摘要：本文介紹了擴(kuò)散電爐水冷系統(tǒng)和熱屏蔽系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，對同型真空爐設(shè)計具有參考價值

關(guān)鍵詞：擴(kuò)散電爐、水冷系統(tǒng)

真空擴(kuò)散焊的原理是：①將兩個待焊工件的截面研磨放置在一起，在真空環(huán)境下加熱到金屬熔融溫度的0.7～0.9倍，在加壓條件下使工件接觸面局部塑性變形，產(chǎn)生金屬原子間的連接和原子間的相互擴(kuò)散，實現(xiàn)兩個工件的連接。

②真空擴(kuò)散焊是焊接后無需加工的精密工藝。擴(kuò)散焊接是一種利用溫度、壓力、時間等條件，促使兩個部件接合面接合以達(dá)到原子間距離，實現(xiàn)原子間嵌入擴(kuò)散耦合的方法。真空擴(kuò)散焊可以焊接一系列難焊材料和一些難焊異種材料。由于擴(kuò)散焊接時不添加釬料，因此焊接焊縫不會留下圓角狀的釬料層，也不會因焊接而影響波導(dǎo)內(nèi)腔的表面粗糙度。

在該焊接方法中，可以連接包括異種金屬、陶瓷、金屬陶瓷在內(nèi)的具有不同硬度、強(qiáng)度、相互潤濕的各種材料，這些材料即使通過熔融焊接方法進(jìn)行焊接也不能得到良好的效果。例如，在制造中，陶瓷和可伐合金、銅、鈦、玻璃和可伐合金、金和青銅鉑和鈦、銀和不銹鋼、鈮和陶瓷、鉬、鋼和鑄鐵、鋁、鎢、鈦、金屑陶瓷、錫、銅和鋁、鈦、青銅和各種金屬等。

檢驗后證明，真空擴(kuò)散焊焊接接頭的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、密封性、耐蝕性和彈性均能滿足關(guān)鍵構(gòu)件的技術(shù)要求。特別突出的是，擴(kuò)散焊接的工件的尺寸從幾微米開始。

因此，真空擴(kuò)散焊接具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.水冷系統(tǒng)的優(yōu)化

水冷系統(tǒng)是所有真空爐的重要組成部分，真空擴(kuò)散焊爐除了爐體、爐門、密封法蘭、電極等常規(guī)部分的冷卻外，還有上下水冷壓桿進(jìn)入爐內(nèi)。另外，需要在上下的熱屏蔽部上開孔，在壓力系統(tǒng)動作時，必須考慮壓頭在高溫條件下移動時的動密封等，因此真空擴(kuò)散焊接爐動作時水冷系統(tǒng)、熱屏蔽系統(tǒng)等部分復(fù)雜。爐的最高工作溫度為1200℃，爐體、爐門、上下壓桿和電極都需要水冷結(jié)構(gòu)，也要考慮到各橡膠密封面。以下如圖1所示為真空擴(kuò)散焊接爐的模型結(jié)構(gòu)。該設(shè)備為立式結(jié)構(gòu)，前開式結(jié)構(gòu)，其中爐體部分為2/3，爐門部分占1/3。

1）爐體水冷部的優(yōu)化：

爐體和爐門冷卻水部分在優(yōu)化前，即使水流調(diào)節(jié)到最大流量，爐體上半部分的溫度也高于60℃，另外一部分存在死水，爐體各部分的溫度不均的溫度差較大。

優(yōu)化設(shè)計時在爐體水套結(jié)構(gòu)中增加了截水環(huán)，同時在爐體上下水套板對角位置開孔，水在套管內(nèi)始終沿折線形狀流動，形成完整的水道結(jié)構(gòu)，避免了水流中形成死水，引起爐體各部分水冷不均的情況。同時水渠結(jié)構(gòu)兼作爐門密封處的橡膠圈。具體結(jié)構(gòu)為：在爐體法蘭與密封圈相對應(yīng)的位置專門焊接環(huán)狀水槽，冷卻水從上部進(jìn)水口流入后，首先通過水槽流入爐體下水套管，水套充滿水后，在壓力作用下，冷卻水沿水路方向流經(jīng)爐體中部再次回到爐體上水套，水套內(nèi)充滿水后，最后從出水口流出。隔板盡量均勻布置，保證進(jìn)水口和出水口處于對角線位置。水渠結(jié)構(gòu)示意圖2：

實驗結(jié)果表明，該優(yōu)化結(jié)構(gòu)杜絕了死水的形成，增加了水渠結(jié)構(gòu)后，爐膛工作時爐膛表面溫差減小了近15℃，爐膛表面最高溫度降低了10℃，同時爐膛密封圈增加了水缸，密封圈壽命大大增加，在增加水缸前使用密封圈半年后開始老化，造成密封不良，加水槽后密封圈近一年仍完好。爐門部分的冷卻結(jié)構(gòu)也按照方法制作，增加了除水環(huán)，取得了良好的效果。

2）壓桿水冷部的優(yōu)化

在上下壓桿接口部分優(yōu)化前，如圖3所示，進(jìn)出水接口分別在過渡盤上，過渡盤和壓桿成分體結(jié)構(gòu)中間用線圈密封。這樣，當(dāng)壓桿冷卻水超溫或故障、密封圈老化時，水容易通過密封圈位置進(jìn)入爐內(nèi)，在高溫下水急劇氣化膨脹，容易引起事故。

優(yōu)化桿件結(jié)構(gòu)：

將進(jìn)、出水接口改為壓桿接頭，壓桿與接頭焊接成一體。這樣可以在超溫后系統(tǒng)發(fā)生報警，及時處理以避免事故的發(fā)生。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3）電極冷卻水部分的優(yōu)化

發(fā)現(xiàn)電極部分所需的水流量非常小，一般串聯(lián)連接電極，但隨后出水溫度稍高，電極溫度過高會直接影響電極連接部分的線膨脹，可能引起長時間加熱器短路等故障。論證后，采用分水器對每個電極加水，取得了較好的效果。

4）冷卻水其他部分的優(yōu)化

發(fā)現(xiàn)設(shè)備循環(huán)冷卻水長時間使用后雜質(zhì)較多，電極、分子泵等部分水管易堵塞，影響水冷效果。進(jìn)水口加裝過濾器，排除隱患。

在壓力系統(tǒng)工作時，發(fā)現(xiàn)水壓的變化會影響壓力值的抖動，進(jìn)水口分別串聯(lián)有恒壓閥，解決了抖動現(xiàn)象。

2.熱屏蔽系統(tǒng)的優(yōu)化

1）爐體與門體的熱屏接縫部分原為拼接結(jié)構(gòu)，裝配時接縫寬度調(diào)整困難，且加熱器輻射熱可透過接縫到達(dá)爐門密封圈位置，容易造成長時間密封圈老化和焊縫變形等隱患。方案論證后，將結(jié)構(gòu)改為多層千鳥結(jié)構(gòu)，達(dá)到了光學(xué)屏蔽，取得了理想效果。優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖5所示：

2）本文所研究的真空擴(kuò)散焊接爐為立式結(jié)構(gòu)，每個分子泵抽氣口設(shè)計有插塞閥。插塞閥縱向尺寸較大，考慮到設(shè)備背部的裝配和維護(hù)空間以及整體美觀效果，將分子泵口插閥豎式裝配設(shè)計，爐體長時間保溫后，將接頭表面最高溫度測量到150℃。為了保護(hù)插塞閥、密封部件等，在抽氣口追加多層屏蔽結(jié)構(gòu)，同時為了減小屏蔽對抽氣速度的影響，在屏蔽層上開幾個孔錯開配置，有效地解決了熱輻射問題。

3）電極與爐體絕緣部分的聚四氟絕緣套管在一定時間后發(fā)生熱變形，若不及時解決，則會引起加熱器短路。通過在電極上添加多層陶瓷間隔物來改善。