一种VDW-420型真空扩散焊炉的设计介绍

董冰峰

（北京华海中谊节能科技股份有限公司 北京 102699）

真空扩散焊炉是在真空（或其他气体）条件下将材料热压成型的成套设备，主要采用在真空腔体内的钼带作为加热体，由液压缸驱动的石墨压头对工件进行加压。与普通石墨相比，等静压石墨作为压头，结构精细致密，且均匀性好，热膨胀系数很低，具有优异的抗热震性能和各向同性［1-2］。在高温下，生坯固体颗粒的相互键联，晶粒长大，空隙（气孔）和晶界逐渐减少，上下压头移动使工件压缩变形，从而工件材料达到除杂净化、高密度等的工艺要求。高温、加压及真空或其他条件的同时作用显著提高了产品的密度、硬度及其他机械、电子、热学性能，因此，真空扩散焊炉常用于制造多种复合材料或高温烧结［3-5］。

VDW-420型真空扩散焊炉主要用于钛合金产品、钛合金材料的同种或异种金属间的真空扩散焊接，也可用于其他产品的真空烧结工艺等。

1 VDW-420型真空扩散焊炉结构及技术特点

1.1 主要技术参数

本设备主要技术性能指标及参数如表1所示。

表1 VDW-420型真空扩散焊炉主要技术性能指标及参数

1.2 设备结构及技术介绍

VDW-420型真空扩散焊炉由真空炉主机、压力框架及液压缸、液压系统、压力控制与检测系统、真空系统、气动系统、水冷系统、充气与外循环风冷系统、计算机与电气控制系统、安全保护系统、装载料车等组成。

1.2.1 VDW-420型真空扩散焊炉主机

真空扩散焊炉主机为立式、方形单室结构，由炉体、炉盖、加热室、炉盖旋转装置及转角油缸、上下金属压杆及导向装置、上下石墨压头等组成。

炉体、炉盖体由双层筒体、炉口法兰及各功能接口组成。双层间为水道，内通冷却水，所有焊缝均为气密性焊缝，其中，炉体、炉盖体内壁采用304 不锈钢材料加工而成，能减少材料在高温下的放气量。

加热室为方形结构，由不锈钢框架、1 层钼镧合金、1 层普通钼、3 层不锈钢隔热屏、1 层护板组成的隔热层，以及高温钼加热元件和绝缘材料等组成。加热元件沿加热有效区均匀布置，能保证良好的炉温均匀性。加热元件为模块化设计，可单独拆卸。加热组件通过11 个水冷电极与外部接线连接。整个加热室可以作为一个整体结构单独拆卸，便于维护和修理。加热系统采用四区加热，四区控温。

炉盖旋转装置采用双铰链结构，克服了压力框架对炉盖开启度的影响，使炉盖能90°开启方便了操作，炉盖上的铰链轴又使炉盖法兰有一个小自由度，保证炉盖法兰与炉体法兰对合时能将密封圈平行压紧。炉盖旋转装置自带限位机构使开启角度不会过大，方便了操作。炉体法兰周边设多个转角油缸，使炉体能快速进入真空状态及充气系统工作时炉门不会自动打开。

上下金属压杆为内部水冷的压力传递件，是联接上下压杆和油缸的关键部件（油缸固定在压力框架上平台上，是施力源），上金属压杆与炉体间由导向装置联接，导向装置确保了上压杆加压位移时的动密封，密封材料主要为丁腈橡胶［6］。上金属压杆端部采用内螺纹法兰联接，使更换密封件十分方便，与油缸的联接靠法兰上均布的螺栓实现，因螺栓安装时有均匀的预紧力，从而使油缸与上金属压杆联接处抗弯能力加强。

上下石墨压头是真空扩散焊炉实现在热区对工件加压的执行元件，上下石墨压头采用西格里公司生产的热等静压石墨，抗拉强度为40.2MPa，抗折强度为61.7MPa，可以满足工件在高温下的长时间加压要求。压头运动部位加装位移传感器及限位保护装置。压头采用分体式结构，连接部和压头部分别加工成型，易于安装为一体，不仅降低了原料的获取难度，同时也降低了加工难度与加工成本。

1.2.2 压力框架及液压缸

压力框架为四柱式结构，上压头与真空炉活动压杆用4 组双作用油缸连接。4 组双作用油缸是承载四点压力，不是中心载荷。下压头与真空炉固定压杆，与压机下平台连接。本设备采用上压头单向加压，下压头为静止状态。全程程序控制压力，4 个压头可同时加压，也可独立控制加压。四柱式压力框架经过严密压力校核，确保320t 压力下无明显的弹性变形和挠度变形。微小的挠度变形由保持平台消解，确保平台的精度。

1.2.3 液压系统

液压系统采用双泵形式（定量泵和恒压变量泵），包括液压站集成块、换向阀、分级用两级溢流阀、进口流量伺服控制阀等［7］。油泵采用变量柱塞泵，配有独立的冷却循环泵，蓄能器、滤油器、空气滤清器、冷却器等元件。泵源部分采用箱上结构，采用减震、降噪音的设计技术。整个液压站设计为集中放置在压力框架的顶部，系统离液压缸距离近，控制反馈迅速，整体外形紧凑美观。双泵中的定量泵用于初始加压和冷却，恒压变量泵用于加压、压力控制。采用的伺服阀，频率响应速度快，控制精确。共分成4 组，每组控制一个压头。液压系统设有过压保护功能，可通过控制屏设定压力超限值，达到设定压力时，液压系统会自动泄压保护。

1.2.4 压力控制及检测系统

电液伺服系统的主要组成：一套恒功率泵站，一套独立油冷机冷却系统，4套伺服油缸总成（包括高响应伺服阀、位移∕压力传感器等）以及一套力位双控8通道伺服控制系统等。

液压油缸配合高精度位移传感器，在工作过程中，伺服作动器根据工艺要求运行至上位机指令的曲线，实现稳态闭环控制。液压油缸两端接高精度压力传感器，油缸配合磁致伸缩位移传感器，采用专用伺服液压运动控制器，因此，可以实现作动器速度和压力的无极调控。控制方式有力控制模式、位移控制模式、速度控制模式。实际工作过程中，根据设备工艺要求，运动控制器比较目标值与实际值后发出控制信号给伺服阀，伺服阀控制伺服油缸运行至上位机指令的压力控制状态，实现压力闭环控制。

1.2.5 真空系统

真空系统由莱宝DIP30000 高真空油扩散泵机组组成。机组主泵为DIP30000 油扩散泵，增压泵为WAU2001 型罗茨泵，前级泵为SV630B 型机械泵和D30C型维持泵。系统配有高真空阀、主路阀、旁路阀、维持阀及手动充气阀、真空微调阀、ZDF-Ⅲ-F真空计、电接点真空压力表等。机组结构紧凑，使用方便，调节系统准确、快速。

1.2.6 充气及外循环系统

充气系统由充气阀、真空微调阀、真空电接点压力表、真空截止阀等组成，可手动或自动调节充气量及抽真空时的分压操作。回充或分压用氮气（或氩气）的纯度：99.995%或99.9995%，回充气体压强≤0.2MPa。

外循环风冷系统由高速风扇、高效换热器、风可通过的加热室固定小盖、外循环罐体、管道、炉内导流装置等组成。在扩散焊工艺完成后，炉温降低到一定程度后开始气冷，以便缩短出炉时间。气冷时，充入高纯氮气（或氩气），在高速风扇驱动下形成强制对流循环，实现工件的快速气冷。气冷压强在0.8～2bar 之间可调。

2 本设备处理的产品

扩散焊工艺结束后，观察产品显微组织。经过一系列检测和测试，产品满足工艺要求，设备的各项指标完全满足客户需求。

3 结语

本文主要论述了一种应用于钛合金材质的翅片式散热器或微通道散热器的真空扩散焊接设备的设计，其主要采用分体式的等静压石墨材质压头，不仅降低了原料的获取难度，同时，也降低了加工难度与加工成本，但加压过程中，金属压头与密封件之间摩擦力过大问题的解决还需在以后设计中进一步优化。