真空釬焊設(shè)備真空計規(guī)管過濾裝置設(shè)計

劉博樂，祁永勝，趙建偉，范燕濤，劉致順

（北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

某真空釬焊爐在真空釬焊過程中經(jīng)常產(chǎn)生可揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)主要是在爐體內(nèi)部焊接過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。當對爐體進行抽真空時，揮發(fā)物會在抽真空過程中進入大氣，但是其中一部分揮發(fā)物會吸附在爐壁表面。當吸附在爐壁表面的揮發(fā)物進入到真空測量系統(tǒng)中，測量管燈絲會受到污染，從而影響測量精度。隨著真空計規(guī)管的不斷使用，真空計規(guī)管內(nèi)的燈絲污染會日益嚴重，最終導(dǎo)致真空計規(guī)管報廢。對真空計規(guī)管前端加裝過濾裝置，可以有效過濾掉揮發(fā)性氣體顆粒，保證真空計規(guī)管的正常使用。因此，設(shè)計、安裝真空過濾裝置可以解決真空計規(guī)管污染、損壞問題。

1 設(shè)備介紹及問題

1.1 真空釬焊

真空釬焊是用比母材熔點低的金屬材料作為釬料，用液態(tài)釬焊材料潤濕母材和填充工件接口間隙，并使其與母材相互擴散的焊接方法。這種方法適用于焊接精密、復(fù)雜和由不同材料組成的結(jié)構(gòu)[1]。

1.2 真空釬焊爐的工作原理

真空釬焊的主要原理，是將清洗好的零部件在焊接部位涂以助焊劑鋪上焊料，如粉狀、粒狀、片狀等，再放上另一需要焊合部件，焊合面同樣也涂上焊劑，將兩部件定位固定后裝入爐內(nèi)抽真空、升溫到焊料熔化的溫度即完成焊接。真空釬焊爐主要由真空系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)兩部分組成：真空系統(tǒng)用來滿足真空釬焊工藝要求的真空度；加熱系統(tǒng)用于零部件加熱并熔化釬料，完成零部件的焊接。

真空釬焊的主要工作過程：①對零部件釬焊室內(nèi)進行抽真空，開動機械真空泵，待真空系統(tǒng)達到300 Pa時，開啟羅茨泵進行抽真空，當真空度達到10 Pa時接通擴散泵，經(jīng)過擴散泵一段時間的抽真空使真空室內(nèi)真空度維持在5×10-4Pa；②達到該臺釬焊爐的真空焊接要求后，開始對整個系統(tǒng)進行加熱升溫至1200 ℃，加熱速度應(yīng)均勻不宜過快；③加熱過程完成后，進行冷卻，當爐內(nèi)溫度降至出爐溫度時出爐，完成零部件的釬焊工作。

1.3 真空系統(tǒng)的組成及工作原理

設(shè)備真空系統(tǒng)主要由真空室、真空泵系統(tǒng)和各控制閥門及熱交換器組成（圖1）[2]。其中，真空泵系統(tǒng)由機械泵、維持泵、羅茨泵、擴散泵構(gòu)成，閥門包括前級閥（蝶閥）、旁通閥（蝶閥）、維持泵閥（蝶閥）和真空擋板閥等。當真空系統(tǒng)開啟時，需要開啟所有閥門，機械泵對整個真空系統(tǒng)進行抽真空；當真空度達到300 Pa時，關(guān)閉真空擋板閥、前級閥，開啟羅茨泵對釬焊爐室進行抽真空；當真空度達到10 Pa時，關(guān)閉預(yù)抽閥，打開前級閥對油擴散泵進行抽真空，開啟油擴散泵，打開真空擋板閥進行整個系統(tǒng)抽真空；當真空度達到5×10-4Pa時，可以進行釬焊工作。真空計規(guī)管在釬焊爐爐室與真空擋板閥之間對真空進行測量。

圖1 真空釬焊爐真空系統(tǒng)

1.4 設(shè)備情況

該臺真空釬焊爐焊接方法為軟焊接，焊接溫度在1200 ℃，其焊接材料涉及高溫合金，如鈷、鉻、鉬等。在焊接過程中，其對真空度要求極高。

1.5 出現(xiàn)的問題

（1）釬焊過程揮發(fā)氣體對真空規(guī)管的影響。在真空焊接過程中，焊接材料在熔化過程中揮發(fā)產(chǎn)生化學(xué)氣體。為了保持釬焊室內(nèi)真空度，真空系統(tǒng)不間斷進行抽真空作業(yè)，隨著抽真空作業(yè)的進行，揮發(fā)氣體進入主管道。因為需要對真空系統(tǒng)進行真空檢測，在主管道上加裝了真空計規(guī)管。雖然揮發(fā)氣體對真空系統(tǒng)無影響，但是會使真空計規(guī)管內(nèi)燈絲發(fā)生氧化，長期運行造成真空計規(guī)管的大量損壞，影響真空系統(tǒng)的檢測，造成真空系統(tǒng)檢測錯誤，導(dǎo)致釬焊零部件質(zhì)量不合格等情況。

（2）擴散泵抽真空過程中揮發(fā)油蒸氣對真空規(guī)管的影響。在進行釬焊過程之前，擴散泵需要使用高壓油蒸氣對釬焊爐室內(nèi)進行抽真空。由于真空測量規(guī)管加裝在釬焊爐室與擴散泵之間的主管道上，擴散泵油蒸汽對真空測量規(guī)管也會造成影響，導(dǎo)致規(guī)管損壞。

2 真空過濾裝置的理論設(shè)計

2.1 真空過濾裝置對真空管道抽速的影響

真空釬焊在實際工作過程中的真空要求為5×10-4Pa，屬于高真空工作環(huán)境，因此該真空狀態(tài)為分子流狀態(tài)[3]。真空計規(guī)管過濾裝置在設(shè)計時應(yīng)考慮分子流狀態(tài)，保證真空管道內(nèi)分子流狀態(tài)下真空計規(guī)管與主管道真空流導(dǎo)保持一致或高于其流導(dǎo)，防止因真空計規(guī)管流導(dǎo)低而降低主管道真空系統(tǒng)抽速、真空計規(guī)管測量失效等問題?，F(xiàn)需對真空過濾系統(tǒng)進行理論設(shè)計，這其中主要涉及管道過濾裝置對氣流的阻礙作用，這一作用體現(xiàn)在抽氣管道流導(dǎo)對抽速的影響。

設(shè)備管道對氣體的流導(dǎo)不僅取決于管道中流動的氣體種類和溫度，而且與管道的幾何形狀和尺寸也有關(guān)系。因為在管道上加裝真空過濾裝置改變了管道的形狀及尺寸，真空過濾裝置的空間大小對主管道流導(dǎo)變化起到一定作用。為了降低主管道的抽真空速度，對真空過濾裝置進行理論設(shè)計。

由于在釬焊過程中，設(shè)備真空處于分子流狀態(tài)，因此僅需考慮管道抽真空過程中，管道內(nèi)氣體分子流狀態(tài)下，真空過濾裝置的流導(dǎo)，通過真空流導(dǎo)公式進行演算[4]。

2.2 流導(dǎo)的定義及公式

在單位壓差下，流經(jīng)管路元件氣流量的大小被稱為流導(dǎo)。流導(dǎo)的定義式：

式中 Q——氣流量，Pa·m3/s

P1-P2——管路壓強差，Pa

C——流導(dǎo)，m3/s

不考慮管口影響時，在分子流條件下，任意截面形狀管道的流道計算式可由克努森流導(dǎo)積分公式導(dǎo)出：

B——管道橫截面周長，m

A——管道橫截面面積，m2

L——管道長度，m

K——管道斷面形狀修正系數(shù)

K值的大小由實驗確定。

導(dǎo)出的圓管的流導(dǎo)為：

式中 L——圓管的長度，m

D——圓管的直徑，m

當在n個管道元件串聯(lián)后整個管路的流導(dǎo)公式為：

式中 Ci——第i個元件的流導(dǎo)

可見管路元件串聯(lián)之后，整個管路的流導(dǎo)等于各元件流導(dǎo)的倒數(shù)的代數(shù)和的倒數(shù)。

2.3 確定設(shè)備主管道流導(dǎo)

根據(jù)上述理論公式，設(shè)備主管道直徑D為0.1 m，管道長度L為2 m，因此設(shè)備主管道流導(dǎo)Cf=121×（0.1）3/2=0.060 5 m3/s。為了保證設(shè)備主管道流導(dǎo)為0.060 5 m3/s，在真空過濾裝置設(shè)計過程中充分考慮到其流導(dǎo)應(yīng)不小于設(shè)備主管道流導(dǎo)0.060 5 m3/s。

3 真空過濾裝置實際設(shè)計

針對真空計規(guī)管的特點，選用快拆接頭方式與主管道進行連接，主要分為底座、過濾筒和過濾芯3部分。在抽真空過程中，為了確保過濾裝置的自身強度，其主體材料為45#鋼，過濾芯為黃銅材料。在釬焊真空設(shè)備的抽真空速率方面，在設(shè)計中參照上述理論設(shè)備主管道流導(dǎo)參數(shù)，綜合拆解、更換、測量及時性，連接方式多采用快速連接方式。

（1）底座設(shè)計（圖2）。此底座與主管道連接方式為快速連接，保證真空過濾裝置損壞時與底座快速分離。底座上加裝O形密封圈Ф64×4 mm，保證過濾裝置密封良好，并且突臺結(jié)構(gòu)與過濾筒配合的密封設(shè)計可以保證過濾裝置的真空度。

（2）過濾筒設(shè)計（圖3）。為了保證真空計規(guī)管過濾裝置與擴散泵和釬焊室之間的主管道真空流導(dǎo)的保持一致，或大于主管道流導(dǎo)而不影響設(shè)備抽真空速率，需對濾筒的尺寸進行設(shè)計。保證濾筒內(nèi)壁3 mm厚，以保證其抽真空強度。過濾筒上方安裝真空計規(guī)管，下方與底座法蘭連接保證真空度。

（3）過濾芯設(shè)計（圖4）。過濾芯為氣動設(shè)備過濾器，加裝在底座與過濾筒之間，起到對釬焊產(chǎn)生的化學(xué)氣體顆粒過濾作用，保證真空計規(guī)管正常使用，防止損壞。其為過濾核心，材料銅，寶塔設(shè)計下方為絲扣連接，方便更換、清洗；上方過濾網(wǎng)可以有效吸附釬焊過程中揮發(fā)的氣體顆粒，保證對污染物進行過濾。

圖2 底座

圖3 過濾筒

圖4 過濾芯

（4）真空過濾裝置（圖5）。最終設(shè)計完成的真空過濾裝置安裝在增壓泵與設(shè)備主管道之間（圖6）。其流導(dǎo)主要分為3部分：底座管道流導(dǎo)、過濾筒流導(dǎo)和過濾筒上方過濾嘴流導(dǎo)。3部分流導(dǎo)串聯(lián)在主管道上，因此需要對其3方流導(dǎo)進行計算求和：

圖5 裝配效果

圖6 實際裝配

經(jīng)過計算此過濾裝置流導(dǎo)為2.43 m3/s，其主管道流導(dǎo)為0.060 5 m3/s，遠遠高于主管道流導(dǎo)，所以，在真空管道上加裝過濾裝置對主管道真空系統(tǒng)抽真空速率無影響。

4 具體的經(jīng)濟效益

該真空計規(guī)管過濾裝置已經(jīng)完成設(shè)計、制作、安裝等工作，目前已經(jīng)裝配到真空釬焊爐主管道上，初步已取得良好效果。在未安裝過濾裝置前，真空計規(guī)管的損壞周期為2 d，直接損失為3000元。過濾裝置安裝后，明顯提高了真空計規(guī)管使用壽命，降低了真空計規(guī)管的更換周期，使更換周期由原來的2 d更換一次延長到3個月更換一次。使用真空計規(guī)管后，平均每年節(jié)約成本近30萬元，并且提高了釬焊產(chǎn)品質(zhì)量。該真空計規(guī)管過濾裝置可以應(yīng)用到其他高真空冶煉設(shè)備上，其對高真空冶煉設(shè)備真空計規(guī)管及其他測量設(shè)備具有保護作用，對有效提高使用周期、降低維修成本具有實際意義。