摘要：本文介绍了扩散电炉水冷系统和热屏蔽系统的优化设计，对同型真空炉设计具有参考价值

关键词：扩散电炉、水冷系统

真空扩散焊的原理是：①将两个待焊工件的截面研磨放置在一起，在真空环境下加热到金属熔融温度的0.7～0.9倍，在加压条件下使工件接触面局部塑性变形，产生金属原子间的连接和原子间的相互扩散，实现两个工件的连接。

②真空扩散焊是焊接后无需加工的精密工艺。扩散焊接是一种利用温度、压力、时间等条件，促使两个部件接合面接合以达到原子间距离，实现原子间嵌入扩散耦合的方法。真空扩散焊可以焊接一系列难焊材料和一些难焊异种材料。由于扩散焊接时不添加钎料，因此焊接焊缝不会留下圆角状的钎料层，也不会因焊接而影响波导内腔的表面粗糙度。

在该焊接方法中，可以连接包括异种金属、陶瓷、金属陶瓷在内的具有不同硬度、强度、相互润湿的各种材料，这些材料即使通过熔融焊接方法进行焊接也不能得到良好的效果。例如，在制造中，陶瓷和可伐合金、铜、钛、玻璃和可伐合金、金和青铜铂和钛、银和不锈钢、铌和陶瓷、钼、钢和铸铁、铝、钨、钛、金屑陶瓷、锡、铜和铝、钛、青铜和各种金属等。

检验后证明，真空扩散焊焊接接头的机械强度、热稳定性、密封性、耐蚀性和弹性均能满足关键构件的技术要求。特别突出的是，扩散焊接的工件的尺寸从几微米开始。

因此，真空扩散焊接具有良好的经济效益。

1.水冷系统的优化

水冷系统是所有真空炉的重要组成部分，真空扩散焊炉除了炉体、炉门、密封法兰、电极等常规部分的冷却外，还有上下水冷压杆进入炉内。另外，需要在上下的热屏蔽部上开孔，在压力系统动作时，必须考虑压头在高温条件下移动时的动密封等，因此真空扩散焊接炉动作时水冷系统、热屏蔽系统等部分复杂。炉的最高工作温度为1200℃，炉体、炉门、上下压杆和电极都需要水冷结构，也要考虑到各橡胶密封面。以下如图1所示为真空扩散焊接炉的模型结构。该设备为立式结构，前开式结构，其中炉体部分为2/3，炉门部分占1/3。

1）炉体水冷部的优化：

炉体和炉门冷却水部分在优化前，即使水流调节到最大流量，炉体上半部分的温度也高于60℃，另外一部分存在死水，炉体各部分的温度不均的温度差较大。

优化设计时在炉体水套结构中增加了截水环，同时在炉体上下水套板对角位置开孔，水在套管内始终沿折线形状流动，形成完整的水道结构，避免了水流中形成死水，引起炉体各部分水冷不均的情况。同时水渠结构兼作炉门密封处的橡胶圈。具体结构为：在炉体法兰与密封圈相对应的位置专门焊接环状水槽，冷却水从上部进水口流入后，首先通过水槽流入炉体下水套管，水套充满水后，在压力作用下，冷却水沿水路方向流经炉体中部再次回到炉体上水套，水套内充满水后，最后从出水口流出。隔板尽量均匀布置，保证进水口和出水口处于对角线位置。水渠结构示意图2：

实验结果表明，该优化结构杜绝了死水的形成，增加了水渠结构后，炉膛工作时炉膛表面温差减小了近15℃，炉膛表面最高温度降低了10℃，同时炉膛密封圈增加了水缸，密封圈寿命大大增加，在增加水缸前使用密封圈半年后开始老化，造成密封不良，加水槽后密封圈近一年仍完好。炉门部分的冷却结构也按照方法制作，增加了除水环，取得了良好的效果。

2）压杆水冷部的优化

在上下压杆接口部分优化前，如图3所示，进出水接口分别在过渡盘上，过渡盘和压杆成分体结构中间用线圈密封。这样，当压杆冷却水超温或故障、密封圈老化时，水容易通过密封圈位置进入炉内，在高温下水急剧气化膨胀，容易引起事故。

优化杆件结构：

将进、出水接口改为压杆接头，压杆与接头焊接成一体。这样可以在超温后系统发生报警，及时处理以避免事故的发生。优化后的结构如图4所示。

3）电极冷却水部分的优化

发现电极部分所需的水流量非常小，一般串联连接电极，但随后出水温度稍高，电极温度过高会直接影响电极连接部分的线膨胀，可能引起长时间加热器短路等故障。论证后，采用分水器对每个电极加水，取得了较好的效果。

4）冷却水其他部分的优化

发现设备循环冷却水长时间使用后杂质较多，电极、分子泵等部分水管易堵塞，影响水冷效果。进水口加装过滤器，排除隐患。

在压力系统工作时，发现水压的变化会影响压力值的抖动，进水口分别串联有恒压阀，解决了抖动现象。

2.热屏蔽系统的优化

1）炉体与门体的热屏接缝部分原为拼接结构，装配时接缝宽度调整困难，且加热器辐射热可透过接缝到达炉门密封圈位置，容易造成长时间密封圈老化和焊缝变形等隐患。方案论证后，将结构改为多层千鸟结构，达到了光学屏蔽，取得了理想效果。优化结构如图5所示：

2）本文所研究的真空扩散焊接炉为立式结构，每个分子泵抽气口设计有插塞阀。插塞阀纵向尺寸较大，考虑到设备背部的装配和维护空间以及整体美观效果，将分子泵口插阀竖式装配设计，炉体长时间保温后，将接头表面最高温度测量到150℃。为了保护插塞阀、密封部件等，在抽气口追加多层屏蔽结构，同时为了减小屏蔽对抽气速度的影响，在屏蔽层上开几个孔错开配置，有效地解决了热辐射问题。

3）电极与炉体绝缘部分的聚四氟绝缘套管在一定时间后发生热变形，若不及时解决，则会引起加热器短路。通过在电极上添加多层陶瓷间隔物来改善。