真空钎焊炉控制系统的设计(1)

时间:2010-03-03　　来源:天津百利机电控股集团有限公司研究院　　编辑:李欣1、概述

随着科学技术的不断发展， 真空钎焊在一些高精度及贵金属材料的零部件焊接上的优势越发明显。采用此种焊接工艺具有焊缝致密、焊合率高、变形量小等特点。因此真空钎焊已广泛地应用于发电、军工及航空航天等领域。针对目前国内市场需求， 笔者研制了一台VBF-120 型真空高温钎焊炉，用于Cu与贵重非铁金属氧化物特殊电极材料进行真空钎焊。经测试， 该设备的各项性能指标、控制方式及钎焊质量都合格，满足了军工、发电站等大型电力开关特殊钎焊的技术要求。

2、真空钎焊炉的主要结构

真空钎焊炉主机为卧式、单室内加热结构， 由炉体、加热室、真空系统、风冷系统、充气系统、分压系统、水冷系统、电气控制系统等组成。

2.1、真空炉主体

真空炉主体由炉体和加热室构成。炉壳、炉门、电机罩的壳体均由双层筒体、双层椭圆形封头及法兰用气密性焊缝焊成。双层筒体间为水道， 内通冷却水。炉盖采用锁紧圈锁紧结构。加热室设计成圆筒形， 由框架和石墨毡组成隔热屏。

2.2、加热系统

加热系统包括加热电源、温控系统及加热元件。加热电源选用磁性调压器， 其电压调节由直流激磁来控制， 按不同的控制信号实现闭环自控，直流激磁电源由双向晶闸管控制。温控仪表具有自整定功能， 热电偶将电炉内部的温度转换成电信号， 将检测到的炉温当前值与设定值之差， 经PID运算后作为输出信号， 控制双向晶闸管的导通角， 从而有效地控制加热元件的平均加热功率， 使得炉温与设定的加热曲线相吻合。加热元件为18根石墨管， 采用三角形接法，沿热区圆周均匀分布， 以提供良好的炉温均匀性。加热元件通过3 个水冷电极与外部接线联接。

2.3、真空系统

机组主泵为KT-500 型扩散泵， 前级泵为ZJ-600型罗茨泵和2X-70 型旋片式机械泵。分别配有高真空阀、主路阀、旁路阀及与机械泵联动的电磁压差阀。机械泵为粗真空装置， 机械泵的后一级串有罗茨泵， 罗茨泵具有较高的抽气速率， 因此可以将真空系统抽到较高的真空度；但只有在被抽系统中的压力达到罗茨泵允许入口压力时， 罗茨泵才能开始工作，否则将会因过载和过热而损坏。扩散泵为高真空装置，它是通过将真空系统中的气体分子向高速油蒸汽射流中扩散， 并由前级泵排至空气中， 完成抽气动作。

2.4、风冷系统

在真空炉主体的后部， 装有1 台三相异步电动机， 气体由热交换器降低温度后经导流罩、进气口、叶轮通过隔热门进入炉内工作区， 再返回散热器， 实施循环冷却。

2.5、水冷系统

水冷系统由不锈钢截止阀、进水口、排水箱、水压电接点压力表等组成。进水口设有63.5 mm (2.5in) 不锈钢球阀、排水口设有101.6 mm (4 in) 法兰，只需与用户循环水系统接口连接即可。

2.6、分压系统

分压系统由电磁真空充气阀、可调节针阀等组成。在铜钎焊过程中需要分压控制时可充入高纯氮气或氩气， 分压范围控制在5~500 Pa。

2.7、充气系统

充气系统由大通径充气截止阀、集气汇流排、真空电接点压力表等组成。

3、电控系统

3.1、控制系统的设计

电气控制系统是由工控机和PLC 组成的计算测控系统为控制中心， 工控机对加热区温度进行闭环控制， PLC对真空系统和强冷系统进行控制；计算机测控系统包括上位计算机、温度数据采集及控制系统、开关量检测及控制系统和外围设备等。上位机和外设主要完成人机对话、工艺参数设定及存储记忆、过程参数显示和存储记录及打印输出、设备运行时各部分的工作状态、故障报警的显示等功能。

温度数据采集及控制系统主要完成加热室热电偶、工件热电偶的数据采集、热电偶温度冷端补偿、非线性补偿等任务。

开关量检测及控制系统作为动作信号的连接，使工件的钎焊过程完全实现了自动化。电控柜内部装有PLC、接触器、熔断器、继电器、可控整流器等元件， 各种操作按钮、指示灯、温控仪表、真空度显示仪、压力控制仪、电压表和电流表均安装在电控柜外表面，以便于操作。真空钎焊炉系统的检测元件主要有热电偶、真空计、电离规和水压表，分别对温度、真空度、充气、分压、冷却系统及炉门运动系统进行控制。对于炉温、水压， 设有检测及报警装置， 从而保证了设备使用过程的安全性。具有手动、自动转换功能， 手动操作主要用于调试和维护真空炉；正常运行状态下采用自动操作， 它是通过检测到的自动控制信号， 传输到PLC， 根据应用程序进行自动控制。

3.2、控制系统原理

该控制系统选用1 个60 点可编程序控制器PLC，分为输入端和输出端， 当输入端得到电信号后， 通过PLC 内部程序给输出端1个相应的执行信号。输入端包括： 压力控制回路、各种执行元件的开关、锁圈状态、各种阀的工作状态及报警信号输入回路等。控制原理图如图1 所示。

（1） 压力控制回路是PLC 与真空度显示仪、压力控制器组成测控系统， 根据钎焊工艺， 在真空显示仪及压力控制器上设定相应参数， 以控制工作程序中的罗茨泵启动、加热、充气压力及起风机信号等。

（2） 设有各种执行元件的手动开关， 主要用于调试和维护真空炉， 其控制为： 输入操作后， PLC 按照程序设定执行相应的动作。根据工艺需要， 个别元件设置为互锁， 以免损坏元器件。

（3） 旁路阀、高真空阀、主路阀等均配有传感器， PLC 可通过各传感器的输入信号执行下一步工作程序。

（4） 对机械泵过载、罗茨泵过载、冷却风机过载、水压低、超温、过流、扩散泵断相、充气超压等设有报警装置， PLC 输入端得到上述信号后， 分别给输出端的蜂鸣器、报警灯信号， 以报警提示， 并在显示屏上作出提示。

3.3、控制系统程序

为了确保真空钎焊零件的性能和质量， PLC 的程序设计必须依据钎焊工艺的要求， 对温度和真空度进行严格控制。

（1） 工艺要求

在电力、军工及航空航天等行业中， Cu 和金属氧化物零件要求采用真空钎焊工艺。而Cu 的表面还原要求炉内真空度在0.05～0.5 Pa范围内， 因此在实际工作中， 只有在炉内真空度达到该范围内才能开始加热。由于待焊材料和钎料在真空中加热时有蒸发现象，因此在真空钎焊过程中必须采用分压的钎焊工艺， 即在规定温度下向真空炉内充入高纯氮或高纯氩气， 使炉中达到理想的真空度。

（2） 焊前准备

为了保证钎焊炉能够正常工作， 钎焊出高质量的焊件， 每次开炉之前要对真空炉进行必要的检查， 确保安全可靠。检查步骤如下：打开水冷系统总开关，保证水压在0.2 MPa 以上； 测量加热室电极对地绝缘阻应>100 Ω； 将调压器总开关合上，打开电源开关；根据零件钎焊的工艺要求在显示器上设定真空度和温度控制曲线。

3.4、控制系统工作流程

根据真空钎焊工艺要求， 真空炉的控制系统采用手动和自动相结合的控制方式。在执行程序时， 抽真空的全过程采用自动控制方式， 而开启和关闭炉门、装卸工件及开始加热后的所有动作均手动完成， 具体控制系统工作流程如图2 所示。

4、结论

本文设计的真空钎焊控制系统在使用过程中运行可靠、操作简便， 钎焊后工件表面光洁、不需清洗， 满足了钎焊工艺的要求。