大型無氧銅氫氣保護焊接設(shè)備的研究

趙雪峰，韓棟梁

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024）

大型無氧銅氫氣保護焊接設(shè)備的研究

趙雪峰，韓棟梁

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024）

對氫氣保護釬焊爐的結(jié)構(gòu)及功能進行了大量的改進，研究了無氧銅大型構(gòu)件在氫氣爐中的焊接工藝。介紹了設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點、電控特點及達到的技術(shù)指標。設(shè)備的研究提升了大型無氧銅構(gòu)件的一次性焊接成型的穩(wěn)定性及工藝性，達到了工藝要求的效果。

氫氣保護；釬焊；立式爐；無氧銅

無氧銅工件在加工過程中，極易造成零件表面的氧化，形成氧化膜。而氧化膜層的存在，極大地影響了在真空電子環(huán)境中的性能，造成電子束等在高速運動中被干擾和吸收，進而影響了實驗結(jié)果。氫氣保護處理是對易氧化材料或?qū)μ幚砗蠊ぜ砻婀鉂嵍纫筝^高（如光亮處理等）而產(chǎn)生的一個比較理想的工藝技術(shù)，特別對于在一些電子行業(yè)應(yīng)用的特殊零部件需要在氫氣保護環(huán)境下進行處理才能達到理想的要求。氫氣保護焊接技術(shù)是在氫氣的環(huán)境下，對工件進行焊接處理，焊接后的工件表面亮度高，氧化層完全消除，焊縫無氧化，與工件一致性好。同時，保證了加工的進度，減少了焊后加工工序，提高成品率。為了滿足及改善大型無氧銅構(gòu)件的焊接工藝，我所研究開發(fā)了真空氫氣保護釬焊設(shè)備。

1 設(shè)備概述

真空氫氣保護釬焊爐的主要特點：預(yù)抽真空度高，設(shè)備結(jié)構(gòu)大，可焊接工件超長，加熱區(qū)溫度均勻性好，可滿足多種銅釬料焊接要求。主要滿足無氧銅超長件的一次性焊接工藝要求，也可用于其他材料的表面處理。

我所為北京某客戶提供的真空氫氣保護釬焊爐著重進行了爐體及加熱室的優(yōu)化設(shè)計，突破了大型氣氛爐在加熱過程中的氣體對流影響，很大程度的降低了氣體對流對溫度所帶來的影響，保證了加熱區(qū)間的溫度穩(wěn)定性及均勻性，提高了大型焊接件的焊接穩(wěn)定性及一致性。

2 設(shè)備特性

該設(shè)備采用立式結(jié)構(gòu)，總高度近7 m，采用了分段組裝結(jié)構(gòu)，進料方式為上部吊裝。整體結(jié)構(gòu)分為爐體部分、加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、快冷系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 氫氣保護釬焊爐結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 爐體

爐體整體采用3段組裝結(jié)構(gòu)，各部分均采用雙層水冷結(jié)構(gòu)，在水套中設(shè)置有水流導(dǎo)向板，可以使冷卻水沿爐壁循環(huán)，避免爐壁出現(xiàn)局部過熱，提高了接處密封件的使用壽命。由于爐內(nèi)使用環(huán)境為氫氣高溫環(huán)境，設(shè)備內(nèi)壁及所有接口處法蘭均采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼加工制造，避免出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象造成危險。爐體外相應(yīng)有真空抽氣口、電極轉(zhuǎn)接口、快冷風(fēng)口、熱偶接口、壓力檢測接口、泄壓口等。下爐門通過電機帶動絲杠運動與爐體閉合，上爐門與爐體通過手輪壓緊，保證真空密封性及充氣嚴密性及安全性。

2.2 加熱系統(tǒng)

加熱方式采用內(nèi)加熱，分為三段，與每段爐體組裝后，整體裝配為一個整體。加熱室由不銹鋼框架、金屬反射屏、加熱元件及支撐瓷座等組成。加熱元件選用鉬帶加熱。支撐瓷座采用絕緣性能好的99瓷。在下爐門上裝有一組補償加熱元件。

加熱系統(tǒng)作為設(shè)備的關(guān)鍵部分，關(guān)系到設(shè)備的溫度均勻性，決定著工件的焊接質(zhì)量。由于在氣氛爐中溫度的升高，氣體受熱區(qū)壓力增大，從而造成氣體從高溫區(qū)向低溫區(qū)流動，形成強制性對流，造成熱量的極大損失，進而對溫度均勻性造成極大的偏差。該設(shè)備體積大，加熱區(qū)長，加熱溫度高，極容易在爐內(nèi)造成明顯的氣體強制性循環(huán)，造成加熱的不穩(wěn)定性。

通過對設(shè)備的結(jié)構(gòu)改進及氣體對流的研究，采用如下的方式來進行：

（1）加熱室各段與爐壁間用隔條阻隔，形成較短的相對封閉空間，減少氣流沿爐體冷壁的整體對流，從而減少熱量的損失；

（2）在風(fēng)孔及各接縫外裝反射擋屏，隔斷高溫氣體通過縫隙與爐壁直接對流；

（3）加熱功率采用非均勻性分布，下段功率最大，并在底屏上加裝一組加熱，用于補償下部加熱過程中的熱量損失。

2.3 真空系統(tǒng)

由于設(shè)備體積大，采用傳統(tǒng)的置換方式耗時過長，且安全性受到一定的影響，因此，采用預(yù)抽真空方式，以保證向爐內(nèi)通氫時的安全，提高使用的安全性。真空系統(tǒng)采用單級泵，通過不銹鋼管路及閥門與爐體連接。真空泵采用進口無油干泵，采用壓強計測量爐內(nèi)壓力。

2.4 快冷系統(tǒng)

外循環(huán)快冷系統(tǒng)采用換熱器、強冷風(fēng)葉結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)與爐體通過不銹鋼管路連接，在管路上裝有2臺不銹鋼擋板閥，可與爐體間斷開。換熱器采用銅制水冷翅片式，換熱量大。通過電機帶動離心風(fēng)葉，將熱氣從爐體上部吸入，通過換熱器冷卻后，分3路吹入爐體的上中下三段，保證各段爐體的冷卻相對均勻。

2.5 電氣控制

設(shè)備采用MODBUS RTU通訊協(xié)議，實現(xiàn)設(shè)備中各個儀表之間的數(shù)據(jù)交換。采用可編程控制器PLC為運算控制核心，通過觸摸屏對設(shè)備進行操作，觸摸屏分別與PLC、溫控儀、記錄儀實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通訊交換與處理。PLC采集各個數(shù)字量和模擬量數(shù)據(jù)。觸摸屏實時讀取并記錄控溫偶溫度、測溫偶溫度、各個加熱區(qū)的電流電壓值、壓力值、溫控儀的運行曲線及其儀表控制參數(shù)等，實現(xiàn)各個儀表間的數(shù)據(jù)交換，各個儀表的控制又是相互獨立的。

電氣控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能：（1）溫度可編程控制，實時監(jiān)測加熱帶上的電流、電壓值，通過熱偶檢測溫度來控制調(diào)壓器，并實時記錄和顯示數(shù)據(jù)；（2）爐內(nèi)真空度控制，控制機械泵及閥的開啟；（3）充排氣控制，通過PLC檢測壓力計數(shù)值，控制充氣的流量、壓力，在達到排氫條件后，自動開啟排氣口，通過氧分析儀檢測排氣純度，并自動點燃排氫口廢氫；（4）排氫口滅火檢測：在廢氫點燃口，裝有自動點火及火焰檢測裝置，能自動監(jiān)測火焰，防止回火、滅火等意外；（5）斷水、斷電、缺相、超溫、充氣壓力低等均采用報警和互鎖保護。

2.6 安全保護

由于氫氣的危險性，在設(shè)備的安全性方面主要采?。涸跔t體上裝大口徑彈簧式壓板防爆口，下爐門活動式密封，各種進排氣純度、壓力監(jiān)測，廢氫排氣點火口火焰監(jiān)測，最大程度的避免意外造成的危險。

真空氫氣保護釬焊設(shè)備經(jīng)過測試，可達到的性能指標：

可靠焊接工作空間：準600 mm×4500 mm

預(yù)抽真空度：＜200 Pa

最高溫度：1 300℃

溫度均勻性：整個工作空間范圍內(nèi)±7.5℃

升溫速率：5～20℃/min（空爐）

3 無氧銅焊接工藝流程及實驗結(jié)果

打開上爐門裝料，關(guān)閉爐門抽真空，當爐內(nèi)壓力低于200 Pa時，關(guān)閉抽氣閥，真空泵，向爐內(nèi)充氮氣到大氣壓，關(guān)閉閥門、真空泵，打開快充閥向爐內(nèi)充入純氫，當爐內(nèi)壓力達到100 kPa時，關(guān)閉快充閥門，通過流量計繼續(xù)充入氫氣，在壓力達到103 kPa時，打開排氫閥門，開始向外排氫，同時氧分析儀開始監(jiān)測排氫口的廢氫純度，達到點火條件后自動點火。當爐內(nèi)壓力穩(wěn)定、排氫口火焰正常后，按下‘程序運行’按鈕，點擊‘加熱’按鈕，設(shè)備按照預(yù)先設(shè)定的加熱曲線完成升溫、保溫、降溫等焊接過程。記錄儀實時記錄控溫偶和工件偶的溫度值。

設(shè)備在北京某研究所進行了實際使用。對無氧銅加工的離子加速管進行了焊接，工件為直徑準160 mm的銅件組成，長度約為2 m。采用一次性整體裝配焊接，焊接溫度790℃。焊接完成后，對焊接焊縫進行真空檢漏，通過氦質(zhì)譜檢漏儀檢測后，焊縫無泄漏。焊接后零件外觀比焊接前明顯變亮，焊縫表面觀察均勻一致。

4 結(jié) 論

目前我所研究的真空氫氣保護釬焊爐，滿足了大型超長無氧銅器件的焊接使用要求，提高了焊件的一致性及穩(wěn)定性，并具有實際使用中溫度均勻性好（±7℃）、預(yù)抽真空度高（≤10 Pa）和壓升率好（≤0.6 Pa/h）的優(yōu)點，很大程度地提高了無氧銅產(chǎn)品的質(zhì)量性能及生產(chǎn)效率。

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[1]達道安.真空設(shè)計手冊-2版[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[2]王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計手冊-2版[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996.

[3]張啟運，莊鴻壽.釬焊手冊-2版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

Design and Development of a Hydrogen Protect Large-scale Stove

ZHAO Xuefeng，HAN Dongliang
（The 2nd Research Institute of CETC ，Taiyuan 030024，China）

Abstract:The hydrogen gas protection brazing furnace structure and function of a number of improvements，the welding process of oxygen-free copper large components in hydrogen furnace is studied.Introduces the structure characteristics，equipment control features and specifications.Equipment research to enhance the large copper component one-time welding stability and process，reached the requirements of the process effect.

Keywords:Hydrogen protect；Vertical stove；Drill rod solder；Oxygen-free copper

TG439.1

B

1004-4507（2013）07-0041-03

2013-04-15

趙雪峰（1978-），男，山西原平，工程師，學(xué)士學(xué)位，2001年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，現(xiàn)從事真空特種設(shè)備的研發(fā)。