真空扩散焊炉压头的设计和压力试验

Abstract: Ram is the core component in vacuum diffusion welding furnace,The design of the Ram is crucial. The Ram of material selection, structure design and stress check are introduced in this paper, and the ram of the parallel adjusting and testing method is discussed in details. The results show that the ram with reasonable design and material, ram design of structure transition from cold area into hot, as well as the parallel adjustment methods from coarse to fine, can meet the requirements of technical indicators, There is reference value On the same type of vacuum diffusion welding furnace design.

Key words: Diffusion welding furnace; pressure ram; test method;

摘要：压头是真空扩散焊炉中的核心组件，压头的设计至关重要，本文对压头的选材、结构设计和应力校核等作了介绍，并对压头平行度的调整和试验方法做了详细的介绍。测试结果表明，压头选材和设计合理，压头结构从冷区到热区的过渡设计，以及压头平行度等从粗调到精调的方法，完全能满足技术指标的要求，对同类型的真空扩散焊炉设计和试验有参考价值；

关键词：真空炉；扩散焊；压头；压力试验

在众多连接技术中，扩散焊是一种新近发展起来的方法，它是将工件在一定温度和压力的作用下，在母材表面产生极小的微观塑性流变相但无相对移动的固态焊接方法[1]

真空扩散焊的原理是：将两个待焊接工件的断面磨光后放在一起，在真空环境下加热到金属熔化温度的0.7～0.9倍，在加压条件下使工件接触面发生局部塑性变形，发生金属原子间的连接和原子间的互相扩散从而实现两个工件的连接[2]。

真空扩散焊有如下优点：①能焊接不同硬度、强度的各种材料，包括性质差别很大的金属，金属和非金属（陶瓷等）材料；②焊接后能保持原有工件的物理、化学和机械性质；③加热均匀，焊接件变形小，组织均匀，残余应力小，能保持焊后工件高精度的几何尺寸和形状；④能焊接结构复杂及薄厚差别很大的工件；⑤可与其它加工工艺同时进行（如真空热处理等）[3] 。    

为保证较好的焊接质量，压力扩散焊设备需要精确控制焊接温度、时间和压力，除此以外，压头的结构和加工装配质量也直接影响焊接件的机械性能，因此压头的设计和加工至关重要。首先压头材料必须在真空、高温和压力条件下保持各项特性稳定；其次，压头平面是工件直接接触面和施力面，压头部分的平面度、平行度和粗糙度要优于工艺要求，能满足高精度的焊接和装配要求。

一、 压力装置的构成：

压力机构包括上下压杆、上下压头、基座、压力传感器和驱动部分等，压力装置可采用电液伺服或电伺服系统精准控制加压、卸压过程。加压时下压头保持静止，驱动部分带动上压头移动。下压头安装于炉体下方的基座上，上压头伸入炉体中；移动压头通过法兰安装于炉体上方的支撑体上，由电液缸或伺服电机拖动其上下运动；压力传感器安装在下压头与下基座联接处。压力机构结构示意图如图1：

二、 压头选择与设计：

1. 材质的选择：

扩散焊接是在高真空和高温环境下进行的，加热器和热区材质通常选择耐高温材料，如：钨、钼、钽、石墨和耐热不锈钢等。钽、钨材料较贵，且钨加工困难，质脆；石墨适用于气体保护环境中，而真空环境一般选择钼和耐热不锈钢。表1是部分材料的物理性能，从表1可以看出，钼的弹性模量更大，即刚度更大，硬度也是不锈钢的2倍多，而钼的线膨胀系数仅为不锈钢的1/3。综合考虑，因压杆部分需要水冷并需要和真空室连接，涉及和不锈钢的焊接等，所以压杆介入的热区部分选用钼，其余部分选择S31008耐热不锈钢。由于压头始终处于高温区，要求在高温下机械强度好，因此选择钼材料加工压头。

表1 常用金属物理性质

2. 压头的设计

真空扩散焊炉除了炉体、炉门、密封法兰和电极等常规冷却外，还有水冷压杆伸入到炉膛内[4]。压力机构中，上下压头是最终和工件（模具）接触的部分，压杆部分只起到连接压头和传递力的作用。通常压头和压杆设计成台阶过渡型式，建成后的三维模型如图2。其中压头和压杆部分通过连接件可靠装配，为可拆卸结构，方便维修和更换。压杆为空心结构，内部通冷却水，进出水口设计在法兰2上，和真空部分隔离，避免水温升高及漏水等隐患。法兰1和真空室法兰对接，实现真空密封；法兰2和压力系统对接，实现压力控制和调节。

压头建模完成使用基于有限元的仿真软件进行应力校核和优化。压头结构的应力校核可以简化为两个主要受力零件，即水冷压杆部分和压头部分。按最大压力1.5倍对压杆模型进行了静态应力校核，校核结果：安全系数（FOS）为5.82，满足要求，应力校核图如图3；按最大压力1.3倍对压头主体模型进行了模拟校核，校核结果：变形比例9146，安全系数为（FOS）12.5，确认设计模型合格。应力校核图如图4。

压头设计和制造过程中需要注意的其它问题：

①连接件材料的线膨胀系数必须和压头材料接近或一致；因为在超高真空环境下，连接件和紧固件等必须设计排气孔；连接压头用的紧固件等要易于安装和预紧，有防松设计，要便于更换和维修；②圆周方向上紧固件的末端不能超出压杆的最大外沿，避免压头升降时发生磕碰和摩擦，造成热屏变形或压力值波动。③压杆和压头的连接件也要保证有足够的强度，在最大压力下不能产生塑性变形或断裂。④压杆的所有焊缝全部采用氩弧焊，真空侧焊接，焊后加工；压头加工后须保证上下面的平面度以及上下面和轴线的垂直度，上下接触面最后需要精磨。

三、 压力试验部分

压力试验前的准备工作：检查压力系统各装配点、控制电路及上下限位开关、工控机端压力和位移限制值，确保无误且连接可靠。压力试验应尽量减少对超高真空室的污染。压力试验需要进行从粗调到精调的过程，在正式试验前进行模拟运行和压力加载：

1. 粗调：测量上下热屏蔽层和压杆之间的间隙，避免圆周方向上的摩擦或接触受力，而造成压力值波动。间隙调整方法：因为加热器和电极之间设计有柔性连接，松开热屏骨架固定螺钉后，可以在水平方向整体平移炉体热屏，测量圆周方向，距离尽可能均匀。通过工控机控制，反复升降上压头两次，并观察压力显示，压力值无波动为合格。

值得注意的是上下热屏的压杆通过孔在装配前必须是一体加工而成，并且修光毛刺，这样既利于调整装配间隙，同时改善了表面洁净度，利于清洗。       

2. 压力校正：使用标准砝码，放置于下压头上，上压头静止不动，校准工控机端的力输出值，精度根据工艺最大力值和压力传感器精度设定；；取下砝码，观察压力值是否归零，否则修正。如此反复测试3次以上，直到最大压力值稳定后精度达到要求，并且归零后的压力值和精度也合格。

3. 精调：如图5，在下压头上放置模具，直径同压杆。  缓慢降下上压杆并接近模具

（无接触），用测量工具测试上下压杆同轴度并调整螺钉，必要时重复步骤1。调整上压头行程并测量圆周方向上压头和模具上面之间的间隙，通过调节螺钉来调整上下压头平行度；

4. 测试：用软金属丝围成一圆圈置于下压头上，直径参考压杆尺寸，如图6所示。关闭炉门进行测试；从最大设计力值的5%开始加压，每完成一次加压后打开炉门，用千分尺分段测量金属丝压后圆周方向的厚度变化；重复测量平行度优于0.1mm，确认为合格。

5. 实验合格后进行测试片试压，先冷压，再热压；热压状态时，真空度优于5×10-3Pa，温度900℃；炉体降温后测量，合格后进行正式工艺试验。

四、 结论

本套系统压头试验完成后，分别在冷态和热态真空状态下，用TU2无氧铜片和304不锈钢片进行了工艺试验，设备验收时的测试结果见表2：

表2  压力系统测试结果

真空扩散焊炉的压力系统是一套综合复杂的系统，压头结构是其中最重要的一部分。除压头结构外，还需要配合有平整、稳定的基座，上下平台的连接孔必须严格一次加工成形，基座和立柱装配时需要配合水平仪和直角尺等严格控制立柱的平行度和上下基座的高度差，确认无误后再锁紧。传动部分选用了精密滚珠丝杆副和高精度涡轮蜗杆副，消除了空行程。

另外，设备需要高精度和高可靠性的电伺服压力加载系统和导向机构，并配合完善的压力值、位移和温度等保护措施。控制部分通过工控机来完成，智能人机操作界面，配合高精度的光栅尺和压力传感器，设置好各项参数后，启动压力系统，压力加载和保持过程可自动完成，同时生成实时数据和曲线。历史数据可储存、查询或输出。