摘要：壓頭是真空擴散焊接爐中的核心部件，壓頭的設(shè)計至關(guān)重要，本文對壓頭的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)力校核等進行了介紹，并對壓頭平行度的調(diào)整和試驗方法進行了詳細的介紹。試驗結(jié)果表明，壓頭選材設(shè)計合理，壓頭結(jié)構(gòu)由冷區(qū)向熱區(qū)過渡設(shè)計，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)指標的要求，對同類型真空擴散焊爐的設(shè)計和試驗具有參考價值

關(guān)鍵詞：真空爐、擴散焊接壓頭壓力試驗

在許多連接技術(shù)中，擴散焊接是最近發(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不移動的固體焊接方法[1]。

真空擴散焊接的原理是將兩個焊接對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散，實現(xiàn)兩個工件的連接[2]。

在真空擴散焊接中，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、強度的各材料，②焊接后，可以維持原工件的物理、化學(xué)、機械性質(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進行[3]。

為了保證更好的焊接質(zhì)量，壓力擴散焊接設(shè)備需要精確控制焊接溫度、時間和壓力，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械性能，因此壓頭的設(shè)計和加工至關(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)：

壓力機構(gòu)包括上下壓桿、上下壓頭、底座、壓力傳感器和驅(qū)動部分等，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，下壓頭保持靜止，驅(qū)動部移動上壓頭而移動。下壓件安裝在爐體下方的基臺上，上壓件插入爐體。移動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機拖動其上下運動，壓力傳感器安裝在下壓頭與下基座的結(jié)合部上。壓力機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

圖1壓力機構(gòu)概略圖

二、壓頭的選擇與設(shè)計：

1.材質(zhì)選擇：

擴散焊接在高真空和高溫環(huán)境下進行，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)，要求高溫下機械強度好，因此選擇鉬材料加工壓頭。

2.壓頭設(shè)計

在真空擴散焊接爐中，除了爐體、爐門、密封凸緣、電極等通常的冷卻之外，水冷壓棒還進入爐內(nèi)[4]。在壓力機構(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)計在法蘭2上，與真空部分隔離，避免水溫上升、漏水等危險性。法蘭1與真空室法蘭對接，實現(xiàn)真空密封，法蘭2與壓力系統(tǒng)對接，實現(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行應(yīng)力校核和優(yōu)化。壓頭結(jié)構(gòu)的應(yīng)力校核可簡化為水冷壓桿部分和壓頭部分兩個主要受力部件。根據(jù)最大壓力1.5倍對壓桿模型進行靜應(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倍對壓頭本體模型進行仿真校準，校準結(jié)果：變形比9146，安全系數(shù)（FOS）12.5，確認設(shè)計模型合格。應(yīng)力校正圖如圖4所示。

壓頭設(shè)計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，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，壓頭升降時會發(fā)生碰撞和摩擦，避免熱篩變形或壓力值波動。③壓桿與壓頭的連接部也應(yīng)確保足夠的強度，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、壓力試驗部

壓力試驗前的準備工作：檢查壓力系統(tǒng)各裝配點、控制回路及上下限開關(guān)、工控機端的壓力和位移限值，確保無誤且連接可靠。壓力試驗應(yīng)盡量減少對超高真空室的污染。壓力試驗進行從粗調(diào)到微調(diào)的過程，本試驗前需進行模擬運行和壓力負荷：

1.粗調(diào)：測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。間隙調(diào)整方法：加熱器與電極之間設(shè)計有柔性連接，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，測量圓周方向，距離盡可能均勻。在工控機的控制下，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：采用標準的砝碼，置于下壓頭上，上壓頭靜止不動，校準工控機端的力輸出值，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、精度達到要求之前反復(fù)試驗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），使用測量工具測試上下壓桿的同軸度，調(diào)整螺釘，必要時重復(fù)步驟1。調(diào)整上壓頭行程，測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.測試：用軟線圍成一個圓放在下壓頭上，直徑參考壓桿的尺寸，如圖6所示。關(guān)爐門進行試驗，從最大設(shè)計力值的5%開始加壓，每次加壓完成后打開爐門，用千分尺測量金屬線壓后周向厚度變化，重復(fù)測量平行度優(yōu)于0.1mm，確認合格。

5.實驗合格后，進行試驗片試驗壓，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℃，爐體冷卻測定，合格后進行正式技術(shù)試驗。

四、結(jié)論

本系統(tǒng)壓頭試驗完成后，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不銹鋼片進行技術(shù)試驗。設(shè)備驗收試驗結(jié)果見表2：

表2壓力系統(tǒng)試驗結(jié)果

優(yōu)于

真空擴散焊堆壓力系統(tǒng)是一個綜合復(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，上下平臺的連接孔必須嚴格一次加工成型，底座和立柱裝配時配合水平儀和直角尺等嚴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誤，然后再鎖上它。傳動部選用精密滾珠絲桿對和高精度渦輪蝸桿對，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)向機構(gòu)，還需要完善的壓力值、位移和溫度等保護措施?？刂撇客ㄟ^工控機完成，智能人機操作界面，配合高精度光柵尺和壓力傳感器，設(shè)定各參數(shù)后啟動壓力系統(tǒng)，壓力負荷和保持過程可自動完成同時可以生成實時數(shù)據(jù)和曲線。可以保存、查詢或輸出歷史數(shù)據(jù)。