摘要：壓頭是真空擴(kuò)散焊接爐中的核心部件，壓頭的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，本文對(duì)壓頭的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)力校核等進(jìn)行了介紹，并對(duì)壓頭平行度的調(diào)整和試驗(yàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。試驗(yàn)結(jié)果表明，壓頭選材設(shè)計(jì)合理，壓頭結(jié)構(gòu)由冷區(qū)向熱區(qū)過渡設(shè)計(jì)，以及壓頭平行度等由粗調(diào)到精調(diào)的方法，完全可以滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，對(duì)同類型真空擴(kuò)散焊爐的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)具有參考價(jià)值

關(guān)鍵詞：真空爐、擴(kuò)散焊接壓頭壓力試驗(yàn)

在許多連接技術(shù)中，擴(kuò)散焊接是最近發(fā)展起來的方法，是一種使工件在一定溫度和壓力作用下在母材表面產(chǎn)生極小的微觀塑性流變相但相對(duì)不移動(dòng)的固體焊接方法[1]。

真空擴(kuò)散焊接的原理是將兩個(gè)焊接對(duì)象工件的截面研磨并放置在一起，在真空環(huán)境下加熱到金屬熔融溫度的0.7～0.9倍，在加壓條件下使工件接觸面局部塑性變形，產(chǎn)生金屬原子間的連接和原子間的相互擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工件的連接[2]。

在真空擴(kuò)散焊接中，可以焊接含有①性質(zhì)大的金屬、金屬、非金屬（陶瓷等）材料的不同硬度、強(qiáng)度的各材料，②焊接后，可以維持原工件的物理、化學(xué)、機(jī)械性質(zhì)。③加熱均勻，焊接件變形小，組織均勻，殘余應(yīng)力小，可保持焊接后工件高精度的幾何尺寸和形狀；④焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度差大的工件。⑤可以與真空熱處理等其他加工工藝同時(shí)進(jìn)行[3]。

為了保證更好的焊接質(zhì)量，壓力擴(kuò)散焊接設(shè)備需要精確控制焊接溫度、時(shí)間和壓力，此外，壓頭的結(jié)構(gòu)和加工裝配質(zhì)量也直接影響焊接件的機(jī)械性能，因此壓頭的設(shè)計(jì)和加工至關(guān)重要。首先，壓子材料必須在真空、高溫、壓力條件下保持各特性的穩(wěn)定。其次，壓頭平面是工件的直接接觸面和施力面，壓頭部分的平面度、平行度和粗糙度優(yōu)于技術(shù)要求，能滿足高精度的焊接和裝配要求。

一、壓力裝置結(jié)構(gòu)：

壓力機(jī)構(gòu)包括上下壓桿、上下壓頭、底座、壓力傳感器和驅(qū)動(dòng)部分等，壓力裝置可采用電液伺服或電伺服系統(tǒng)精確控制加壓、卸壓過程。加壓時(shí)，下壓頭保持靜止，驅(qū)動(dòng)部移動(dòng)上壓頭而移動(dòng)。下壓件安裝在爐體下方的基臺(tái)上，上壓件插入爐體。移動(dòng)頭通過凸緣安裝在爐體上方的支撐體上，通過電缸或伺服電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)其上下運(yùn)動(dòng)，壓力傳感器安裝在下壓頭與下基座的結(jié)合部上。壓力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

圖1壓力機(jī)構(gòu)概略圖

二、壓頭的選擇與設(shè)計(jì)：

1.材質(zhì)選擇：

擴(kuò)散焊接在高真空和高溫環(huán)境下進(jìn)行，加熱器和熱區(qū)的材質(zhì)通常選用鎢、鉬、鉭、石墨、耐熱不銹鋼等耐高溫材料。鉭、鎢材料比較昂貴，鎢加工困難，質(zhì)脆，石墨適合氣體保護(hù)環(huán)境，但真空環(huán)境一般選用鉬和耐熱不銹鋼。表1為部分材料的物理性質(zhì)，由表1可知，鉬的彈性模量更大，即剛度更大，硬度也是不銹鋼的2倍以上，鉬的線膨脹系數(shù)僅為不銹鋼的1/3。綜合考慮，壓桿部分需要水冷，需要與真空室連接，涉及與不銹鋼的焊接等，因此壓桿介入的熱區(qū)部分選擇鉬，其余部分選擇S31008耐熱不銹鋼。壓頭始終處于高溫區(qū)，要求高溫下機(jī)械強(qiáng)度好，因此選擇鉬材料加工壓頭。

2.壓頭設(shè)計(jì)

在真空擴(kuò)散焊接爐中，除了爐體、爐門、密封凸緣、電極等通常的冷卻之外，水冷壓棒還進(jìn)入爐內(nèi)[4]。在壓力機(jī)構(gòu)中，上下壓頭最終是與工件（模具）接觸的部分，壓棒部分僅起到連接壓頭和傳遞力的作用。通常，壓頭和壓桿被設(shè)計(jì)成階梯過渡型，完成后的三維模型如圖2所示。其中壓頭和壓桿部分通過連接器可靠組裝、可拆卸結(jié)構(gòu)，維修更換方便。壓桿為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部通入冷卻水，出入口設(shè)計(jì)在法蘭2上，與真空部分隔離，避免水溫上升、漏水等危險(xiǎn)性。法蘭1與真空室法蘭對(duì)接，實(shí)現(xiàn)真空密封，法蘭2與壓力系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)壓力控制與調(diào)節(jié)。

壓頭建模完成，使用基于有限元的仿真軟件進(jìn)行應(yīng)力校核和優(yōu)化。壓頭結(jié)構(gòu)的應(yīng)力校核可簡(jiǎn)化為水冷壓桿部分和壓頭部分兩個(gè)主要受力部件。根據(jù)最大壓力1.5倍對(duì)壓桿模型進(jìn)行靜應(yīng)力校核，校核結(jié)果：安全系數(shù)（FOS）為5.82，滿足要求，應(yīng)力校核圖如圖3所示；最大壓力1.3倍對(duì)壓頭本體模型進(jìn)行仿真校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果：變形比9146，安全系數(shù)（FOS）12.5，確認(rèn)設(shè)計(jì)模型合格。應(yīng)力校正圖如圖4所示。

壓頭設(shè)計(jì)和制造過程中需注意的其他問題：

①連接器材料的線膨脹系數(shù)應(yīng)與壓頭材料接近或一致。在超高真空環(huán)境下，連接器、緊固件等必須設(shè)計(jì)排氣孔，用于連接壓頭的緊固件等安裝和預(yù)緊固容易，有防松設(shè)計(jì)，更換和修理容易。②圓周方向扣件末端不得超過壓桿最大外緣，壓頭升降時(shí)會(huì)發(fā)生碰撞和摩擦，避免熱篩變形或壓力值波動(dòng)。③壓桿與壓頭的連接部也應(yīng)確保足夠的強(qiáng)度，避免在最大壓力下發(fā)生塑性變形或斷裂。④壓桿所有焊接均采用氬弧焊、真空側(cè)焊、焊后加工。壓頭加工后應(yīng)保證上下表面的平面度及上下表面與軸線的垂直度，上下接觸面最后需精磨。

三、壓力試驗(yàn)部

壓力試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作：檢查壓力系統(tǒng)各裝配點(diǎn)、控制回路及上下限開關(guān)、工控機(jī)端的壓力和位移限值，確保無誤且連接可靠。壓力試驗(yàn)應(yīng)盡量減少對(duì)超高真空室的污染。壓力試驗(yàn)進(jìn)行從粗調(diào)到微調(diào)的過程，本試驗(yàn)前需進(jìn)行模擬運(yùn)行和壓力負(fù)荷：

1.粗調(diào)：測(cè)量上下熱屏蔽層與壓桿之間的間隙，避免周向摩擦或接觸受力，引起壓力值波動(dòng)。間隙調(diào)整方法：加熱器與電極之間設(shè)計(jì)有柔性連接，因此在松開熱篩骨架固定螺釘后，沿水平方向整體平移爐體熱篩，測(cè)量圓周方向，距離盡可能均勻。在工控機(jī)的控制下，使上壓件反復(fù)升降兩次，觀察壓力顯示，以壓力值無波動(dòng)為合格。

值得注意的是，上下熱網(wǎng)的壓桿通過孔在裝配前必須一體加工，通過修理毛刺，既有利于裝配間隙的調(diào)整，又有利于改善表面清潔度、清洗。

2.壓力校正：采用標(biāo)準(zhǔn)的砝碼，置于下壓頭上，上壓頭靜止不動(dòng)，校準(zhǔn)工控機(jī)端的力輸出值，精度根據(jù)工藝最大力值和壓力傳感器精度設(shè)定；取下砝碼，觀察壓力值是否為零，否則修正。這樣，在最大壓力值穩(wěn)定、精度達(dá)到要求之前反復(fù)試驗(yàn)3次以上，返回到零的壓力值和精度也合格。

3.精加工調(diào)整：如圖5所示，在下壓頭上放置模具，直徑為同壓桿。慢慢降低上壓桿接近模具

（無接觸），使用測(cè)量工具測(cè)試上下壓桿的同軸度，調(diào)整螺釘，必要時(shí)重復(fù)步驟1。調(diào)整上壓頭行程，測(cè)定圓周方向的上壓頭與模具上面間的間隙，通過調(diào)整螺釘來調(diào)整上壓頭的平行度

4.測(cè)試：用軟線圍成一個(gè)圓放在下壓頭上，直徑參考?jí)簵U的尺寸，如圖6所示。關(guān)爐門進(jìn)行試驗(yàn)，從最大設(shè)計(jì)力值的5%開始加壓，每次加壓完成后打開爐門，用千分尺測(cè)量金屬線壓后周向厚度變化，重復(fù)測(cè)量平行度優(yōu)于0.1mm，確認(rèn)合格。

5.實(shí)驗(yàn)合格后，進(jìn)行試驗(yàn)片試驗(yàn)壓，首先在冷壓、再熱壓、熱壓狀態(tài)下，真空度優(yōu)于5×10-3Pa，溫度900℃，爐體冷卻測(cè)定，合格后進(jìn)行正式技術(shù)試驗(yàn)。

四、結(jié)論

本系統(tǒng)壓頭試驗(yàn)完成后，分別在冷態(tài)和熱態(tài)真空狀態(tài)下，采用TU2無氧銅板和304不銹鋼片進(jìn)行技術(shù)試驗(yàn)。設(shè)備驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果見表2：

表2壓力系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

優(yōu)于

真空擴(kuò)散焊堆壓力系統(tǒng)是一個(gè)綜合復(fù)雜的系統(tǒng)，壓子結(jié)構(gòu)是其最重要的部分。除壓頭結(jié)構(gòu)外，還需配合平整穩(wěn)定的底座，上下平臺(tái)的連接孔必須嚴(yán)格一次加工成型，底座和立柱裝配時(shí)配合水平儀和直角尺等嚴(yán)格控制立柱平行度和上下底座高度差我們需要確保沒有錯(cuò)誤，然后再鎖上它。傳動(dòng)部選用精密滾珠絲桿對(duì)和高精度渦輪蝸桿對(duì)，消除了空行程。

此外，設(shè)備需要高精度和高可靠性的電伺服壓力加載系統(tǒng)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，還需要完善的壓力值、位移和溫度等保護(hù)措施。控制部通過工控機(jī)完成，智能人機(jī)操作界面，配合高精度光柵尺和壓力傳感器，設(shè)定各參數(shù)后啟動(dòng)壓力系統(tǒng)，壓力負(fù)荷和保持過程可自動(dòng)完成同時(shí)可以生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和曲線。可以保存、查詢或輸出歷史數(shù)據(jù)。