基于AMS2750E標準的低溫真空焊接設備溫度均勻性的實現

王成君，楊兆建

(太原理工大學，山西 太原030024)

隨著釬焊技術的不斷發展，為了確保熱處理過程中其設備的高溫控制精度和溫度場均勻性，國內很多企業對溫度范圍為150～350 ℃熱處理設備提出使用AMS2750E 的測試標準的要求。在該溫度范圍內，由于輻射具有加熱緩慢、溫差小、吸熱快、散熱慢的特點，使得真空設備內的溫度場很難達到熱平衡，難以實現AMS2750E 的測試標準的要求。本文介紹了通過在真空焊接設備的設計中，考慮溫度場因素，實現AMS2750E（溫度范圍150～350 ℃）標準下真空爐爐溫均勻性的要求。

1 AMS2750E 對溫度均勻性要求

1.1 基本概念

溫度均勻性：在鑒定合格的真空焊接設備的工作區內，各測試點的溫度相對于控制設定點溫度的偏差（通常以±℃來表示）。溫度均勻性指標主要反應熱處理設備在溫度設定點，在設備工作區內溫度一致性問題。

溫度均勻性測試（TUS）：在熱平衡前后，用校驗過的儀器裝置及傳感器對熱處理爐工作區溫度變化量進行的一個或一系列測試。

1.2 AMS2750E 對溫度均勻性要求

（1）溫度傳感器必須符合要求。控溫熱電偶、報警熱電偶、均勻性測試熱電偶校準值必須在允許誤差范圍以內，可參照AMS2750E 具體要求。

（2）溫度傳感器的數量和位置必須滿足規范要求[4]。TUS 傳感器的分布按照體積法進行測試，體積法要求TUS 傳感器三維放置以體現爐子整個有效工作區的溫度。根據TUS 傳感器固定裝置的體積，TUS 傳感器數量應滿足AMS2750E 要求；TUS傳感器的分布應符合以下規則：若爐子有效工作區體積小于0.085 m3，將4 支TUS 傳感器放在四角和一支放在中間；若爐子有效工作區體積大于0.085 m3，則將8 支TUS 傳感器放置八個角，1 支放置在中間；若爐子有效工作區體積大于6.4 m3時，按照AMS2750E 要求增加TUS 傳感器并均勻放置在最能體現爐子有效工作區的位置。

（3）按照要求確定熱處理爐溫度均勻性測試點。根據AMS2750E 要求溫度均勻性測試點溫度兩個測試溫度點不超過165 ℃，測試溫度為150 ℃、250 ℃、350 ℃。

（4）數據的采集必須符合AMS2750E 要求。在每個測試溫度點，爐子或TUS 傳感器首次達到溫度容差下限之前就開始采集數據，這樣無論爐子還是TUS 傳感器哪個超出溫度均勻性容差上限都能清楚地探測到。當進行數據采集時，每隔2 min 至少記錄一套所有TUS 傳感器的溫度數據，控制或記錄傳感器均不能超過溫度均勻性公差上限；爐子應保持在測試溫度直到所有傳感器達到穩定，穩定后在30 min 內連續采集數據，所有的測試熱電偶都在允許的溫度范圍內，并保持穩定，不能有漂移超出最高限或低于最低限[6]。

2 低溫段真空爐溫度均勻性的測試現狀及存在問題

2.1 真空釬焊設備簡述及實驗

加熱模型：低溫真空焊接、熱處理爐示意圖見圖1所示。在爐體內部有爐膽，爐膽是由多層金屬反射屏組成，在爐膽內部分布均溫區，加熱電極與加熱帶連接在一起，控溫熱電偶通過爐體和爐膽上的熱偶孔插入均溫圓進行溫度控制，在爐體上分布著測溫接口、真空接口，溫度測試熱電偶通過測溫接口進行溫度測試[1]。

圖1 低溫真空焊接模型

常采用的測溫方法為5 點測溫，其測量方法的示意圖如圖2所示。

目前有兩種測試方法，分別是采用外徑為1.5 mm 和6 mm 的測溫和控溫偶，通過實驗發現采用直徑為1.5 mm 的測溫偶和控溫偶在150～350 ℃容易實現溫度均勻性的測量。因此實驗中采用1.5 mm 的偶分別在150、250 和350 ℃下測量了真空焊接爐中的溫度。其測量結果見圖3所示。

圖2 五點測溫分布位置

溫度均勻性測試點為150、250、350 ℃，從數據可以看出，在升溫過程中控溫熱電偶滯后溫度比較多，當控溫熱電偶在溫度保持點150、250、350 ℃時，溫度均勻性測試熱電偶溫度超出了控溫熱電偶溫度，通過實驗發現即使將控溫熱電偶和溫度均勻性測試熱電偶都采用直徑一致的熱電偶，也無法解決這3 個溫度測量點均勻性測試熱電偶溫度超過控溫熱電偶溫度的問題。

3 解決問題的關鍵及理論分析

溫度范圍為150～350 ℃熱處理設備，與400 ℃以上的真空熱處理設備相比較，加熱帶與工作區溫差小，輻射加熱緩慢，根據輻射力公式[2]：

其中：ε 為發射率

A 為面積

C0為黑體輻射系數5.67 W/m·K4

T 為溫度

由于溫度T 也就是加熱帶的溫度比較低，一般加熱帶溫度比熱處理爐的工作區溫度高100～150 ℃，加熱帶與被加熱區域的熱流密度：

其中：φ 為熱流密度

ε 為被加熱區吸收率

T1為加熱帶溫度

T2——均溫區溫度

圖3 采用1.5 mm 的偶在不同溫度下的測量結果

Fds1→s2為加熱帶面對均溫區輻射角系數

熱流密度決定了熱電偶溫度的高低，對于ε、T1、T2、Fds1→s2幾個參數來說，是材料本身的屬性，T1是加熱帶的溫度，T2是均溫區的溫度，控溫熱電偶、溫度均勻性測試熱電偶都位于均溫圓以內，可以認為他們是一致的，現在存在的問題就是溫度均勻性測試熱電偶的溫度高于控溫熱電偶，由于兩種熱電偶位置不同，很難將輻射角系數Fds1→s2調整一致。在溫度保持點150、250、350 ℃測試時一般保溫30 min 后進行測試，這個保溫階段在400 ℃以上效果是非常明顯的，但在150～350 ℃溫度范圍保溫即使超過了2 h 也很難解決溫度過沖的問題。經多次測量發現一旦溫度均勻性測試熱電偶溫度過沖，在這個溫度段很難降下來。在這個溫度階段相比吸熱，散熱慢，達到熱平衡需要的時間更長。

對于吸收率來說，材質相同吸收率ε 是相同，材料不同吸收率ε 是不同。控溫熱電偶和溫度均勻性測試熱電偶都采用的是不銹鋼套管，查的不銹鋼的輻射黑度ε 是0.074。物體的吸收率與輻射黑度之間的關系根據基爾霍夫定律[3]：

對于灰體，不論投入輻射是否來自黑體，也不論是否處于熱平衡條件，其吸收率等同于同溫度下的發射率，物體的輻射力越大，其吸收能力也越大，換句話說善與輻射的物體必善于吸收，反之亦然。選擇吸收率大的石墨作為熱電偶的套管，石墨吸收率0.95。

4 解決問題的具體措施及效果

在本設計中，在熱電偶的頭加上石墨套，通過石墨較高的吸收率，來改善溫度的均勻性。控溫熱電偶設計采用圖4設計方式，控溫熱電偶頭部測試端采用直徑為1.5 mm 套管，在石墨套管上加工直徑為1.5 mm 內孔，石墨套管和熱電偶頭部之間采用過渡配合。其原理如圖4所示。

圖4 熱電偶

熱電偶采用了石墨套管后控溫熱電偶和均勻性測試熱電偶測試情況如圖5所示。

圖5 采用石墨套管后控溫熱電偶和均勻性測試熱電偶測試情況

采用這種設計之后，從圖5中可以看出，其溫度差值已經低于±3 ℃，滿足AMS2750E 標準的要求。對比傳統測量方法的實驗結果，其溫度差值明顯下降。因此說明采用這種方法，對于實現真空釬焊設備溫度均勻性是有效的。

5 結 論

控溫熱電偶設計采用石墨套管后增加了熱電偶套管的吸收率，使得均勻性測試熱電偶測出的均溫區的實際溫度完全符合AMS2750E 要求，另一方面提高了低溫段真空釬焊及熱處理設備的溫度控制精度，可以生產出質量更高的產品。

6 低溫段真空設備的應用前景

低溫段真空設備在電子元器件、鈹青銅退火處理得到了廣泛應用，低溫段真空設備研制是電子元器件行業、航天航空行業釬焊及熱處理急需解決的問題。低溫段真空設備具有以下優勢：

（1）提高焊接器件性能。在真空加熱條件下，軟釬焊技術極大地降低器件的空洞率，同時依靠溫度精確控制，均勻的溫度場，減少在焊接溫度點器件處理時間，防止器件電學參數變壞，提高器件性能。

（2）器件生產過程工藝精確控制及重復性。大規模生產過程中，低溫段真空設備溫度的測量和控制變得至關重要。生產效率優勢包括：通過優化器件內均勻性和器件間的可重復性來改善器件參數良率；通過優化焊接溫度來獲得最優的器件性能，通過實時工藝控制和優化減少器件報廢，提高成品率。

（3）優化器件熱處理過程中的應力。釬焊過程可能會產生兩種截然不同的應力：由于相變或結構改變所產生的應力會導致結構中某些部分的密度發生變化，另一種應力來自于器件結構和襯底之間不同的熱膨脹系數。通過合理熱處理工藝曲線，優化器件熱處理過程中的應力。

綜上所述，本文解決了低溫段真空設備中的溫場控制問題，使得低溫真空焊接設備的工藝優勢，又滿足AMS2750E 要求，讓其具有廣闊的應用前景。

參考資料：

[1]達道安.真空設計手冊[M].北京：國防工業出版社，1991.

[2]安娜- 瑪麗婭·比安什（羅），伊夫·福泰勒（法），雅克琳娜·埃戴.傳熱學[M].大連：大連理工大學出版社，2008.

[3]閻承沛.真空熱處理工藝與設備設計[M].北京：機械工業出版社，1998.

[4]王魁漢.溫度測量實用技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

[5]王魁漢，廖正貴，董健.符合2750D 標準的溫度傳感器的研制與應用[J].真空，2012 (4)：4-8.

[6]李克，許莉.高溫測量[J].熱處理裝備與技術，2009(3)：9-18.