CN103157875A

CN103157875A - 一种使用金属石英一体化辐射加热器的真空钎焊炉

Info

Publication number: CN103157875A
Application number: CN2013100909626A
Authority: CN
Inventors: 李元阳; 李双双; 刘振华
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2033-03-20
Also published as: CN103157875B

Abstract

一种使用金属石英一体化辐射加热器的真空钎焊炉，其包括有炉体、抽真空系统、真空加热系统和冷却及尾部集气系统，其中，真空加热系统设置于炉体内，抽真空系统与炉体连接，冷却及尾部集气系统同时与抽真空系统和炉体分别连接。本发明采用热转换效率更高、辐射率更稳定、高温不变形的金属石英一体化辐射加热片，结构布置紧凑；真空炉设置了多层隔热防护板，减少了热量损失，保证了钎焊的温度要求；强制冷却方式冷却时间短，提高了生产效率；对所用的惰性气体采用了循环回收利用的方式，降低了泄漏，达到了极高的经济性。

Description

一种使用金属石英一体化辐射加热器的真空钎焊炉

技术领域

本发明涉及用于工业热处理的真空钎焊炉，具体涉及一种使用金属石英一体化辐射加热器的真空钎焊炉。

背景技术

钎焊是一种由来已久的材料连接方法，主要用于制造精密仪表、电气零部件、异种金属构件以及复杂的薄板结构（如夹层构件、蜂窝结构），也常用于钎焊各类异线与硬质合金刀具。在微波波导、电子管和电子真空器件的制造中，钎焊甚至是唯一可能的连接方法。到现阶段，钎焊行业的发展可以说取得了很大的进步，钎焊方式也得到了较深入的细分，其中根据热源种类和加热方式分类有烙铁加热、火焰加热、电阻加热、炉中加热、感应加热及浸渍加热等。与其他钎焊方法相比，炉中钎焊在各个阶段（包括冷却阶段）都能精确地控制温度并使温度均匀化，另外，炉中钎焊能以较低的单件成本钎焊大批量的组件，因此大批量生产时最具经济效益。炉中钎焊根据钎焊过程中焊件所处气氛的不同，可以分为空气炉中钎焊、保护气氛炉中钎焊和真空炉中钎焊三种。虽然空气炉中钎焊相较于其他两种炉中钎焊，具有设备较为简单的优点，但由于炉中钎焊的加热速度低，在空气环境中进行钎焊时容易氧化，因此存在有钎焊后的接头表面有钎剂残渣和热垢，不利于钎剂除去氧化物等缺陷。而保护气氛中钎焊由于所用的一些还原性保护气体排放到大气时存在一定的安全隐患而受到某些限制，如氢气，当空气中氢含量高于4%时会引起爆炸。与前两种炉中钎焊相比，真空钎焊是一种在绝压下采用辐射方式使组装好的钎焊件和钎焊合金均匀升温至所要求的温度进行钎焊的工艺，其具有以下突出优点：1.真空操作，钎焊金属表面不会被氧化。2.一般不需要钎剂，因而不存在排出有害和有毒气体所引发的环境污染问题，也不存在残留钎剂对金属的腐蚀问题。3.真空钎焊钎料具有良好的流动性和湿润性，能够钎焊更复杂和狭小通道的器件，提高了产品的成品率。

真空钎焊炉作为真空钎焊实施的设备，其综合工作性能至关重要。纵观目前已有的真空钎焊炉，主要存在以下不足：1.现有真空钎焊炉加热室多采用石墨管作为辐射加热体，并且采用多层石墨毡隔热。2.现有真空钎焊炉的冷却一般是通过长时间放置的自然冷却方式，冷却时间较长。3.使用之后的惰性气体（如氩气等）直接排出，造成浪费。这些缺陷或者与炉中加热方式应该具有的加热均匀、炉温可控的优点相悖，或者降低了生产效率、增加了生产成本。

发明内容

本发明针对真空钎焊炉现有技术的不足，提供一种使用金属石英一体化辐射加热器的真空钎焊炉，采用热转换效率高的红外辐射式一体化金属石英片作为加热体，并且对惰性气体进行循环回收利用，从而达到加热效率高、保温性能好、经济性优良的效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种使用金属石英一体化辐射加热器的真空钎焊炉，其包括有炉体、抽真空系统、真空加热系统和冷却及尾部集气系统，其中，真空加热系统设置于炉体内，抽真空系统与炉体连接，冷却及尾部集气系统同时与抽真空系统和炉体分别连接。

所述的炉体包括有不锈钢外壳、套置于该不锈钢外壳内部的内侧圆桶以及盖置于该内侧圆桶上的炉盖，该炉体的内腔空间被分隔为隔热室和真空加热室，该隔热室由所述不锈钢外壳与内侧圆桶围成，该真空加热室由所述内侧圆桶与炉盖围成，该炉盖内层衬有耐火砖，所述内侧圆桶的侧壁上开设有均匀分布的通孔。

所述的炉盖与内侧圆桶之间垫有密封圈。

所述的隔热室内布置有若干层金属圆环遮热板，该金属圆环遮热板的上端嵌在四个均匀分布的长方体卡板的凹槽内，下端嵌在一米字型卡板上，该米字型卡板的下表面为波浪状且与所述不锈钢外壳的内壁形成点接触。

所述的抽真空系统包括有抽气管、罗茨泵、第一阀门和第二阀门，其中，抽气管通过所述炉盖和耐火砖进入到所述真空加热室中，罗茨泵与抽气管之间通过软管进行连接，第一阀门设置于抽气管上，第二阀门设置于罗茨泵上。

所述的真空加热系统包括有若干红外辐射式一体化金属石英加热片、两加热片固定环以及电源接线，其中，两加热片固定环分别设置于所述真空加热室内的上下侧，加热片固定环上设有若干电极固定夹，各红外辐射式一体化金属石英加热片分别夹固于加热片固定环的各电极固定夹上，电源接线与电极固定夹连接并接通到电源上。

所述的红外辐射式一体化金属石英加热片由叠压在一起的两石英基板、熔合在两石英基板之间的多条平行排列的电阻发热线路以及位于石英基板上、下端并与电阻发热线路两端分别连接的两金属引线板构成。

所述的红外辐射式一体化金属石英加热片的制作过程为：在一石英基板上用电阻浆料印刷成并联的电阻发热线路，使用氢氧喷灯对该石英基板和另一即将与之压实的石英基板的接触面加热，将两石英基板对合压实，使电阻发热线路熔合在叠压的石英基板内，使之成为一体，再经退火、定厚、精磨和抛光，最后将电阻发热线路两端分别与两金属引线板钎焊。

所述的冷却及尾部集气系统包括有氩气瓶、风扇、翅片换热器、第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门，其中，翅片换热器的上端通过第三阀门与所述罗茨泵连接，下端通过第四阀门与所述炉体的隔热室连接，氩气瓶依次通过第六阀门和第五阀门与翅片换热器的下端连接，风扇设置于翅片换热器的旁侧。

与现有真空钎焊炉相比，本发明具有以下优点：辐射式加热体采用热转换效率更高、辐射率更稳定、高温不变形的石英玻璃制成，因而加热效率更高；加热体的结构布置采用紧凑性更好的八边形结构布置；对于真空加热室采用了多层隔热防护板，以减少真空钎焊炉向外的热辐射量，保证了焊接的温度要求；对焊接之后所用的冷却气体，采用了可以循环回收利用的方式，降低了惰性气体的泄漏，达到了极高的工作经济性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是图1的A-A截面示意图。

图3是图1的B-B截面示意图。

图4是图1的C-C截面示意图。

图5是图1的D-D截面示意图。

图6是图1的E-E截面示意图。

图7是翅片换热器的截面示意图。

图8是真空加热系统的局部示意图。

图9为红外辐射式一体化金属石英加热片的结构示意图。

图中：

1不锈钢外壳，2内侧圆桶，3金属圆环遮热板，4长方体卡板，5米字型卡板，6耐火砖，7炉盖，8密封圈，9抽气管，10罗茨泵，11第一阀门，12软管，13红外辐射式一体化金属石英加热片，14加热片固定环，15电源接线，16电极固定夹，17石英基板，18电阻发热线路，19金属引线板，20氩气瓶，21风扇，22翅片换热器，23第二阀门，24第三阀门，25第四阀门，26第五阀门，27第六阀门。

具体实施方式

通过阅读附图能够更好地理解本发明的内容，下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，该实施例以本发明的技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，所述的使用金属石英一体化辐射加热器的真空钎焊炉包括有炉体、抽真空系统、真空加热系统和冷却及尾部集气系统，其中，真空加热系统设置于炉体内，抽真空系统与炉体连接，冷却及尾部集气系统同时与抽真空系统和炉体分别连接，各个系统之间依靠阀门、管道以及软管连接。

如图1至图6所示，所述的炉体包括有不锈钢外壳1、内侧圆桶2以及炉盖7，其中，内侧圆桶2套置于不锈钢外壳1的内部，炉盖7盖置于内侧圆桶2的上面。所述炉体的内腔空间被分隔为两部分：隔热室和真空加热室，该隔热室由所述不锈钢外壳1与内侧圆桶2围成，中间布置有若干层（本实施例为6层，见图4）发射率较低的金属圆环遮热板3，主要用来减少炉体内外壁间的辐射传热，根据传热学理论推算，辐射热量大为减小，将减小为原来的1/7。所述隔热室内上部设置有四个均匀分布的带有凹槽的长方体卡板4（见图3），下部设置有一带凹槽的米字型卡板5（见图6），该米字型卡板5的下表面加工为波浪状（见图1），与所述不锈钢外壳1的下内壁点形成接触以增大接触热阻，从而进一步减小热损失。所述金属圆环遮热板3的上端嵌在该四个长方体卡板4的凹槽内，下端嵌在米字型卡板5上的凹槽内。所述真空加热室由所述内侧圆桶2与炉盖7围成，该炉盖7内层衬有耐火砖6，炉盖7与内侧圆桶2边缘之间垫有密封圈8。所述内侧圆桶2的侧壁上开设有均匀分布的小通孔（见图1）。

如图1所示，所述的抽真空系统主要包括有抽气管9、罗茨泵10、第一阀门11和第二阀门23，其中，抽气管9通过所述炉盖7和耐火砖6进入到真空加热室中，罗茨泵10与抽气管9之间通过软管12进行连接，用以对真空加热室抽真空，第一阀门11设置于抽气管9上，第二阀门23设置于罗茨泵10上。

如图1和图5所示，所述的真空加热系统包括有若干（本实施例中为8片）红外辐射式一体化金属石英加热片13、两加热片固定环14以及电源接线15，其中，两加热片固定环14分别设置于所述真空加热室内的上下侧，加热片固定环14上设有若干电极固定夹16，见图8，8片红外辐射式一体化金属石英加热片13呈八边形布置，分别夹固于加热片固定环14的八个电极固定夹16上，电源接线15与电极固定夹16连接并接通到电源上。

如图8和图9所示，所述的红外辐射式一体化金属石英加热片13是一种自行设计的红外辐射加热元件，其由叠压在一起的两能够发热的石英基板17、利用电阻浆料印刷成的多条平行排列的电阻发热线路18以及位于石英基板17上、下端的两金属引线板19构成；该多条电阻发热线路18熔合在两石英基板17之间，该两金属引线板19与电阻发热线路18的两端分别连接。当红外辐射式一体化金属石英加热片13两端分别插入加热片固定环14时，金属引线板19与电极固定夹16即进行了电路连通。

所述的红外辐射式一体化金属石英加热片13的制作过程为：在一块矩形的石英基板17上用电阻浆料印刷成预定的并联的电阻发热线路18；使用氢氧喷灯对该石英基板17和另一即将与之压实的石英基板17的接触面加热，将两石英基板17对合压实，使电阻发热线路18熔合在叠压的两石英基板17内，使之成为一体；两石英基板17压紧后放入退火炉中1100～1150℃退火2～3小时消除应力，再冷却至室温后，送入定厚机按需要进行定厚，然后进行必要的精磨和抛光至达到要求，其中精磨加工的线速度不超过0.4m/s，压力不超过40g/cm²，抛光机机加工线速度不超过0.3m/s，压力低于30g/cm²，抛光剂成分为氧化铈和水，两者比例小于1：6，最后将电阻发热线路18的两端分别与两金属引线板19钎焊。

所述的石英基板17是指将含99%的SiO₂的石英锭在1735℃～1785℃下热熔后放入模具加工成石英平板，在切割机床上分割成想要的具体形状。然后对石英板进行清洗酸处理，酸液的成分为氢氟酸与盐酸的重量比为1:2～5的二元混合酸或者氢氟酸、盐酸与硝酸的重量比为1:2～5:1的三元混合酸，酸浓度在3%～8%之间，酸液重量按所处理石英料的2%～5%添加，使用搅拌浆搅拌，清洗时间6～15小时。清洗结束后将石英板用远红外辐射加热装置烘干水分（<1%），或在175～185℃的温度下保温2～3小时除去水分，即制成石英基板17。

所述的电阻浆料是指钨粉、钼粉以及辅料的混合物，辅料包括生石灰、滑石粉、氧化镧、氧化硅和粘合剂。

制成的石英基板17在安装通电后，电阻发热线路18发射的近红外光和可见光中的95％被石英基板17所阻挡和吸收，使板内温度升高并产生纯硅氧键的分子振动，进而辐射红外线，从而使95％的可见光、近红外光均可转化为远红外光辐射。所述红外辐射式一体化金属石英加热片13红外辐射率高，可以利用远红外光，对辐射物体进行非接触加热。与其他加热元件相比，其具有不用涂料、辐射率稳定、热惯性小、热转换效率高的特点，与现有的依靠石英辐射特性加热装置相比，使用寿命更长，效率更高。

如图1和图7所示，所述的冷却及尾部集气系统用于对加热工作后的真空加热室进行冷却和循环回收利用惰性气体，其包括有氩气瓶20、风扇21、翅片换热器22、第三阀门24、第四阀门25、第五阀门26和第六阀门27，其中，翅片换热器22的上端通过第三阀门24与所述罗茨泵10连接，下端的三通接头通过第四阀门25与所述炉体的隔热室连接，氩气瓶20依次通过第六阀门27和第五阀门26与翅片换热器22下端的三通接头连接，风扇21设置于翅片换热器22的旁侧。

如图1所示，本发明的具体工作流程如下：在所述装置组装完毕后，关闭第四阀门25，打开第一阀门11和第二阀门23，此时其他阀门的状态为第三阀门24和第五阀门26开启，第六阀门27关闭。接通罗茨泵10电源，这样真空加热室中的空气就通过抽气管9排出，隔热室中的空气通过金属圆环遮热板3与长方体卡板4和米字型卡板5的空隙经由内侧圆桶2侧壁上的小通孔首先抽到真空加热室中，进而排到大气环境中，这样整个炉体就处于真空状态。关闭第一阀门11，接通红外辐射式金属石英一体化加热片13的电源，电阻发热线路18发射的近红外光和可见光被转化为远红外光对辐射物体进行非接触加热，钎焊件温度均匀上升至钎焊工作温度，金属圆环遮热板3的存在大大减少了真空加热室向炉体外壁辐射的热量，约为原来的1/7，使得加热效率更高。待钎焊工作完成后，打开第六阀门27约10分钟，通过第二阀门23排出翅片换热器22和与其相连的管道中的空气。关闭第二阀门23，打开第一阀门11和第四阀门25，使得氩气充满整个密闭系统，关闭第六阀门27。此时接通风扇21的电源，使得翅片换热器22换热增强以尽快使钎焊炉迅速冷却。最后，打开第六阀门27，关闭第四阀门25，接通罗茨泵10电源将氩气收集回氩气瓶20以备下次使用，关闭第六阀门27。

与现有钎焊炉相比，本发明具有以下优点：对于辐射式加热体采用热转换效率更高、辐射率更稳定、高温不变形的石英玻璃制成；加热体的结构布置采用紧凑性更好的八边形结构布置；对于辐射炉采用了多层隔热防护板，以减少真空炉向外的热辐射量，保证了焊接的温度要求；对焊接之后所用的冷却气体，采用了可以循环回收的方式，降低了惰性气体泄漏，达到了极高的工作经济性。

Claims

1.一种使用金属石英一体化辐射加热器的真空钎焊炉，其特征在于：所述真空钎焊炉包括有炉体、抽真空系统、真空加热系统和冷却及尾部集气系统，其中，真空加热系统设置于炉体内，抽真空系统与炉体连接，冷却及尾部集气系统同时与抽真空系统和炉体分别连接。

2.根据权利要求1所述的使用金属石英一体化辐射加热器的真空钎焊炉，其特征在于：所述的炉体包括有不锈钢外壳、套置于该不锈钢外壳内部的内侧圆桶以及盖置于该内侧圆桶上的炉盖，该炉体的内腔空间被分隔为隔热室和真空加热室，该隔热室由所述不锈钢外壳与内侧圆桶围成，该真空加热室由所述内侧圆桶与炉盖围成，该炉盖内层衬有耐火砖，所述内侧圆桶的侧壁上开设有均匀分布的通孔。

3.根据权利要求2所述的使用金属石英一体化辐射加热器的真空钎焊炉，其特征在于：所述的炉盖与内侧圆桶之间垫有密封圈。

4.根据权利要求2所述的使用金属石英一体化辐射加热器的真空钎焊炉，其特征在于：所述的隔热室内布置有若干层金属圆环遮热板，该金属圆环遮热板的上端嵌在四个均匀分布的长方体卡板的凹槽内，下端嵌在一米字型卡板上，该米字型卡板的下表面为波浪状且与所述不锈钢外壳的内壁形成点接触。

5.根据权利要求4所述的使用金属石英一体化辐射加热器的真空钎焊炉，其特征在于：所述的抽真空系统包括有抽气管、罗茨泵、第一阀门和第二阀门，其中，抽气管通过所述炉盖和耐火砖进入到所述真空加热室中，罗茨泵与抽气管之间通过软管进行连接，第一阀门设置于抽气管上，第二阀门设置于罗茨泵上。

6.根据权利要求5所述的使用金属石英一体化辐射加热器的真空钎焊炉，其特征在于：所述的真空加热系统包括有若干红外辐射式一体化金属石英加热片、两加热片固定环以及电源接线，其中，两加热片固定环分别设置于所述真空加热室内的上下侧，加热片固定环上设有若干电极固定夹，各红外辐射式一体化金属石英加热片分别夹固于加热片固定环的各电极固定夹上，电源接线与电极固定夹连接并接通到电源上。

7.根据权利要求6所述的使用金属石英一体化辐射加热器的真空钎焊炉，其特征在于：所述的红外辐射式一体化金属石英加热片由叠压在一起的两石英基板、熔合在两石英基板之间的多条平行排列的电阻发热线路以及位于石英基板上、下端并与电阻发热线路两端分别连接的两金属引线板构成。

8.根据权利要求7所述的使用金属石英一体化辐射加热器的真空钎焊炉，其特征在于：所述的红外辐射式一体化金属石英加热片的制作过程为：在一石英基板上用电阻浆料印刷成并联的电阻发热线路，使用氢氧喷灯对该石英基板和另一即将与之压实的石英基板的接触面加热，将两石英基板对合压实，使电阻发热线路熔合在叠压的石英基板内，使之成为一体，再经退火、定厚、精磨和抛光，最后将电阻发热线路两端分别与两金属引线板钎焊。

9.根据权利要求7所述的使用金属石英一体化辐射加热器的真空钎焊炉，其特征在于：所述的冷却及尾部集气系统包括有氩气瓶、风扇、翅片换热器、第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门，其中，翅片换热器的上端通过第三阀门与所述罗茨泵连接，下端通过第四阀门与所述炉体的隔热室连接，氩气瓶依次通过第六阀门和第五阀门与翅片换热器的下端连接，风扇设置于翅片换热器的旁侧。