本文介紹了高真空油擴(kuò)散泵一種新型的冷卻水管與泵壁異種金屬焊接工藝，通過(guò)焊接材料和焊接方法對(duì)比，并進(jìn)行了大量試驗(yàn)驗(yàn)證，得出了此焊接工藝工作效率高，導(dǎo)熱效果良好，并且消除了高真空擴(kuò)散泵冷卻水管易脫落，返酸等現(xiàn)象。

　　高真空油擴(kuò)散泵是用來(lái)獲得高真空或超高真空的重要設(shè)備。廣泛用于真空冶金、真空熱處理、真空鍍膜、電子工業(yè)、航空航天、原子能等工藝領(lǐng)域。

　　高真空油擴(kuò)散泵的冷卻形式分為水套冷卻和盤(pán)管冷卻，理論上水套冷卻效果好，外形美觀，但是隔水擋圈不能與水套內(nèi)表面進(jìn)行緊密接觸，實(shí)際冷卻效果不理想，在國(guó)外同類產(chǎn)品沒(méi)有采用此冷卻方式，只有國(guó)內(nèi)少部分廠家采用此冷卻方式。

　　盤(pán)管冷卻目前應(yīng)用廣泛，冷卻水在水管中流動(dòng)性好、冷卻均勻。但是由于盤(pán)管與泵壁的外表面接觸面小，如果兩者之間不填充導(dǎo)熱物質(zhì)，其冷卻效果差。

　　為了提高盤(pán)管冷卻效果必須在盤(pán)管和泵壁之間填充導(dǎo)熱效果好的介質(zhì)。

　　泵壁外部的冷卻水管為紫銅空心圓管，紫銅管的重量輕、導(dǎo)熱性好 (導(dǎo)熱系數(shù)為100w/m℃不銹鋼為13w/m℃) 、耐腐蝕性強(qiáng)、易彎曲、不易裂縫、不易折斷等優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合泵壁冷卻水管使用要求。冷卻水管與泵壁接觸時(shí)為線接觸，不能很好的將能量從一端傳至另一端，為了強(qiáng)化傳熱的途徑，只有增加傳熱面積來(lái)提高傳熱效率。

　　我公司在2010年以前，高真空油擴(kuò)散泵冷卻水管和泵壁采用錫鉛焊料釬焊焊接法，但是錫焊在焊接過(guò)程中需要添加酸性物質(zhì)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間泵壁出現(xiàn)滲酸現(xiàn)象，產(chǎn)品質(zhì)量及外觀大打折扣。

1、試驗(yàn)過(guò)程

　　高真空擴(kuò)散泵泵壁的材料為碳鋼，泵壁上纏繞的冷卻水管材料為紫銅，這兩種材料在焊接中稱為異種金屬焊接 (鋼與有色金屬焊接) ，異種金屬焊接比同種金屬焊接困難得多。

　　1.1、材料性能對(duì)比

　　首先對(duì)兩種焊接材料特性進(jìn)行了分析，從表1可以看出，銅和鐵的導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)、收縮率差異比較大，焊接時(shí)熱量迅速?gòu)募訜釁^(qū)傳導(dǎo)出去，使母材與填充金屬難以熔合;焊接時(shí)，在焊縫金屬晶粒間存在低熔點(diǎn)共晶，在焊縫冷卻凝固過(guò)程中將產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，因此在接頭的脆弱部位形成熱裂紋;這對(duì)銅和鐵焊接質(zhì)量非常不利。

表1 銅和鐵物理性能的比較

　　1.2、焊材的選擇

　　由于異種金屬之間金屬化學(xué)成分差別很大，過(guò)渡層各部位的性能將對(duì)焊接整體性能有重要影響。所以，在選擇焊接材料和確定焊接工藝時(shí)不僅考慮焊縫金屬本身的成分和性能，而且還要考慮過(guò)渡層可能形成的成分和性能。

　　銅和碳鋼焊接采用了SG-Cu Si3焊絲，此焊絲為硅青銅焊絲，焊絲含有3%的硅及少量錳的青銅，熔點(diǎn)在965~1035℃，焊接工藝性能優(yōu)良，焊縫機(jī)械強(qiáng)度高，焊接完畢后，過(guò)渡層的主要成分為Cu，導(dǎo)熱系數(shù)高。而且SG-Cu Si3焊絲主要用于青銅、黃銅、紫銅與鋼的焊接。

　　1.3、焊接過(guò)程

　　首先，按照高真空擴(kuò)散泵材質(zhì)和冷卻形式，制造一臺(tái)樣品 (見(jiàn)圖1) 。采購(gòu)直徑0.8 (mm) 和1.0 (mm) 硅青酮焊絲各一公斤，焊接方式選擇了TIG和MIG兩種方式。

圖1 試驗(yàn)筒體

　　1.3.1、TIG焊接試驗(yàn)

　　TIG (鎢極氬弧焊) 焊接法的主要優(yōu)點(diǎn)是可焊接的材料范圍廣，不受形狀和形式、面積約束;焊縫根部易焊透，接頭熱影響區(qū)小，焊件變形及裂紋傾向小，焊縫成型好等優(yōu)點(diǎn)。先行利用TIG焊接進(jìn)行試驗(yàn)，從圖2可以看出焊接后的焊縫均勻，泵壁和冷卻水管無(wú)缺陷。因TIG焊接焊接效率不高，因此對(duì)焊接效率進(jìn)行了測(cè)算，焊接速率僅為1.6mm/S，認(rèn)為此焊接方式不適合批量生產(chǎn)。

圖2 硅青銅焊絲采用TIG焊法

　　1.3.2、MIG焊接試驗(yàn)

　　和TIG焊一樣，它幾乎可以焊接所有的金屬，尤其適合于焊接鋁及鋁合金、銅及銅合金以及不銹鋼等材料，與TIG焊相比它不采用鎢極，成本比TIG焊低，而且生產(chǎn)效率高。

　　異種金屬焊接選擇合適焊接參數(shù)是至觀重要的。根據(jù)兩種材料特性，選擇小電流大電壓參數(shù)。焊接時(shí)焊絲對(duì)準(zhǔn)坡口中心，保證銅側(cè)和鋼側(cè)母材同時(shí)熔化，減少鋼側(cè)未熔化缺陷產(chǎn)生。經(jīng)過(guò)一些系列的焊接試驗(yàn),

　　從圖3可以看出焊接外形美觀，焊接截面熔合效果良好，增加了導(dǎo)熱面積而且焊材熔化后的材料為銅。焊接速率9mm/S，是TIG焊接的7倍。

圖3 試驗(yàn)硅青銅焊絲，采用MIG焊接方式

　　1.4、成本核算

　　擴(kuò)散泵原錫鉛焊接工藝與現(xiàn)焊接工藝成本對(duì)比如下：

　　從表2表3可以看出，無(wú)論材料和人工費(fèi)用都降低了60%左右，效益上比較客觀的。

表2 材料費(fèi)用對(duì)比

表3 人工費(fèi)用對(duì)比

2、試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

　　2.1、焊縫試驗(yàn)

　　整體焊接完畢后，通0.3MPa水壓檢漏，并保壓10分鐘，焊接銅管無(wú)漏水現(xiàn)象。

　　擴(kuò)散泵在加熱過(guò)程中斷水20分鐘，再進(jìn)行通水，冷卻水管無(wú)脫落，無(wú)漏水現(xiàn)象。

　　3.2、整體性能試驗(yàn)

　　硅青銅焊絲焊接的成品 (見(jiàn)圖4) ，安裝在調(diào)試工位上進(jìn)行性能測(cè)試，在調(diào)試過(guò)程中利用紅外測(cè)溫儀逐點(diǎn)測(cè)量泵壁和冷卻水管溫度，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對(duì)比。

圖4 焊接成品調(diào)試試驗(yàn)

　　從上述數(shù)據(jù)可以看出，冷卻水管的冷卻溫度快速的傳遞到泵壁上，冷卻效果不亞于錫鉛焊接形式。

3、結(jié)論

　　硅青銅焊接在小批量試制中，采用MIG焊法，焊接效率高，成本低，成型好。但是需要一些專門(mén)工裝來(lái)保證焊接工人的水平趨于一致。焊接過(guò)程中細(xì)化焊接工藝參數(shù)，才能達(dá)到良好的焊接效果。

參考文獻(xiàn)

　　[1]斯重遙，周振豐.焊接手冊(cè)第一版北京[S]:機(jī)械工業(yè)出版社出版1992.