基于AMS2750E標(biāo)準(zhǔn)的低溫真空焊接設(shè)備溫度均勻性的實(shí)現(xiàn)

王成君，楊兆建

(太原理工大學(xué)，山西 太原030024)

隨著釬焊技術(shù)的不斷發(fā)展，為了確保熱處理過程中其設(shè)備的高溫控制精度和溫度場均勻性，國內(nèi)很多企業(yè)對溫度范圍為150～350 ℃熱處理設(shè)備提出使用AMS2750E 的測試標(biāo)準(zhǔn)的要求。在該溫度范圍內(nèi)，由于輻射具有加熱緩慢、溫差小、吸熱快、散熱慢的特點(diǎn)，使得真空設(shè)備內(nèi)的溫度場很難達(dá)到熱平衡，難以實(shí)現(xiàn)AMS2750E 的測試標(biāo)準(zhǔn)的要求。本文介紹了通過在真空焊接設(shè)備的設(shè)計(jì)中，考慮溫度場因素，實(shí)現(xiàn)AMS2750E（溫度范圍150～350 ℃）標(biāo)準(zhǔn)下真空爐爐溫均勻性的要求。

1 AMS2750E 對溫度均勻性要求

1.1 基本概念

溫度均勻性：在鑒定合格的真空焊接設(shè)備的工作區(qū)內(nèi)，各測試點(diǎn)的溫度相對于控制設(shè)定點(diǎn)溫度的偏差（通常以±℃來表示）。溫度均勻性指標(biāo)主要反應(yīng)熱處理設(shè)備在溫度設(shè)定點(diǎn)，在設(shè)備工作區(qū)內(nèi)溫度一致性問題。

溫度均勻性測試（TUS）：在熱平衡前后，用校驗(yàn)過的儀器裝置及傳感器對熱處理爐工作區(qū)溫度變化量進(jìn)行的一個或一系列測試。

1.2 AMS2750E 對溫度均勻性要求

（1）溫度傳感器必須符合要求?？販?zé)犭娕?、?bào)警熱電偶、均勻性測試熱電偶校準(zhǔn)值必須在允許誤差范圍以內(nèi)，可參照AMS2750E 具體要求。

（2）溫度傳感器的數(shù)量和位置必須滿足規(guī)范要求[4]。TUS 傳感器的分布按照體積法進(jìn)行測試，體積法要求TUS 傳感器三維放置以體現(xiàn)爐子整個有效工作區(qū)的溫度。根據(jù)TUS 傳感器固定裝置的體積，TUS 傳感器數(shù)量應(yīng)滿足AMS2750E 要求；TUS傳感器的分布應(yīng)符合以下規(guī)則：若爐子有效工作區(qū)體積小于0.085 m3，將4 支TUS 傳感器放在四角和一支放在中間；若爐子有效工作區(qū)體積大于0.085 m3，則將8 支TUS 傳感器放置八個角，1 支放置在中間；若爐子有效工作區(qū)體積大于6.4 m3時，按照AMS2750E 要求增加TUS 傳感器并均勻放置在最能體現(xiàn)爐子有效工作區(qū)的位置。

（3）按照要求確定熱處理爐溫度均勻性測試點(diǎn)。根據(jù)AMS2750E 要求溫度均勻性測試點(diǎn)溫度兩個測試溫度點(diǎn)不超過165 ℃，測試溫度為150 ℃、250 ℃、350 ℃。

（4）數(shù)據(jù)的采集必須符合AMS2750E 要求。在每個測試溫度點(diǎn)，爐子或TUS 傳感器首次達(dá)到溫度容差下限之前就開始采集數(shù)據(jù)，這樣無論爐子還是TUS 傳感器哪個超出溫度均勻性容差上限都能清楚地探測到。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，每隔2 min 至少記錄一套所有TUS 傳感器的溫度數(shù)據(jù)，控制或記錄傳感器均不能超過溫度均勻性公差上限；爐子應(yīng)保持在測試溫度直到所有傳感器達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后在30 min 內(nèi)連續(xù)采集數(shù)據(jù)，所有的測試熱電偶都在允許的溫度范圍內(nèi)，并保持穩(wěn)定，不能有漂移超出最高限或低于最低限[6]。

2 低溫段真空爐溫度均勻性的測試現(xiàn)狀及存在問題

2.1 真空釬焊設(shè)備簡述及實(shí)驗(yàn)

加熱模型：低溫真空焊接、熱處理爐示意圖見圖1所示。在爐體內(nèi)部有爐膽，爐膽是由多層金屬反射屏組成，在爐膽內(nèi)部分布均溫區(qū)，加熱電極與加熱帶連接在一起，控溫?zé)犭娕纪ㄟ^爐體和爐膽上的熱偶孔插入均溫圓進(jìn)行溫度控制，在爐體上分布著測溫接口、真空接口，溫度測試熱電偶通過測溫接口進(jìn)行溫度測試[1]。

圖1 低溫真空焊接模型

常采用的測溫方法為5 點(diǎn)測溫，其測量方法的示意圖如圖2所示。

目前有兩種測試方法，分別是采用外徑為1.5 mm 和6 mm 的測溫和控溫偶，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用直徑為1.5 mm 的測溫偶和控溫偶在150～350 ℃容易實(shí)現(xiàn)溫度均勻性的測量。因此實(shí)驗(yàn)中采用1.5 mm 的偶分別在150、250 和350 ℃下測量了真空焊接爐中的溫度。其測量結(jié)果見圖3所示。

圖2 五點(diǎn)測溫分布位置

溫度均勻性測試點(diǎn)為150、250、350 ℃，從數(shù)據(jù)可以看出，在升溫過程中控溫?zé)犭娕紲鬁囟缺容^多，當(dāng)控溫?zé)犭娕荚跍囟缺３贮c(diǎn)150、250、350 ℃時，溫度均勻性測試熱電偶溫度超出了控溫?zé)犭娕紲囟?，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)即使將控溫?zé)犭娕己蜏囟染鶆蛐詼y試熱電偶都采用直徑一致的熱電偶，也無法解決這3 個溫度測量點(diǎn)均勻性測試熱電偶溫度超過控溫?zé)犭娕紲囟鹊膯栴}。

3 解決問題的關(guān)鍵及理論分析

溫度范圍為150～350 ℃熱處理設(shè)備，與400 ℃以上的真空熱處理設(shè)備相比較，加熱帶與工作區(qū)溫差小，輻射加熱緩慢，根據(jù)輻射力公式[2]：

其中：ε 為發(fā)射率

A 為面積

C0為黑體輻射系數(shù)5.67 W/m·K4

T 為溫度

由于溫度T 也就是加熱帶的溫度比較低，一般加熱帶溫度比熱處理爐的工作區(qū)溫度高100～150 ℃，加熱帶與被加熱區(qū)域的熱流密度：

其中：φ 為熱流密度

ε 為被加熱區(qū)吸收率

T1為加熱帶溫度

T2——均溫區(qū)溫度

圖3 采用1.5 mm 的偶在不同溫度下的測量結(jié)果

Fds1→s2為加熱帶面對均溫區(qū)輻射角系數(shù)

熱流密度決定了熱電偶溫度的高低，對于ε、T1、T2、Fds1→s2幾個參數(shù)來說，是材料本身的屬性，T1是加熱帶的溫度，T2是均溫區(qū)的溫度，控溫?zé)犭娕肌囟染鶆蛐詼y試熱電偶都位于均溫圓以內(nèi)，可以認(rèn)為他們是一致的，現(xiàn)在存在的問題就是溫度均勻性測試熱電偶的溫度高于控溫?zé)犭娕迹捎趦煞N熱電偶位置不同，很難將輻射角系數(shù)Fds1→s2調(diào)整一致。在溫度保持點(diǎn)150、250、350 ℃測試時一般保溫30 min 后進(jìn)行測試，這個保溫階段在400 ℃以上效果是非常明顯的，但在150～350 ℃溫度范圍保溫即使超過了2 h 也很難解決溫度過沖的問題。經(jīng)多次測量發(fā)現(xiàn)一旦溫度均勻性測試熱電偶溫度過沖，在這個溫度段很難降下來。在這個溫度階段相比吸熱，散熱慢，達(dá)到熱平衡需要的時間更長。

對于吸收率來說，材質(zhì)相同吸收率ε 是相同，材料不同吸收率ε 是不同?？販?zé)犭娕己蜏囟染鶆蛐詼y試熱電偶都采用的是不銹鋼套管，查的不銹鋼的輻射黑度ε 是0.074。物體的吸收率與輻射黑度之間的關(guān)系根據(jù)基爾霍夫定律[3]：

對于灰體，不論投入輻射是否來自黑體，也不論是否處于熱平衡條件，其吸收率等同于同溫度下的發(fā)射率，物體的輻射力越大，其吸收能力也越大，換句話說善與輻射的物體必善于吸收，反之亦然。選擇吸收率大的石墨作為熱電偶的套管，石墨吸收率0.95。

4 解決問題的具體措施及效果

在本設(shè)計(jì)中，在熱電偶的頭加上石墨套，通過石墨較高的吸收率，來改善溫度的均勻性?？販?zé)犭娕荚O(shè)計(jì)采用圖4設(shè)計(jì)方式，控溫?zé)犭娕碱^部測試端采用直徑為1.5 mm 套管，在石墨套管上加工直徑為1.5 mm 內(nèi)孔，石墨套管和熱電偶頭部之間采用過渡配合。其原理如圖4所示。

圖4 熱電偶

熱電偶采用了石墨套管后控溫?zé)犭娕己途鶆蛐詼y試熱電偶測試情況如圖5所示。

圖5 采用石墨套管后控溫?zé)犭娕己途鶆蛐詼y試熱電偶測試情況

采用這種設(shè)計(jì)之后，從圖5中可以看出，其溫度差值已經(jīng)低于±3 ℃，滿足AMS2750E 標(biāo)準(zhǔn)的要求。對比傳統(tǒng)測量方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其溫度差值明顯下降。因此說明采用這種方法，對于實(shí)現(xiàn)真空釬焊設(shè)備溫度均勻性是有效的。

5 結(jié) 論

控溫?zé)犭娕荚O(shè)計(jì)采用石墨套管后增加了熱電偶套管的吸收率，使得均勻性測試熱電偶測出的均溫區(qū)的實(shí)際溫度完全符合AMS2750E 要求，另一方面提高了低溫段真空釬焊及熱處理設(shè)備的溫度控制精度，可以生產(chǎn)出質(zhì)量更高的產(chǎn)品。

6 低溫段真空設(shè)備的應(yīng)用前景

低溫段真空設(shè)備在電子元器件、鈹青銅退火處理得到了廣泛應(yīng)用，低溫段真空設(shè)備研制是電子元器件行業(yè)、航天航空行業(yè)釬焊及熱處理急需解決的問題。低溫段真空設(shè)備具有以下優(yōu)勢：

（1）提高焊接器件性能。在真空加熱條件下，軟釬焊技術(shù)極大地降低器件的空洞率，同時依靠溫度精確控制，均勻的溫度場，減少在焊接溫度點(diǎn)器件處理時間，防止器件電學(xué)參數(shù)變壞，提高器件性能。

（2）器件生產(chǎn)過程工藝精確控制及重復(fù)性。大規(guī)模生產(chǎn)過程中，低溫段真空設(shè)備溫度的測量和控制變得至關(guān)重要。生產(chǎn)效率優(yōu)勢包括：通過優(yōu)化器件內(nèi)均勻性和器件間的可重復(fù)性來改善器件參數(shù)良率；通過優(yōu)化焊接溫度來獲得最優(yōu)的器件性能，通過實(shí)時工藝控制和優(yōu)化減少器件報(bào)廢，提高成品率。

（3）優(yōu)化器件熱處理過程中的應(yīng)力。釬焊過程可能會產(chǎn)生兩種截然不同的應(yīng)力：由于相變或結(jié)構(gòu)改變所產(chǎn)生的應(yīng)力會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中某些部分的密度發(fā)生變化，另一種應(yīng)力來自于器件結(jié)構(gòu)和襯底之間不同的熱膨脹系數(shù)。通過合理熱處理工藝曲線，優(yōu)化器件熱處理過程中的應(yīng)力。

綜上所述，本文解決了低溫段真空設(shè)備中的溫場控制問題，使得低溫真空焊接設(shè)備的工藝優(yōu)勢，又滿足AMS2750E 要求，讓其具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考資料：

[1]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1991.

[2]安娜- 瑪麗婭·比安什（羅），伊夫·福泰勒（法），雅克琳娜·埃戴.傳熱學(xué)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2008.

[3]閻承沛.真空熱處理工藝與設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[4]王魁漢.溫度測量實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[5]王魁漢，廖正貴，董健.符合2750D 標(biāo)準(zhǔn)的溫度傳感器的研制與應(yīng)用[J].真空，2012 (4)：4-8.

[6]李克，許莉.高溫測量[J].熱處理裝備與技術(shù)，2009(3)：9-18.