超导技术，作为引领高端制造、基础科研突破的核心技术之一，正深刻改变着高能物理、医疗健康、新能源等多个领域的发展格局。而超导腔作为超导加速装置的“心脏”，其制造水平直接决定了相关大科学装置与高端装备的性能上限，更是衡量一个国家高端制造实力的重要标志。上海第一机床厂有限公司（以下简称“一机床”）深耕高端装备焊接领域数十年，以技术创新为内核，突破超导腔制造核心壁垒，用精湛的电子束焊接技术，为我国超导腔制造自主化、产业化发展注入强劲动力。

电子束焊接凭借能量密度高、焊接变形小、焊缝质量优、可在真空环境下作业等优势，成为超导腔这种高精度、高纯度要求装备制造的最优选择，也是全球超导腔制造的主流工艺。不同于传统领域应用，一机床针对超导腔制造特殊性，对电子束焊接技术全方位优化升级，组建专项研发团队，完善工艺体系，形成涵盖焊前、焊中、焊后的全流程解决方案，为超导腔制造提供坚实技术支撑，填补国内相关领域技术空白。

硬X射线自由电子激光装置项目地下隧道

一、超导腔制造挑战

超导腔是硬X射线自由电子激光装置（SHINE）、质子治疗装置等重大装备的核心部件，核心功能是实现电子加速、产生高亮度射线，广泛应用于基础科学研究、医疗健康等战略领域。当前全球超导腔制造呈现“欧美主导、中国追赶、逐步突破”的格局。欧美日等发达国家起步早，掌握高纯铌材料制备、电子束焊接等核心技术，垄断全球高端市场；国内近年来发展迅速，产能占比持续提升，但在工艺稳定性等方面仍有差距，高端超导腔部分依赖进口，核心技术自主可控迫在眉睫。

硬X射线自由电子激光装置项目规划

超导腔制造的核心难点，首先集中在材料特性上。其核心材料为高纯铌，在所有纯金属中具有最高的临界温度和临界磁场，对剩余电阻率比值（RRR值）要求极高，表面不能有任何异种金属、氧化物、裂纹、划痕等缺陷，且在230℃开始氧化、400℃开始强烈氧化和氮化，在含氢介质中250℃~950℃会吸收氢，一旦焊接过程中受到污染，将直接导致超导性能失效。此外，超导腔制造中还涉及铌钛异种金属焊接，两种金属的物理、化学性质差异较大，焊接难度进一步提升。

相较于常规焊接，超导腔电子束焊接的技术壁垒更为突出：一是焊接环境要求极致洁净，需在超高真空和洁净环境下作业，杜绝氧、氮、氢等气体污染，这是保障超导性能的前提；二是焊缝质量要求严苛，超导腔的主要性能取决于材料表面几十个纳米薄层的状况，单面焊双面成型焊缝焊后无法进行内表面打磨，必须保证焊缝背面光滑无缺陷，且需满足极高的真空漏率要求；三是焊接变形控制难度大，超导腔结构复杂，一个9cell腔裸腔由56件零件、61条焊缝组成，对焊接变形的控制精度要求极高；四是工艺环节繁多，任何微小偏差都可能导致产品报废。

超导腔槽腔和裸腔实物

二、超导腔焊接全流程技术攻坚

面对超导腔制造的国内外差距与技术难题，一机床从焊前、焊中、焊后全流程发力，构建了独特的电子束焊接技术优势，成功突破行业壁垒，推动我国超导腔制造技术迈向国际先进水平，为我国超导腔制造自主可控作出重要贡献。

百级超净间

单Cell超导裸腔和9cell超导裸腔

2.1焊前系统化预处理

一机床针对高纯铌材料的特性，打造了一套系统化的焊前处理体系，从源头规避焊接缺陷。在酸洗工艺方面，创新优化酸洗配方、时间、温度和方式，研发专用酸洗工装，实现对高纯铌待焊区的精准蚀刻（蚀刻量15-20微米），彻底解决了高纯铌材料酸洗易污染、蚀刻不均匀的行业痛点。有效去除表面氧化膜（Nb₂O₅）、有机污染物和机械损伤层，防止焊接过程中产生气孔，同时改善材料表面均匀性，为后续焊接和超导性能的发挥奠定基础。

洁净装配方面，建立严格管控体系，装配、全程在超净间开展，人员穿戴专用洁净装备，零部件、工装均经严格清洁，采用纯金属工装，避免异种金属污染；零部件转移全过程保持洁净，确保待焊区域表面洁净度达到焊接要求，从源头规避杂质进入焊缝熔池。同时，引入国内首台高纯铌涡流检测设备，可分辨Rt<10微米的微小缺陷，每面检测时间小于8分钟，实现对焊前零部件表面质量的精准把控，大幅提升焊接合格率。

自动化酸洗设备

 

超导腔超净装配

2.2 焊中超净化焊接

在焊接核心环节，一机床依托先进的设备和优化的工艺，电子束真空室为无油真空环境，有效避免油泵组带来的污染，同时配备真空室RGA检测功能，实时监控焊接环境真空度，确保焊接环境符合极致洁净要求。

无油真空电子束焊接设备

真空电子束焊接现场

工艺优化上，针对关键焊缝专项攻关，优化焊缝坡口设计，固化参数，实现优异成型并严控变形。针对F件、PICK UP管等内表面焊缝，采用变电流、摆动焊接等工艺，搭配专用工装，实现单面焊双面成型，解决干涉与变形。解决铌钛异种金属焊接，突破行业瓶颈。此外，建立了完善的焊接过程监控体系，通过自动化调谐机实现场平、同轴度和频率的实时调节，焊接过程中实时监测电子束能量、焊接速度、真空度等关键参数，及时调整优化，确保焊接工艺的稳定性和一致性，有效规避了焊接过程中的人为干扰，焊缝合格率达到行业领先水平。

单Cell超导腔电子束焊接

   9 Cell零部件焊缝成型

  

  超导腔部分试验件焊缝成型

2.3 焊后精细化处理

焊后处理是确保超导腔性能达标的最后一道关键工序，针对焊接变形问题，设计专用矫形设备，对焊接后的零部件进行精准矫形，修正焊接带来的微小变形，确保超导腔的同轴度、轮廓度等尺寸参数符合设计要求；在切频加工方面，采用专用设备和精细工艺，通过多道测频、切频、拉伸，精准控制超导腔的谐振频率，确保裸腔、槽腔的频率满足不同温度下的要求（如300K时裸腔谐振频率1299.0±0.5MHz，2K时1300.25±0.1MHz）。这些精细化的焊后处理工艺，有效保障了超导腔的性能稳定性。

焊后矫型前后对比

零部件-哑铃实物展示

 

三、结束语

一机床在超导腔焊接领域的创新，打破国外技术垄断，推动我国超导腔制造从“跟跑”向“并跑”“领跑”跨越。截至目前，已累计成型裸腔64只、槽腔30只，供货八套SJ系列模组，首台上海本地制造超导加速模组完成总装，大幅降低我国对进口产品的依赖。

SHINE安装现场合影

 

当前超导腔市场需求持续增长，一机床将继续秉持创新精神，深耕电子束焊接技术，优化工艺、提升效率，推动技术成果转化与产业化发展。未来，企业将聚焦超导技术前沿，攻克更多核心难题，以先进技术与可靠产品，助力我国重大科技基础设施建设与高端装备制造升级，书写超导腔制造的中国答卷。