真空扩散焊炉的研制

Development of Vacuum Diffusion Bonding Oven

FAN Yu-hong　LI Xi-cheng　ZHANG Jin-feng　JIN Mei-hua
Electronics Second Research Institute of Information Industry Ministry,Taiyuan　030024,China

　　Abstract:Mainly describe the design parameters of aluminium alloy diffusion and the development process,and also solve the design of pressure device.
　　Key words:Vacuum diffusion bonding oven;Heating plate;Hydraulic control

　　扩散焊接技术，国外已开展了多年的研究。扩散焊接在两种金属材料之间、两种非金属之间、金属材料和非金属材料之间的连接中获得了成功的应用。尤其是美国、前苏联等国家，在扩散焊的理论研究及实际应用都取得了很多的研究成果。
　　众所周知，扩散焊接首先在核能、航天、航空领域中应用的最广，在这些领域中，为了满足某些零部件的使用要求，不仅需要研究新材料，而且需要研究连接这些材料的新方法，由于扩散焊接的最大特点是焊接接头质量高、变形小，可焊接其它焊接方法不能焊接的材料，所以就首先在这些尖端技术领域发展起来。
　　我国近年来在扩散焊技术方面的研究也取得了很大的进展，尤其在核能、航空、航天工业方面的研究及应用较多。目前，从资料报道的情况来看，电子工业领域对扩散焊接技术研究较少。尤其对于LY12铝合金的扩散焊接技术的研究则更少。

1　需求背景及工作原理

　　在军品研究任务中，馈线中的毫米波导和馈源腔体是重要的微波器件，作为传输高频电磁波的器件，不仅结构复杂，而且对波导内腔的表面粗糙度(一般要求Ra1.6μm)和几何形状误差(一般要求±0.02mm)要求很高。由于LY12铝合金有较好的切削性能，易加工成符合设计要求的零件形状及尺寸，根据微波通信装置的特点，需要波导及馈源喇叭等器件的腔体有一定的刚度，所以采用了LY12铝合金材料，但是在焊接中用目前最常用的钎焊技术却无法解决，其原因有以下几种：
　　(1)目前国内外现有的综合性能较好的铝钎料所要求的最低焊接温度为582℃，而LY12的熔点是503～530℃，因此没有供LY12钎焊用的钎料。
　　(2)波导体内腔的表面粗糙度要求很高(Ra1.6μm)，钎焊时由于钎焊料的流动，在焊缝处会留下一层钎料，将会影响波导内腔的表面粗糙度，极有可能产生驻波，导致电磁波传输衰减，影响了通信设备整机的性能。
　　(3)毫米波导焊接后要求的几何形状误差很小(±0.02mm)，而焊接时一般温度比扩散焊要高，那么变形相对来说就要大，这就影响了通信设备整机的性能。
　　真空扩散焊是一种焊后不需要加工的精密工艺。扩散焊接是借助温度、压力、时间等条件，促使两个零件的接合面接合而达到原子间距离，实现原子间嵌入扩散结合的一种方法。真空扩散焊可焊接一系列难焊材料及一些难焊的异种材料。由于扩散焊接时不添加钎料，所以也不会在焊缝处留下呈圆角状的焊料层，不会因焊接而影响波导内腔的表面粗糙度。由于扩散焊时温度较低，且有焊接夹具控制，所以波导器件在焊接后的变形很小，这正是波导器件在采用LY12铝合金材料时要采用扩散焊接的原因所在。

2　设备技术参数

　　(1)最高工作温度：950℃
　　(2)极限真空压力：8.0×10^-4Pa
　　(3)压力及调节范围：490～14700N
　　(4)压升率：0.67Pa/h
　　(5)焊接区尺寸：φ350mm×350mm
　　(6)控温精度：≤±3℃
　　(7)工件测量热偶：1支
　　(8)工件冷却方式：留充氩气的接口
　　(9)最大功率：＜100kW
　　(10)装炉量：≤30kg
　　(11)压杆行程：加压杆5mm　　调整杆10mm
　　(12)控温段数：3段

3　设备结构设计

　　根据技术要求，设备总体形式如图1所示。

1-真空系统　2-压力系统　3-加热器
　　4-真空室　5-液压站
图1　设备总体结构

3.1　真空扩散焊机工作机理
　　加热室置于真空室内，被焊组件置于加热室中的有效加热区内，用受控的交流低电压大电流加在加热元件上，以加热元件产生的电阻热作为热源，通过热辐射传递给被焊组件，并依靠工件本身的导热作用使被焊组件的温度升到设定的温度后，上、下压头借助油缸的作用对被焊组件产生设定的挤压力，促使工件蠕变，完成焊接过程。
3.2　加热系统
　　对于微波器件采用的材料是LY12铝合金，此种铝合金在270～350℃区域内发生“回归”现象，即“软化”，使得强化效果消失，随着温度的升高，产生“过时效”现象，在350℃时发生了“完全过时效”，相当于铝合金的退火状态。因此，除了在工艺上采用扩散焊接后再进行热处理强化外，在焊接设备的加热系统中也要充分考虑这一点，并采取一定的措施。首先要保证加热区域温度的均匀性，另外要适当加大加热功率，使得零件能快速加热，以较快的速度越过“软化”区域。因为在焊接温度区的温度不均匀，从而影响焊接质量，所以在加热区的分组及布置上也要采取一定措施，从而保证加热区的温度均匀性。
　　如图2所示，加热室分为两个半圆筒状，分别固定在前后两个炉门上，顶和底为两个圆形加热器，固定在炉体里。当前后炉门关闭时，则合为一个完整的圆柱形加热室。它由辐射屏架、辐射屏、加热元件及其支承瓷座、被焊工件支承座及压头组成，根据加热过程中保温材料不能释放出有害物质，如碳、水蒸气等条件，保温层采用金属屏。加热元件采用钼丝。

图2　加热室

3.3　真空室
　　真空室是该设备的主要部件之一，加热室装在真空室内，工件的扩散焊接工艺过程在真空室内完成，真空室的好坏直接影响到产品质量和性能。真空室结构如图3所示。真空室采用双层钢板圆筒焊接而成，内层采用不锈钢板，外壳采用碳素钢，前后放置两个封头(炉门)，前后封头与炉体用“O”型真空橡胶密封。真空室为卧式结构，上方设置两个安装控温热电偶的法兰，两个起吊环，真空室的侧壁上装有压杆、水冷电极、热电偶、观测窗、放气、充气等装置。为保证真空室的真空压力，这些装置与炉体连接时都用真空橡胶密封圈密封。

1-电极　2-炉膛　3-工件偶　4-热电偶
　　5-炉门　6-加压杆　7-压力表　8-观察窗
图3　真空室

3.4　真空系统
　　在炉内焊接时，为了保证焊接质量，所需焊接的两表面要保证一定的平面度，不能有灰尘污垢、氧化物及其它一些杂质，而铝合金最易在其表面生成氧化物，将严重影响焊接接头质量，因此，必须保证焊接设备的真空压力达到10^-3Pa以上，而且要保证真空度泄漏率达到0.67 Pa/h。
　　该设备真空系统由捕集器、油扩散泵、罗茨增压泵、机械泵及各种阀门、管道组成的三级泵串联系统，具有抽速大、极限真空度高、便于维修保养特点。
3.5　加压系统
　　加压系统也是该设备的主要部件之一，在焊接过程中，当焊件加热到一定温度后，要在所焊接的表面施加一定的压力，才能完成焊接工艺。首先需要解决的问题是微波器件壁很薄的空心腔体，壁厚约有2～3mm，而且要在500℃左右的温度下焊接，保证不变形，关键要解决施压系统的压力脉动。众所周知，微波器件对尺寸精度及几何形状误差要求很高(±0.02mm)。从材料上讲，如果是其它黑色材料或者是一个实心的焊接材料，那就对加压系统的压力波动不太敏感，因此，本焊接设备对加压系统的压力源及其压力传递一定要保证不产生脉动压力，才能保证焊接质量。
　　本系统采用液压伺服机构，主要由液压回路、承力机架、压力组件等组成，图4为系统的原理图，图5为系统的职能框图。系统的工作原理图是在下压杆上装一个可换的压力传感器作为检测元件，将测量到的信号给比较元件，与给定的压力信号值比较，出现偏差时，信号经电放大器放大后输给伺服阀，伺服阀控制其它液压元件。若实际压力与给定压力相等，则偏差信号为零，伺服阀无输出，活塞保持不动。当热膨胀压力增大时，偏差信号使伺服阀开口增大，活塞向下移动，使压力减小到给定值。反之，当焊接件冷却时，压力减小，则产生的偏差信号使伺服阀控制活塞向上移动，使压力增大到给定值。因此，系统是一个恒压控制系统，它能够满足扩散焊接波导器件的要求。

1-炉体　2-力传感器　3-比较元件　4-伺服油缸
　　5-电放大器　6-液压系统　7-伺服阀　8、9-上下压杆
图4　系统原理图

图5　系统职能框图

　　压力从490～14700N在如此大的范围内用一个力传感器测量。目前在国内传感器元件中是无法解决的。为保证高精度测量压力反馈给计算机，我们把压力范围分成了几个压力段，每个段选择对应的力传感器，这样在每个压力段中都能保证精度。同时，安装传感器的结构也考虑了拆装方便这一因素。据我们了解的情况，国外现在扩散焊机加压系统采用液压控制也比较多，它与我们的设备比较有所不同，它用的液压控制元件为“比例溢流阀”，这种阀控制精度低，但对液压系统的其它条件(如油、冷却)要求比较低。液压伺服控制系统对液压系统其它因素要求高，但精度高。两种控制系统的成本相差不多。
3.6　电气控制系统
　　电气控制主要由三部分组成，即温度控制、压力控制、真空系统阀门控制。
　　①炉温的闭环控制系统
　　加热电源及炉温控制系统采用了如图6所示的闭环控制线路。温度控制采用四区段控制方案，加热电源选用磁性调压器，测温取样采用热电偶，利用可编程控制器，实现了PID自整定闭环程序控制。升温过程中可编设九条八十一段曲线，以满足被焊件所需要的各种工艺曲线，并备有相应的显示记录功能。

图6　炉温控制方框图

　　②压力控制
　　压力控制采用闭环控制方案，通过压力传感器的输入信号，经过计算机的处理，并调节液压回路的压力，保证加在工件上的压力为最合理的工艺参数。
　　③真空控制系统
　　真空控制系统主要是控制系统的自动运行过程。本设备的整个控制系统利用微机进行管理，并备有各种自动报警功能。

4　结束语

　　本设备的设计为LY12铝合金波导组件的扩散焊接开辟了一个新途径。扩散焊的应用方向十分广泛，微波器件中的波导组件的扩散焊接，如卫星地面站的通信、军用雷达、电子对抗、微波仪器及工程物理，既可连接金属材料，又能连接非金属材料。因此，扩散焊设备应用前景呈现上升势头。

作者简介：樊宇红(1963-)，女，1984年毕业于西安电子科技大学，高级工程师，从事热加工真空设备开发工作多年。
李喜成(1950-)，男，1977年毕业于太原理工大学，高级工程师，从事热加工真空设备开发工作多年。
作者单位：信息产业部电子第二研究所，山西　太原　030024

参考文献：

［1］高新民，刘仁家.真空热处理炉的构造与使用.北京：机械工业出版社，1985.
［2］吴关英，吴关治，孙桂华.新型热处理电炉.北京：国防工业出版社，1993.