真空系统设计（不锈钢超高真空容器的焊接）

真空系统是指由真空泵、真空计及各种零件通过管道以适当的方式联接，组合成能达到一定真空度要求的装置。真空系统的基本要求是都有哪些？

3.2.4.3 不锈钢超高真空容器的焊接

A焊接结构设计

超高真空不锈钢容器焊接的结构设计原则为:

(1)尽可能地减少真空容器表面上的焊缝和焊缝长度。

(2)所设计的真空容器上的焊缝应尽量从容器的内表面上焊接，并尽量采用在焊接中焊缝气孔最少、不产生冷热裂纹和不加焊丝的气体保护焊一等离子弧焊、 钨极氢弧焊、电子束焊等焊接方法。

(3)焊缝结构应不影响真空容器内表面的精加工( 达到高的表面光洁程度)。

(4)焊缝结构应便于精加工后的清洗处理。

(5)焊缝结构应设计成便于用氦质谱检漏仪进行检漏的结构。

B不锈钢焊接中存在的问题

不锈钢材料的耐腐蚀的性能和耐高、低温应用的性能都是很好的，但是经过焊接后的不锈钢焊缝及其热影响区的情况就大为不同了，它存在着裂纹、气孔、脆化、晶粒粗大的现象。因此，在制造超高真空和一般的高真空容器时，必须十分重视这个问题。

奥氏体不锈钢在焊接中及焊接后存在的问题主要有:

(1)焊缝中的热裂缝。奥氏体不锈钢焊接工艺中应该注意的问题是焊缝金属的热裂缝(图3-3)，在焊接热影响区的晶界上析出铬的碳化物以及产生焊接应力。

图3-33焊接奥氏体不锈钢时产生的热裂缝

(a)焊缝中的纵向裂缝; (b)焊缝中的横向裂缝; (c)焊縫中弧坑裂缝;(d)热影响区内的横向裂缝; (e) 热影响区内的纵向裂缝

热裂缝也称为结晶裂缝，是在焊接熔池的一次结晶过程中，当焊缝金属处于固-液体状态时形成的，它们是由于相邻的晶体沿晶间夹层被分开的结果。

焊接奥氏体不锈钢时，最常见的缺陷就是热裂缝，它是异常危险的，因为它一般不暴露在焊缝的表面，不易被发现。在使用的过程中，热裂缝可能发展成为冷裂缝，使焊接密封结构开裂失效。- -般的焊接结构质量检验方法，其中包括X射线透视探伤在内，往往不能发现焊缝金属中的热裂缝。

产生热裂缝的原因是多方面的，现已发现焊缝渗人碳、氢、氮、铜、锌等元素时，热裂缝数急速增加。调节铭镍在焊缝金属中的比例，可以降低热裂倾向。另外，在焊接过程中，要采取措施防止上述有害元素侵人焊缝。有关资料指出，焊缝金属中含有一定量的铁素体也可以降低热裂倾向。

(2)晶界上铬的碳化物析出。不锈钢材料晶界上铬的碳化物析出温度为550。850C，而且在焊接时加热的时间越长，铬的碳化物析出越多，这将影响到奥氏体抗晶间腐蚀的能力。同时，铬的碳化物析出会使/合线附近发生晶粒粗化，形成粗的铸态组织，而这对超高真空容器极为有害，渗漏、脆裂往往发生在这些地方。可以采用焊接加热集中的方法，如电子束、等离子焊、氢弧焊等，并采取合理的焊接结构缩短冷却时间来解决铬的碳化物析出问题。

不锈钢具有良好的低温性能，然而由于其焊后可能产生的铬的碳化物析出会使它的低温性能变坏，在低温下材料严重变脆，韧性大大降低，这一点对于真空系统中的低温冷阱来说，产生的危害严重。应用实践证明，冷阱的渗泄多数是由于焊缝的脆裂造成的，而且渗漏的部位多产生在经过修补的焊接部位。在不锈钢真空容器的制造工艺中，可以采用焊后固溶处理工艺来改善焊缝的脆性，焊后的完全退火也是改善其冷脆的一种方法。因此，应该重视不锈钢真空容器的焊后热处理工艺。

(3)焊接缺陷。焊缝区所产生的焊接缺陷有裂缝、气孔、夹渣、咬边、焊瘤、未焊透等，这些缺陷都对超高真空容器的制造和应用有害，特别是气孔、夹渣给真空容器增加了放气源，必须想方设法消除。

焊缝中的气孔多数是由于材料清洗的不干净、潮湿、油脂、锈以及保护气氩气中的氢、氧引起的，因此要重视焊前的清洁处理，氩气的净化。焊前如能对焊接部位预热到200%C,可以消除水分造成的影响。

C 超高真空不锈钢容器的焊装工艺

a 简体的卷焊

在无法使用旋压和拉延制筒的情况下，卷焊简体成为必不可少的手段。根据不锈钢焊接的要求，卷简压弯必须使用压机，不许锤击，下料划线不许用划针，要使用金属铅笔， 剪板、卷板等成型过程所便用的工夹具应采用奥氏体不锈钢材料制成，如锤、夹子、压板等:必须注意防止光洁的轧制表面被划伤及轧成凹坑;剪后的切口要留取切削加工余量(参见表3-8)， 这主要有两个目的:一、是为了加工出需要的焊接坡口;二、是为了加工去掉由于剪切可能形成的冷裂缝，这种裂缝在焊接应力的影响下会扩展。

表3-8剪切时的加工余量

特别厚的板，可以用等离子切割，但切割后的表面必须留一定的加工余量，切出新鲜的焊接坡口才能焊接。

简体的纵向焊缝最好采用自动或半自动焊机进行双边氩气保护焊接，并事先调整好焊接规范。

简壁厚度小于3mm者，最好采用穿透等离子弧氩气保护焊，总之必须使筒体的内部焊缝平整而光滑。

b 焊前的清洁处理

经过切削加工过的坡口和板材的表面仍然有各种污染物质吸附在金属表面上，实际的金属表面具有如图3-34所示的复杂的吸附体系。

图3-34工 业用金属表面吸附层的基本形式示意图

1-金属:2- 变形区:3-氧化层:4气体吸附层:5- -水吸附层:6-一般性分子层

机械加工时残留的油脂或有机化合物有时比较厚，而且油分子还具有滲人到金属表面微裂纹中去的能力，因此，焊接前如不进行很好的清洁处理，

焊接时在焊接区内会产生明显的油雾，使焊缝区域发黑，并产生大量渗碳现象，甚至使焊缝产生裂纹。焊前对焊缝区的清洗可用汽油除油脂后，再用丙酮溶剂清洗后进行焊接;也可以用酸洗，然后用水冲洗、烘干后进行焊接。如果采用真空条件下的焊接则更为有利。

c 简体与简体支管的焊接

简体与支管间的焊缝，最好设计成正交连线，这样可以保证焊后成力分布均勾而对称。另外，最有利的焊接结构为对接焊接，如图5-35所示，一般不使用 T字形结构(图3-35b)，因为后者易产生张应力裂缝。在焊缝的结构设计时，应尽可能使焊缝位于能在容器内表面施焊的位置(图3-35d)。

图3-35两种简体与支管焊缝的比较

(a)对接焊结构; (b) T形焊结构; (c)等径管正交焊接结构;(d)等径管相交较好焊接结构

等直径简体应该尽量避免采用图3-35 (c) 中所示的焊缝结构，在这种焊接结构中，被焊件处于刀刃形的接头形式中，使相连处的壁厚相差甚大，不易控制焊接电流和采用合理的焊接规范，往往造成焊缝疏松而使容器泄漏。等径简体采用图3-35 (d)所示的焊接结构较好。

焊接结构以不产生刚性的焊接接头为原则，以便于在焊接应力作用下产生的焊接变形能够自由伸展，不增加焊缝应力，防止裂缝。问时焊接结构还应满足在不能从容器内部焊接时，从外部焊接而达到焊透双边成型的目的。

为了使焊缝的质最满足超高真空系统放气率的要求，防止管子内壁由于焊接产生氧化，必须充氨气保护，所有其他形式的焊接接失。焊接时都需双面气体保护，尽量采用铜垫板和辅助导热夹具，便焊物区域迅速降温，以达到防止裂缝和铬的碳化物析出的目的。

d 冷却水套的制造

超高真空容器中常见的水套结构见图3-36。一般情况下水套是焊在容器壁上的，如上所述，真空容器般均为薄壁件， 焊接水套将直接影响器壁的金属组织，焊接操作不当会焊穿器壁。与器壁焊接的水套材料必须采用与器壁相同的不锈钢材料，以防止造成焊接裂缝。包制水套时，防止水套的焊缝与容器的原有焊缝交叉焊接，所有容器上的原有焊缝都应尽可能地包在水套以外，这样做是便于容器的整体检漏，或者当某焊接处有泄漏时便于修补。

图3-36复 杂水套焊缝位置间的关系

e 不锈钢超高真空容器焊装后的检漏

在容器的制造过程中进行多次检漏是超高真空容器制造工艺不同于一般机械制造工艺的主要方面。超高真空容器的检漏不同于一一般的高真空检漏，一般来说，不允许使用容器内打水压和气压的正压检漏方法。因为超高真空容器的壁薄，焊接接头强度低，正压检漏可能会对容器造成损坏，而且会污染清洁的真空容器。所以，超高真空容器的检漏均使用氦质谱检漏仪，这种检漏方法可以发现极微小的渗漏，检漏精度可达10 -10Pa. L/s。

检漏工作应先从容器的真空密封表面开始，然后检查焊缝。首先应对焊缝进行外观检查，检查是否存在裂缝、气孔等焊接缺陷，然后用氦质谱检漏仪进行检测。

在检漏过程中不要轻易修补焊缝，应注意识别虚漏及表面放气现象。在除棚理印接修补不当，会越修越坏。 超高真空容器制造工艺过积中，般规定对界缝的修 补不超过两次。

f 容器内表面的焊后抛光

真为容器的内表面应该非常光洁，使其真实表面积与几何表面积的鸡座缩小，以达到减小放气表面积的目的。在不锈钢表面覆盖的锈、有机物、机械及焊接加工时造成的表面粗糙等可以通过最后的精地光来消除。使不锈钢材料获得光滑表面的方法有许多，在不锈钢真空容器制造工艺中使用的方法有:机械光、喷丸、化学清理或电解抛光。

(1)机械抛光。目前国内多用机械抛光的方法来获得真空容器内表面的粗糙度。欲获得比较理想的表面粗糙度，可以进行多次抛光，应该根据条件，在某些焊装工序之间就进行抛光，以防止容器在制成某种形状后，不便于进行抛光工作，达不到理想的粗糙度。抛光等级要逐级提高，抛光时要防止工件变形和过热，抛光后要严格仔细地清除表面各种膏剂、残砂，要特别注意清除焊缝处的污物。

(2)玻璃微粒喷射。用大约0~ 150μum 直径的玻璃微粒，以0.4MPa的空气压力喷射到不锈钢( 包含焊缝)表面，由于玻璃材料硬度高而且为球面，经喷加工后可得到比较理想的真空容器表面。?由于玻璃微粒在反复使用的过程中被碎，已不是球面，所以应该经常更换。

(3)电解抛光。电解抛光虽然能够得到粗糙度很小的良好真空表面，但不适用于较大的焊接容器，比较适宜于较小的零件，如超高真空容器内使用的零件。

g 酸洗、钝化

对于有些超高真空用的零部件或表面质量一般的 不锈钢原板，在焊装后应对其进行酸洗、钝化处理，以得到粗糙度小的良好真空表面。

钝化前必须进行酸洗处理。酸洗前，工件应用汽油、碱液或清洗剂除去油污，并用热水、冷水冲洗干净，不允许用炭钢刷刷洗工件表面。酸洗后用水冲净，不允许有残存酸洗液，而后将工件置于钝化液中钝化。?不锈钢件的酸洗以浸渍法为主，大件可用湿拖法，钝化前的酸洗规范和钝化规范如表3-9和表3- 10所示。

表3-9 酸洗规范

表3-10钝化 液成分和钝化规范

钝化后，用水冲洗，最后用去离子水(或蒸馏水)冲净，用石蕊试纸检查呈中性后，再冲洗一下，烘干水迹，放人清洁的干燥箱内保存，装配时再领取。

h 质量检验

真空容器制造的最后一道工序是检验，对不锈钢超高真空容器的质量检验，首先要根据工艺文件对工艺过程进行检查，然后根据设计图纸的技术要求对产品进行质量检验。一般应包括如下几方面的检查:焊缝外观检查、容器的表面质量( 粗糙度、清洁度等)检查、真空密封表面( 连接螺孔、尺寸精度、粗糙度、形位公差等)的检查、容器的漏气率(用氦质谱检漏仪)检测等。