新型高精密真空擴(kuò)散焊爐的研制及應(yīng)用

1、新型高精密真空擴(kuò)散焊爐的研制及應(yīng)用 ?工 藝 與 應(yīng) 用新型高精密真空擴(kuò)散焊爐的研制及應(yīng)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(kuò)散焊爐的工藝原理及技術(shù)特點(diǎn),并以一臺(tái)已經(jīng)研制成功的新型高精密真空擴(kuò)散焊爐為例,詳細(xì)闡述了該設(shè)備的相關(guān)設(shè)計(jì)思路及特點(diǎn)。該設(shè)備采用伺服電機(jī)拖動(dòng)絲杠加壓技術(shù),并通過閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)了工藝過程的自動(dòng)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(diǎn)。關(guān)鍵詞:真空擴(kuò)散焊爐;電伺服;壓力裝置;閉環(huán)控制;高精密中圖分類號(hào): 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: 文章編號(hào): ? 在焊

2、接技術(shù)迅速開展的今天,擴(kuò)散焊接技術(shù)已 金屬原子間的連接和原子間的相互擴(kuò)散從而實(shí)現(xiàn)兩成為應(yīng)用廣泛的焊接技術(shù)之一。真空擴(kuò)散焊接是真 個(gè)工件的連接口 ?？占夹g(shù)與焊接技術(shù)的結(jié)合,真空擴(kuò)散焊接解決了傳 真空擴(kuò)散焊優(yōu)點(diǎn)有:能焊接不同硬度、強(qiáng)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(jìn)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(diǎn)。 學(xué)和機(jī)械性質(zhì);加熱均勻,焊接件變形小,組織均真空擴(kuò)散爐作為真空擴(kuò)散焊的關(guān)鍵設(shè)備,自 勻,剩余應(yīng)力小,能保持焊后工件高精度的幾何尺寸世紀(jì) 年代末前蘇聯(lián)研制成功后,被廣泛應(yīng)用于各

3、和形狀;能焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜及薄厚差異很大的工件;項(xiàng)高科技焊接當(dāng)中,涉及包括航空航天、電力電子、 可與其它加工工藝同時(shí)進(jìn)行 如真空熱處理等 。機(jī)械制造在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域,尤其在電真空器件制造新型高精密真空擴(kuò)散焊爐的設(shè)計(jì)及制造方面具有不可替代的作用。. 設(shè)計(jì)思路真空擴(kuò)散焊原理及特點(diǎn)在電真空行業(yè)應(yīng)用中,隨著行波管等器件的小真空擴(kuò)散焊是把兩個(gè)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(hù)氣體 氫氣、氬氣等 或真空氣氛 傳統(tǒng)真空擴(kuò)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(xué)溫度 的 . . 工作周期長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低、油污染等問題,無(wú)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(kuò)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(kuò)散焊爐在實(shí)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(shí)間是高精密閉環(huán)控制、縮短焊接時(shí)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(qiáng)設(shè)備實(shí)用性等方面做出了改良,新型高精度真空擴(kuò)散焊爐設(shè)計(jì)采用兩套分子泵具體改良設(shè)計(jì)主要包括以下三方面:機(jī)組同時(shí)對(duì)真空室進(jìn)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(shí)間。在設(shè)計(jì)中還增加速冷裝置,使用氮?dú)庾鳛槔浣y(tǒng)。卻保護(hù)氣,通過速冷風(fēng)機(jī)循環(huán)帶走爐內(nèi)熱量,縮短爐傳統(tǒng)真

5、空擴(kuò)散焊爐加壓系統(tǒng)采用電液伺服系體的降溫時(shí)間。從實(shí)驗(yàn)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(hào)處理裝置和液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)組成的反響控制系統(tǒng),包括伺服放大器、電 個(gè)擴(kuò)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(dòng)力機(jī)構(gòu)、模擬檢測(cè)器等部件。伺服第三,新型高精密真空擴(kuò)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(dòng)電流。電液伺服加熱過程與復(fù)合加壓過程獨(dú)立開來(lái),這兩個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換為閥的運(yùn)動(dòng),以控制流向液壓動(dòng)力 別實(shí)現(xiàn)全自開工藝過程控制,增強(qiáng)了設(shè)備的實(shí)用性、可操作性。機(jī)構(gòu)的流量和壓力。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)為傳動(dòng)裝置,由液

6、壓控制元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制對(duì)象組成,其性能很 . 設(shè)備構(gòu)成新型高精密真空擴(kuò)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(cè)器將控制對(duì)象位置的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化進(jìn)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(duì)成熟,但仍然存在一些固有的缺點(diǎn),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(duì)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(kuò)散焊接的技術(shù)要求。新型高精度真空擴(kuò)散焊爐設(shè)計(jì)采用電伺服系統(tǒng)替代電液伺服系統(tǒng),對(duì)壓頭位移及加壓、卸壓的力值進(jìn)行高精度控制。電伺服系統(tǒng)

7、的原理是通過伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 升降從而控制移動(dòng)壓頭的力值和位移,并通過伺服電機(jī)輸出脈沖及模擬檢測(cè)器反響回來(lái)的壓力信號(hào)實(shí)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(jī)組及加熱裝置電伺服系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):組成。通過伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和接收的脈沖精真空獲得機(jī)組采用兩臺(tái)分子泵并聯(lián)抽氣,每臺(tái)確控制移動(dòng)壓頭位移,實(shí)現(xiàn)位移閉環(huán)控制; 通過分子泵均配有前級(jí)泵。預(yù)抽時(shí)兩臺(tái)前級(jí)

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(shí)現(xiàn)氣,縮短系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間。每臺(tái)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(shí),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(jī)組實(shí)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(jī)組進(jìn)二 團(tuán)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(shí)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(zhǔn)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(jī)

9、、減速器、壓力傳感器、絲杠、反響控制機(jī)構(gòu)、上下壓頭等局部。其中上壓頭為移動(dòng)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(dòng)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(jī)帶動(dòng)絲杠使其上下運(yùn)動(dòng);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(cè)壓準(zhǔn)確。速冷裝置表 新型高精密真空擴(kuò)散焊爐主要技術(shù)指標(biāo)為縮短降溫時(shí)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?dú)庾鳛檠h(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(fēng)機(jī)、換熱器、充

10、氮閥等部件。當(dāng)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?dú)?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?dú)庵烈欢▔簭?qiáng),再啟 溫速至 ., 、動(dòng)風(fēng)機(jī)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(jī)、可編程控制器三個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)。復(fù)合加壓過程為:在室溫至 范 、溫控表及伺服電機(jī)組成。上位機(jī)、伺服電圍內(nèi)維持 加載力; 過程中逐漸提高加載機(jī)、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(cè)量裝置、水壓氣壓保護(hù)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(bào)警系統(tǒng);溫控力維

11、持一段時(shí)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(kuò)散焊實(shí)驗(yàn)的加載力/ 移實(shí)時(shí)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(yù)設(shè)的加載力,鋸齒狀實(shí)線為新型高精密真空擴(kuò)散焊爐應(yīng)用效果測(cè)量的實(shí)際力值,左下角粗實(shí)線為壓頭的位移量。新型高精密真空擴(kuò)散焊爐試制成功后,于從圖中可以看出,在復(fù)合加壓過程中,實(shí)際力值曲線年初交付用戶使用。自交付使用以來(lái),主要用于復(fù)根本能良好跟隨設(shè)定力值曲線,其波動(dòng)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(dòng)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(jì)算,從室溫到,實(shí)驗(yàn)真空擴(kuò)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(shí)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(duì)于力值控制影響很大。在升溫經(jīng)過測(cè)試,新型高