真空技术书籍,第二版

3.3.1.1 焊接

在真空设备中,低碳钢和不锈钢部件通常采用焊接用于容器 和连接件。此外,也可对铝部件采用焊接。为确保所产生的 焊缝是真空密封的,有必要使用无裂缝和无空隙的适当材料 以及表面光滑无油脂的材料。另外有时候还需要使用与非真 空应用所采用的正常焊接连接不同的特殊的几何设计。只要 在工程方面有可能,就必须提供内焊缝,以避免真空侧间隙 和裂缝,即所谓的潜在泄漏或虚漏。如果不可能提供内焊 缝,则焊缝必须一直延长至真空侧。必要时,可采用大气侧 补充焊缝,以增加机械稳定性。在该连接中,重要的是,补 充焊缝不能是连续的,要留出空隙便于泄漏检测,必要时需 保证没有空气泡夹杂质。

真空部件和腔室的焊接需要专门的知识,焊接人员必须具有 专业资格。通常情况下,焊接公司通过独立测试机构对焊工 进行定期检验并记录。此外,焊接程序测试应包含对各种焊 接材料和各种焊接几何图形的测试,由受过专门训练的焊接 人员,例如焊接工程师或技术人员,陪同进行焊接作业并对 工作进行评估。

焊接的高温和相对的快速冷却可改变材料的特性。例如,在 焊接奥氏体不锈钢过程中结构的改变可增加可磁化性或导致 铝焊接过程中出现气孔和热裂缝(这在第 3.2.1.1 节“不锈钢” 和第 3.2.1.3 节“铝”中已经提到过)。另外,焊接区域的高残 余应力会导致部件变形,所以必须将该应力保持在尽可能低 的水平。如果像密封面这样的功能区域受到影响,必须对其 进行返工。如果不能返工,这会导致损失整个工件。然而, 可采取各种焊接措施来防止该情况的发生,包括选择合适的 焊接方法结合合适的焊缝几何形状和焊接顺序、焊前准备和 焊后处理,而不仅仅是凭借焊工的资历和经验。

在真空技术中,经常使用钨电极惰性气体保护焊 (TIG)。此 外, 也使用其它类型的气体保护金属电弧焊作为特殊的方 法,如用于薄壁部件的微等离子体焊接或者用于管道部件的 轨道焊接。明显更为精细的机器程序是激光焊接和电子束焊 接。两者都适用于精密部件和深焊缝。对于大型铝阀壳体的 焊接, 采用摩擦搅拌焊接,这是一种精细的机器程序,具有 低焊接变形。

钨极惰性气体保护焊 (TIG) 不需要熔化电极,且可直接焊接 连接件,而无需任何额外的材料。如需要产生额外的焊缝, 例如,出于稳定性原因,则可使用焊材。该方法的其它优点 是几乎无飞溅,无渣形成和多功能性:不锈钢、铝和铜也可 以进行 TIG 焊接。如果考虑到焊接速度,需要高质量的焊 缝,则 TIG 是首选。

激光焊缝的横截面图像

图 3.4: 激光焊缝的横截面图像

激光束焊接,或简称为激光焊接,其特点是焊接速度高、热 变形低。激光的高集中能量输入产生狭窄的焊接区,并限制 了热区的范围。承重结构的薄膜以及深而窄的焊缝可通过设 置焦点宽度和激光强度来产生。通过这种方式,可设计腔室 部件而无需额外的焊缝,或焊接法兰环可深入穿透焊接至管 端,而无需对密封面几何形状进行精细的重新加工。在一定 程度上,接头处的大缝隙宽度可实现一定程度的缩合。此 时,只使用部分的额外材料。缺点是投资成本高。

WIG 轨道焊缝的横截面图像

图 3.5: WIG 轨道焊缝的横截面图像

轨道焊接 是一种全机械化惰性气体焊接过程,其提供稳定的 高接缝品质,因为电弧是在机械引导下环绕管件或圆形部 件,该系统的费用高于 TIG 焊接。一种轨道焊接钳只能涵盖 有限的管径范围。不同外径的管子也需要适合的装置来夹住 管子。

电子束焊接 过程中,被加速、聚焦的电子为焊接区提供所 需的能量。为了防止电子的散射和吸收,该方法是在高真空 下进行。这也使得焊接高反应性材料成为可能。该系统的高 成本和可能需要装备建设的焊前准备通常导致该方法价格 高,并且其用途主要限制在连接部件上。

在奥氏体不锈钢焊接后,必须再次形成金属性光滑表面,因 此甚至可形成无中断的氧化铬钝化层。例如,惰性气体保护 (包括用于根基)防止表面在温度超过 600°C 发生尺寸的变 化。彻底冲洗后的机械或化学表面处理去除表面的褪色,并 清洁部件。