半硬态无氧铜板焊接方法、部件及固定场交变梯度加速器与流程

1.本发明涉及一种焊接方法，具体涉及一种半硬态无氧铜板焊接方法、部件及固定场交变梯度加速器。


背景技术：

2.固定场交变梯度加速器可以提供高能(gev量级)、高平均束流功率(数mw)的质子束，在国土安全、高亮度物理前沿研究、大众健康和先进能源等国民经济领域均有十分重要的应用；其主体腔体多采用抗磁性优良的无氧铜板制成，但由于退火态无氧铜板强度低，无法作为结构材料使用，需要采用强度相对较高的热处理状态为半硬态的无氧铜板拼焊制造而成。
3.由于无氧铜的高导热率与高纯度，普通的气保焊接方法需要预热焊接，预热过程中不可避免的发生氧化、吸氢等问题，使得焊缝无法达到要求，同时半硬态无氧铜材料对焊缝的抗拉强度提出了很高的要求，不得低于半硬态母材的80%，且不低于200mpa。给焊接工艺参数的制定增加了更大的难度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，第一方面提供一种可确保抗拉强度高于半硬态母材的80%且不低于200mpa的半硬态无氧铜板焊接方法。
5.一种半硬态无氧铜板焊接方法、腔体，包括以下步骤：（1）、焊接准备：将半硬态无氧铜板对接压紧后放进焊机真空室中，同时放入预置无氧铜板，再将焊机真空室抽真空，真空室内的真空度稳定值低于1.4
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mbar；（2）、除气：在预置无氧铜板上进行电子束加热，工作距离为400～500mm、加速电压150kv、电子束流15～20ma、束流焦点在焊缝表面上方、聚焦束流2530～2630ma、焊接速度为5～10mm/s，往复焊接10～30分钟；（3）、定位焊接：沿半硬态无氧铜板待焊处先进行等距离分段定位焊，再进行整条焊缝连续焊接，工作距离为400～500mm、加速电压150kv、电子束流3～6ma、束流焦点在焊缝表面、聚焦束流2350～2430ma、扫描频率为40～100hz、扫描波形为椭圆形波、焊接方向扫描直径为0.1～0.2mm、垂直焊接方向扫描直径为0.5～2mm、焊接速度为5～10mm/s；（4）、深熔焊接：在半硬态无氧铜板的焊缝处进行深熔焊接，焊接速度5～10mm/s、聚焦束流2335～2415ma、电子束流35～65ma、加速电压150kv、扫描频率为150～350hz、扫描波形为椭圆形波、焊接方向扫描直径为0.1～0.4mm、垂直焊接方向扫描直径为1～3mm；（5）、将焊接成型件在真空室中冷却30分钟，之后泄真空。
6.第二方面提供一种使用上述半硬态无氧铜板焊接方法焊接而成的部件。
7.一种使用上述半硬态无氧铜板焊接方法进行焊接的部件，包括经所述半硬态无氧铜板焊接方法而形成整体的半硬态无氧铜板。
8.第三方面提供一种使用上述部件的固定场交变梯度加速器。
9.一种固定场交变梯度加速器，使用上述部件作为高频腔体或法兰。
10.本发明所述焊接方法不仅使半硬态无氧铜板之间焊接稳定、焊缝宽度均匀、无咬边、无下凹和飞溅少，而且具有焊缝内部气孔少、焊缝抗拉强度高于母材抗拉强度95%的特点；焊接后所制造而成的高频腔体及法兰，以及应用该高频腔体及法兰的固定场交变梯度加速器具有由上述效果而带来的性能稳定、使用寿命长等优势。
11.本发明所述焊接方法的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1为本发明实施例中的焊缝正面形貌；图2为本发明实施例中的焊缝横截面形貌；图3为本发明实施例中的焊接试验件焊缝的x射线探伤结果；图4为本发明实施例中的母材和焊接试验件的横向力学拉伸试件；图5为本发明实施例中的母材和焊接试验件的横向力学拉伸测试结果。
具体实施方式
14.下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
15.本实施例以将两块半硬态无氧铜板进行焊接为例，包括第一半硬态无氧铜板1与第二半硬态无氧铜板2（如图1所示），状态：半硬态，板厚6mm，长度300mm，宽度150mm；其焊接要求为：两块半硬态无氧铜板沿板材宽度方向进行对接，沿板材长度方向进行焊接，要求焊缝熔深大于6mm。
16.所配合的材料为预置无氧铜板（与上述两块半硬态无氧铜板的牌号相同），状态：无要求，板厚6mm，长度300mm，宽度10mm。
17.真空电子束焊接具备能量密度高，焊缝深宽比大，焊接接头热影响区窄的优势，同时在真空下进行焊接，使得电子束焊接技术在航空、航天与核电等行业被广泛使用。
18.但上述半硬态无氧铜焊接时若直接采用普通的真空电子束焊接方式，会出现焊缝内部气孔多，表面成型差、咬边、下凹和飞溅严重等缺陷，导致焊接接头抗拉强度低，难以满足设计要求。
19.故本实施例提供的一种半硬态无氧铜板焊接方法，针对于半硬态无氧铜板的力学特点及焊接难点，在真空电子束焊接的基础上，做了焊接参数变量的创造性选择以及焊接步骤的改进等，可有效解决上段所述的技术问题。
20.具体的，本实施例提供的一种半硬态无氧铜板焊接方法，包括以下步骤：（1）、用不锈钢丝刷打磨第一、第二半硬态无氧铜板及周边40mm范围内金属表面，使其露出金属光泽，然后用干净的绸布蘸取丙酮将上述半硬态无氧铜板待焊焊缝及表面擦
拭干净，保证金属表面无油污等杂质；（2）、将第一、第二半硬态无氧铜板对接压紧，保证其之间的最大间隙小于所述半硬态无氧铜板厚度的5％，但第一、第二半硬态无氧铜板之间的间隙最大不超过0.2mm，实现“i”型接头，将垫板放置在焊缝背面，并一同压紧，本实施例的对接间隙最大为0.2mm；（3）、将装配好的第一、第二半硬态无氧铜板以及预置无氧铜板放入焊机真空室中，保证其工作距离为500mm，并抽真空，真空室真空度达到稳定值1.3
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mbar时准备焊接；（4）、除气：在预置无氧铜板上进行电子束加热，工作距离为500mm、加速电压150kv、电子束流15ma、束流焦点在焊缝表面上方、聚焦束流2600ma、焊接速度为10mm/s，往复焊接10分钟，真空室真空度稳定值变为1.2
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mbar；目的在于，先在预置无氧铜板上进行电子束加热，可利用加热时所形成液态铜的吸氢、氧化的特性，去除真空室内剩余的氢气、氧气，使得真空室内真空度显示值在真空度稳定状态下降低了至少0.1
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mbar，保证焊缝的抗拉强度和焊缝纯净度；（5）、定位焊接：沿第一、第二半硬态无氧铜板待焊处的长度方向，先进行三段的等距离的定位焊，每段长50mm，再进行整条焊缝连续焊接，焊接速度6mm/s、电子束流5ma、加速电压150kv、束流焦点在焊缝表面、聚焦束流2350ma、扫描频率为80hz、扫描波形为椭圆形波、焊接方向扫描直径为0.2mm、垂直焊接方向扫描直径为2mm（目的在于，保证不增加焊缝宽度的同时，提高定位焊强度，保证焊接过程中，熔池前沿的焊缝不会开裂，提高焊接稳定性；使用扫描波形进行先分段定位焊接、再整条焊缝连续焊接的工序，同时使用适当的椭圆形扫描参数，可以降低零件的对接间隙精度，降低装配难度，保证焊缝定位强度）；（6）、深熔焊接：在第一、第二半硬态无氧铜板的焊缝处进行深熔焊接，焊接速度10mm/s、聚焦束流2335ma、电子束流55ma、 加速电压150kv、扫描频率为200hz、扫描波形为椭圆形波、焊接方向扫描直径为0.2mm、垂直焊接方向扫描直径为2mm；（其中，在深熔焊接过程中，通过调节聚焦电流和扫描波形，给定合适的负离焦量和波形参数，保证焊接过程稳定、飞溅少、不咬边、焊缝表面不凹陷和降低焊缝内部气孔，无需修饰焊接；使用适当的负离焦、中低频率、适当的椭圆形扫描参数进行的深熔焊接，可以有效降低焊缝内部的气孔，保证焊缝余高均匀不凹陷，同时不会出现熔池飞溅严重的情况，省去了修饰焊接步骤，提高了焊接效率，降低了焊缝热输入量和焊接变形）；（7）、将焊接成型件在真空室中冷却30分钟，之后泄真空（通过在真空中限时冷却，防止高温的半硬态无氧铜焊缝过早暴露于空气中氧化失效）；（8）、取出焊接成型件，将焊缝表面的少量飞溅清理干净；（9）、进行外观检验，x射线探伤与拉伸试验。
21.上述焊接成型件的焊缝照片如图2 、图3所示，焊缝无裂纹、咬边、下凹；如图4所示，通过对焊缝进行x射线探伤，焊缝质量等级满足nb/t47013.2-2015的i级要求；对焊接接头按gb/t2651-2008取样，进行横向拉伸试验，拉伸件测得的抗拉强度按序号排序分别为227mpa、229mpa，高于母材的抗拉强度的80%（母材抗拉强度为277mpa）且大于200mpa，结论：合格。
22.本实施例提供一种使用上述半硬态无氧铜板焊接方法进行焊接的部件，包括经所述半硬态无氧铜板焊接方法而形成整体的半硬态无氧铜板。
23.本实施例提供一种固定场交变梯度加速器，使用上述部件作为高频腔体或法兰。
24.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种半硬态无氧铜板焊接方法、腔体，其特征在于：包括以下步骤：（1）、焊接准备：将半硬态无氧铜板对接压紧后放进焊机真空室中，同时放入预置无氧铜板，再将焊机真空室抽真空，真空室内的真空度稳定值低于1.4
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mbar；（2）、除气：在预置无氧铜板上进行电子束加热，工作距离为400～500mm、加速电压150kv、电子束流15～20ma、束流焦点在焊缝表面上方、聚焦束流2530～2630ma、焊接速度为5～10mm/s，往复焊接10～30分钟；（3）、定位焊接：沿半硬态无氧铜板待焊处先进行等距离分段定位焊，再进行整条焊缝连续焊接，工作距离为400～500mm、加速电压150kv、电子束流3～6ma、束流焦点在焊缝表面、聚焦束流2350～2430ma、扫描频率为40～100hz、扫描波形为椭圆形波、焊接方向扫描直径为0.1～0.2mm、垂直焊接方向扫描直径为0.5～2mm、焊接速度为5～10mm/s；（4）、深熔焊接：在半硬态无氧铜板的焊缝处进行深熔焊接，焊接速度5～10mm/s、聚焦束流2335～2415ma、电子束流35～65ma、加速电压150kv、扫描频率为150～350hz、扫描波形为椭圆形波、焊接方向扫描直径为0.1～0.4mm、垂直焊接方向扫描直径为1～3mm；（5）、将焊接成型件在真空室中冷却30分钟，之后泄真空。2.根据权利要求1所述的半硬态无氧铜板焊接方法、腔体，其特征在于：所述步骤（1）中，半硬态无氧铜板之间的接头为i型。3.根据权利要求1所述的半硬态无氧铜板焊接方法、腔体，其特征在于：所述步骤（1）中，半硬态无氧铜板之间最大间隙小于半硬态无氧铜板厚度的5％，但半硬态无氧铜板之间的间隙最大不超过0.2mm。4.一种使用权利要求1-3中任意一项所述半硬态无氧铜板焊接方法进行焊接的部件，其特征在于：包括经所述半硬态无氧铜板焊接方法而形成整体的半硬态无氧铜板。5.一种固定场交变梯度加速器，其特征在于：使用如权利要求4所述的部件作为高频腔体或法兰。

技术总结
本发明公开了一种半硬态无氧铜板焊接方法、部件及固定场交变梯度加速器，方法包括除气、定位焊接、深熔焊接等步骤；部件包括经上述半硬态无氧铜板焊接方法而形成整体的半硬态无氧铜板；固定场交变梯度加速器采用上述部件作为高频腔体或法兰。本发明所述焊接方法不仅使半硬态无氧铜板之间焊接稳定、焊缝宽度均匀、无咬边、无下凹和飞溅少，而且具有焊缝内部气孔少、焊缝抗拉强度高于母材抗拉强度95%的特点；焊接后所制造而成的高频腔体及法兰，以及应用该高频腔体及法兰的固定场交变梯度加速器具有由上述效果而带来的性能稳定、使用寿命长等优势。命长等优势。命长等优势。


技术研发人员：刘振飞 王丽芳 邢银龙 赵东东 李波 吴杰峰
受保护的技术使用者：合肥聚能电物理高技术开发有限公司
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/25