。用秒表和室真空計記錄到達相應真空度的時間，如表3所示。

表3 抽真空實驗結果Tab.3 The Results of Vacuum Experiment

圖22 時間—氣壓關系圖Fig.22 The Diagram of Time-Pressure

圖中：T1—8000Pa時羅茨泵開啟；

T2—5Pa時擴散泵開啟；

T3—到達0.05Pa

同時，用百分表對電子槍安裝面（圖1中A面）進行測試，檢驗抽真空前后的變形量，以及對X射線泄露劑量和真空室吊裝安全性進行檢測，檢測結果，如表4所示。

表4 測試驗證結果Tab.4 The Results of Test Verification

表3所示6次抽真空實驗中每兩次實驗間隔大于1周，第1次與第6次間隔約為3個月，結果表明：大型真空電子束焊接艙抽真空時間小于30min，真空室氣密性良好，真空系統設計合理；表4結果表明：電子槍安裝面變形量小，真空室結構剛性強；X射線泄露劑量低，滿足國標GBZ2.2-2007工作場所有害因素接觸限值的使用要求，設備防護等級高；吊裝安全可靠。總之，上述實驗驗證了大型真空電子束焊接艙研究方法的有效性和可靠性，在一定程度上推動了真空電子束焊接技術在航空航天大型結構件上的應用適應性研究和規模化應用。