高溫真空釬焊設(shè)備的研制

1、高溫真空釬焊設(shè)備的研制程建平 ,張紅梅(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所 ,山西太原030024 )摘要 :主要介紹了真空釬焊的發(fā)展和高溫合金釬焊的工藝特點(diǎn) 。根據(jù) Incone l 718 高溫合金釬焊的工藝要求 ,高溫真空釬焊設(shè)備應(yīng)具有高真空度和低泄漏率 、高控溫精度 、高溫度均勻性 、一定 的加熱速率和冷卻速率等工藝性能 。詳細(xì)闡述了高溫真空設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要關(guān)鍵技術(shù) ,包括加熱室內(nèi)溫度的均勻性 、真空度和壓升率以及較高的自動(dòng)化程度等 。關(guān)鍵詞 :高溫合金 ; 真空釬焊 ; 溫度均勻性中圖分類(lèi)號(hào) : TG454文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A文章編號(hào) : 1001 - 3474 ( 2010 ) 01

2、 - 0048 - 03D evelopm en t of H igh - tem pera ture Vacuum Braz ing Equ ipm en tC HENG J ian - p in g, ZHA NG Hon g - m e i( C ETC No. 2 Re sea rch In st itu te, Ta iyuan030024, C h ina )A b stra c t: D e sc ribe the deve lopm en t of vacuum and h igh temp e ra tu re b razing a lloys and b razingp r

3、oce ss cha rac te ristic s. A cco rd ing to Incone l 718 sup e ra lloy b razing p roce ss requ irem en ts, h igh - temp e ra2 tu re vacuum b razing equ ipm en t shou ld have a h igh vacuum and low leakage ra te, h igh temp e ra tu re con tro l accu racy, h igh temp e ra tu re un ifo rm ity, a ce rta

4、 in hea ting ra te and coo ling ra te. E labo ra te on the struc tu ra l cha rac te ristic s of h igh - temp e ra tu re vacuum equ ipm en t and the key techno logie s, inc lud ing temp e ra tu re un ifo rm ity, vacuum and p re ssu re rise ra te and au tom a tion of hea ting room.Key word s: H igh -

5、temp e ra tu re a lloys; V acuum b razing; Temp e ra tu re un ifo rm ityA r t ic le ID : 1001 - 3474 ( 2010 ) 01 - 0048 - 03D ocum en t C ode:A互溶解和擴(kuò)散而將零件連接起來(lái) 1 。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,在未來(lái)工業(yè)中將越來(lái)越 多地采用新材料 、新結(jié)構(gòu)和新制造技術(shù) ,連接技術(shù)作 為制造技術(shù)的一個(gè)分支也將得到迅速發(fā)展 。真空釬焊作為重要的連接技術(shù) ,對(duì)于新材料的連接及復(fù)雜 精細(xì)結(jié)構(gòu)件的制造 ,具有獨(dú)特的優(yōu)越性和靈活性 。釬焊是一種古老的連接方法 ,經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的

6、發(fā)展過(guò)程 ,在各種焊接方法發(fā)明后 ,曾出現(xiàn)用其它焊接 方法代替釬焊的趨勢(shì) 。然而 ,近幾十年 ,釬焊在現(xiàn)代 技術(shù)的基礎(chǔ)上獲得了極大的發(fā) 展和 日益 廣 泛的 應(yīng)用 。無(wú)論在釬焊方法上 ,還是釬料及釬劑成分上都 不斷有新 的進(jìn) 展 。它在 航天 、航 空 、汽 車(chē) 、化 工 、機(jī) 械 、電子和家電等軍用和民用工業(yè)中得到廣泛的應(yīng) 用 ,是當(dāng)今高技術(shù)中一項(xiàng)精密的連接技術(shù) 。釬焊與 熔焊和壓焊共同構(gòu)成了現(xiàn)代焊接技術(shù)的三大主要組成部分 。真空釬焊是在真空氣氛中 ,不用釬劑而進(jìn)行釬 焊的一種方法 。其釬焊原理是通過(guò)將零件和釬料加 熱 ,使液相線溫度比母材固相線溫度低的釬料熔化 , 利用液態(tài)針料潤(rùn)濕母材 ,

7、填充接頭間隙并與母材相1Incone l 718高溫合金釬焊的工藝特性Incone l718性能特 點(diǎn) : 在 650 以 下 有 屈 服 強(qiáng)度高和塑性好的特點(diǎn) ,并有較高的耐蝕 、耐輻照和抗氧化性能 。焊接性好 ,易于成形 。為了提高 Incone l 718 合金 焊接 接 頭的 塑和 韌 性 ,開(kāi)發(fā)了具有良好力學(xué)性能和熱加工性能的鎳基 高溫合金焊接材料 。通過(guò)適當(dāng) 調(diào) 整 Incone l 718 高 溫 合金中的碳和鈮含量 ,并在一定工藝參數(shù)下進(jìn)行作者簡(jiǎn)介 :程建平 ( 1963 - ) ,男 ,畢業(yè)于大連理工大學(xué) ,高級(jí)工程師 ,主要從事真空熱處理設(shè)備的研究工作 。2010年 1月程

8、建平等 :高溫真空釬焊設(shè)備的研制49熔敷 ,然后再進(jìn)行擴(kuò)散退火 、固溶和時(shí)效處理 。根據(jù) Incone l 718 合金釬焊工藝要求 ,高溫真空 釬焊設(shè)備應(yīng)具有如下工藝參數(shù)要求 。1. 1 真空度 真空度分為冷態(tài)真空度和熱態(tài)真空度 。 冷態(tài)真空度是為了防止釬焊工件及爐內(nèi)的元件被氧化 。熱態(tài)真空度又稱(chēng)為工作真空度 ,是指從開(kāi)始加 熱到充氣冷卻這段時(shí)間內(nèi)的爐內(nèi)真空度 ,這是由于 加熱時(shí) ,工件和夾具要析出氣體 2 。同時(shí)使用的膏 狀釬料和粘帶釬料也會(huì)由于粘結(jié)劑的揮發(fā)而產(chǎn)生氣 體 。這些析出的氣體都會(huì)不同程度地降低冷態(tài)真空度 。但是在釬焊溫度下 ,要求爐內(nèi)真空度基本恢復(fù) 到冷態(tài)真空度 ,所以在釬料固

9、相線以下 50 100增加穩(wěn)定溫度和保持時(shí)間來(lái)恢復(fù)真空度 。1. 2 加熱速率 加熱速率是為了保證工件析出的氣體和釬料揮發(fā)的氣體能夠被充分地抽出 ,同時(shí)還要使工件受熱 均勻 ,減少或防止驟熱產(chǎn)生的應(yīng)力引起的變形 。1. 3 穩(wěn)定溫度和保持時(shí)間 穩(wěn)定溫度和保持時(shí)間是指釬焊時(shí)加熱到接近釬料固相線附近的溫度 ,并在此時(shí)暫停加熱 ,保持這一溫度一段時(shí)間 。其 目的 是為 了 減少 組件 的 溫度 梯 度 ,使組件各部分的溫度得以均勻 。1. 4 釬焊溫度 釬焊溫度是釬焊過(guò)程的主要參數(shù)之一 。在釬焊溫度下 ,既要保證釬料完全熔化 ,在毛細(xì)作用下填充接頭間隙 ,并與母材進(jìn)行冶金作用 ;同時(shí)還應(yīng)完成母 材熱

10、處理程序中某一工序 ,提高釬焊接頭力學(xué)性能 。1. 5 釬焊保溫時(shí)間 釬焊保溫時(shí)間是釬料填充間隙和控制合金化作用的重要階段 ,對(duì)于接頭強(qiáng)度的影響與釬焊溫度具有類(lèi)似的特性 。一定的保溫時(shí)間是釬料同母材相互 擴(kuò)散并形成牢固結(jié)合所必需的 。1. 6 冷卻速率 冷卻速率對(duì)接頭質(zhì)量有很大影響 。冷卻速率過(guò)慢會(huì)引起母材的品粒長(zhǎng)大 ; 冷卻速率過(guò)快有利于細(xì)化焊縫組織 ,減少枝晶偏析 ,從而提高接頭強(qiáng)度 。但 過(guò)快的冷卻速度也會(huì)由于熱應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋 。1. 7 出爐溫度出爐溫度過(guò)高會(huì)引起工件表面氧化 ,同時(shí)還會(huì) 造成爐膛加熱元件的污染 。2 高溫真空釬焊設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為了滿足高溫合金的釬焊工藝 ,解決其關(guān)鍵技

11、術(shù) ,我們?cè)谠O(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 、熱工設(shè)計(jì) 、控溫方式 、熱變形精度影響和冷卻速度等方面都采取了一系列的 措施 ,尤其是多面多區(qū)多控制技術(shù)的運(yùn)用 ,使溫度均 勻性能夠達(dá)到高精度控溫 3 , 4 。釬焊設(shè)備主要組成部分包括爐體 、加熱室 、鎂捕 集器 、真空系統(tǒng) 、強(qiáng)冷系統(tǒng) 、水冷系統(tǒng)和電氣控制等 。2. 1 爐體設(shè)計(jì)爐體為水平臥式圓形柱體 ,采用雙層夾套冷壁 結(jié)構(gòu) ,由雙層厚鋼板 (為達(dá)到高的真空度 ,內(nèi)外壁材 料均選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼 ) 卷筒后法蘭焊接而成 , 此結(jié) 構(gòu)強(qiáng)度高 ,不易變形和錯(cuò)位 ,而且焊縫少 ,可以保證 密封性能 。夾套內(nèi)通循環(huán)冷卻水 ,并設(shè)有冷卻水通道 ,使得爐筒內(nèi)冷卻水運(yùn)行通暢

12、,使?fàn)t體在使用過(guò)程 中不會(huì)產(chǎn)生熱變形 。爐體上裝 有水 冷電 極 、測(cè) 溫?zé)?電 偶 、充 放 氣 裝 置 、壓力表和吊環(huán)等 。并在側(cè)筒上設(shè)置工件溫度檢 測(cè)接口 ,可以連接多支工件熱電偶 ,該接口還可以用于爐溫均勻性的檢測(cè) 。 爐門(mén)為前開(kāi)門(mén)夾套冷壁結(jié)構(gòu) ,采用雙層橢圓封頭 (內(nèi)外層壁材料均為優(yōu)質(zhì)不銹鋼 ) 與圓形法蘭焊 接而成 ,此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高 ,可以耐很高的正負(fù)壓 ,保證 長(zhǎng)期使用不變形 。法蘭上裝有 O 形密封圈 ,關(guān)緊爐門(mén)即可抽真空 。在爐門(mén)中部裝有觀察窗 ,用于觀測(cè) 爐內(nèi)情況 ,同時(shí)配有 電 極引 入和 控 溫引 入等 裝 置 。 爐門(mén)為側(cè)向開(kāi)啟 形 式 , 通過(guò) 轉(zhuǎn)動(dòng) 鉸 鏈與 爐體

13、相 連 。 轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈為上下和前后可調(diào)節(jié)形式 ,便于安裝調(diào)節(jié) 。 預(yù)緊機(jī)構(gòu)采用手輪手動(dòng)壓緊形式 。2. 2 加熱室設(shè)計(jì)加熱室是真空釬焊設(shè)備的心臟 ,釬焊設(shè)備各部 分的設(shè)計(jì)都圍繞著它進(jìn)行 。它決定著爐體的結(jié)構(gòu)形 式 、幾何尺寸 、真空系統(tǒng)的配置 、加熱功率的大小 、電 控方式 、升 、降溫速率和溫度均勻性等 。關(guān)系到整體設(shè)備的合理性 、技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)性 ,也是保障釬焊工 藝質(zhì)量的基礎(chǔ) 。作為關(guān)鍵技術(shù)的溫度均勻性在高溫釬焊中起著 及其重要的作用 ,在工作區(qū)域內(nèi)溫度均勻有利于獲 得圓角均勻 、光滑及牢固結(jié)合的釬焊接頭 。如果溫度低于焊料熔點(diǎn)溫度釬料不能完全熔化 ,溫度高于 焊料熔點(diǎn)溫度 ,焊料就會(huì)流失

14、 。因此控制工作區(qū)內(nèi) 爐溫均勻性 ±3 就成為該設(shè)備的重點(diǎn) ,采取五區(qū) 加熱和五區(qū)控溫來(lái)保證爐溫均勻性 。該設(shè)備加熱室為圓形結(jié)構(gòu) ,主要由加熱元件 、輻射屏 、絕熱層和爐床等部件構(gòu)成 。大多數(shù)設(shè)備都采 用 三 區(qū) 加 熱 , 一 點(diǎn) 控 溫 , 爐 溫 均 勻 性 只 能 達(dá) 到50電 子 工 藝 技 術(shù)第 31卷第 1期精度高 ,可以檢測(cè)到 10 - 8 數(shù)量級(jí)的漏率 , 反應(yīng)時(shí)間只有 1 s2 s的時(shí)間 ,同時(shí)還具有聲音報(bào)警功能 5 。 這不僅大大提高了工作效率 ,而且還保證了真空度的質(zhì)量 ,使得設(shè)備的壓升率能夠達(dá)到 0. 2 Pa / h。為滿足該設(shè)備極限真空度 5 ×

15、;10 - 4 Pa 和壓升 率為 0. 2 Pa / h的技術(shù)要求 ,我們采用了以油擴(kuò)散泵作為主真空泵 ,前級(jí)泵選用旋片式機(jī)械真空泵 ,同時(shí) 配合一臺(tái)合適的羅茨泵組成三級(jí)高真空抽氣機(jī)組 。2. 6 測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)包括溫度 、時(shí)間和壓力 (真空度 )的測(cè) 量及控制 。溫度測(cè)量是在穿過(guò)輻射屏靠近工作區(qū)外裝設(shè)熱電偶敏感元件 ,用來(lái)控制溫度 。常用的熱電 偶為“鉑 - 鉑 +銠 13 % ”或“鉑 - 鉑 +銠 10 % ”。真空度的測(cè)量用真空計(jì) 。電阻真空計(jì)測(cè)量范圍 為低中真空 ,電離真空計(jì)測(cè)量范圍為高真空和超高真空 。真空釬焊爐要同時(shí)使用上述兩種真空計(jì) ,也可以使用復(fù)合真空計(jì) 。2. 7 電氣

16、控制 多區(qū)加熱元件的電源是由獨(dú)立的磁性調(diào)壓器供給 ?？刂撇糠质怯煽煽毓韬臀⑻幚頇C(jī)組成的溫度可 編程控制與 PLC組成的機(jī)械動(dòng)作可編程控制組成 , 能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能 : ( 1 )溫度可編程控制 ,由溫控制 儀完成 ; ( 2 )溫度和真空度實(shí)時(shí)記錄與顯示 ,實(shí)時(shí)記 錄顯示兩種溫度 ,控制熱電偶溫度和工件熱電偶溫度 ,工件熱電偶監(jiān)測(cè)工件焊縫內(nèi)部溫度 ,可以在線掌握工件狀況 ,及時(shí)調(diào)整溫度工藝參數(shù) ; ( 3 )真空泵運(yùn) 轉(zhuǎn) 、真空閥門(mén)開(kāi)關(guān)及其它機(jī)械動(dòng)作可編程控制 ; ( 4 ) 斷水 、斷電 、超溫 、過(guò)流 、斷流和誤操作現(xiàn)象等均采用 報(bào)警和互連鎖保護(hù) 。3 結(jié)論目前我們生產(chǎn)的高溫真空釬焊設(shè)備

17、,具有溫度 均勻性好 ( ±3 ) 、真空度高和壓升率好 ( 0. 2 Pa / h)等優(yōu)點(diǎn) 。該設(shè)備的研制生產(chǎn)有著很大的發(fā)展前景 ,同時(shí)也為高溫釬焊工藝技術(shù)進(jìn)步起到了積極的推動(dòng)作用 。參考文獻(xiàn) :±5 , 而我們的設(shè)備為了保證爐 溫均 勻性 在 ±3之內(nèi) ,采用了五區(qū)加熱 ,即在加熱室內(nèi)布置了五組 加熱帶 ,門(mén)上一組 ,底屏一組 ,側(cè)筒上布置三組 。每 組加熱帶對(duì)應(yīng)有一根控溫?zé)犭娕?,分別與各自控溫 儀表相連 ,測(cè)量各自的溫度 ,并根據(jù)主控溫度儀表的 設(shè)定來(lái)控制各加熱區(qū)間在某段時(shí)間內(nèi)按一定升溫速度加熱來(lái)達(dá)到某一設(shè)定值 ,若某加熱帶低于設(shè)定的 升溫速度 ,此時(shí)該控

18、溫儀表反饋給 PLC, PLC 再控制 晶閘管調(diào)壓器輸出電流 ,從而控制加熱帶溫度 ,這樣 就能很精確地控 制各 組 加熱 帶 。采 用這 種 控溫 方 式 ,能夠很好解決由于恒溫區(qū)面積大爐內(nèi)溫度不均 勻問(wèn)題 。2. 3 強(qiáng)冷系統(tǒng)為了提高生產(chǎn)率 ,保證焊接質(zhì)量 ,縮短工件在爐 內(nèi)的冷卻時(shí)間 ,必須采取有效的循環(huán)冷卻措施 。關(guān) 于循環(huán)冷卻的方式大體上可以分為兩種 : 一種是換 熱器放在爐殼內(nèi)的所謂內(nèi)循環(huán)方式 ; 另一種是換熱器置于爐外即所謂外循環(huán)方式 。本爐設(shè)計(jì)時(shí)考慮節(jié) 省空間 ,減小占地面積 ,采用了內(nèi)循環(huán)冷卻方式 ,主 要由高壓大風(fēng)量離心風(fēng)機(jī) 、水冷式翅片管換熱器和 強(qiáng)冷風(fēng)道等組成 。2. 4 鎂捕集器設(shè)計(jì)為了防止焊接過(guò)程中產(chǎn)生的蒸氣進(jìn)入真空抽氣 機(jī)組污染油擴(kuò)散泵 ,在抽氣機(jī)組與爐體之間配置捕 集器 ,捕集器由冷卻水管與散熱片組成 ?？梢苑奖?拆下便于維修 ,捕集器同時(shí)還可以防止擴(kuò)散泵油返 至爐體污染被處理工件2. 5 真空系統(tǒng) 真空度在釬焊中起著保護(hù) 、除氣和凈化的作用 。獲得高