一種多晶矽真空爐用摩擦焊銅電極及其製造工藝的製作方法
2023-06-04 04:10:31 1
專利名稱：一種多晶矽真空爐用摩擦焊銅電極及其製造工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種真空爐用銅電極及其製造工藝，尤其涉及一種多晶矽真空爐用摩擦焊銅電極及其製造工藝。
背景技術：
在光伏產業，多晶矽鑄錠真空爐是用於鑄造大型多晶矽錠的設備，它是將矽料高溫熔融後通過定向凝固冷凝結晶，使其形成晶向一致的矽錠，從而達到太陽能電池對矽片品質的要求。銅電極的作用是將強大電流(2000左右安培)通過銅電極傳入石墨電極再加熱石墨板，使其發熱，通過熱輻射而加熱矽料。現有的銅電極包括後端帶進出冷卻水管的銅電極杆，銅法蘭，接電板，鎖緊螺母，O型密封圈，絕緣保護組件，連接螺栓等。銅電極杆通常外徑32mm 50mm,內徑15_ 20mm,壁厚8. Omm 15. Omm,長度800mm 1000mm,前端封閉，外周圓設有螺紋，用與石墨電極內螺紋連接。外來電流通過銅電極杆導入石墨電極。目前，銅電極杆的製造採用兩種方式一種是選用純銅管，一端熔焊封閉，由於常規熔化焊方法焊縫處不可避免產生氣孔、夾雜、熔渣等缺陷，在急冷急熱環境下，前端焊縫處在熱應力作用下材料疲勞產生龜裂，容易漏水而報廢，使用壽命短，維護工作量大。另一種是選用純銅棒，採用深孔加工方式，這種加工方式雖然前端不需焊接，解決了前端漏水問題，但由於棒身長，深孔加工排屑困難而加工難度大，材料消耗高。此外，銅電極與石墨電極之間全靠螺紋銜接，並且是線接觸，甚至有些地方是點接觸，在強大電流流過該處時，由於接觸面積較小，電阻過大，在此部位產生大量的熱量，使溫度急劇升高，使用一段時間後，兩電極經常因燒蝕而粘結在一起，影響電流通過，導電率降低，必須停爐進行檢修更換，且無法修復，也造成多晶矽生產企業銅電極和石墨電極使用壽命短，生產成本高。綜上所述，銅電極前端焊接處漏水及螺紋銜接處強電流起弧侵蝕使其逐步損壞，是造成銅電極使用壽命短的主要原因。目前，國產銅電極使用壽命一般為一年，進口銅電極(採用純銅棒深孔加工方式製造)使用壽命一般為三年。研究一種使用壽命長，可修復，為多晶矽生產企業大幅度降低生產成本，同時製造簡單，完全可以替代進口的多晶矽真空爐用銅電極，是本發明的一項重要課題。
發明內容
本課題探討採用旋轉摩擦焊技術，解決現有問題。旋轉摩擦焊可分為連續驅動摩擦焊和慣性摩擦焊兩種。連續驅動摩擦焊的工作原理是通常將待焊工件兩端分別固定在旋轉夾具和移動夾具內，工件被夾緊後，由電動機帶動一個工件旋轉，同時把另一工件壓向旋轉工件，使其接觸面相互摩擦產生熱量和一定塑性變形，然後停止旋轉，同時施加頂鍛壓力完成焊接。焊接質量與轉速、摩擦時間、摩擦壓力、頂鍛壓力和工件頂鍛變形量有關。慣性摩擦焊的工作原理是旋轉工件與飛輪固定，由電動機驅動飛輪達設定的轉速，隨後電動機通過離合器與主軸脫開，然後把一個工件壓向夾持在飛輪軸上的轉動工件，工件間的摩擦阻力使飛輪減速，並將飛輪的動能轉換成焊接所需的熱能，使端面達到熱塑性狀態，然後迅速頂鍛，完成焊接。焊接質量與飛輪慣性矩、轉速和頂鍛力有關。摩擦焊所用的摩擦焊機包括驅動系統(慣性摩擦焊機還包括飛輪)和加壓裝置。大量文獻記載證明，摩擦焊在工廠生產線上已廣泛用於發動機燃燒室、排氣閥、軸、軸套、杆件、管子與法蘭、石油鑽杆和鑽芯的連接和變截面杆件的連接。本發明的目的是提供一種製造簡單、使用壽命長、可修復的多晶矽真空爐用摩擦焊銅電極及其製造工藝。為了解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是一種多晶矽真空爐用摩擦焊銅電極，包括外徑為32mm 50mm的銅電極杆，銅法 蘭，接電板，鎖緊螺母，O型密封圈，絕緣保護組件，連接螺栓，其特徵在於銅電極杆至少設置兩段，採用摩擦焊連為一體。所述銅電極杆設置成前中後三段，中、後段選用不同外徑的兩種規格純銅管摩擦焊連接，前段選用純銅棒，與中段摩擦焊連接。所述銅電極杆設置成前中後三段，前、後段選用不同外徑的純銅棒鑽孔後與中段的純銅管摩擦焊連接。所述銅電極杆設置成相同外徑的前後兩段，前段選用純銅棒鑽孔後與後段的純銅
管摩擦焊連接。為了加工方便，銅電極杆還可設置三段以上摩擦焊連接。一種專用於生產多晶矽真空爐用摩擦焊銅電極的製造工藝，包括旋轉摩擦焊機，其特徵在於外徑為32_ 50_的銅電極杆分段設計，採用連續驅動摩擦焊機製造時，銅電極杆摩擦焊的工藝參數為主軸轉速1300 1800r/min，摩擦壓力70 90MPa，摩擦時間I 6s (s為秒，下同)，頂鍛壓力100 130MPa，保壓時間3 10s，工件頂鍛變形量3 8mm ;採用慣性摩擦焊機製造時，銅電極杆摩擦焊的工藝參數為起始轉速1500 2200r/min，轉動慣量I. 2 3. 6kg · m2，摩擦壓力70 90MPa，摩擦時間I 5s，頂鍛壓力100 130MPa，保壓時間3 5s，工件頂鍛變形量3 8mm。銅電極杆選用純銅棒或純銅管，設計成兩段或兩段以上工件，粗加工後，採用上述工藝摩擦焊接，去除內外毛邊、飛刺，再精加工，前端外周圓和後端內周圓加工螺紋絲扣，進行I. 5MPa水壓持續60秒檢測，摩擦焊接處無滲漏即可使用。採用本發明工藝製造的摩擦焊銅電極使用時，在銅電極杆的後端安裝進水管和出水管，從前端套裝銅法蘭用銀焊或銅焊固定；依次安裝聚四氟乙烯託盤、聚四氟乙烯螺栓套管、聚四氟乙烯套環、聚四氟乙烯墊環等絕緣保護組件，安裝O型密封圈密封，即可送多晶矽生產廠使用。本發明與現有技術相比，其優點是I、採用本發明工藝製造的摩擦焊銅電極杆，焊縫處金相檢測證明(見圖6)，工件間相對運動產生的摩擦熱能使接合面加熱到鍛造溫度並在預鍛力作用下，通過材料的塑性變形和擴散過程，表面氧化層和汙染物被擠出，形成固態連接的焊縫。焊縫處克服了常規熔化焊方法不可避免產生氣孔、夾雜、熔渣等缺陷，並且晶粒細化，因而焊縫結合牢固，使用壽命長，達到進口銅電極使用效果。2、採用本發明研發的摩擦焊技術，實現了高質量焊接，銅電極杆分段加工成為可能，降低了工件加工難度，提高了加工精度，減少了材料消耗。銅電極導電率實測結果顯示選用相同材質Tl純銅深孔加工方式導電率99. 9 %，摩擦焊加工方式導電率99. 6 %，下降甚微，該材質完全滿足導電率98%以上要求。3、採用本發明研發的摩擦焊技術，對於現有的和今後損壞的銅電極杆僅需少量材料，就可修復，又大幅度降低了使用單位的多晶矽生產成本，實現了物盡其用理念。4、採用本發明研發的摩擦焊技術，焊接所需時間只有幾秒至十幾秒，質量穩定，生
產效率高。5、採用本發明研發的摩擦焊技術，節能低耗，不需要特殊焊接電源，所需能量僅為傳統焊接工藝的20%左右，也不需要其它消耗材料如焊條、焊劑電極、保護氣體等，製造成本低。6、採用本發明研發的摩擦焊技術，焊機工作環境清潔，不會產生煙霧、弧光、高頻以及有害氣體，對環境友好。
圖I是本發明結構示意2是本發明銅電極杆結構示意3是本發明銅電極杆另一種結構示意4是本發明銅電極杆等徑結構示意5是本發明銅電極杆母材金相檢測6是本發明銅電極杆焊縫處金相檢測圖
具體實施例方式為了保證銅電極杆導電率95%以上，材料選用GB/T 19850《導電用無縫圓形銅管》或YS/T 615《導電用銅棒》標準中的牌號製造。摩擦焊機選用中型摩擦焊機，可編程序控制器(PLC)控制。如江蘇凱迪歐電器設備有限公司生產的C-25、C-32、C-32C型連續驅動摩擦焊機或美國製造技術公司生產180B、180BX慣性摩擦焊機。如圖2所示，外徑為32mm 50mm的銅電極杆I設置成前段A、中段B和後段C三段，中段B和後段C選用不同外徑的兩種規格純銅管摩擦焊連接，形成焊縫be ;前端A採用純銅棒，與中段B摩擦焊接，也形成焊縫ab。這樣，三段工件經過摩擦焊連為一體，構成一端封閉的銅電極杆I。如圖3所示，外徑為32mm 50mm的銅電極杆I設置成前段A、中段B和後段C三段，前段A和後段C選用不同外徑的兩種規格純銅棒，前段A盲孔鑽，後段C通孔鑽，為了取消後段C與銅法蘭銀焊或銅焊固定工序，後段C也可採用模鍛或機加工出帶銅法蘭的整體。由於棒身短而加工容易。後段C也可直接選用純銅管。中段B選用純銅管，前段A和後段C加工好後分別與中段B的兩端摩擦焊連接，形成兩個焊縫ab和bc，構成一端封閉的銅電極杆I。如圖4所示，外徑為32mm 50 mm的銅電極杆I設置成等徑的前段A、後段B兩段，前段A選用純銅棒與後段B的純銅管摩擦焊連接，形成一個焊縫ab，構成一端封閉的銅電極杆I。對於現有的和今後的銅電極杆因螺紋銜接處損壞而報廢的銅電極杆I，採用圖3或圖4結構形式修復將損壞的螺紋連接部分切割，再按圖3或圖4中前段A選用純銅棒，盲孔鑽加工好，摩擦焊接即可修復。由於本發明保證了高質量焊接，保證銅電極杆導電率95%以上，基於短材料的使用，三段以上的工件摩擦焊接，不影響使用效果。三種結構的銅電極杆I製造工藝外徑為32mm 50_的銅電極杆分段設計,採用連續驅動摩擦焊機製造時，銅電極杆摩擦焊的工藝參數為主軸轉速1300 1800r/min,摩擦壓力70 90MPa，摩擦時間I 6s，頂鍛壓力100 130MPa，先頂後剎，保壓時間3 10s，工件頂鍛變形量3 8mm ;採用慣性摩擦焊機製造時，銅電極杆摩擦焊的工藝參數為起始轉速1500 2200r/min，轉動慣量I. 2 3. 6kg · m2，摩擦壓力70 90MPa，摩擦時間I 5s，頂鍛壓力100 130MPa，保壓時間3 5s，工件頂鍛變形量3 8_。不同規格的摩擦焊銅電極杆採用連續驅動摩擦焊製造工藝實施例見表I。表I不同規格的摩擦焊銅電極杆採用連續驅動摩擦焊製造工藝
權利要求
1.一種多晶矽真空爐用摩擦焊銅電極,包括外徑為32mm 50mm的銅電極杆，銅法蘭，接電板，鎖緊螺母，O型密封圈，絕緣保護組件，連接螺栓，其特徵在於銅電極杆至少設置兩段，採用摩擦焊連為一體。
2.根據權利要求I所述的一種多晶矽真空爐用摩擦焊銅電極，其特徵在於所述銅電極杆設置成前中後三段，中、後段選用不同外徑的兩種規格純銅管摩擦焊連接，前段選用純銅棒，與中段摩擦焊連接。
3.根據權利要求I所述的一種多晶矽真空爐用摩擦焊銅電極，其特徵在於所述銅電極杆設置成前中後三段，前、後段選用不同外徑的純銅棒鑽孔後與中段的純銅管摩擦焊連接。
4.根據權利要求I所述的一種多晶矽真空爐用摩擦焊銅電極，其特徵在於所述銅電極杆設置成相同外徑的前後兩段，前段選用純銅棒鑽孔後與後段的純銅管摩擦焊連接。
5.一種專用於生產多晶矽真空爐用摩擦焊銅電極的製造工藝，包括旋轉摩擦焊機，其特徵在於外徑為32_ 50_的銅電極杆分段設計，採用連續驅動摩擦焊機製造時，銅電極杆摩擦焊的工藝參數為主軸轉速1300 1800r/min，摩擦壓力70 90MPa，摩擦時間I 6s，頂鍛壓力100 130MPa，保壓時間3 10s，工件頂鍛變形量3 8mm ;採用慣性摩擦焊機製造時，銅電極杆摩擦焊的工藝參數為起始轉速1500 2200r/min，轉動慣量I. 2 3.6kg ·πι2，摩擦壓力70 90MPa，摩擦時間I 5s，頂鍛壓力100 130MPa，保壓時間3 5s，工件頂鍛變形量3 8mm。
全文摘要
本發明涉及多晶矽真空爐生產設備中使用的銅電極，公開了一種多晶矽真空爐用摩擦焊銅電極及其製造工藝。產品包括銅電極杆，銅法蘭，接電板，鎖緊螺母，O型密封圈，絕緣保護組件，連接螺栓，其特徵在於銅電極杆至少設置兩段，採用摩擦焊連為一體。製造工藝為採用連續驅動摩擦焊機製造時，主要工藝參數為主軸轉速1300～1800r/min，頂鍛壓力100～130MPa，保壓時間3～10s；採用慣性摩擦焊機製造時，主要工藝參數為起始轉速1500～2200r/min，轉動慣量1.2～3.6kg·m2，頂鍛壓力100～130MPa，保壓時間3～5s。採用本發明工藝製造簡單、焊縫結合牢固，不影響導電性能，產品使用壽命長，並可對損壞的的銅電極杆修復使用。
文檔編號H05B3/62GK102625493SQ201210076789
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月22日 優先權日2012年3月22日
發明者卜文德, 周水軍, 王國文 申請人:新餘市長城銅產品開發有限公司