蓝宝石单晶炉用焊接式钨发热笼及其焊接方法
【专利摘要】本发明公开了一种蓝宝石单晶炉用焊接式钨发热笼，包括金属电极、若干组U形钨杆和定位钨杆形成的笼体，U形钨杆开口端的杆脚与铜电极连接固定，定位钨杆固定于U形钨杆的长度方向上。金属电极与U形钨杆之间焊接或者焊接加螺钉紧固的连接方式，U形钨杆与定位钨杆的交叉点处采用焊接或者焊接和钨铼丝捆扎交替的连接方式。U形钨杆与铜电极之间直接焊接或者采用铜基焊料焊接为一体，U形钨杆与半圆环钨杆的交叉点处采用钨基金属做焊料焊接为一体。笼体在受热时结构稳定，避免了现有技术出现螺钉松掉影响发热笼使用的缺陷和高温下钨铼丝软化后不能完全承受笼体中物料重量而需要重新捆扎的缺陷。提高了发热笼的生产效率，延长了发热笼的使用寿命。
【专利说明】蓝宝石单晶炉用焊接式钨发热笼及其焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种蓝宝石单晶炉用钨发热笼，特别涉及一种各零件之间采用焊接结构的钨发热笼及各零件之间的焊接方法。
【背景技术】
[0002]蓝宝石单晶炉热场用的发热组件通常为源于俄罗斯技术的鸟笼式钨杆加热器，一般称之为发热笼。发热笼由一对半圆形的铜电极、若干组U形钨杆、数组半圆钨杆组成；其中的U形钨杆为电阻式发热单元，其两端分别固联在两个铜电极上；半圆钨杆则对U形钨杆起定位、固定作用。
[0003]目前U形钨杆与半圆钨杆的联结普遍采用源于俄罗斯技术的钨铼丝捆扎法。在2100°C以上的高温下，丝径0 0.3~0.5mm的钨铼丝会变得很软，靠软化了的钨铼丝的捆扎力来支撑笼体数十公斤的重量十分勉强，往往烧一、两炉料便要更换所有的钨铼丝，将发热笼重新捆扎过。重扎发热笼的过程不但费钱费事，还很容易将发热钨杆搞断。
[0004]U形钨杆与铜电极的联结通常采用螺钉顶紧法，从使用效果看，往往烧上一两炉料，螺钉便全松了，这是因为单晶炉工作温度高，温度变化范围大，而铜、钨、不锈钢(螺钉通常为不锈钢的)等几种材料的热膨胀系数差别`较大，在升温和降温过程中，螺孔丝扣因与螺杆伸缩程度不同而发生范性形变。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种各零件之间采用焊接方式连接的钨发热笼体及其焊接方法，以提高钨发热笼体的使用寿命和生产效率。
[0006]本发明公开了一种蓝宝石单晶炉用焊接式钨发热笼，包括金属电极、若干组U形鹤杆和定位鹤杆形成的笼体，U形鹤杆开口端的杆脚与铜电极连接固定,定位鹤杆固定于U形钨杆的长度方向上。所述构成笼体的各件之间采用焊接连接固定。
[0007]所述金属电极为铜电极，其与U形钨杆之间采用惰性气体保护电弧焊焊接或者惰性气体保护电弧焊焊接加螺钉紧固的连接方式；
所述U形钨杆与定位钨杆的交叉点处采用惰性气体保护电弧焊焊接或者惰性气体保护电弧焊焊接和钨铼丝捆扎交替的连接方式。
[0008]所述金属电极上均布有用于所述U形钨杆穿过的轴向插孔，其侧壁上对应各轴向插孔处有螺纹孔。
[0009]所述笼体为圆筒形笼体。
[0010]所述定位钨杆为半圆环钨杆，每组半圆环钨杆包括内环和外环，内环的外侧有与所述铜电极上轴向插孔位置对应、尺寸与U形钨杆外径匹配的圆弧形凹槽，用于固定各U形鹤杆。
[0011]本发明还公开了前述蓝宝石单晶炉用焊接式钨发热笼的焊接方法，包括以下步骤:1、将所述U形钨杆的尾部与铜电极焊接为一体。直接用电弧烧灼露出于铜电极外面的U形钨杆尾部，直到将其烧成半球形，使半球形下部的钨杆自然与铜电极粘在一起，或者用铜基焊料将U形钨杆和铜电极焊接为一体。
[0012]首先因为银、铜对各种金属材料都有很好的浸润作用，特别是对钨-铜焊接而言，两者的熔点差高达两千多度，在远低于钨熔点的温度下将其与另一金属(这里为铜)焊接，唯有银或铜有如此良好的浸润效果；其二因为银、铜有优良的导电性。铜电极的作用为将电流导入U形钨杆，这个电流是很大的，可达几千安培，因此两者之间必须有良好的电接触。
[0013]直接以电弧烧灼露出于铜电极外面的U形钨杆尾部使U形钨杆与铜电极粘在一起时，必须对铜电极进行充分冷却。
[0014]2、采用钨基金属做焊料和惰性气体保护焊将所述U形钨杆与半圆环钨杆的交叉点处焊接为一体。
[0015]相对而言于钨-铜焊接，钨-钨焊接不存在基体材料的巨大熔点差，因此对焊料的浸润性能不再苛刻，但是蓝宝石单晶体的生长温度为2050°C，熔炼温度更高，发热笼作为其热源，工作温度估计在2500°C左右(实际试验或生产过程中，只能测出物料温度，发热笼因被遮挡而无法实测温度，故只能估计)。因此要求焊料能耐极高的温度，还要在2500°C高温下有较好的强度，这基本上只有钨基金属能够胜任了。钨-钨焊接的温度很高(可达六千度左右)，焊疤晶粒粗大，使材料变得很脆，常温下的力度性能很差，这就要求我们在钨基金属的范围内精选焊料，以改善焊疤在常温下的力学性能，而钨铼合金丝有良好的韧性，但是钨铼丝很贵，于是以稀土掺杂钨丝作为备选材料。
[0016]本发明将构成发热笼体的金属电极和U形钨杆之间采用焊接的连接方式使U形钨杆的杆脚与金属电极融为一体，或者在焊接后还加上螺钉紧固；将U形钨杆与环形钨杆的连接采用焊接的连接方式使两者的各交叉点融为一体，或者采用花式焊接加上钨铼丝捆扎交叉点的连接方式使各U形钨杆定位。使笼体在受热时结构稳定，避免了现有技术因不同材料之间热膨胀系数差别较大而出现螺钉松掉影响发热笼使用的缺陷，也避免了高温下钨铼丝软化后不能完全承受笼体中物料重量而需要重新捆扎的缺陷。提高了发热笼的生产效率，延长了发热笼的使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明优选实施例的立体结构示意图。
[0018]图2为本发明的主视示意图。
[0019]图3为图2的俯视示意图。
【具体实施方式】
[0020]优选实施例，如图1至图3所示，本发明公开的这种蓝宝石单晶炉热场用的焊接式鹤发热笼。以外径为500mm,高度为900mm的圆筒形鹤发热笼为例,可由一对半圆环铜电极
1、六组共二十四根U形钨杆2和五组半圆环钨杆3，铜电极I上均匀分布四十八个插孔11，U形钨杆2的杆脚插入各插孔11中，五组半圆环钨杆3均布于U形钨杆2的长度方向上。二十四根U形钨杆作为发热元件，每根U形钨杆可采用O 9.0mm的纯钨杆弯折加工而成，其底部的弯折形状不一，有些设计有小弯，用来调节钨杆的总长度，使每根钨杆的长度差尽可能小，以便电流的均匀分布。每根U形钨杆2的杆脚分别插入对应铜电极I上的插孔11中形成圆形的发热笼体，使U形钨杆2的杆脚伸出铜电极I外表面约5mm的长度。每组半圆环钨杆3包括内环和外环，内环可用06.0mm的钨杆制作，其外侧均匀分布四十八个弧型凹槽，位置对应于铜电极I上的四十八个插孔11，用于使U形钨杆2定位；外环可用0 4.0mm的鹤杆制作。
[0021]U形钨杆2与铜电极I之间可采用焊接或者焊接加螺钉紧固的连接方式。它们之间的焊接材料可采用银含量为1%~30% (质量)的银铜焊丝或者纯铜焊丝。
[0022]具体焊接方法如下:将各组U形钨杆2的两杆脚分别穿过铜电极I上相应的插孔11形成圆形的笼体。开启氩弧焊机，调节好氩气流量和电流值，电流值调到IOOA左右，可根据操作实际情况调整。起弧后，以电弧烧灼U形钨杆2伸出于铜电极I外表面的杆脚，将焊丝送入电弧区熔化焊料，再用电弧及氩气气流将熔化的焊料吹开散置于杆脚外的插孔11中，使杆脚与铜电极I融为一体。
当U形钨杆2与铜电极I之间采用焊接加螺钉紧固的连接方式时，在铜电极I的侧壁上对应各U形钨杆2的杆脚处开设螺纹孔，将U形钨杆2的各杆脚与铜电极I上的插孔11焊接为一体后，在螺纹孔中拧入相应的螺钉紧固即可。
[0023]U形钨杆2与铜电极I之间还可以直接用电弧烧灼露出于铜电极I外面U形钨杆2的尾部，直到将其烧成半球形，半球形下部的钨杆自然与铜电极I粘在一起。
[0024]首先因为银、铜对各种金属材料都有很好的浸润作用，特别是对钨-铜焊接而言，两者的熔点差高达两千多度，在远低于钨熔点的温度下将其与另一金属(这里为铜)焊接，唯有银或铜有如此良好的浸润效果；其二因为银、铜有优良的导电性。铜电极的作用为将电流导入U形钨杆，这个电流是很大的，可达几千安培，因此两者之间必须有良好的电接触。
[0025]直接以电弧烧灼露出于铜电极外面的U形钨杆尾部使U形钨杆与铜电极粘在一起时，必须对铜电极进行充分冷却。
[0026]U形钨杆2与半圆环钨杆3的连接可以采用焊接或者焊接加捆扎的方式。它们之间的焊接材料采用铼含量为1%~30%的钨铼丝，或者采用稀土掺杂钨丝的焊料，其中稀土的含量为0.1%~3.0%，或者采用纯钨丝作为焊接材料。具体焊接方法如下:先将半圆环钨杆3的外环与内环配好，将同一圈半圆环钨杆2与U形钨杆I的所有交叉点处均焊接为一体；当采用焊接加捆扎的方式时，交叉点的焊接数量按每隔两个交叉点焊接一个交叉点均布，先将半圆环钨杆3的外环与内环配好，将要捆扎的交叉点用(60.5mm的钨铼丝捆扎好，然后将要焊接的点进行焊接，这样每一圈四十八个交叉点中，十六个点焊接，三十二个点捆扎。焊接时，开启氩弧焊机，调节好氩气流量和电流值，电流值调到300A左右，可根据操作实际情况调整。起弧后，以电弧烧灼U形钨杆与半圆环钨杆的交叉点，然后将(61.5mm的钨铼丝作为焊料送入电弧区，依次将各交叉点处焊接为一体。
[0027]相对而言于钨-铜焊接，钨-钨焊接不存在基体材料的巨大熔点差，因此对焊料的浸润性能不再苛刻，但是蓝宝石单晶体的生长温度为2050°C，熔炼温度更高，发热笼作为其热源，工作温度估计在2500°C左右(实际试验或生产过程中，只能测出物料温度，发热笼因被遮挡而无法实测温度，故只能估计)。因此要求焊料能耐极高的温度，还要在2500°C高温下有较好的强度，这基本上只有钨基金属能够胜任了。钨-钨焊接的温度很高(可达六千度左右)，焊疤晶粒粗大，使材料变得很脆，常温下的力度性能很差，这就要求我们在钨基金属的范围内精选焊料，以改善焊疤在常温下的力学性能，而钨铼合金丝有良好的韧性，但是钨铼丝很贵，于是以稀土掺杂钨丝作为备选 材料。
【权利要求】
1.一种蓝宝石单晶炉用焊接式钨发热笼，包括金属电极、若干组U形钨杆和定位钨杆形成的笼体，U形钨杆开口端的杆脚与铜电极连接固定，定位钨杆固定于U形钨杆的长度方向上，其特征在于:所述构成笼体的各件之间采用焊接连接固定。
2.如权利要求1所述的蓝宝石单晶炉用焊接式钨发热笼，其特征在于:所述金属电极为铜电极，其与U形钨杆之间采用惰性气体保护电弧焊焊接或者惰性气体保护电弧焊焊接加螺钉紧固的连接方式。
3.如权利要求1所述的蓝宝石单晶炉用焊接式钨发热笼，其特征在于:所述U形钨杆与定位钨杆的交叉点处采用惰性气体保护电弧焊焊接或者惰性气体保护电弧焊焊接和钨铼丝捆扎交替的连接方式。
4.如权利要求2所述的蓝宝石单晶炉用焊接式钨发热笼，其特征在于:所述金属电极上均布有用于所述U形钨杆穿过的轴向插孔，其侧壁上对应各轴向插孔处有螺纹孔。
5.如权利要求1所述的蓝宝石单晶炉用焊接式钨发热笼，其特征在于:所述笼体为圆筒形笼体。
6.如权利要求5所述的蓝宝石单晶炉用焊接式钨发热笼，其特征在于:所述定位钨杆为半圆环钨杆，每组半圆环钨杆包括内环和外环，内环的外侧有与所述铜电极上轴向插孔位置对应、尺寸与U形钨杆外径匹配的圆弧形凹槽，用于固定各U形钨杆。
7.—种如权利要求1所述的蓝宝石单晶炉用焊接式钨发热笼的焊接方法，包括以下步骤: . 1、将所述U形钨杆的尾部与铜电极焊接为一体。直接用电弧烧灼露出于铜电极外面的U形钨杆尾部，使钨杆自然与铜电极粘在一起，或者用铜基焊料将U形钨杆和铜电极焊接为一体。 . 2、采用钨基金属做焊料和惰性气体保护焊将所述U形钨杆与半圆环钨杆的交叉点处焊接为一体。
【文档编号】C30B29/20GK103614773SQ201310636727
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】杨吉, 付崇伟 申请人:株洲硬质合金集团有限公司