用于基因修饰（GM）低温冷却器驱动的低温泵的阶梯式低温阵列制造技术

《Vacuum》：Manufacturing Techniques of a Stepped Cryoarray for GM Cryocooler-Driven Cryopumps

激光焊接工艺解决 stepped cryoarray 制造中的残余应力分布不均和焊接融合难题，通过热循环测试（80-420K）、残余应力测量及金相分析验证工艺可靠性，焊缝及热影响区无缺陷，结构稳定，适用于高真空设备制造。

　　

贾奇朗|张秀萍|王如锦|贾蕾|周全|李云达

合肥通用机械研究院有限公司 中国合肥

摘要

本文重点讨论了阶梯式低温阵列制造过程中面临的关键技术挑战，如不规则表面残余应力的不均匀分布以及焊接过程中难以实现完全熔合的问题。针对两种类型的焊缝（弧面垂直焊缝和圆柱肋板圆周角焊缝），采用了不同的激光焊接工艺。弧面垂直焊缝采用低热量输入的分段连续焊接方式，即低功率和低速焊接；而圆柱肋板圆周角焊缝则采用旋转同步连续焊接，以确保均匀的圆周熔合。为了验证工艺的可靠性，通过热循环测试、残余应力测量和金相显微镜检查进行了全面测试。实验结果表明，经过热循环测试的原型件的残余应力值显著低于TU1无氧铜的屈服强度。同时，未经处理和经过热循环处理的原型件的焊缝及热影响区（HAZ）均无气孔、裂纹和未熔合等缺陷，未观察到由应力引起的变形或损伤，微观结构完整性得到了良好保持。这些发现为通用机械研究院的制冷机低温泵提供了技术支持，并可推广应用于低温真空领域。

引言

由于无油污染、高抽速和高极限真空度等优点，通用机械研究院的制冷机低温泵已成为核聚变等领域中的核心真空获取设备[1],[2]。作为低温泵的核心部件，低温阵列负责在低温环境下冷凝和捕获气体分子，其工作温度范围约为4 K至420 K[3],[4],[5]。其结构设计的合理性、材料兼容性和工艺可靠性直接决定了低温泵的性能。迄今为止，全球研究人员已对低温阵列的制造进行了大量研究。Matthias Dremel等人（2015年）开发了一种将不锈钢管扩张成铝合金型材的制造方法，该方法被应用于ITER（国际热核实验反应堆）中性束低温泵的热辐射屏蔽板和低温板的制造，以确保在低温条件下的稳定热接触[4]。这种机械扩张技术消除了焊接引起的热应力，实现了低界面热阻，适用于大规模规则管板结构。S. Mukherjee等人（2020年）制造了三种不同尺寸的截锥形铜低温板，用低温粘合剂将其涂覆上颗粒活性炭，并将这些面板堆叠在U形LN₂流管上，形成了400毫米开口的吸附式低温泵的分级泵送结构[5]。贾奇朗等人（2021年）采用激光焊接将316L不锈钢管与纯铜肋板连接，用于NNBI（负中性束注入器）低温吸附泵的低温板制造，并通过热循环测试验证了其结构稳定性[6]。程鹏等人（2024年）开发了一种由21块带有内部环形液氦通道的矩形316L不锈钢板组成的模块化低温板阵列，这些面板紧密排列成三个并联组，并用无机粘合剂涂覆活性炭，用于EAST插入式低温泵[7]。Robert Pearce等人（2025年）结合激光焊接、电子束焊接和TIG焊接技术，实现了ITER环形器和低温容器低温泵的大规模生产，通过爆破压力和疲劳测试优化了焊接工艺[8]。J.D. Dupuy等人（2025年）通过管材扩张、化学抛光、电抛光和等离子喷涂黑化工艺制造了MITICA低温泵的低温板，并通过工厂验收测试验证了其组装精度和密封性能[9]。Samiran S. Mukherjee等人（2026年）设计并制造了涂覆混合级颗粒活性炭的矩形铜低温板，并将这些面板排列在LN₂浴支撑架上，用于大型吸附式低温泵[10]。

在低温阵列制造领域，已经建立了两种主要的技术工艺：机械成形与连接工艺和熔焊成形工艺。机械成形与连接工艺以Dremel等人[4]和Dupuy等人[9]开发的管材扩张技术为代表，主要依靠非热物理成形和互锁连接方式，通过管材扩张、精密弯曲和轮廓互锁实现组件的成形与连接，整个过程中不产生焊接热输入。这种方法从根本上消除了热应力和热变形，同时保证了组件接口处的低热阻。它特别适用于大规模规则管板结构以及标准化平面和圆柱形低温阵列的大规模生产，具有优异的成形一致性和高工艺稳定性。熔焊成形工艺如Lang等人[5]、Pearce等人[8]和Zhang等人[7]的研究所验证的，依赖于基材之间的冶金结合。通过激光焊接和TIG焊接等不同能量形式的焊接技术，可以实现不同材料和结构形式金属基材的高强度、高密封性连接。其中，高能束焊接工艺（如激光焊接）具有集中的热输入、狭窄的热影响区（HAZ）和高成形精度，适用于高精度薄壁结构、异种金属复合结构以及复杂集成阵列的制造。与机械成形与连接工艺相比，熔焊工艺具有更高的设计灵活性和自动化水平，已成为制造复杂结构低温阵列的有前景的技术途径。这些现有制造工艺已针对规则结构（如平面、圆柱形或模块化型材）进行了持续优化，并在各种低温泵系统中得到了可靠应用。然而，对于非规则、非标准低温阵列的针对性研究和工艺开发仍然不足，这也是本研究所要解决的核心技术问题。

当气体分子进入泵腔时，会与顶部壁发生大量碰撞和反射，导致顶部区域的分子密度高于中间区域，从而呈现出两端密度高、中间区域密度低的特性。本研究设计的阶梯式低温阵列旨在匹配这种“两端密度高、中间密度低”的分布特征（如团队先前研究所述），其特点是非规则的焊接结构，包括弧形边缘和平面、圆柱表面以及倾斜的肋条，如图1所示[11]。低温阵列焊接过程中的一个主要挑战在于其非平面结构组件在弯曲成形和焊接过程中产生的初始残余应力，这迫切需要有效的应力释放措施。另一个突出的技术难题是低温板采用铜材料制造，因为铜具有优异的导热性[12],[13]。在铜材料焊接过程中，由于其快速散热特性，难以形成稳定的熔池，从而增加了焊缝未熔合缺陷的风险。因此，需要开发一种可靠且高效的制造工艺，以满足低温阵列的要求：均匀且低残余应力分布，以及在重复热循环下的优异结构稳定性。

本研究采用激光焊接技术制造了阶梯式低温阵列，随后进行了真空等离子镍喷涂和活性炭附着处理[14]。为了验证制造工艺的可靠性，对低温阵列进行了80-420K的热循环测试。最后，对弯曲区域和焊缝进行了残余应力检测和金相显微镜检查。结果证实，激光焊接工艺能够满足性能要求。

部分内容摘录

动机

当气体分子流入真空腔时，会在低温阵列的入口端聚集，导致分子碰撞频率增加。通过中间区域后，未被捕获的气体分子在辐射屏蔽板的顶部附近形成另一个碰撞集中区，而中间区域的气体分子密度相对较低。低温泵腔内的一个显著物理现象是气体分子的碰撞

设计方法

我们团队之前的研究提出了一种阶梯式低温阵列，以250毫米口径的低温泵作为验证案例，基于现有低温泵的设计经验，匹配“入口和顶部密度高、中间密度低”的气体流动分布特性[15],[16],[17]。具体来说，第一级和第三级低温板采用带有弧形过渡边缘的凸盘结构，而第二级低温板则采用带肋条的圆柱结构

关键工艺流程

根据阶梯式低温阵列的核心制造要求，制造工艺遵循“成形 → 连接 → 表面处理 → 活性炭附着”的顺序，如图3所示。

前两个步骤完成了阶梯式核心结构的成形，其中激光焊接实现了三级低温板的紧密连接。表面处理通过表面抛光结合真空等离子镍喷涂完成，以确保低

性能验证测试与结果分析

通过一系列性能测试验证了阶梯式低温阵列的制造工艺可靠性。首先，通过热循环测试模拟了低温阵列在实际运行中经历的温度波动条件。在此基础上，测量了经过热循环测试的低温阵列焊缝和弯曲区域的残余应力分布，以及低温阵列焊缝的微观结构特征

结论与讨论

本研究通过激光焊接工艺制造了适应低温泵腔气体流动特性的阶梯式低温阵列。为了降低热负荷并提高抽速，分别采用了真空等离子镍喷涂工艺和真空弹性压榨椰壳活性炭附着工艺。最后，通过对低温阵列原型进行热循环测试，验证了激光焊接工艺的可靠性

CRediT作者贡献声明

贾奇朗：软件、资源管理、项目统筹、方法论设计、资金申请、数据分析、概念化。 李云达：初稿撰写、方法论设计。 周全：初稿撰写、可视化设计、验证。 贾蕾：审稿与编辑、初稿撰写、验证工作、监督。 王如锦：初稿撰写、验证工作、监督。 张秀萍：审稿与编辑、初稿撰写

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。