CN106392235B - 一种真空扩散钎焊炉的多元加热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种真空扩散钎焊炉的多元加热方法，属于钎焊技术领域。一种真空扩散钎焊炉的多元加热方法，采用电阻加热、感应加热及炉体控温三元加热方式，所述感应加热采用感应线圈进行加热，所述炉体控温使用炉体内加热元件进行加热有益效果。采用本发明钎焊炉进行加热处理，热导率高，热扩散快，能够显著提高加热速度，改善热传导效率。同时，退火/扩散后，被加热工件的性能指标更高。
Description
技术领域
本发明属于钎焊技术领域，具体涉及一种真空扩散钎焊炉的多元加热方法。
背景技术
在钎焊方法中，电阻钎焊具有加热迅速、生产效率高、加热十分集中，对周围热影响小，工艺简单，易实现自动化等优点；感应钎焊具有加热速度快、对工件损伤小、接头力学性能优异、可实现复杂界面的焊接等优点；而真空钎焊的主要优点是钎焊质量高，可容易钎焊那些用其他方法难以钎焊的金属和合金。
在真空钎焊中，由于真空环境中气体分子很少，工件升温过程主要是依靠加热元件的热辐射、工件内部热传导及工装接触热传导实现，工件加热方式以热辐射为主，所用加热元件主要有钼丝带、钨、镍铬、铁铬铝、碳硅棒、碳化硅等，但这种方法加热速度慢、真空条件没有传导介质、升温所需热量只有靠热辐射实现，所以工作效率很低。
中国专利03212485.6公开了一种真空退火炉，该专利提供的真空炉温度1400℃、真空度10-3Pa，具有结构紧凑、操作方便与节电等特点，但结构复杂、加热速度慢。中国专利201220093108.6公开了一种电阻感应复合加热炉，由外层的耐火保温材料、电阻加热元件、加热器皿组成，其中螺旋状的加热元件环加热器皿四周，当通入高频、中频电源的时候，电阻本身开始加热，而且中频电源通入电阻形成感应电流，进行感应加热，该装置加热效率高，但加热范围小、温度低，不能满足高温、大工件的加热需要。
为了进一步提高加热效率，目前国内外出现了采用工件预热、强光辐射等加热方式的报道，但是，工件预热方法使得工件易氧化，而强光辐射方法对工件加热范围小、加热成本太高。如何有机结合电阻钎焊、感应钎焊、真空钎焊的优点，设计出一种加热速率高、成本低、高温条件下的真空扩散钎焊加热方法是钎焊领域的难题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种加热速率快、成本低、加热温度高的真空扩散钎焊炉加热方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种真空扩散钎焊炉的多元加热方法，采用电阻加热、感应加热及炉体控温三元加热方式，所述感应加热采用感应线圈进行加热，所述炉体控温使用炉体内加热元件进行加热，包括以下步骤：
1）使用电阻加热对工件进行预热，预热完毕后，使用感应线圈加热进行升温；
或者，使用中频或高频感应线圈对工件进行预热，预热完毕后，使用电阻加热进行升温；
2）在所述升温的同时，使用炉体内加热元件进行保温。
优选地，所述电阻加热是将电阻电极与低压电源连接，所述低压电源的电压为5~20V。
优选地，所述电阻电极通过软铜线与所述低压电源连接，所述软铜线设置在密闭的波纹管内，所述波纹管内部通水。
优选地，所述炉体内加热元件为高温钼合金。
优选地，所述高温钼合金包括如下重量百分比的组分：钼60~80%、钨10~20%、铌5~10%、铼1~6%，上述各组分重量百分比之和为100%。
优选地，所述高温钼合金包括如下重量百分比的组分：钼71%、钨17%、铌8%、铼4%。
一种真空扩散钎焊炉，包括炉体、真空泵、电阻电极、感应线圈、加热元件、控制器、电源和绝缘密封圈，所述炉体内部与真空泵连接，所述工件放置在所述电阻电极之间，所述感应线圈围绕所述工件设置，所述加热元件设置在所述炉体的内壁，所述加热元件、电阻电极和感应线圈依次分别与控制器和电源连接，所述炉体通过绝缘密封圈进行密封。
优选地，所述炉体的内部设置辐射屏，所述辐射屏由内到外依次为2层厚度为0.4毫米的钼屏、2层厚度为0.7毫米的耐热钢屏和1层厚度为1.5毫米的不锈钢屏，层间距为2~4毫米。
优选地，所述炉体内设置红外温度传感器，所述红外温度传感器与所述控制器连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明巧妙地将电阻、感应和真空钎焊有机地结合于一体，具有加热速度快，加热效率高，成本低和加热温度高等优点，使得钎焊炉的适应范围更加广泛，钎焊质量更高，钎焊性能更加优异。本发明将电阻电极设置在工件的两侧，同时使工件处于感应线圈内，而加热元件则设置在炉体的内壁，这样，根据工艺需求可以多元化地采取多种加热方式，根据工件的性质，使多种加热方式有序配合，使工件的受热更集中，升温更合理，扩大其受热范围，使其加热效率更高。而且，多元化的加热方式使得工件与加热元件之间具有更多的热传导形式，提高工件的加热速度。这样多方式协同，可提高工件的加热效率，相对单一加热方式的真空钎焊，节约成本10~20%，缩短30~45%的加热时间。
本发明钎焊炉在加热时，首先将工件进行预热，使工件有一个自适应的过程，有利于提高钎焊质量，然后加热使工件升温，完成钎焊。整个钎焊方法通过多种加热方式的有序配合，相对于单一加热方式的真空钎焊，热利用率更高，钎焊效率更高，质量更好，极大改善工件温度相对于炉体温度的滞后性，使得加热方式更加科学。再加之对炉体结构的改进，隔热和保温性能得以显著提高，炉体升温更快，温度范围更广，可在600~1800℃范围内工作，温度的均匀性和稳定性更高，自控性更强。此外，多元化的加热方式能够满足大工件的加热需求，应用领域更广泛。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：
图1：本发明一种真空扩散钎焊炉的结构示意图；
图2：本发明另一种真空扩散钎焊炉的结构示意图；
图3：本发明辐射屏的结构示意图；
其中，1-炉体，2-加热元件，3-电阻电极，4-感应线圈，5-真空泵，6-控制器，7-绝缘密封圈，8-辐射屏，9-红外温度传感器，10-软铜线，11-波纹管，12-工件。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
参阅图1~3，本发明提供了一种真空扩散钎焊炉，包括炉体1，炉体内设置加热元件2、电阻电极3和感应线圈4，炉体内部与真空泵5连接，工件12放置在电阻电极之间，感应线圈围绕所述工件设置，加热元件设置在所述炉体的内壁，加热元件、电阻电极和感应线圈分别依次与控制器6和电源连接，所述炉体通过绝缘密封圈7进行密封。
其中，炉体内加热元件为高温钼合金。
高温钼合金优选为包括如下重量百分比的组分：钼60~80%、钨10~23%、铌5~11%、铼1~6%，上述各组分重量百分比之和为100%。更优选地，所述高温钼合金包括如下重量百分比的组分：钼71%、钨17%、铌8%、铼4%，上述各组分重量百分比之和为100%。
本发明高温钼合金可在温度500~1800℃之间工作。经试验检测，在此温度下，高温钼合金的单轴抗拉强度为1020~1350MPa，硬度（HV10）为230~245，屈服强度为1050~1210MPa，延伸率为16.3~24.5%，检测结果见表1所示。
表1高温钼合金组成及性能
| 组成、性能 | 1# | 2# | 3# | 4# | 5# |
| 钼 | 71 | 60 | 80 | 78 | 67 |
| 钨 | 17 | 23 | 14 | 10 | 21 |
| 铌 | 8 | 11 | 5 | 10 | 7 |
| 铼 | 4 | 6 | 1 | 2 | 5 |
| 单轴抗拉强度/MPa | 1350 | 1062 | 1145 | 1230 | 1187 |
| 硬度/HV10 | 245 | 232 | 237 | 241 | 236 |
| 屈服强度/MPa | 1210 | 1078 | 1113 | 1180 | 1135 |
| 延伸率/% | 24.5 | 18.6 | 20.5 | 22.3 | 17.8 |
本发明优选，加热元件2螺旋设置在所述炉体的内壁上；
炉体为双层水冷炉体，采用水冷系统对工件进行冷却。
参阅图2~3，所述炉体的内部设置辐射屏8，所述辐射屏由内到外依次为2层厚度为0.4毫米的钼屏8-1、2层厚度为0.7毫米的耐热钢屏8-2和1层厚度为1.5毫米的不锈钢屏8-3，层间距为2~4毫米。各层间的固定和间隙采用在辐射屏上铆接或焊接隔条。辐射屏能够减少炉体内温度向外辐射，使温度更集中；而且通过材料与间距的结合和优化，能够显著增强炉体的保温性能，优化材料的使用，节约成本。
参阅图2，炉体内可设置红外温度传感器9，所述红外温度传感器与所述控制器连接，这样在钎焊过程中，可实现温度的自动控制，使得工件的升温控制更合理。
本发明还提供了上述真空扩散钎焊炉的多元加热方法，采用电阻加热、感应加热及炉体控温三元加热方式，所述感应加热采用感应线圈进行加热，所述炉体控温采用炉体内加热元件进行加热。
其中，电阻加热是将电阻电极与低压电源连接，所述低压电源的电压为5~20V，这样与其他加热方式的配合使用更易于控制。
电阻电极优选为石墨材料，耐高温性好，性质稳定。
参阅图1~2，电阻电极通过软铜线10与所述低压电源连接，所述软铜线设置在密闭的波纹管11内，所述波纹管内部通水。这样既实现了波纹管的良好密封，同时又使得波纹管内外的压力易于平衡，安全系数更高。
此处，所述水为蒸馏水，且不含氧等活泼气体。
本发明真空扩散钎焊炉的多元加热方法，包括以下步骤：
1）使用电阻加热对工件进行预热，预热完毕后，使用感应线圈加热进行升温；
或者，使用中频或高频感应线圈对工件进行预热，预热完毕后，使用电阻电极加热进行升温；
2）在所述升温的同时，使用炉体内加热元件进行保温。
具体的，本发明一种真空扩散钎焊炉的多元加热方法，包括以下步骤：
步骤S1：将工件设置在电阻电极之间，且处于感应线圈内；将真空泵与炉体连接，使用真空泵将所述炉体抽真空，当所述炉体达到要求的真空度后，将炉体温度设定为工作温度的0.85~0.90倍，开始加热；
步骤S2：先使用电阻电极生热对工件进行预热，预热完毕后，断掉电阻电极的电源，使用感应线圈加热进行升温；
或者，先使用感应线圈对工件进行预热，预热完毕后，断掉感应线圈的电源，再使用电阻电极加热进行升温；
升温的同时使用炉内加热元件进行保温，从而实现电阻、感应、炉体控温的多元加热方式。
通过本发明的加热方法，使得工件能够提前预热，不至于升温过急，影响钎焊质量；预热工序将工件激活，使工件处于更有利于升温加工的状态；然后采用两种加热方式并行，不仅使得工件的加热速度得到提高，工件的温度相对于炉体温度的滞后性明显减弱，还使得炉体的保温性能得到优化，热量的利用率更高，工件的加工环境稳定，质量更容易得到保障。
本发明的钎焊方法，采用真空加热设备，在真空状态下进行钎焊，提高钎焊工作效率的同时，把一些人为的、不可控因素转化为由设备控制的稳定状态，获得的钎焊产品强度高、外观平整、钎焊层厚度和热应力分布均匀，钎焊环境干净、无尘、无氧，降低了产品表面和钎焊层内产生氧化物和杂质的几率；产品质量稳定，适合批量生产。
实施例1
参阅图1~3，一种真空扩散钎焊炉，包括炉体1，炉体内设置加热元件2、电阻电极3和感应线圈4，炉体内部与真空泵5连接，工件13放置在电阻电极之间，感应线圈围绕所述工件设置，加热元件设置在所述炉体的内壁，加热元件、电阻电极和感应线圈分别依次与控制器6和电源连接，所述炉体通过绝缘密封圈7进行密封。其中，炉体内加热元件为高温钼合金，高温钼合金为表1的1#。加热元件螺旋设置在所述炉体的内壁上。电阻电极通过软铜线10与所述低压电源连接，所述软铜线设置在密闭的波纹管11内，所述波纹管内部通水12。炉体的内部设置辐射屏8，所述辐射屏由内到外依次为2层厚度为0.4毫米的钼屏8-1、2层厚度为0.7毫米的耐热钢屏8-2和1层厚度为1.5毫米的不锈钢屏8-3，层间距为3毫米。
该实施例所描述的真空扩散钎焊炉的多元加热方法，包括以下步骤：
步骤S1：将工件设置在电阻电极之间，且处于感应线圈内；将真空泵与炉体连接，使用真空泵将所述炉体抽真空，当所述炉体达到要求的真空度后，将炉体温度设定为工作温度的0.85倍，开始加热；
步骤S2：先使用电阻电极生热对工件进行预热，预热完毕后，断掉电阻电极的电源，使用感应线圈进行加热升温，升温的同时使用炉内加热元件进行保温；从而实现电阻、感应、炉体控温的多元加热方式。
实施例2
参阅图1~3，本实施例所描述的真空扩散钎焊炉的结构，与实施例1不同的是：炉体内加热元件为高温钼合金，高温钼合金为表1的2#。
炉体的内部设置辐射屏8，所述辐射屏由内到外依次为2层厚度为0.4毫米的钼屏8-1、2层厚度为0.7毫米的耐热钢屏8-2和1层厚度为1.5毫米的不锈钢屏8-3，层间距为2.5毫米。
本实施例真空扩散钎焊炉的多元加热方法参阅实施例1。
实施例3
参阅图1~3，本实施例所描述的真空扩散钎焊炉的结构，与实施例1不同的是：炉体内加热元件为高温钼合金，高温钼合金为表1的3#。
炉体的内部设置辐射屏8，所述辐射屏由内到外依次为2层厚度为0.4毫米的钼屏8-1、2层厚度为0.7毫米的耐热钢屏8-2和1层厚度为1.5毫米的不锈钢屏8-3，层间距为2毫米。
该实施例所描述的真空扩散钎焊炉的多元加热方法，包括以下步骤：
步骤S1：将工件设置在电阻电极之间，且处于感应线圈内；将真空泵与炉体连接，使用真空泵将所述炉体抽真空，当所述炉体达到要求的真空度后，将炉体温度设定为工作温度的0.90倍，开始加热；
步骤S2：先使用感应线圈对工件进行预热，预热完毕后，断掉感应线圈的电源，再使用电阻电极加热进行升温；升温的同时使用炉内加热元件进行保温；从而实现电阻、感应、炉体控温的多元加热方式。
实施例4
参阅图1~3，本实施例所描述的真空扩散钎焊炉的结构，与实施例1不同的是：炉体内加热元件为高温钼合金，高温钼合金为表1的4#。
炉体的内部设置辐射屏8，所述辐射屏由内到外依次为2层厚度为0.4毫米的钼屏8-1、2层厚度为0.7毫米的耐热钢屏8-2和1层厚度为1.5毫米的不锈钢屏8-3，层间距为4毫米。
本实施例真空扩散钎焊炉的多元加热方法参阅实施例3。
对比例1
该对比例所描述的真空扩散钎焊炉，其与实施例1不同的是：炉体内仅设置加热元件2，加热元件2为高温钼合金，高温钼合金为表1的1#；
其余结构同实施例1，不再赘述。
该实施例所描述的真空扩散钎焊炉的加热方法，包括以下步骤：
将工件设置在钎焊工位上，将真空泵与炉体连接，使用真空泵将所述炉体抽真空，当所述炉体达到要求的真空度后，设定炉体温度为工作温度的0.90倍；使用炉内加热元件进行加热升温，完成钎焊。
对比例2
该对比例所描述的真空扩散钎焊炉，其与实施例1不同的是：炉体内仅设置加热元件2，加热元件2为纯钼；
炉体内设置辐射屏8，所述辐射屏由内到外依次为2层厚度为0.5毫米的钼屏8-1、2层厚度为0.5毫米的耐热钢屏8-2和1层厚度为2毫米的不锈钢屏8-3，层间距为7毫米；
其余结构同实施例1，不再赘述。
该实施例所描述的真空扩散钎焊炉的加热方法，同对比例1。
对比例3
该对比例所描述的真空扩散钎焊炉，其与实施例1不同的是：炉体内仅设置电阻电极3和感应线圈4；
其余同实施例1，不再赘述。
该实施例所描述的真空扩散钎焊炉的加热方法，包括以下步骤：
将工件设置在钎焊工位上，将真空泵与炉体连接，使用真空泵将所述炉体抽真空，当所述炉体达到要求的真空度后，设定炉体温度为工作温度的0.90倍；先使用感应线圈对工件进行预热，预热完毕后，断掉感应线圈的电源，再使用电阻电极加热进行升温，完成钎焊。
效果评价
本发明采用实施例1~4及对比例1~2的加热方法对银钎料、铜钎料、镍钎料、铝钎料、镁钎料、锡合金、钛合金和锰合金进行热处理，并对各热处理过程的热导率和热扩散率进行统计，结果见表1和表2。
表1~2中本发明一列的数据为实施例1~4的平均数据。
表1 热导率（W/m.K）的统计结果
表2 热扩散率（mm2/s）的统计结果
由表1~2可以看到，采用本发明钎焊炉进行加热处理，热导率高，热扩散快，能够显著提高加热速度，提高热传导效率。同时，退火/扩散后，工件的性能指标更高。相较于对比例1~3，本发明的多元加热方式效果显著。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种真空扩散钎焊炉的多元加热方法，其特征在于：采用电阻加热、感应加热及炉体控温三元加热方式，所述感应加热采用感应线圈进行加热，所述炉体控温使用炉体内加热元件进行加热，包括以下步骤：
1）使用电阻加热对工件进行预热，预热完毕后，使用感应线圈加热进行升温；
或者，使用中频或高频感应线圈对工件进行预热，预热完毕后，使用电阻加热进行升温；
2）在所述升温的同时，使用炉体内加热元件进行保温；
所述真空扩散钎焊炉，包括炉体、真空泵、电阻电极、感应线圈、加热元件、控制器、电源和绝缘密封圈，所述炉体内部与真空泵连接，所述工件放置在所述电阻电极之间，所述感应线圈围绕所述工件设置，所述加热元件设置在所述炉体的内壁，所述加热元件、电阻电极和感应线圈依次分别与控制器和电源连接，所述炉体通过绝缘密封圈进行密封。
2.如权利要求1所述的真空扩散钎焊炉的多元加热方法，其特征在于：所述电阻加热是将电阻电极与低压电源连接，所述低压电源的电压为5~20V。
3.如权利要求2所述的真空扩散钎焊炉的多元加热方法，其特征在于：所述电阻电极通过软铜线与所述低压电源连接，所述软铜线设置在密闭的波纹管内，所述波纹管内部通水。
4.如权利要求1所述的真空扩散钎焊炉的多元加热方法，其特征在于：所述炉体内加热元件为高温钼合金。
5.如权利要求4所述的真空扩散钎焊炉的多元加热方法，其特征在于：所述高温钼合金包括如下重量百分比的组分：钼60~80%、钨10~20%、铌5~10%、铼1~6%，上述各组分重量百分比之和为100%。
6.如权利要求5所述的真空扩散钎焊炉的多元加热方法，其特征在于：所述高温钼合金包括如下重量百分比的组分：钼71%、钨17%、铌8%、铼4%。
7.如权利要求1所述的真空扩散钎焊炉的多元加热方法，其特征在于：所述炉体的内部设置辐射屏，所述辐射屏由内到外依次为2层厚度为0.4毫米的钼屏、2层厚度为0.7毫米的耐热钢屏和1层厚度为1.5毫米的不锈钢屏，层间距为2~4毫米。
8.如权利要求1所述的真空扩散钎焊炉的多元加热方法，其特征在于：所述炉体内设置红外温度传感器，所述红外温度传感器与所述控制器连接。
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