一種VDW-420型真空擴(kuò)散焊爐的設(shè)計(jì)介紹

董冰峰

（北京華海中誼節(jié)能科技股份有限公司 北京 102699）

真空擴(kuò)散焊爐是在真空（或其他氣體）條件下將材料熱壓成型的成套設(shè)備，主要采用在真空腔體內(nèi)的鉬帶作為加熱體，由液壓缸驅(qū)動(dòng)的石墨壓頭對(duì)工件進(jìn)行加壓。與普通石墨相比，等靜壓石墨作為壓頭，結(jié)構(gòu)精細(xì)致密，且均勻性好，熱膨脹系數(shù)很低，具有優(yōu)異的抗熱震性能和各向同性［1-2］。在高溫下，生坯固體顆粒的相互鍵聯(lián)，晶粒長(zhǎng)大，空隙（氣孔）和晶界逐漸減少，上下壓頭移動(dòng)使工件壓縮變形，從而工件材料達(dá)到除雜凈化、高密度等的工藝要求。高溫、加壓及真空或其他條件的同時(shí)作用顯著提高了產(chǎn)品的密度、硬度及其他機(jī)械、電子、熱學(xué)性能，因此，真空擴(kuò)散焊爐常用于制造多種復(fù)合材料或高溫?zé)Y(jié)［3-5］。

VDW-420型真空擴(kuò)散焊爐主要用于鈦合金產(chǎn)品、鈦合金材料的同種或異種金屬間的真空擴(kuò)散焊接，也可用于其他產(chǎn)品的真空燒結(jié)工藝等。

1 VDW-420型真空擴(kuò)散焊爐結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

本設(shè)備主要技術(shù)性能指標(biāo)及參數(shù)如表1所示。

表1 VDW-420型真空擴(kuò)散焊爐主要技術(shù)性能指標(biāo)及參數(shù)

1.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)及技術(shù)介紹

VDW-420型真空擴(kuò)散焊爐由真空爐主機(jī)、壓力框架及液壓缸、液壓系統(tǒng)、壓力控制與檢測(cè)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、充氣與外循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)與電氣控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、裝載料車(chē)等組成。

1.2.1 VDW-420型真空擴(kuò)散焊爐主機(jī)

真空擴(kuò)散焊爐主機(jī)為立式、方形單室結(jié)構(gòu)，由爐體、爐蓋、加熱室、爐蓋旋轉(zhuǎn)裝置及轉(zhuǎn)角油缸、上下金屬壓桿及導(dǎo)向裝置、上下石墨壓頭等組成。

爐體、爐蓋體由雙層筒體、爐口法蘭及各功能接口組成。雙層間為水道，內(nèi)通冷卻水，所有焊縫均為氣密性焊縫，其中，爐體、爐蓋體內(nèi)壁采用304 不銹鋼材料加工而成，能減少材料在高溫下的放氣量。

加熱室為方形結(jié)構(gòu)，由不銹鋼框架、1 層鉬鑭合金、1 層普通鉬、3 層不銹鋼隔熱屏、1 層護(hù)板組成的隔熱層，以及高溫鉬加熱元件和絕緣材料等組成。加熱元件沿加熱有效區(qū)均勻布置，能保證良好的爐溫均勻性。加熱元件為模塊化設(shè)計(jì)，可單獨(dú)拆卸。加熱組件通過(guò)11 個(gè)水冷電極與外部接線連接。整個(gè)加熱室可以作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)單獨(dú)拆卸，便于維護(hù)和修理。加熱系統(tǒng)采用四區(qū)加熱，四區(qū)控溫。

爐蓋旋轉(zhuǎn)裝置采用雙鉸鏈結(jié)構(gòu)，克服了壓力框架對(duì)爐蓋開(kāi)啟度的影響，使?fàn)t蓋能90°開(kāi)啟方便了操作，爐蓋上的鉸鏈軸又使?fàn)t蓋法蘭有一個(gè)小自由度，保證爐蓋法蘭與爐體法蘭對(duì)合時(shí)能將密封圈平行壓緊。爐蓋旋轉(zhuǎn)裝置自帶限位機(jī)構(gòu)使開(kāi)啟角度不會(huì)過(guò)大，方便了操作。爐體法蘭周邊設(shè)多個(gè)轉(zhuǎn)角油缸，使?fàn)t體能快速進(jìn)入真空狀態(tài)及充氣系統(tǒng)工作時(shí)爐門(mén)不會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。

上下金屬壓桿為內(nèi)部水冷的壓力傳遞件，是聯(lián)接上下壓桿和油缸的關(guān)鍵部件（油缸固定在壓力框架上平臺(tái)上，是施力源），上金屬壓桿與爐體間由導(dǎo)向裝置聯(lián)接，導(dǎo)向裝置確保了上壓桿加壓位移時(shí)的動(dòng)密封，密封材料主要為丁腈橡膠［6］。上金屬壓桿端部采用內(nèi)螺紋法蘭聯(lián)接，使更換密封件十分方便，與油缸的聯(lián)接靠法蘭上均布的螺栓實(shí)現(xiàn)，因螺栓安裝時(shí)有均勻的預(yù)緊力，從而使油缸與上金屬壓桿聯(lián)接處抗彎能力加強(qiáng)。

上下石墨壓頭是真空擴(kuò)散焊爐實(shí)現(xiàn)在熱區(qū)對(duì)工件加壓的執(zhí)行元件，上下石墨壓頭采用西格里公司生產(chǎn)的熱等靜壓石墨，抗拉強(qiáng)度為40.2MPa，抗折強(qiáng)度為61.7MPa，可以滿(mǎn)足工件在高溫下的長(zhǎng)時(shí)間加壓要求。壓頭運(yùn)動(dòng)部位加裝位移傳感器及限位保護(hù)裝置。壓頭采用分體式結(jié)構(gòu)，連接部和壓頭部分別加工成型，易于安裝為一體，不僅降低了原料的獲取難度，同時(shí)也降低了加工難度與加工成本。

1.2.2 壓力框架及液壓缸

壓力框架為四柱式結(jié)構(gòu)，上壓頭與真空爐活動(dòng)壓桿用4 組雙作用油缸連接。4 組雙作用油缸是承載四點(diǎn)壓力，不是中心載荷。下壓頭與真空爐固定壓桿，與壓機(jī)下平臺(tái)連接。本設(shè)備采用上壓頭單向加壓，下壓頭為靜止?fàn)顟B(tài)。全程程序控制壓力，4 個(gè)壓頭可同時(shí)加壓，也可獨(dú)立控制加壓。四柱式壓力框架經(jīng)過(guò)嚴(yán)密壓力校核，確保320t 壓力下無(wú)明顯的彈性變形和撓度變形。微小的撓度變形由保持平臺(tái)消解，確保平臺(tái)的精度。

1.2.3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)采用雙泵形式（定量泵和恒壓變量泵），包括液壓站集成塊、換向閥、分級(jí)用兩級(jí)溢流閥、進(jìn)口流量伺服控制閥等［7］。油泵采用變量柱塞泵，配有獨(dú)立的冷卻循環(huán)泵，蓄能器、濾油器、空氣濾清器、冷卻器等元件。泵源部分采用箱上結(jié)構(gòu)，采用減震、降噪音的設(shè)計(jì)技術(shù)。整個(gè)液壓站設(shè)計(jì)為集中放置在壓力框架的頂部，系統(tǒng)離液壓缸距離近，控制反饋迅速，整體外形緊湊美觀。雙泵中的定量泵用于初始加壓和冷卻，恒壓變量泵用于加壓、壓力控制。采用的伺服閥，頻率響應(yīng)速度快，控制精確。共分成4 組，每組控制一個(gè)壓頭。液壓系統(tǒng)設(shè)有過(guò)壓保護(hù)功能，可通過(guò)控制屏設(shè)定壓力超限值，達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，液壓系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)泄壓保護(hù)。

1.2.4 壓力控制及檢測(cè)系統(tǒng)

電液伺服系統(tǒng)的主要組成：一套恒功率泵站，一套獨(dú)立油冷機(jī)冷卻系統(tǒng)，4套伺服油缸總成（包括高響應(yīng)伺服閥、位移∕壓力傳感器等）以及一套力位雙控8通道伺服控制系統(tǒng)等。

液壓油缸配合高精度位移傳感器，在工作過(guò)程中，伺服作動(dòng)器根據(jù)工藝要求運(yùn)行至上位機(jī)指令的曲線，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)閉環(huán)控制。液壓油缸兩端接高精度壓力傳感器，油缸配合磁致伸縮位移傳感器，采用專(zhuān)用伺服液壓運(yùn)動(dòng)控制器，因此，可以實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器速度和壓力的無(wú)極調(diào)控。控制方式有力控制模式、位移控制模式、速度控制模式。實(shí)際工作過(guò)程中，根據(jù)設(shè)備工藝要求，運(yùn)動(dòng)控制器比較目標(biāo)值與實(shí)際值后發(fā)出控制信號(hào)給伺服閥，伺服閥控制伺服油缸運(yùn)行至上位機(jī)指令的壓力控制狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)壓力閉環(huán)控制。

1.2.5 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)由萊寶DIP30000 高真空油擴(kuò)散泵機(jī)組組成。機(jī)組主泵為DIP30000 油擴(kuò)散泵，增壓泵為WAU2001 型羅茨泵，前級(jí)泵為SV630B 型機(jī)械泵和D30C型維持泵。系統(tǒng)配有高真空閥、主路閥、旁路閥、維持閥及手動(dòng)充氣閥、真空微調(diào)閥、ZDF-Ⅲ-F真空計(jì)、電接點(diǎn)真空壓力表等。機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，調(diào)節(jié)系統(tǒng)準(zhǔn)確、快速。

1.2.6 充氣及外循環(huán)系統(tǒng)

充氣系統(tǒng)由充氣閥、真空微調(diào)閥、真空電接點(diǎn)壓力表、真空截止閥等組成，可手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)充氣量及抽真空時(shí)的分壓操作。回充或分壓用氮?dú)猓ɑ驓鍤猓┑募兌龋?9.995%或99.9995%，回充氣體壓強(qiáng)≤0.2MPa。

外循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)由高速風(fēng)扇、高效換熱器、風(fēng)可通過(guò)的加熱室固定小蓋、外循環(huán)罐體、管道、爐內(nèi)導(dǎo)流裝置等組成。在擴(kuò)散焊工藝完成后，爐溫降低到一定程度后開(kāi)始?xì)饫洌员憧s短出爐時(shí)間。氣冷時(shí)，充入高純氮?dú)猓ɑ驓鍤猓诟咚亠L(fēng)扇驅(qū)動(dòng)下形成強(qiáng)制對(duì)流循環(huán)，實(shí)現(xiàn)工件的快速氣冷。氣冷壓強(qiáng)在0.8～2bar 之間可調(diào)。

2 本設(shè)備處理的產(chǎn)品

擴(kuò)散焊工藝結(jié)束后，觀察產(chǎn)品顯微組織。經(jīng)過(guò)一系列檢測(cè)和測(cè)試，產(chǎn)品滿(mǎn)足工藝要求，設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)完全滿(mǎn)足客戶(hù)需求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要論述了一種應(yīng)用于鈦合金材質(zhì)的翅片式散熱器或微通道散熱器的真空擴(kuò)散焊接設(shè)備的設(shè)計(jì)，其主要采用分體式的等靜壓石墨材質(zhì)壓頭，不僅降低了原料的獲取難度，同時(shí)，也降低了加工難度與加工成本，但加壓過(guò)程中，金屬壓頭與密封件之間摩擦力過(guò)大問(wèn)題的解決還需在以后設(shè)計(jì)中進(jìn)一步優(yōu)化。