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真空釬焊爐一些相關知識

來源:微信公眾號真空釬焊 | 發布時間:2020-11-11

真空釬焊爐從基本結構上分為冷壁真空爐和熱壁真空爐。熱壁真空爐結構簡單,多用于試驗,工業上采用的大部分均為冷壁真空爐。
    冷壁真空爐按照結構、功能等又可以分為許多種類。按結構布置形式分為立式、臥式;按真空室數量分為單室、雙室和三室;按加熱元件材料類型分為金屬加熱體爐、石墨加熱體爐等;按冷卻方式分為無快冷功能爐、氣淬真空爐、油淬真空爐等。此外,真空爐還可以按使用功能、冷卻結構方式、真空度高低、溫度高低等分類,如鋁用釬焊爐、外循環真空氣淬爐、超高真空釬焊爐等。圖給出了幾種典型結構的真空釬焊爐的示意圖。
    冷壁真空釬焊爐由真空爐體、真空系統、控制系統、加熱電源、水冷系統及快冷系統等組成。圖為典型鋁用真空釬焊爐的基本結構。

冷壁真空爐的爐體主要由發熱元件、隔熱元件和水冷爐壁組成。發熱元件多由金屬鉬帶或鉬絲、鎢、鉭、鎳鉻、鐵鉻鋁等金屬電熱元件及石墨電熱元件制成。隔熱元件通常為由多層金屬薄片構成的反射屏結構及石墨氈或陶瓷氈結構,其功用為保持內部加熱區的高溫,并把熱量限制在加熱區內,保持爐壁較低的熱輸入,使爐壁在水冷作用下處于較低的溫度。
    工業上采用的冷壁真空爐按加熱元件主要分為金屬加熱體和石墨加熱體兩類。金屬加熱體氣體吸附量較少,升溫過程放氣量較少,有利于釬焊過程中真空度的提高。金屬加熱體氣氛純正,不會造成工件的表面增碳。缺點是易變形,耐熱沖擊能力較差,最高工作溫度偏低和價格較高等。石墨加熱體價格低廉,工作溫度高,耐熱沖擊和快速冷卻能力強,變形小。石墨加熱體高溫下還具有一定的減少氧分壓作用,并可起到一定的還原作用,有利于金屬的去膜和潤濕。缺點是吸附氣體較多,暴露于大氣后加熱元件及隔熱元件會吸附較多的氣體和水分,再升溫時真空度受到一定的影響。另外,石墨加熱體還可能會造成工件的表面增碳等。
    隔熱材料也分為金屬反射屏和非金屬隔熱材料兩大類。金屬反射屏由多層金屬薄板組成,各層對熱輻射的反射作用可將熱量限制在工作區域內。金屬反射屏內層溫度較高,一般選用鉬材料,外層選用不銹鋼材料。非金屬隔熱材料有石墨氈、陶瓷氈、礦物棉、多孔輕質陶瓷板等,靠材料本身高的耐溫性能和低的導熱系數實現隔熱,將熱量限制在一定范圍內,減少熱量的散失和加熱屏外的溫升。另外,除了單獨的金屬反射屏外,還有將金屬與非金屬隔熱材料組合使用的隔熱屏結構形式。圖給出了幾種隔熱屏結構示意圖。
     冷壁真空爐的真空系統通常由機械泵、羅茨泵、擴散泵組成,一般可以達到1×10-3Pa的真空度和比較高的抽氣速度。
機械泵是一般真空釬焊爐均需采用的真空泵,常用的機械泵分為旋片式機械泵和滑閥式機械泵兩種。圖為旋片式機械泵工作原理示意圖,圖為旋片式機械泵結構簡圖。除了旋片式機械泵以外,滑閥式機械泵也是常用的機械泵結構形式,圖3-26給出了滑閥式機械泵工作原理示意圖。旋片式機械泵與滑閥式機械泵具有相似極限真空能力及抽速,旋片式機械泵多用于小型機械泵,噪聲較小。滑閥式機械泵多用于抽速大于70L/min的較大型泵,噪聲稍大,抗污染能力較強。機械泵可單獨工作或作為高真空機組的前級,其極限真空約0.1Pa量級,一般工作時可以將真空室抽到幾帕(Pa)量級。
    羅茨泵為常用的機械式真空泵,不能單獨工作,需旋片式機械泵等作為前級泵,工作真空范圍為200 Pa ~10-1Pa。羅茨泵主要用于提高抽氣速率和極限真空度。圖為羅茨泵的工作原理圖。油擴散泵為最常用的高真空泵,其極限真空度一般可達10-4,擴散泵不能單獨工作,需機械泵或機械泵、羅茨泵組合作為前級泵。
    圖為油擴散泵工作原理示意圖。擴散泵中的油被加熱到沸騰溫度,產生油蒸氣由各級噴嘴高速噴出,由于進氣口附近被抽氣體的壓強高于油氣流中該氣體的分壓強,所以被抽氣體不斷擴散到油氣流中,在油氣流的沖擊和攜帶下被壓縮至泵底端,由前級真空泵抽出,最終實現對泵口前真空室的抽氣。
   冷壁真空爐的控制由一個電氣控制柜完成,控制柜需完成真空機組、閥門系統、冷卻系統、測量和控制系統的配電,溫度、真空度、壓力等各個參數及工作狀態的顯示、測量控制,自動操作過程的程序控制,手動各種開關按鈕設置等功能。操作過程程序控制包括抽真空過程中的閥、泵的動作次序和過程,升溫和保溫過程,冷卻過程,關爐過程及各要素之間的安全互鎖等。溫度、真空度等重要參數的顯示和控制多由專用的儀表完成。真空釬焊操作過程可以手動,也可以實現全自動操作。早期設備的程序控制多由繼電器邏輯電路完成,線路復雜,可靠性較低。現在設備的程序控制多由可編程序控制器PLC完成,功能設計靈活,線路簡單,工作可靠。更為先進的設備可以完全實現計算機控制,可以遠距離完成設備的控制和數據傳輸。
   真空釬焊爐的加熱供電由專門的電源系統完成。電源系統具有電流調節功能,以保證真空爐按照設定的程序升溫、保溫和降溫。電阻輻射加熱的真空釬焊爐一般為低電壓大電流供電,供電電源按調節電流方式的不同分為機械調壓器型、磁性調壓器型、可控硅型、固態繼電器型等。其中可控硅型以節約資源、功率因數較高、波形畸變小、控制范圍寬等優點應用越來越多,成為加熱電源的主要形式。小型設備及對溫度均勻性要求不高的設備一般采用單電源供電。大型分區加熱設備及對溫度均勻性有嚴格要求的釬焊設備,如大型鋁用真空釬焊爐等需采用多個電源分區供電,每個區域溫度均獨立測控,各個電源各自根據測控結果獨立調整加熱電流,這樣可以保證釬焊爐各個區域的溫度均勻性,但分區控溫加熱使設備復雜系數增加。

    冷壁真空爐的水冷系統是十分重要的環節,直接關系到設備的運行安全和溫升能力。爐壁的冷卻一般采用雙層的水冷套結構,中間通水冷卻。對于電極接口、動密封法蘭、外環管路系統等易受熱升溫處應開出專門冷卻通道重點冷卻。除爐體外,擴散泵、機械泵、羅茨泵等真空機組均需要水冷。真空爐冷卻水用量一般較大,需配備循環水冷卻系統。由于中途停水會造成設備損壞、工件報廢甚至設備爆破等事故,因此,水冷系統應保證安全可靠.一般需配備應急供水、發電系統。

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