真空釬焊爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(1)

1、概述

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， 真空釬焊在 一些高精度及貴金屬材料的零部件焊接上的優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯。采用此種焊接工藝具有焊縫致密、焊合率高、變形量小等特點(diǎn)。因此真空釬焊已廣泛地應(yīng)用于發(fā)電、軍工 及航空航天等領(lǐng)域。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求， 筆者研制了一臺(tái)VBF-120 型真空高溫釬焊爐， 用于Cu與貴重非鐵金屬氧化物特殊電極材料進(jìn)行真空釬焊。經(jīng)測(cè)試， 該設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)、控制方式及釬焊質(zhì)量都合格， 滿足了軍工、發(fā)電站等大型電力開關(guān)特殊釬焊的技術(shù)要求。

2、真空釬焊爐的主要結(jié)構(gòu)

　　真空釬焊爐主機(jī)為臥式、單室內(nèi)加熱結(jié)構(gòu)， 由爐體、加熱室、真空系統(tǒng)、風(fēng)冷系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、分壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。

2.1、真空爐主體

　　真空爐主體由爐體和加熱室構(gòu)成。爐殼、爐門、電機(jī)罩的殼體均由雙層筒體、雙層橢圓形封頭及法蘭用氣密性焊縫焊成。雙層筒體間為水道， 內(nèi)通冷卻水。爐蓋采用鎖緊圈鎖緊結(jié)構(gòu)。加熱室設(shè)計(jì)成圓筒形， 由框架和石墨氈組成隔熱屏。

2.2、加熱系統(tǒng)

　　加熱系統(tǒng)包括加熱電源、溫控系統(tǒng)及加熱元件。加熱電源選用磁性調(diào)壓器， 其電壓調(diào)節(jié)由直流激磁來(lái)控制， 按不同的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自控， 直流激磁電源由雙向晶閘管控制。溫控儀表具有自整定功能， 熱電偶將電爐內(nèi)部的溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 將檢測(cè)到的爐溫當(dāng)前值與設(shè)定值之差， 經(jīng)PID 運(yùn)算后作為輸出信號(hào)， 控制雙向晶閘管的導(dǎo)通角， 從而有效地控制加熱元件的平均加熱功率， 使得爐溫與設(shè)定的加熱曲線相吻合。加熱元件為18 根石墨管， 采用三角形接法，沿?zé)釁^(qū)圓周均勻分布， 以提供良好的爐溫均勻性。加熱元件通過3 個(gè)水冷電極與外部接線聯(lián)接。

2.3、真空系統(tǒng)

　　機(jī)組主泵為KT-500 型擴(kuò)散泵， 前級(jí)泵為ZJ-600型羅茨泵和2X-70 型旋片式機(jī)械泵。分別配有高真空閥、主路閥、旁路閥及與機(jī)械泵聯(lián)動(dòng)的電磁壓差閥。 機(jī)械泵為粗真空裝置， 機(jī)械泵的后一級(jí)串有羅茨泵， 羅茨泵具有較高的抽氣速率， 因此可以將真空系統(tǒng)抽到較高的真空度； 但只有在被抽系統(tǒng)中的壓力達(dá)到羅茨泵允許入口壓力時(shí)， 羅茨泵才能開始工作， 否則將會(huì)因過載和過熱而損壞。擴(kuò)散泵為高真空裝置，它是通過將真空系統(tǒng)中的氣體分子向高速油蒸汽射流中擴(kuò)散， 并由前級(jí)泵排至空氣中， 完成抽氣動(dòng)作。

2.4、風(fēng)冷系統(tǒng)

　　在真空爐主體的后部， 裝有1 臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)， 氣體由熱交換器降低溫度后經(jīng)導(dǎo)流罩、進(jìn)氣口、葉輪通過隔熱門進(jìn)入爐內(nèi)工作區(qū)， 再返回散熱器， 實(shí)施循環(huán)冷卻。

2.5、水冷系統(tǒng)

　　水冷系統(tǒng)由不銹鋼截止閥、進(jìn)水口、排水箱、水壓電接點(diǎn)壓力表等組成。進(jìn)水口設(shè)有63.5 mm (2.5in) 不銹鋼球閥、排水口設(shè)有101.6 mm (4 in) 法蘭，只需與用戶循環(huán)水系統(tǒng)接口連接即可。

2.6、分壓系統(tǒng)

　　分壓系統(tǒng)由電磁真空充氣閥、可調(diào)節(jié)針閥等組成。在銅釬焊過程中需要分壓控制時(shí)可充入高純氮?dú)饣驓鍤猓?分壓范圍控制在5~500 Pa。

2.7、充氣系統(tǒng)

　　充氣系統(tǒng)由大通徑充氣截止閥、集氣匯流排、真空電接點(diǎn)壓力表等組成。

3、電控系統(tǒng)

3.1、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　電氣控制系統(tǒng)是由工控機(jī)和PLC 組成的計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)為控制中心， 工控機(jī)對(duì)加熱區(qū)溫度進(jìn)行閉環(huán)控制， PLC 對(duì)真空系統(tǒng)和強(qiáng)冷系統(tǒng)進(jìn)行控制； 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)包括上位計(jì)算機(jī)、溫度數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)、開關(guān)量檢測(cè)及控制系統(tǒng)和外圍設(shè)備等。上位機(jī)和外設(shè)主要完成人機(jī)對(duì)話、工藝參數(shù)設(shè)定及存儲(chǔ)記憶、過 程參數(shù)顯示和存儲(chǔ)記錄及打印輸出、設(shè)備運(yùn)行時(shí)各部分的工作狀態(tài)、故障報(bào)警的顯示等功能。

　　溫度數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)主要完成加熱室熱電偶、工件熱電偶的數(shù)據(jù)采集、熱電偶溫度冷端補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償?shù)热蝿?wù)。

　　開關(guān)量檢測(cè)及控制系統(tǒng)作為動(dòng)作信號(hào)的連接，使工件的釬焊過程完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。電控柜內(nèi)部裝有PLC、接觸器、熔斷器、繼電器、可控整流器等元 件， 各種操作按鈕、指示燈、溫控儀表、真空度顯示儀、壓力控制儀、電壓表和電流表均安裝在電控柜外表面， 以便于操作。真空釬焊爐系統(tǒng)的檢測(cè)元件主要有熱電偶、真空計(jì)、電離規(guī)和水壓表，分別對(duì)溫度、真空度、充氣、分壓、冷卻系統(tǒng)及爐門運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。對(duì)于爐 溫、水壓， 設(shè)有檢測(cè)及報(bào)警裝置， 從而保證了設(shè)備使用過程的安全性。具有手動(dòng)、自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能， 手動(dòng)操作主要用于調(diào)試和維護(hù)真空爐； 正常運(yùn)行狀態(tài)下采用自動(dòng)操作， 它是通過檢測(cè)到的自動(dòng)控制信號(hào)， 傳輸?shù)絇LC， 根據(jù)應(yīng)用程序進(jìn)行自動(dòng)控制。

3.2、控制系統(tǒng)原理

　　該控制系統(tǒng)選用1 個(gè)60 點(diǎn)可編程序控制器PLC，分為輸入端和輸出端， 當(dāng)輸入端得到電信號(hào)后， 通過PLC 內(nèi)部程序給輸出端1 個(gè)相應(yīng)的執(zhí)行信號(hào)。輸入端包括： 壓力控制回路、各種執(zhí)行元件的開關(guān)、鎖圈狀態(tài)、各種閥的工作狀態(tài)及報(bào)警信號(hào)輸入回路等?？刂圃韴D如圖1 所示。

　?。?） 設(shè)有各種執(zhí)行元件的手動(dòng)開關(guān)， 主要用于調(diào)試和維護(hù)真空爐， 其控制為： 輸入操作后， PLC 按照程序設(shè)定執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。根據(jù)工藝需要， 個(gè)別元件設(shè)置為互鎖， 以免損壞元器件。

　?。?） 旁路閥、高真空閥、主路閥等均配有傳感器， PLC 可通過各傳感器的輸入信號(hào)執(zhí)行下一步工作程序。

　?。?） 對(duì)機(jī)械泵過載、羅茨泵過載、冷卻風(fēng)機(jī)過載、水壓低、超溫、過流、擴(kuò)散泵斷相、充氣超壓等設(shè)有報(bào)警裝置， PLC 輸入端得到上述信號(hào)后， 分別給輸出端的蜂鳴器、報(bào)警燈信號(hào)， 以報(bào)警提示， 并在顯示屏上作出提示。

3.3、控制系統(tǒng)程序

　　為了確保真空釬焊零件的性能和質(zhì)量， PLC 的程序設(shè)計(jì)必須依據(jù)釬焊工藝的要求， 對(duì)溫度和真空度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（1） 工藝要求

　　在電力、軍工及航空航天等行業(yè)中， Cu 和金屬氧化物零件要求采用真空釬焊工藝。而Cu 的表面還原要求爐內(nèi)真空度在0.05～0.5 Pa 范圍內(nèi)， 因此在實(shí)際工作中， 只有在爐內(nèi)真空度達(dá)到該范圍內(nèi)才能開始加熱。由于待焊材料和釬料在真空中加熱時(shí)有蒸發(fā)現(xiàn)象， 因此在真空釬焊過程中必須采用分壓的釬焊工藝， 即在規(guī)定溫度下向真空爐內(nèi)充入高純氮或高純氬氣， 使?fàn)t中達(dá)到理想的真空度。

（2） 焊前準(zhǔn)備

　　為了保證釬焊爐能夠正常工作， 釬焊出高質(zhì)量的焊件， 每次開爐之前要對(duì)真空爐進(jìn)行必要的檢查， 確保安全可靠。檢查步驟如下： 打開水冷系統(tǒng)總開關(guān)，保證水壓在0.2 MPa 以上； 測(cè)量加熱室電極對(duì)地絕緣阻應(yīng)>100 Ω； 將調(diào)壓器總開關(guān)合上， 打開電源開關(guān)；根據(jù)零件釬焊的工藝要求在顯示器上設(shè)定真空度和溫度控制曲線。

3.4、控制系統(tǒng)工作流程

　　根據(jù)真空釬焊工藝要求， 真空爐的控制系統(tǒng)采用手動(dòng)和自動(dòng)相結(jié)合的控制方式。在執(zhí)行程序時(shí)， 抽真空的全過程采用自動(dòng)控制方式， 而開啟和關(guān)閉爐門、裝卸工件及開始加熱后的所有動(dòng)作均手動(dòng)完成， 具體控制系統(tǒng)工作流程如圖2 所示。

4、結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的真空釬焊控制系統(tǒng)在使用過程中運(yùn)行可靠、操作簡(jiǎn)便， 釬焊后工件表面光潔、不需清洗， 滿足了釬焊工藝的要求。