新型高精密真空扩散焊炉的研制及应用

1、新型高精密真空扩散焊炉的研制及应用 ?工 艺 与 应 用新型高精密真空扩散焊炉的研制及应用唐 榕,王承章,张吉峰北京真空电子技术总公司,北京 , ? , ? , , : ? .。 , , , . :, ? , , ? 摘要:本文介绍了新型高精密真空扩散焊炉的工艺原理及技术特点,并以一台已经研制成功的新型高精密真空扩散焊炉为例,详细阐述了该设备的相关设计思路及特点。该设备采用伺服电机拖动丝杠加压技术,并通过闭环控制实现了工艺过程的自动控制,具有压力精度高、控制灵活、生产效率高、清洁可靠等优点。关键词:真空扩散焊炉;电伺服;压力装置;闭环控制;高精密中图分类号: 文献标识码: 文章编号: ? 在焊

2、接技术迅速开展的今天,扩散焊接技术已 金属原子间的连接和原子间的相互扩散从而实现两成为应用广泛的焊接技术之一。真空扩散焊接是真 个工件的连接口 。空技术与焊接技术的结合,真空扩散焊接解决了传 真空扩散焊优点有:能焊接不同硬度、强度的统焊接工艺中不可焊的难题,能够对物理性质差异 各种材料,包括性质差异很大的金属,金属和非金属很大的材料进行焊接,并具有焊缝良好,焊接件不变陶瓷等 材料;焊接后能保持原有工件的物理、化形等优点。 学和机械性质;加热均匀,焊接件变形小,组织均真空扩散炉作为真空扩散焊的关键设备,自 匀,剩余应力小,能保持焊后工件高精度的几何尺寸世纪 年代末前苏联研制成功后,被广泛应用于各

3、和形状;能焊接结构复杂及薄厚差异很大的工件;项高科技焊接当中,涉及包括航空航天、电力电子、 可与其它加工工艺同时进行 如真空热处理等 。机械制造在内的多个领域,尤其在电真空器件制造新型高精密真空扩散焊炉的设计及制造方面具有不可替代的作用。. 设计思路真空扩散焊原理及特点在电真空行业应用中,随着行波管等器件的小真空扩散焊是把两个待焊接工件焊接端面磨光型化,提出了小压力值、高控制精度的焊接要求,而后放在一起,在保护气体 氢气、氩气等 或真空气氛 传统真空扩散焊炉存在体积庞大、压力起调阀值高、中加热到金属熔化温度 热力学温度 的 . . 工作周期长、生产效率低、油污染等问题,无法满足倍,在加压条件下

4、使接触面产生局部塑性变形,发生 新型焊接要求,因此提出了新型高精度真空扩散焊圃 二行抽气。炉的研制需求。由于行波管零件的焊接需要在较高的真空度和新型高精度真空扩散焊炉在实现压力与位移的温度环境下完成,因此缩短建立真空和降温时间是高精密闭环控制、缩短焊接时间、提高生产效率、提提高生产效率的关键所在。高系统清洁度、增强设备实用性等方面做出了改良,新型高精度真空扩散焊炉设计采用两套分子泵具体改良设计主要包括以下三方面:机组同时对真空室进行抽气,大大缩短建立真空的第一,采用电伺服系统替代传统的电液伺服系时间。在设计中还增加速冷装置,使用氮气作为冷统。却保护气,通过速冷风机循环带走炉内热量,缩短炉传统真

5、空扩散焊炉加压系统采用电液伺服系体的降温时间。从实验效果看:改良后的设备将整统。电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反响控制系统,包括伺服放大器、电 个扩散焊工艺完成周期从原有的 缩短至 左右,使得生产效率明显提高。液伺服阀、液压动力机构、模拟检测器等部件。伺服第三,新型高精密真空扩散焊炉将建立真空及放大器为伺服阀提供所需要的驱动电流。电液伺服加热过程与复合加压过程独立开来,这两个过程分阀为控制系统中的关键执行元件,其原理是将小功率的电信号转换为阀的运动,以控制流向液压动力 别实现全自开工艺过程控制,增强了设备的实用性、可操作性。机构的流量和压力。液压动力机构为传动装置,由液

6、压控制元件、执行机构和控制对象组成,其性能很 . 设备构成新型高精密真空扩散焊炉是由炉体、真空加热大程度上决定了电液伺服系统的精度。模拟检测器将控制对象位置的变化转换成电压的变化进行反 系统、压力装置、速冷装置和电气控制系统构成,图为本设备的构成示意图。馈。电液伺服系统经过多年的开展,系统结构已经相对成熟,但仍然存在一些固有的缺点,如:压力起真空加热系统 压力装置调阀值高、低压力值控制精度差、电液装置中的液压油对环境存在一定的污染等,因此,电液伺服系统不能满足新型扩散焊接的技术要求。新型高精度真空扩散焊炉设计采用电伺服系统替代电液伺服系统,对压头位移及加压、卸压的力值进行高精度控制。电伺服系统

7、的原理是通过伺服电机带动丝杠 传动机构 升降从而控制移动压头的力值和位移,并通过伺服电机输出脉冲及模拟检测器反响回来的压力信号实现闭环控制。图 为电伺服系统的工作原理。 图 设备构成不意图脉冲反响 炉体炉体为立式结构,炉门通过氟橡胶密封,并设有观察窗,方便操作人员观察炉内情况。炉壳为不锈钢制的双层水冷结构,能充分带走热量,提高冷却效果。 真空加热系统图 电伺服系统工作原理图真空加热系统主要由真空获得机组及加热装置电伺服系统具有以下优点:组成。通过伺服电机的旋转角度和接收的脉冲精真空获得机组采用两台分子泵并联抽气,每台确控制移动压头位移,实现位移闭环控制; 通过分子泵均配有前级泵。预抽时两台前级

8、泵并联抽高精度的压力传感器反响工件承受的压力值,实现气,缩短系统启动时间。每台分子泵与炉体之间安压力闭环控制; 彻底杜绝油污染产生,生产和装装有超高真空插板阀,在设备关闭或炉体速冷时,与配环境能最大程度保持洁净。分子泵隔断,使得分子泵机组实现连续工作模式。第二,增加速冷装置并采用两套分子泵机组进二 团加热装置包括加热器和加热控制系统。加热器压力传感器为钼带制作的筒形结构,引出电极为水冷式结构件,电极与炉壳间采用氟橡胶和聚四氟塑料密封件实现真空密封和电绝缘;加热控制系统由可控硅调压器及变压器等构成。压力装置压力装置采用电伺服控制系统精准控制加压、卸压的压力值以及压头行程范围。压力装置包括伺服电机

9、、减速器、压力传感器、丝杠、反响控制机构、上下压头等局部。其中上压头为移动压头,下压头为静止压头。静止压头安装于炉体下方的支撑体上,压头上端的压杆伸入炉体中;移动压头通过丝杠连接安装于炉体上方的支撑体上,顶杆伸人炉体中,由伺服电机带动丝杠使其上下运动;压力传感器安图 控制系统工作原理示意图装于静止压头与支撑体联接处,确保测压准确。速冷装置表 新型高精密真空扩散焊炉主要技术指标为缩短降温时间,提高工作效率,本设备采用了真空系统参数 参数值 压力装置参数 参数值速冷装置。速冷装置以氮气作为循环冷却气,包括 极限真空度 × 一 位移行程热态真空度 × 位移精度 .风机、换热器、充

10、氮阀等部件。当炉体自然冷却到一最高温度最大压力定温度后,首先通过放空阀,放空管道氮气,提高纯工作温度压力精度 士度,然后翻开充氮阀向炉内充氮气至一定压强,再启 温速至 ., 、动风机循环速冷。电气控制系统温范围为室温到,根据工艺分为丁 、 、电气控制系统主要由上位机、可编程控制器三个温度节点。复合加压过程为:在室温至 范 、温控表及伺服电机组成。上位机、伺服电围内维持 加载力; 过程中逐渐提高加载机、上下压头、压力传感器构成高精度压力闭环控制力至; 。过程中每隔 增加系统;、控制面板、真空测量装置、水压气压保护最终将加载力增至;在 。温度以的加载装置共同构成真空抽气控制系统及报警系统;温控力维

11、持一段时间;最后撤去加载力并降温。表、调压器和变压器组成加热闭环控制系统。图图 为真空扩散焊实验的加载力/ 移实时曲为电气控制系统工作原理示意图。线图。图中白线表示预设的加载力,锯齿状实线为新型高精密真空扩散焊炉应用效果测量的实际力值,左下角粗实线为压头的位移量。新型高精密真空扩散焊炉试制成功后,于从图中可以看出,在复合加压过程中,实际力值曲线年初交付用户使用。自交付使用以来,主要用于复根本能良好跟随设定力值曲线,其波动范围平均值合管壳的焊接,焊接材料为铜一铜,不锈钢一合金,不超过。力值波动的主要原因是升温过程中纯铁一镍洛合金等。目前,该设备已成功完成屡次的零件热膨胀变形,经计算,从室温到,实验真空扩散焊工艺,焊接后的工件保持了原有的形状件的热膨胀量约为,此膨胀量与实际加压过及性质,且焊缝良好。程中电伺服系统的位移量根本一致。. 性能参数零件的热膨胀对于力值控制影响很大。在升温经过测试,新型高