真空釬焊設備真空計規管過濾裝置設計

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常產生可揮發性化學物質，這些物質主要是在爐體內部焊接過程中產生的揮發性氣體。當對爐體進行抽真空時，揮發物會在抽真空過程中進入大氣，但是其中一部分揮發物會吸附在爐壁表面。當吸附在爐壁表面的揮發物進入到真空測量系統中，測量管燈絲會受到污染，從而影響測量精度。隨著真空計規管的不斷使用，真空計規管內的燈絲污染會日益嚴重，最終導致真空計規管報廢。對真空計規管前端加裝過濾裝置，可以有效過濾掉揮發性氣體顆粒，保證真空計規管的正常使用。因此，設計、安裝真空過濾裝置可以解決真空計規管污染、損壞問題。

1 設備介紹及問題

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、復雜和由不同材料組成的結構[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和加熱系統兩部分組成：真空系統用來滿足真空釬焊工藝要求的真空度；加熱系統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對零部件釬焊室內進行抽真空，開動機械真空泵，待真空系統達到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，經過擴散泵一段時間的抽真空使真空室內真空度維持在5×10-4Pa；②達到該臺釬焊爐的真空焊接要求后，開始對整個系統進行加熱升溫至1200 ℃，加熱速度應均勻不宜過快；③加熱過程完成后，進行冷卻，當爐內溫度降至出爐溫度時出爐，完成零部件的釬焊工作。

1.3 真空系統的組成及工作原理

設備真空系統主要由真空室、真空泵系統和各控制閥門及熱交換器組成（圖1）[2]。其中，真空泵系統由機械泵、維持泵、羅茨泵、擴散泵構成，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。當真空系統開啟時，需要開啟所有閥門，機械泵對整個真空系統進行抽真空；當真空度達到300 Pa時，關閉真空擋板閥、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，關閉預抽閥，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

1.4 設備情況

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 出現的問題

（1）釬焊過程揮發氣體對真空規管的影響。在真空焊接過程中，焊接材料在熔化過程中揮發產生化學氣體。為了保持釬焊室內真空度，真空系統不間斷進行抽真空作業，隨著抽真空作業的進行，揮發氣體進入主管道。因為需要對真空系統進行真空檢測，在主管道上加裝了真空計規管。雖然揮發氣體對真空系統無影響，但是會使真空計規管內燈絲發生氧化，長期運行造成真空計規管的大量損壞，影響真空系統的檢測，造成真空系統檢測錯誤，導致釬焊零部件質量不合格等情況。

（2）擴散泵抽真空過程中揮發油蒸氣對真空規管的影響。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進行抽真空。由于真空測量規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管也會造成影響，導致規管損壞。

2 真空過濾裝置的理論設計

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，屬于高真空工作環境，因此該真空狀態為分子流狀態[3]。真空計規管過濾裝置在設計時應考慮分子流狀態，保證真空管道內分子流狀態下真空計規管與主管道真空流導保持一致或高于其流導，防止因真空計規管流導低而降低主管道真空系統抽速、真空計規管測量失效等問題。現需對真空過濾系統進行理論設計，這其中主要涉及管道過濾裝置對氣流的阻礙作用，這一作用體現在抽氣管道流導對抽速的影響。

設備管道對氣體的流導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計。

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

2.2 流導的定義及公式

在單位壓差下，流經管路元件氣流量的大小被稱為流導。流導的定義式：

式中 Q——氣流量，Pa·m3/s

P1-P2——管路壓強差，Pa

C——流導，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積分公式導出：

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

K值的大小由實驗確定。

導出的圓管的流導為：

式中 L——圓管的長度，m

D——圓管的直徑，m

當在n個管道元件串聯后整個管路的流導公式為：

式中 Ci——第i個元件的流導

可見管路元件串聯之后，整個管路的流導等于各元件流導的倒數的代數和的倒數。

2.3 確定設備主管道流導

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

3 真空過濾裝置實際設計

針對真空計規管的特點，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。在釬焊真空設備的抽真空速率方面，在設計中參照上述理論設備主管道流導參數，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，并且突臺結構與過濾筒配合的密封設計可以保證過濾裝置的真空度。

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

（3）過濾芯設計（圖4）。過濾芯為氣動設備過濾器，加裝在底座與過濾筒之間，起到對釬焊產生的化學氣體顆粒過濾作用，保證真空計規管正常使用，防止損壞。其為過濾核心，材料銅，寶塔設計下方為絲扣連接，方便更換、清洗；上方過濾網可以有效吸附釬焊過程中揮發的氣體顆粒，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）。最終設計完成的真空過濾裝置安裝在增壓泵與設備主管道之間（圖6）。其流導主要分為3部分：底座管道流導、過濾筒流導和過濾筒上方過濾嘴流導。3部分流導串聯在主管道上，因此需要對其3方流導進行計算求和：

圖5 裝配效果

圖6 實際裝配

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

4 具體的經濟效益

該真空計規管過濾裝置已經完成設計、制作、安裝等工作，目前已經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管使用壽命，降低了真空計規管的更換周期，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。使用真空計規管后，平均每年節約成本近30萬元，并且提高了釬焊產品質量。該真空計規管過濾裝置可以應用到其他高真空冶煉設備上，其對高真空冶煉設備真空計規管及其他測量設備具有保護作用，對有效提高使用周期、降低維修成本具有實際意義。