卧式真空铝钎焊炉的结构研究仇绪亮（沈阳市真空应用研究所）摘要本文介绍了卧式真空钎焊的结构 研究、真空工艺方面的分析和保证温度的均匀性与快速冷却。主题词：真空电炉，钎焊工艺Ｒｅｓ ｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＳｔｕｃｔｕｒｅｏｆＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＶａｃｕｕｍＡｌｕｍｉｎｕ ｍＳｏｌｄｅｒｉｎｇＦｕｒｎａｃｅ￥ＣｈｏｕＸｕｌｉａｎｇ（ＳｈｅｎｙａｎｇＶａｃｕｕ ｍＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ， ｉｔｉｓｉｎｔｒｉｄｕｃｅｄｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｓｔｕｃｔｕｒｅｏｆｈｏｒｉ ＺＯｎｔａｌｖａｃｕｕｍａｌａｍｉｎｕｍｓｏｌｄｅｒｉｎｇｆｕｒｎａｃｅ．Ａｎａｌｙｓ ｉｓｏｆｔｈｅｖａｃｕｕｍｓｏｌｄｅｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆ ｔｈｅｔｅｍｐ，ｕｎｉｔｏｒｍｉｔｙａｎｄｔｈｅｒａｐｉｄｃｏｏｌｉｎｇａｒｅｇｉｖｅ ｎ．一、前言真空钎焊是在真空条件下依靠放置在待接合工件之间第三种金属的熔化，在温度低于 工件或待焊金属的熔点下进行接合的。在接合过程中，使这种“填料”金属熔化以后，它可以同基 体金属形成一种良好的机械配合，甚至可接近原子能级、为了使填充材料形成一种良好的冶金结合 ，则去除基体金属上任何非金属阻碍层，这样，化学清洗工作通常是由炉子的气氛来完成的。在真 空钎焊情况下，抑制了致密阻碍层的形成，从而能够使金属或填料完全熔化”‘。这种连接金属而 不需要焊剂的工业方法同常规钎焊的接点相比，其优点是清洁度和强度都较高，而腐蚀倾向较小， 此外，还可以消除残留的气体，从而使工件表面显得光亮。同时，由于焊接的金属在真空中流动较 快，可以缩短周转时间和提高效率，真空铝钎焊工艺自问世以来，已经取得很大进展，并且更多地 应用在各种换热器芯的钎焊工艺上，那么如何满足真空铝钎焊工艺要求的真空铝钎焊炉的研究与制 造，在完成产品的钎焊过程中是不可缺少的。本文在分析真空铝钎焊机理和工艺要求的基础上，阐 明了真空铝钎焊炉的结构及性能。尤其是在真空度，热区温度均匀性和快速冷却等性能要求方面， 提出了必须满足真空铝钎焊炉设计的主要技术条件。邮编１１０００３二、真空铝钎焊工艺分析及 对设备要求真空铝钎焊的必要条件是熔融的液态金属表面的润湿并能流动。由于铝的化学性活泼， 极易与周围环境中的氧或水汽形成氧化铝膜，这层氧化铝膜是致密的，化学成分稳定；并且牢固地 粘附在基体表面上，在大气中有自愈能力，所以是保护性的。氧化铝膜（ＡＩｚＯ；）其熔点高达 ２０５０土１０℃，蒸气压很低，在６００’Ｃ左右的钎焊温度下，几乎可以认为不蒸发，在钎焊 时，既不能熔化又不能蒸发掉、成为真空铝钎悍的阻力，所以要成功地进行真空铝钎焊，必须在工 件达到钎焊温度之前，在镁的作用下使氧化铝膜变质“‘，在热应力的作用下使氧化铝膜开裂‘” 。为液态填料金属润湿基体金属表面创造必要条件。虽然在温度达到４００’Ｃ以上时，真空中可 探测到镁。但是填料金属中的镁主要是在５５１’Ｃ铝硅镁三元共晶温度以上至钎焊温度这个范围 内大量蒸发，击破氧化膜。当针焊填料金属温度接近铝硅合金的液相限温度时，液态填料金属开始 润湿基体金属表面，当温度高于液相限温度时，在毛细力的作用下形成焊缝图１所示。图１热交换 器芯板焊缝Ｆｉｇｌ．Ｗｅｌｄｉｎｇｓｅａｍｏｆｈｅａｌｅｘｃｈａｎｇｅｒｃｈｉｐ上述情 况表明，其环境真空度要求在１０－’Ｐａ量级。若炉内真空度不高，即真空环境中氧化性组分太 多。对于铝镁复合板来说，覆层钎料中的镁蒸发，则立即与环境中的氧或水汽形成氧化镁沉积在钎 料表面，使钎料不能润湿基体表面，无法实现钎焊。对于热交换器来说，一般具有密集的焊缝（如 图１所示）要求在同一时间内，使整个工件处于其填料金属的钎焊温度范围内，同时形成焊缝。然 后尽快使工件均匀地回到钎焊填料金属的固相限温度以下，避免液态填料金属侵蚀基体金属。为了 成功地进行真空铝钎焊，真空铝钎焊炉的结构研究必须适应真空铝钎焊工艺的要求条件，分别叙述 如下：炉体内真空度：在真空铝钎焊工艺中，在钎焊温度下液态填料金属能润湿基体金属表面的基 本条件是真空度必须在１０一中ａ量级，其目的是减少炉内空间本底的氧化性组分的量。如图１所 示。各种热交换器芯是密集均匀的层叠组件，基本上布满炉内热区空间；单位重量的工件表面积相 对来说是很大的。因而，表面吸附的气，水量也较多。可是，氧化铝在４００Ｃ以下具有保护性， 可以烘烤排气，但在４００Ｃ以上温度时，要求炉内真空度维持在１０－’Ｐａ量级，以避免形成 对钎焊填料金属和基体金属表面再次氧化的条件。设法在钎焊填料金属达到铝硅镁三元共晶温度之 前消除或减少炉内残余气体中的氧化性组分就只有选配抽气能力大的真空系统。达到较高的极限真 空和工作真空度的要求。在这里要特别注意的是炉子的漏气率。虽然高的漏气率会降低炉内的极限 真空，但是选配的真空系统抽气能力过大，则同样可以达到较高的极限真空。可是漏气率大同漏气 率小的炉内残余气体的组分不同，漏气率很小的炉内残余气体组分是水汽“‘，漏气率大的炉内残 余气体组分是氮、氧、水汽”‘。这说明是受漏入的大气组分影响而造成的结果。在实际生产中证 实：在同样的极限真空下漏气大出炉的钎焊工件表面不光亮、颜色发暗，则漏气率小的出炉的针焊 工件表面发白，有光泽。漏气率与炉子制造中多种因素有关，如材料的选择，材料的组织缺陷，焊 缝的质量，密封槽加工质量及装配技术水平。一般情况下漏气率主要与焊缝质量及组装水平关系较 大。加热室内的温度均匀性；对于真空铝钎焊工艺来讲，６５０’Ｃ的炉温足够了。但是，为了清 除炉内工作室框架及金属隔热屏上吸附的气体和污染源，则空炉短时能升至８００Ｃ，以保证在６ ５０ｏＣ工作时没有大量气体放出是必要的。相对来说，设计一台温度较低的炉子是比较容易，但 是，要求在规定的热区内任意位置上其温度差不大于土５℃或是更小绝非容易。对于六面加热的长 方体加热室来讲，采用分区加热是十分必要的。这样能比较容易达到炉温均匀，采用多组的单相电 源比采用三相电源更容易控制炉温。加热室的冷却速度。在真空钎焊以后，工件能尽快均匀地降至 铝硅共晶点温度以下，减少液态填料金属中的硅向基体扩散，是提高钎焊质量十分重要的条件。另 外，为了提高间歇式真空铝钎焊炉的生产效率、即缩短工件占炉时间；尤其对大中型炉来说，因工 件体积大，热蓄量大，中心部位不易降温，设置惰性气体强制循环冷却装置是十分必要的。故风冷 循环装置根据条件可以是炉内循环式和炉外循环式的结构。三、卧式真空铝钎炉性能参数真空铝钎 焊炉性能的好坏，直接影响到钎焊工件的质量。因此，性能优良的真空铝钎焊炉应满足上述工艺对 设备的要求。一九九四年沈阳市真空应用研究所为深圳金科特种材料有限公司研制一台ＺＨ－６０ 型卧式真空铝钎焊炉。其主要性能如下：１．有效加热区尺寸６００Ｘ６００Ｘ１０００ｍｍ２． 加热区最高温度８００Ｃ（在１小时之内达到）３．加热区工作温度６５０℃４．炉温均匀性土３ Ｃ（九点测温）５．冷炉极限真空度６·６Ｘ１０－‘Ｐａ６．热态工作真空度６．６Ｘ１０－‘ Ｐａ７．满载装炉量３５０ｋｇ（包括夹具）８．漏气率６．６Ｘ１０－‘Ｐａ·Ｌ／ｓ９．冷却 速率在１小时内将工件从６５０Ｃ降至１００℃１０．温度控制方式微机程序控制及手动控制１１ ．冷却方式保护气体强制循环该炉用于钎焊家用空调机及电暖器的换热器芯条。自使用至今已半年 多，其性能满足了钎焊工艺对设备的技术要求。四、设备结构真空铝钎焊炉的整体结构如图２所示 ：可以分为以下几部分；（１）炉体部分；（２）真空系统；（３）气体循环冷却装置；（４）电 控部分。炉体部分：炉体为双层圆筒组成，外层为碳钢，内层为不锈钢（考虑用户地处潮湿地区） 制造。前炉门设有观察窗，炉体后部设置两个必２００ｍｍ工艺孔、为安装发热体电极及风冷装置 用。长方体加热室由奥氏体不锈钢的框架及隔热屏构成，发热体由镍铬带制成，由氧化铝托架支承 并固定在框架上。由于排列合理，解决了在高真空下抽气及高温下隔热屏因膨胀变形的问题。前面 发热体固定开启的炉门上，后面发热体固定在框架上，分别由两组单相电源供电，中间四面加热体 由两组单相电源供电。其功率匹配根据受热面积大小而不同。图２卧式真空铝钎焊炉Ｆｉｇ２．Ｈ ｏｒｉｚｏｎｔａｌｖａｃｕｕｍａｌｕｍｉｎｕｍｓｏｌｄｅｒｉｎｇｆｕｒｎａｃｅ１．旋片 泵２．电磁区差问３．金用波纹管４．管路５．罗茨泵６．气动蝶阀７油扩散泵８．水冷挡板９气 动挡板阀１０．镁捕集器１１．充气阀１２．放气阀１３．水冷电阻１４．发热体１５．炉体１６ ．磁性调压器为了防止钎焊过程中的镁蒸汽进入真空系统，在炉体和真空系统连接外设置镁捕集器 。加热室架在炉体内轨道上，通过转轮可轻松推进，拉出，便于维修及清理炉膛。真空系统：由于 真空铝钎焊炉的真空度要求达到１０‘Ｐａ，其抽气能力要大，为此，该真空系统采用抽速较大的 油扩散泵为主泵，前级泵为旋片式机械泵与罗茨泵的真空机组。气体循环环冷却装置：为提高生产 率、缩短工件在炉内的冷却时间，减少焊料中硅向基体扩散，故采用炉内循环冷却方式，在炉内设 置了热交换器，并在加热室上下设有一定数量冷却气孔，在前面加热体与主加热体四周留有一定大 小的间隙，使之充入的隋性气体（９９．９９％氮气）在大功率电机带动叶轮的作用下沿炉体内壁 冷却又经加热室上下气孔及缝隙进入加热室将工件的热量带入热交换器冷却这样不断的循环、其效 果比较理想。其结构比炉外循环冷却装置简单，见图３所示。电控部分；该设备设有四台单相磁性调压器供给四组发热体供电之用。控制柜有真机组操作与温度控制，面板上系统模拟显示。以显示各部分的工作状态。真空继电器是在炉内真空下降时自动关闭主阀，保护扩散泵油不受氧化以及防止向炉内返油之用，温度检制设有精密温度程序控制仪，按输入程序自动升温，保温、降温。同时
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