真空釬焊爐控制系統的設計

真空釬焊 李欣 天津百利機電控股集團有限公司研究院

1、概述

  隨著科學技術的不斷發展, 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勢越發明顯。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。因此真空釬焊已廣泛地應用于發電、軍工及航空航天等領域。針對目前國內市場需求, 筆者研制了一臺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行真空釬焊。經測試, 該設備的各項性能指標、控制方式及釬焊質量都合格, 滿足了軍工、發電站等大型電力開關特殊釬焊的技術要求。

2、真空釬焊爐的主要結構

  真空釬焊爐主機為臥式、單室內加熱結構, 由爐體、加熱室、真空系統、風冷系統、充氣系統、分壓系統、水冷系統、電氣控制系統等組成。

2.1、真空爐主體

  真空爐主體由爐體和加熱室構成。爐殼、爐門、電機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, 內通冷卻水。爐蓋采用鎖緊圈鎖緊結構。加熱室設計成圓筒形, 由框架和石墨氈組成隔熱屏。

2.2、加熱系統

  加熱系統包括加熱電源、溫控系統及加熱元件。加熱電源選用磁性調壓器, 其電壓調節由直流激磁來控制, 按不同的控制信號實現閉環自控, 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, 熱電偶將電爐內部的溫度轉換成電信號, 將檢測到的爐溫當前值與設定值之差, 經PID 運算后作為輸出信號, 控制雙向晶閘管的導通角, 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,沿熱區圓周均勻分布, 以提供良好的爐溫均勻性。加熱元件通過3 個水冷電極與外部接線聯接。

2.3、真空系統

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

2.4、風冷系統

  在真空爐主體的后部, 裝有1 臺三相異步電動機, 氣體由熱交換器降低溫度后經導流罩、進氣口、葉輪通過隔熱門進入爐內工作區, 再返回散熱器, 實施循環冷卻。

2.5、水冷系統

  水冷系統由不銹鋼截止閥、進水口、排水箱、水壓電接點壓力表等組成。進水口設有63.5 mm (2.5in) 不銹鋼球閥、排水口設有101.6 mm (4 in) 法蘭,只需與用戶循環水系統接口連接即可。

2.6、分壓系統

  分壓系統由電磁真空充氣閥、可調節針閥等組成。在銅釬焊過程中需要分壓控制時可充入高純氮氣或氬氣, 分壓范圍控制在5~500 Pa。

2.7、充氣系統

  充氣系統由大通徑充氣截止閥、集氣匯流排、真空電接點壓力表等組成。

3、電控系統

3.1、控制系統的設計

  電氣控制系統是由工控機和PLC 組成的計算測控系統為控制中心, 工控機對加熱區溫度進行閉環控制, PLC 對真空系統和強冷系統進行控制; 計算機測控系統包括上位計算機、溫度數據采集及控制系統、開關量檢測及控制系統和外圍設備等。上位機和外設主要完成人機對話、工藝參數設定及存儲記憶、過程參數顯示和存儲記錄及打印輸出、設備運行時各部分的工作狀態、故障報警的顯示等功能。

  溫度數據采集及控制系統主要完成加熱室熱電偶、工件熱電偶的數據采集、熱電偶溫度冷端補償、非線性補償等任務。

  開關量檢測及控制系統作為動作信號的連接,使工件的釬焊過程完全實現了自動化。電控柜內部裝有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。真空釬焊爐系統的檢測元件主要有熱電偶、真空計、電離規和水壓表,分別對溫度、真空度、充氣、分壓、冷卻系統及爐門運動系統進行控制。對于爐溫、水壓, 設有檢測及報警裝置, 從而保證了設備使用過程的安全性。具有手動、自動轉換功能, 手動操作主要用于調試和維護真空爐; 正常運行狀態下采用自動操作, 它是通過檢測到的自動控制信號, 傳輸到PLC, 根據應用程序進行自動控制。

3.2、控制系統原理

  該控制系統選用1 個60 點可編程序控制器PLC,分為輸入端和輸出端, 當輸入端得到電信號后, 通過PLC 內部程序給輸出端1 個相應的執行信號。輸入端包括: 壓力控制回路、各種執行元件的開關、鎖圈狀態、各種閥的工作狀態及報警信號輸入回路等。控制原理圖如圖1 所示。