新型高精密真空擴散焊爐的研制及應用

1、新型高精密真空擴散焊爐的研制及應用 ?工 藝 與 應 用新型高精密真空擴散焊爐的研制及應用唐 榕,王承章,張吉峰北京真空電子技術(shù)總公司,北京 , ? , ? , , : ? .。 , , , . :, ? , , ? 摘要:本文介紹了新型高精密真空擴散焊爐的工藝原理及技術(shù)特點,并以一臺已經(jīng)研制成功的新型高精密真空擴散焊爐為例,詳細闡述了該設(shè)備的相關(guān)設(shè)計思路及特點。該設(shè)備采用伺服電機拖動絲杠加壓技術(shù),并通過閉環(huán)控制實現(xiàn)了工藝過程的自動控制,具有壓力精度高、控制靈活、生產(chǎn)效率高、清潔可靠等優(yōu)點。關(guān)鍵詞:真空擴散焊爐;電伺服;壓力裝置;閉環(huán)控制;高精密中圖分類號: 文獻標識碼: 文章編號: ? 在焊

2、接技術(shù)迅速開展的今天,擴散焊接技術(shù)已 金屬原子間的連接和原子間的相互擴散從而實現(xiàn)兩成為應用廣泛的焊接技術(shù)之一。真空擴散焊接是真 個工件的連接口 ?？占夹g(shù)與焊接技術(shù)的結(jié)合,真空擴散焊接解決了傳 真空擴散焊優(yōu)點有:能焊接不同硬度、強度的統(tǒng)焊接工藝中不可焊的難題,能夠?qū)ξ锢硇再|(zhì)差異 各種材料,包括性質(zhì)差異很大的金屬,金屬和非金屬很大的材料進行焊接,并具有焊縫良好,焊接件不變陶瓷等 材料;焊接后能保持原有工件的物理、化形等優(yōu)點。 學和機械性質(zhì);加熱均勻,焊接件變形小,組織均真空擴散爐作為真空擴散焊的關(guān)鍵設(shè)備,自 勻,剩余應力小,能保持焊后工件高精度的幾何尺寸世紀 年代末前蘇聯(lián)研制成功后,被廣泛應用于各

3、和形狀;能焊接結(jié)構(gòu)復雜及薄厚差異很大的工件;項高科技焊接當中,涉及包括航空航天、電力電子、 可與其它加工工藝同時進行 如真空熱處理等 。機械制造在內(nèi)的多個領(lǐng)域,尤其在電真空器件制造新型高精密真空擴散焊爐的設(shè)計及制造方面具有不可替代的作用。. 設(shè)計思路真空擴散焊原理及特點在電真空行業(yè)應用中,隨著行波管等器件的小真空擴散焊是把兩個待焊接工件焊接端面磨光型化,提出了小壓力值、高控制精度的焊接要求,而后放在一起,在保護氣體 氫氣、氬氣等 或真空氣氛 傳統(tǒng)真空擴散焊爐存在體積龐大、壓力起調(diào)閥值高、中加熱到金屬熔化溫度 熱力學溫度 的 . . 工作周期長、生產(chǎn)效率低、油污染等問題,無法滿足倍,在加壓條件下

4、使接觸面產(chǎn)生局部塑性變形,發(fā)生 新型焊接要求,因此提出了新型高精度真空擴散焊圃 二行抽氣。爐的研制需求。由于行波管零件的焊接需要在較高的真空度和新型高精度真空擴散焊爐在實現(xiàn)壓力與位移的溫度環(huán)境下完成,因此縮短建立真空和降溫時間是高精密閉環(huán)控制、縮短焊接時間、提高生產(chǎn)效率、提提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵所在。高系統(tǒng)清潔度、增強設(shè)備實用性等方面做出了改良,新型高精度真空擴散焊爐設(shè)計采用兩套分子泵具體改良設(shè)計主要包括以下三方面:機組同時對真空室進行抽氣,大大縮短建立真空的第一,采用電伺服系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的電液伺服系時間。在設(shè)計中還增加速冷裝置,使用氮氣作為冷統(tǒng)。卻保護氣,通過速冷風機循環(huán)帶走爐內(nèi)熱量,縮短爐傳統(tǒng)真

5、空擴散焊爐加壓系統(tǒng)采用電液伺服系體的降溫時間。從實驗效果看:改良后的設(shè)備將整統(tǒng)。電液伺服系統(tǒng)是一種由電信號處理裝置和液壓動力機構(gòu)組成的反響控制系統(tǒng),包括伺服放大器、電 個擴散焊工藝完成周期從原有的 縮短至 左右,使得生產(chǎn)效率明顯提高。液伺服閥、液壓動力機構(gòu)、模擬檢測器等部件。伺服第三,新型高精密真空擴散焊爐將建立真空及放大器為伺服閥提供所需要的驅(qū)動電流。電液伺服加熱過程與復合加壓過程獨立開來,這兩個過程分閥為控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵執(zhí)行元件,其原理是將小功率的電信號轉(zhuǎn)換為閥的運動,以控制流向液壓動力 別實現(xiàn)全自開工藝過程控制,增強了設(shè)備的實用性、可操作性。機構(gòu)的流量和壓力。液壓動力機構(gòu)為傳動裝置,由液

6、壓控制元件、執(zhí)行機構(gòu)和控制對象組成,其性能很 . 設(shè)備構(gòu)成新型高精密真空擴散焊爐是由爐體、真空加熱大程度上決定了電液伺服系統(tǒng)的精度。模擬檢測器將控制對象位置的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化進行反 系統(tǒng)、壓力裝置、速冷裝置和電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成,圖為本設(shè)備的構(gòu)成示意圖。饋。電液伺服系統(tǒng)經(jīng)過多年的開展,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)相對成熟,但仍然存在一些固有的缺點,如:壓力起真空加熱系統(tǒng) 壓力裝置調(diào)閥值高、低壓力值控制精度差、電液裝置中的液壓油對環(huán)境存在一定的污染等,因此,電液伺服系統(tǒng)不能滿足新型擴散焊接的技術(shù)要求。新型高精度真空擴散焊爐設(shè)計采用電伺服系統(tǒng)替代電液伺服系統(tǒng),對壓頭位移及加壓、卸壓的力值進行高精度控制。電伺服系統(tǒng)

7、的原理是通過伺服電機帶動絲杠 傳動機構(gòu) 升降從而控制移動壓頭的力值和位移,并通過伺服電機輸出脈沖及模擬檢測器反響回來的壓力信號實現(xiàn)閉環(huán)控制。圖 為電伺服系統(tǒng)的工作原理。 圖 設(shè)備構(gòu)成不意圖脈沖反響 爐體爐體為立式結(jié)構(gòu),爐門通過氟橡膠密封,并設(shè)有觀察窗,方便操作人員觀察爐內(nèi)情況。爐殼為不銹鋼制的雙層水冷結(jié)構(gòu),能充分帶走熱量,提高冷卻效果。 真空加熱系統(tǒng)圖 電伺服系統(tǒng)工作原理圖真空加熱系統(tǒng)主要由真空獲得機組及加熱裝置電伺服系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:組成。通過伺服電機的旋轉(zhuǎn)角度和接收的脈沖精真空獲得機組采用兩臺分子泵并聯(lián)抽氣,每臺確控制移動壓頭位移,實現(xiàn)位移閉環(huán)控制; 通過分子泵均配有前級泵。預抽時兩臺前級

8、泵并聯(lián)抽高精度的壓力傳感器反響工件承受的壓力值,實現(xiàn)氣,縮短系統(tǒng)啟動時間。每臺分子泵與爐體之間安壓力閉環(huán)控制; 徹底杜絕油污染產(chǎn)生,生產(chǎn)和裝裝有超高真空插板閥,在設(shè)備關(guān)閉或爐體速冷時,與配環(huán)境能最大程度保持潔凈。分子泵隔斷,使得分子泵機組實現(xiàn)連續(xù)工作模式。第二,增加速冷裝置并采用兩套分子泵機組進二 團加熱裝置包括加熱器和加熱控制系統(tǒng)。加熱器壓力傳感器為鉬帶制作的筒形結(jié)構(gòu),引出電極為水冷式結(jié)構(gòu)件,電極與爐殼間采用氟橡膠和聚四氟塑料密封件實現(xiàn)真空密封和電絕緣;加熱控制系統(tǒng)由可控硅調(diào)壓器及變壓器等構(gòu)成。壓力裝置壓力裝置采用電伺服控制系統(tǒng)精準控制加壓、卸壓的壓力值以及壓頭行程范圍。壓力裝置包括伺服電機

9、、減速器、壓力傳感器、絲杠、反響控制機構(gòu)、上下壓頭等局部。其中上壓頭為移動壓頭,下壓頭為靜止壓頭。靜止壓頭安裝于爐體下方的支撐體上,壓頭上端的壓桿伸入爐體中;移動壓頭通過絲杠連接安裝于爐體上方的支撐體上,頂桿伸人爐體中,由伺服電機帶動絲杠使其上下運動;壓力傳感器安圖 控制系統(tǒng)工作原理示意圖裝于靜止壓頭與支撐體聯(lián)接處,確保測壓準確。速冷裝置表 新型高精密真空擴散焊爐主要技術(shù)指標為縮短降溫時間,提高工作效率,本設(shè)備采用了真空系統(tǒng)參數(shù) 參數(shù)值 壓力裝置參數(shù) 參數(shù)值速冷裝置。速冷裝置以氮氣作為循環(huán)冷卻氣,包括 極限真空度 × 一 位移行程熱態(tài)真空度 × 位移精度 .風機、換熱器、充

10、氮閥等部件。當爐體自然冷卻到一最高溫度最大壓力定溫度后,首先通過放空閥,放空管道氮氣,提高純工作溫度壓力精度 士度,然后翻開充氮閥向爐內(nèi)充氮氣至一定壓強,再啟 溫速至 ., 、動風機循環(huán)速冷。電氣控制系統(tǒng)溫范圍為室溫到,根據(jù)工藝分為丁 、 、電氣控制系統(tǒng)主要由上位機、可編程控制器三個溫度節(jié)點。復合加壓過程為:在室溫至 范 、溫控表及伺服電機組成。上位機、伺服電圍內(nèi)維持 加載力; 過程中逐漸提高加載機、上下壓頭、壓力傳感器構(gòu)成高精度壓力閉環(huán)控制力至; 。過程中每隔 增加系統(tǒng);、控制面板、真空測量裝置、水壓氣壓保護最終將加載力增至;在 。溫度以的加載裝置共同構(gòu)成真空抽氣控制系統(tǒng)及報警系統(tǒng);溫控力維

11、持一段時間;最后撤去加載力并降溫。表、調(diào)壓器和變壓器組成加熱閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖圖 為真空擴散焊實驗的加載力/ 移實時曲為電氣控制系統(tǒng)工作原理示意圖。線圖。圖中白線表示預設(shè)的加載力,鋸齒狀實線為新型高精密真空擴散焊爐應用效果測量的實際力值,左下角粗實線為壓頭的位移量。新型高精密真空擴散焊爐試制成功后,于從圖中可以看出,在復合加壓過程中,實際力值曲線年初交付用戶使用。自交付使用以來,主要用于復根本能良好跟隨設(shè)定力值曲線,其波動范圍平均值合管殼的焊接,焊接材料為銅一銅,不銹鋼一合金,不超過。力值波動的主要原因是升溫過程中純鐵一鎳洛合金等。目前,該設(shè)備已成功完成屢次的零件熱膨脹變形,經(jīng)計算,從室溫到,實驗真空擴散焊工藝,焊接后的工件保持了原有的形狀件的熱膨脹量約為,此膨脹量與實際加壓過及性質(zhì),且焊縫良好。程中電伺服系統(tǒng)的位移量根本一致。. 性能參數(shù)零件的熱膨脹對于力值控制影響很大。在升溫經(jīng)過測試,新型高