[发明专利]蓝宝石单晶炉用焊接式钨发热笼及其焊接方法

说明书

技术领域

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

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。

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℃以上的高温下，丝径Φ0.3～0.5mm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。

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

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。

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。所述构成笼体的各件之间采用焊接连接固定。

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。

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。

所述笼体为圆筒形笼体。

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。

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。

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。

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。

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。 

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℃，熔炼温度更高，发热笼作为其热源，工作温度估计在2500℃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℃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。