徐曉飛，馬軼倫，李初曄，左從進(jìn)

（中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

1 引言

隨著真空電子束焊接技術(shù)的日趨成熟［1］和航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，真空電子束焊接技術(shù)在輕量化、復(fù)雜化、大型化［2］典型飛航彈體結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)制造過(guò)程中參與的廣度和深度均有大幅度提高［3］。為推動(dòng)真空電子束焊接技術(shù)在航空航天的適應(yīng)性研究和規(guī)?；瘧?yīng)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(shè)備的基礎(chǔ)部件和關(guān)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(hù)等級(jí)不同可分為普通防護(hù)型和重點(diǎn)防護(hù)型真空電子束焊接艙。

大型、重點(diǎn)防護(hù)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(chǎn)成本高等特點(diǎn)。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的研究和研制相對(duì)較少。采用三維軟件完成大型真空電子束焊接艙數(shù)字化設(shè)計(jì)；利用有限元分析技術(shù)開展真空室真空和起吊狀態(tài)的應(yīng)力-應(yīng)變分析和計(jì)算，研究分析真空室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，為設(shè)備優(yōu)化改進(jìn)提供理論依據(jù)；分析并制定了真空室焊接工藝和X射線防護(hù)方案，最后用實(shí)例驗(yàn)證大型真空電子束焊接艙的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)而證實(shí)研制方案的有效性和可靠性，大大縮短了設(shè)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(shù)字化設(shè)計(jì)

研制大型真空電子束焊接艙內(nèi)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(tǒng)和防護(hù)系統(tǒng)等部件，具有生產(chǎn)制造難度大、優(yōu)化改進(jìn)成本高等特點(diǎn)。

2.1 真空室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

真空電子束焊接時(shí)的真空度通常約為（5×10-2）Pa，真空室壁板過(guò)薄，則真空室強(qiáng)度不夠，易產(chǎn)生永久變形；過(guò)厚會(huì)造成材料浪費(fèi)，制造和運(yùn)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(guān)重要的。

為方便估算真空室壁板厚度，將真空室上壁板簡(jiǎn)化為周界固定的平板，如圖1所示。所承受負(fù)載為面載荷q，根據(jù)周界固定的矩形平板受均勻面載荷時(shí)中心點(diǎn)撓度f(wàn)和應(yīng)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(guān)的矩形平板系數(shù)，可查表1獲得；q—平板所承受面載荷；b—平板短邊長(zhǎng)度；h—平板厚度；E—材料彈性模量210GPa。

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

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

表2 撓度與應(yīng)力對(duì)應(yīng)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(fèi)，結(jié)合表2中的數(shù)值，初步設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)真空室，如圖2所示。真空室由底座、底板、前側(cè)板、后側(cè)板、頂板、左側(cè)板以及筋板焊接而成。底座是真空室的基礎(chǔ)，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(tài)下，A面的形變大小和形變穩(wěn)定性直接影響到電子束流的位置精度，進(jìn)而影響到整個(gè)設(shè)備的焊接質(zhì)量、焊接效率和規(guī)?；瘧?yīng)用；為抑制抽真空時(shí)頂面形變，增加了交叉、對(duì)稱型加強(qiáng)筋用來(lái)克服大氣壓對(duì)頂板的作用。前側(cè)板、后側(cè)板和左側(cè)板均亦設(shè)有加強(qiáng)筋。真空室右側(cè)開口，為提高設(shè)備氣密性開口處增設(shè)有高140mm的門框板。同時(shí)，為提高真空室安裝、調(diào)試和搬運(yùn)的便捷性，在真空室頂面四角設(shè)置了四個(gè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，室大門由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、吊輪組件、拉緊組件、V型支撐軌、支撐橫梁、方柱、導(dǎo)向軌、導(dǎo)向輪組件等組成。支撐橫梁安裝在真空室頂面和兩個(gè)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(jīng)由兩個(gè)活動(dòng)吊輪組件懸掛在支撐橫梁上，并由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中三相交流變頻電機(jī)直驅(qū)V輪在V型支撐軌上滾動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)門板完成室大門的開合；導(dǎo)向軌和導(dǎo)向輪組件用來(lái)調(diào)整門板與真空室門框間間隙大小，確保門板氣密性和運(yùn)動(dòng)靈活性。四個(gè)拉緊組件安裝在室大門的四角，當(dāng)門板滑動(dòng)到位時(shí)，由氣缸拉緊門板，減小抽真空初期的泄漏量，縮短抽真空時(shí)長(zhǎng)。

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

2.3 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)有兩個(gè)重要指標(biāo)：一個(gè)是工作時(shí)的真空度，設(shè)計(jì)指標(biāo)為p1=5×10-2Pa；另一個(gè)是達(dá)到工作狀態(tài)時(shí)所需抽真空時(shí)間t，設(shè)計(jì)指標(biāo)為t=30min。綜合考慮兩個(gè)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)成本，并根據(jù)真空電子束焊接技術(shù)的特點(diǎn)，本真空系統(tǒng)，如圖4所示。包括低真空系統(tǒng)、高真空系統(tǒng)和真空檢測(cè)裝置。低真空系統(tǒng)主要由主泵羅茨泵和前級(jí)泵旋片泵組成；高真空系統(tǒng)主要由擴(kuò)散泵、擴(kuò)散泵前級(jí)泵組和超低溫水冷機(jī)組組成；檢測(cè)裝置包括室真空計(jì)和擴(kuò)散泵真空計(jì)兩種，系統(tǒng)根據(jù)兩個(gè)真空計(jì)的真空度大小來(lái)控制各種閥的通斷，進(jìn)而完成室內(nèi)抽真空。

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

低真空泵主泵確定：低真空系統(tǒng)主要功能是將真空室的壓力由大氣壓狀態(tài)（P0=1.01×105Pa）抽至低真空狀態(tài)P2=5Pa，本階段工作時(shí)長(zhǎng)t1約為整個(gè)抽真空周期的三分之二左右，即：t1=0.667t=20min，則根據(jù)主泵選擇計(jì)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(biāo)稱抽速為4400m3.h-1。由于羅茨泵無(wú)法單獨(dú)使用，必須配備前級(jí)泵以降低排出壓力，即前級(jí)泵的極限真空須要達(dá)到主泵的預(yù)真空度，且其抽速必須大于主泵的最大排氣量，再考慮到預(yù)抽時(shí)間和預(yù)抽真空度的要求，低真空系統(tǒng)選擇兩組并聯(lián)的SV750B旋片泵作為羅茨泵的前級(jí)泵，預(yù)抽時(shí)間t'1約為：

同時(shí)考慮到管道長(zhǎng)度和真空室泄露等因素，高真空系統(tǒng)的工作時(shí)間設(shè)計(jì)為t2=4min，則高真空系統(tǒng)擴(kuò)散泵的抽速預(yù)估為：

2.4 防護(hù)系統(tǒng)

真空電子束焊接艙防護(hù)系統(tǒng)包括X射線防護(hù)系統(tǒng)和安全防護(hù)系統(tǒng)。為防止設(shè)備在使用過(guò)程中X射線泄漏對(duì)操作人員造成不可逆的傷害，在真空室和室大門外側(cè)采取嚴(yán)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(kuò)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(hù)系統(tǒng)包括真空室兩側(cè)的安全繩、室內(nèi)的關(guān)門按鈕和聲光報(bào)警裝置等，以便緊急制動(dòng)和提醒操作人員注意。

3 真空室有限元理論分析與優(yōu)化

前文通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算確定了真空室壁板厚度，筋板高度和筋板間，該設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)數(shù)模進(jìn)行必要的有限元分析，驗(yàn)證設(shè)備的可靠性和安全性是十分必要的［6］。

3.1 工作狀態(tài)受力分析

將真空室的3D模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去掉室大門支撐和真空室外的鉛板，轉(zhuǎn)換輸入至有限元分析軟件，如圖8 所示。利用SOLID185實(shí)體單元對(duì)簡(jiǎn)化后的數(shù)字模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。

圖8 真空室簡(jiǎn)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(shè)定為：在真空室底座施加固定面約束，在真空室其他五個(gè)面的外表面施加1 個(gè)大氣壓的均勻載荷，并在施加重力條件下對(duì)真空室進(jìn)行受力分析，分析結(jié)果真空室應(yīng)力示意圖，如圖9所示。真空室應(yīng)變示意圖，如圖10 所示。室大門應(yīng)變示意圖，如圖11所示。

圖9 真空室應(yīng)力示意圖Fig.9 Stress Diagram of Vacuum Chamber

圖10 真空室應(yīng)變示意圖Fig.10 Strain Diagram of Vacuum Chamber

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

有限元分析結(jié)果如下：工作狀態(tài)下真空室門框與室大門接合處為最大應(yīng)力點(diǎn)，約為91MPa；最大應(yīng)變?cè)谡婵帐翼斆嬷醒?，即圖1中A面，約為1.6mm；真空室側(cè)壁最大應(yīng)為0.35mm；室大門上最大應(yīng)變?cè)诖箝T中央，約為1.2mm。

結(jié)果分析表明：孔口處應(yīng)變量最大，加強(qiáng)筋可有效的降低壁板應(yīng)變。因此在孔周邊設(shè)置連續(xù)加強(qiáng)筋，并縮短真空室頂面加強(qiáng)筋間的跨距至800mm，重新計(jì)算分析得A面的應(yīng)變約為1.3mm。

3.2 真空室吊裝安全分析

為驗(yàn)證真空室吊裝時(shí)的安全性和可靠性，重新對(duì)真空焊接艙進(jìn)行約束：在設(shè)備正上方2m處選一點(diǎn)A并施加固定約束，點(diǎn)A與設(shè)備四個(gè)起吊點(diǎn)利用位置耦合的方式建立連接，同時(shí)對(duì)真空室水平方向上施加對(duì)稱的位移約束，在施加重力條件下對(duì)真空進(jìn)行受力分析，分析結(jié)果真空室吊裝應(yīng)力示意圖，如圖12所示。真空室吊裝應(yīng)變示意圖，如圖13所示。

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

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

分析結(jié)果表明：設(shè)備吊裝時(shí)，設(shè)備最大應(yīng)力點(diǎn)為4個(gè)吊裝孔以及起吊座與側(cè)板的連接處，約為116MPa；最大應(yīng)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(lián)接，減少應(yīng)力集中，可進(jìn)一步提高真空室吊裝過(guò)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(zhǎng)、板材面積大，焊接前后極易變形，產(chǎn)生焊縫缺陷，進(jìn)而造成焊縫漏氣的現(xiàn)象，為提高焊縫質(zhì)量，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，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(shù)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(zhǎng)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(nèi)外兩側(cè)焊接，內(nèi)焊縫滿焊，外焊縫斷續(xù)焊，對(duì)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(cè)100mm，不得有油污、鐵銹、渣土等雜質(zhì)；真空室內(nèi)側(cè)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(guò)渡等。

圖14 對(duì)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(yōu)化措施

為減小焊接時(shí)和焊后真空室變形，制定配加重物焊接、優(yōu)化焊接順序、增加內(nèi)支撐和熱處理消除焊接應(yīng)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(gòu)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(zhǎng)焊后產(chǎn)生永久變形，每側(cè)焊接兩遍后翻轉(zhuǎn)一次，如此反復(fù)直至拼接完成。

加強(qiáng)筋焊接采用斷續(xù)焊接，在空置區(qū)增加重物，并嚴(yán)格按照A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)的順序焊接，即焊接A區(qū)時(shí)，在B區(qū)和C區(qū)配加相應(yīng)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(yōu)化焊接順序和增加內(nèi)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(cè)板、后側(cè)板、頂板和門板的筋板，當(dāng)四周有筋板時(shí)，先焊四周再焊中間；最后用增加內(nèi)支撐的方法將真空室焊接起來(lái)，真空室內(nèi)部加多組支撐用來(lái)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(shè)備使用過(guò)程中，室大門變形往往是導(dǎo)致設(shè)備氣密性差、極限真空上不去或抽真空時(shí)間延長(zhǎng)的重要因素，因此在室大門焊接完成后，進(jìn)行去應(yīng)力退火，消除焊接應(yīng)力，以保持室大門精度穩(wěn)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(shí)例驗(yàn)證與結(jié)論

按上述理論分析和工藝方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行研制，成功制造出108m3大型真空電子束焊艙一臺(tái)，如圖21所示。

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

對(duì)真空焊接艙的進(jìn)行抽真空實(shí)驗(yàn)，如圖22所示。用秒表和室真空計(jì)記錄到達(dá)相應(yīng)真空度的時(shí)間，如表3所示。

表3 抽真空實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The Results of Vacuum Experiment

圖22 時(shí)間—?dú)鈮宏P(guān)系圖Fig.22 The Diagram of Time-Pressure

圖中：T1—8000Pa時(shí)羅茨泵開啟；

T2—5Pa時(shí)擴(kuò)散泵開啟；

T3—到達(dá)0.05Pa

同時(shí)，用百分表對(duì)電子槍安裝面（圖1中A面）進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)抽真空前后的變形量，以及對(duì)X射線泄露劑量和真空室吊裝安全性進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果，如表4所示。

表4 測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果Tab.4 The Results of Test Verification

表3所示6次抽真空實(shí)驗(yàn)中每?jī)纱螌?shí)驗(yàn)間隔大于1周，第1次與第6次間隔約為3個(gè)月，結(jié)果表明：大型真空電子束焊接艙抽真空時(shí)間小于30min，真空室氣密性良好，真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理；表4結(jié)果表明：電子槍安裝面變形量小，真空室結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)；X射線泄露劑量低，滿足國(guó)標(biāo)GBZ2.2-2007工作場(chǎng)所有害因素接觸限值的使用要求，設(shè)備防護(hù)等級(jí)高；吊裝安全可靠。總之，上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)了真空電子束焊接技術(shù)在航空航天大型結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用適應(yīng)性研究和規(guī)模化應(yīng)用。