一种超高真空铜法兰密封型组件的制作方法

1.本实用新型涉及一种法兰，尤其涉及一种超高真空铜法兰密封型组件。


背景技术：

2.目前超高真空系统密封连接常用的是国标超高真空法兰(gb/t 6071
‑
2003)，采用刀口密封结构和无氧铜平垫圈，可以满足超高真空密封，应用技术较为成熟。超高真空法兰一般采用不锈钢制造，其强度硬度均能满足密封要求，且不锈钢生产制造技术成熟，应用广泛。
3.近些年第四代同步辐射光源的电子储存环大多向着衍射极限储存环发展，根据加速器物理设计要求和实际工况，传统使用的不锈钢材难以胜任衍射极限储存环的诸多要求，而铜材导电率高，导热性好，不仅有利降低束流的阻抗，还能配合水冷系统将热量快速送走，避免真空室被同步辐射光源打坏，因此衍射极限储存环的真空室一般选用全铜材制造。但是传统超高真空法兰的材料为不锈钢，和铜真空室焊接困难，会造成许多技术难题，如焊缝表面粗糙，束流管道光滑内表面难以一次成型，钎焊铜材高温退火软化等。电子束焊可以实现较好的焊接结构，但成本高昂，难以满足要求。而铜法兰可以避免异种金属焊接困难的问题，既可以使用电子束焊也可采用成本较低的氩弧焊和激光焊实现，且束流看到的材料均为铜材，一致均匀，也可以降低法兰部件的耦合阻抗。
4.此外，衍射极限储存环为提高装置利用率，需要增加直线段的长度比例以尽量增多插入件的数量，导致弯段的lattice结构被极大压缩，聚焦磁铁之间空间狭小，传统螺栓连接法兰虽技术成熟性能稳定，但轴向尺寸和安装空间大，难以满足要求，而快卸法兰轴向尺寸和安装空间均较小，可以满足紧凑布局的要求。在衍射极限储存环真空系统中既需要应用于狭小空间区域的快卸法兰，也需要技术成熟的传统螺栓连接法兰。


技术实现要素：

5.本实用新型提供了一种用于加速器超高真空系统的超高真空铜法兰密封型组件，旨在解决衍射极限储存环超高真空系统铜真空室和不锈钢超高真空法兰焊接困难问题以及衍射极限储存环超高真空系统低耦合阻抗真空法兰设计问题。本实用新型一种超高真空铜法兰密封型组件，创新点包括：法兰件均采用铬锆铜材料，便于和加速器储存环的铜真空室焊接，降低加速器建造难度；使用弹簧增强金属c形环的密封圈，利用其内部弹簧的弹性变形和软金属层塑性变形达到密封，可以实现一对法兰面贴合，从而降低法兰部件间隙，降低加速器储存环真空系统的耦合阻抗；应用于第四代光源衍射极限储存环，解决加速器储存环铜真空室和不锈钢材焊接困难的问题以及解决低耦合阻抗真空法兰设计问题。
6.本实用新型采用的技术方案为：一种超高真空铜法兰密封型组件，该组件用于超高真空系统，该组件包含螺栓连接结构法兰组件以及快卸型连接结构法兰组件两种；螺栓连接结构法兰组件包括一对螺栓连接法兰、一个弹簧增强金属c形环以及数个螺栓紧固件；快卸型连接结构法兰组件包括一对快卸法兰、一个弹簧增强金属c形环、一条压环链条；
7.每个螺栓连接法兰的中心均有承插孔，用于和真空管道焊接。
8.一对螺栓连接法兰的端面贴合，且两个贴合的端面上均设有平面槽密封结构和四个截面为半圆的排气槽，两个平面槽密封密封结构之间安装有弹簧增强金属c形环；
9.一对螺栓连接法兰通过螺栓紧固件连接固定在一起；
10.每个快卸法兰有一圈锥形斜面和压环链条配合；
11.一对快卸法兰的端面贴合，且两个贴合的端面上均设有平面槽密封结构和四个截面为半圆的排气槽，两个平面槽密封结构之间安装有弹簧增强金属c形环；
12.压环链条包括若干连接压环、连接条、销轴、一个螺杆、一个螺母、一个垫块以及一个小垫圈，连接压环和连接条通过销轴铰接，螺杆和连接压环通过销轴铰接，垫块和小垫圈均有孔可套在螺杆上。
13.进一步地，所述螺栓连接法兰和快卸法兰所用材料为铬锆铜，牌号为c18150。
14.进一步地，螺栓连接法兰和快卸法兰所用的铬锆铜材料需要冷作硬化预处理工序提高材料的硬度不小于150hv；
15.进一步地，螺栓连接法兰与螺栓接触的平面以及快卸法兰和压环链条接触的锥形斜面可选择镀铬或硬质合金提高硬度，保证密封时避免力矩过大破坏法兰面影响受力平衡。
16.进一步地，每个连接压环和快卸法兰锥形斜面接触部分的压环边角都需要倒圆角，圆角半径不小于1mm。
17.进一步地，所述弹簧增强金属c形环的厚度取值根据平面槽密封结构的槽深和实际需求确定，一般簧增强金属c形环的厚度大于平面槽密封结构的槽深以保证留有足够的压缩量实现密封；所述弹簧增强金属c形环小圈的内径取值根据平面槽密封结构内圈的直径大小确定，一般取值为大于平面槽密封结构内圈直径0.5mm；所述弹簧增强金属c形环的表面采用镀银或镀锡，提高密封性能。
18.进一步地，所述快卸法兰的平面槽密封结构的表面加工需采用磨削等精加工。
19.进一步地，所述快卸法兰的平面槽密封结构的表面在进行打磨粗糙度工序时，需沿圆周方向打磨，不可出现径向的、贯穿性划痕，表面粗糙度值根据弹簧增强金属c形环的大小和表面镀层综合确定。
20.本实用新型与现有技术相比的优点和积极效果为：
21.本实用新型提出了包括一对螺栓连接法兰、一个弹簧增强金属c形环以及数个螺栓紧固件组成的螺栓连接结构法兰组件以及包括一对快卸法兰、一个弹簧增强金属c形环、一副压环链条组成的快卸型连接结构法兰组件；螺栓连接法兰和快卸法兰均采用铬锆铜(c18150)材料，其硬度、屈服强度等力学性能均好于普通铜材，不仅可以满足密封要求，也能够解决衍射极限储存环铜真空室和不锈钢法兰件焊接困难的问题；弹簧增强金属c形环作为金属密封垫圈使用，法兰上密封结构为平面槽密封结构，加工难度大大降低，成本降低；同时，弹簧增强金属c形环依靠设计好的压缩变形量实现密封，利用该变形量可以使得两个法兰面贴合，从而解决加速器储存环中真空部件阻抗影响束流品质的问题。
附图说明
22.图1为螺栓连接结构法兰组件的三维结构示意图；
23.图2为螺栓连接结构法兰组件的剖视图；
24.图3为图2的局部放大图；
25.图4为螺栓连接法兰的剖视图；
26.图5为图4的侧视图；
27.图6为快卸型结构法兰组件的三维结构示意图；
28.图7为快卸型结构法兰组件的剖视图；
29.图8为图7的局部放大图；
30.图9为快卸法兰的剖视图；
31.附图标记如下：
[0032]1‑
螺栓连接结构法兰组件、2
‑
快卸型连接结构法兰组件；
[0033]3‑
螺栓连接法兰、5
‑
承插孔、9
‑
快卸法兰、4
‑
排气槽、7
‑
平面槽密封结构；18
‑
锥形斜面；
[0034]6‑
螺栓紧固件；
[0035]8‑
弹簧增强金属c形环；
[0036]
10
‑
压环链条、11
‑
连接条、12
‑
连接压环、13
‑
销轴、14
‑
螺母、15
‑
小垫圈、16
‑
垫块、17
‑
螺杆、19
‑
压环边角；
具体实施方式
[0037]
本实用新型提供了一种用于超高真空系统的超高真空铜法兰密封型组件的具体实施结构，如图1、图2、图6和图7所示，包含螺栓连接结构法兰组件1以及快卸型连接结构法兰组件2两种；螺栓连接结构法兰组件1包括一对螺栓连接法兰3、一个弹簧增强金属c形环8以及数个螺栓紧固件6；快卸型连接结构法兰组件2包括一对快卸法兰9、一个弹簧增强金属c形环8、一条压环链条10；
[0038]
图4所示，每个螺栓连接法兰3的中心均有承插孔5，用于和真空管道焊接。
[0039]
一对螺栓连接法兰3的端面贴合，且两个贴合的端面上均设有平面槽密封结构7和四个截面为半圆的排气槽4，两个平面槽密封密封结构7之间安装有弹簧增强金属c形环8；
[0040]
一对螺栓连接法兰3通过螺栓紧固件6连接固定在一起；
[0041]
图9所示，每个快卸法兰9有一圈锥形斜面18和压环链条配合；
[0042]
一对快卸法兰9的端面贴合，且两个贴合的端面上均设有平面槽密封结构7和四个截面为半圆的排气槽4，两个平面槽密封结构7之间安装有弹簧增强金属c形环8；
[0043]
压环链条10包括若干连接压环12、连接条11、销轴13、一个螺杆17、一个螺母14、一个垫块16以及一个小垫圈15。连接压环12和连接条11通过销轴13铰接，螺杆17和连接压环12通过销轴13铰接，垫块16和小垫圈15均有孔可套在螺杆17上。
[0044]
进一步地，所述螺栓连接法兰3和快卸法兰9所用材料为铬锆铜，牌号为c18150。
[0045]
进一步地，螺栓连接法兰3和快卸法兰9所用的铬锆铜材料需要冷作硬化预处理工序提高材料的硬度不小于150hv；
[0046]
进一步地，螺栓连接法兰3与螺栓接触的平面以及快卸法兰9和压环链条10接触的锥形斜面18可选择镀铬或硬质合金提高硬度，保证密封时避免力矩过大破坏法兰面影响受力平衡。
[0047]
进一步地，每个连接压环12和快卸法兰9接触面的压环边角20都需要倒圆角，圆角半径不小于1mm。
[0048]
进一步地，所述弹簧增强金属c形环8的厚度取值根据平面槽密封结构7的槽深和实际需求确定，一般簧增强金属c形环的厚度大于平面槽密封结构的槽深以保证留有足够的压缩量实现密封；所述弹簧增强金属c形环小圈的内径取值根据平面槽密封结构内圈的直径大小确定，一般取值为大于平面槽密封结构内圈直径0.5mm；所述弹簧增强金属c形环的表面采用镀银或镀锡，提高密封性能。
[0049]
进一步地，所述快卸法兰9的平面槽密封结构7的表面加工需采用磨削等精加工。
[0050]
进一步地，所述快卸法兰9的平面槽密封结构7的表面在进行打磨粗糙度工序时，需沿圆周方向打磨，不可出现径向的、贯穿性划痕，表面粗糙度值根据弹簧增强金属c形环8的大小和表面镀层综合确定。
[0051]
本实施实例还进行了法兰组件密封漏率的测试实验，具体实施过程如下：
[0052]
将一个直径为dn40的法兰组件和一段波纹管一端连接在一起，波纹管另一端和氦检漏仪连接在一起，在室温环境下，开启捡漏仪，待检漏仪的漏率示数低于1e
‑
10mabr*l/s后，用氦气针头对着每一个连接压环连接处一对快卸法兰贴合缝隙处从上到下进行喷检，当漏率高于1e
‑
10mabr*l/s时，拧紧螺栓，直至最终所有连接处真空漏率均达到了≤1e
‑
10mabr*l/s的要求；
[0053]
将该法兰组件包裹上加热烘烤带，并且包上铝箔保温，然后加热烘烤，烘烤最高温度为230℃，保温4h，温升为每分钟1℃，温降为每分钟1℃，共实施十五次烘烤循环系列，每个烘烤循环结束时法兰组件已降至室温，每次烘烤循环均分别在最高温度230℃和室温环境下检漏，用氦气针头对着每一个连接压环连接处一对快卸法兰贴合缝隙处从上到下进行喷检，观察氦检漏仪示数均达到了≤1e
‑
10mabr*l/s的要求；
[0054]
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。