CN101182134B - 集热管玻璃-金属双口热压封接材料及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于玻璃与金属封接技术领域的一种基于固态焊接技术的热压封接工艺，其特征在于，(1)封接是在加热加压的条件下进行的；(2)加压时，玻璃管封接处采用2个弧状对称玻璃法兰支承受力；(3)封接材料采用铅、铝和锡熔合而成的合金焊料丝；(4)封接温度为合金金属焊料熔点的0.7～0.9倍，焊接时施加的冲击压力为70～200kg/cm²，作用时间为0.5s～1.5min；(5)集热玻璃管的膨胀系数为(3.2～3.4)×10^-6/℃；(6)金属端盖采用铁-镍或可伐等低膨胀合金。该种双口热压封接工艺可有效减小玻璃法兰与金属端面的封接面积，减少玻璃与金属间的膨胀应力，封接应力较小。封接后，无须再对其进行退火处理，封接时间大幅缩短，封接成功率在95％以上。

Description

集热管玻璃-金属双口热压封接材料及方法

技术领域

本发明涉及一种玻璃——金属封接工艺，特别是涉及一种真空集热管玻璃与低膨胀合金金属双口封接材料及方法。

背景技术

本发明属于玻璃与金属封接技术领域、利用固态焊接的一种热压封方法。

不同类型的玻璃—金属封接时，对金属材料及玻璃的要求不同。对于一种选定的玻璃材料，不是任意一种金属或合金材料都可以进行封接，二者必须满足一定的封接条件，其中最基本的条件是：(1)玻璃与金属材料二者膨胀系数要相接近，以达到封接件的内应力减少到最低限度，称之为匹配封接；(2)金属材料的熔点要高于玻璃的软化温度，即高于玻璃可塑温度，由于玻璃没有固定的熔点，随着温度的上升从固态逐渐均匀地变为液态，金属材料的表面经过加热后，其氧化层才能牢固地与玻璃粘合在一起；(3)必须使玻璃能润湿金属表面，即玻璃在金属表面能充分展开。润湿性反应了玻璃与金属之间的结合能力，利用这一特性能够使玻璃和金属在热膨胀系数差异很大的情况下进行封接，以达到不漏气不爆裂的目的。

传统的玻璃—金属合金材料封接一般采用火焰熔封的方法，将被封接的玻璃和金属封接在一起。采用火焰法封接时，要求被封接玻璃和金属材料的膨胀系数非常匹配，其差值不超过±10％(一般相互差值小于6％)的情况下，玻璃或金属产生的热应力便可控制在安全范围内，玻璃就不会炸裂；同时，在封接后需对熔封后的部件进行仔细退火，以消除熔接时造成的热应力。该工艺封接温度较高，调节熔接温度较难，能耗大，造成封接质量不高，工艺重复性差，成品率低。虽然存在以上缺点，但该工艺仍然是大多数国家(如英国、荷兰、日本)采用的封接工艺。

目前，中国开始采用热压封接工艺来实现玻璃—金属真空密封。专利号为93101627.4的中国发明专利“玻璃—金属热压封接工艺”和专利号为99100222.9的中国发明专利“玻璃-金属热压封接工艺”，该封接工艺特征在于：焊接是在加热加压的条件下进行，焊接采用塑性较好的金属铅作为焊料进行固态封接，封接时通过汽缸对焊料进行冲击加压，使焊料迅速变形分解，在其尚未氧化时就形成了气密的封接面，从而解决了玻璃管材料膨胀系数与封接金属之间的不匹配困难；该工艺缺点在于：焊料铅熔点较低(加热温度300℃)，使真空集热管排气温度降低，真空集热管无法彻底排气，在使用过程中不断放气，影响其使用寿命。

专利号为CN98125249.4，名称为“玻璃——金属的铝丝热压封接工艺”的中国发明专利，与前述热压封接工艺大致相同。不同之处在于，该工艺使用铝丝作为封接材料，封接温度为铝熔点(660℃)的0.6～0.9倍，把压缩空气充入气缸使其迅速向金属充压，使位于玻璃和金属之间的铝丝在极短的时间内形成气密的封接面，实现热压封接。该工艺优点在于用焊料铝进行封接，铝的熔点比铅要高，可使真空集热管排气彻底，延长使用寿命；缺点在于铝质偏硬，封接时玻璃易破损，成品率较低。

专利号为CN98101161.6，名称为“玻璃——金属的磁脉冲热压封接工艺”的中国发明专利，公告了一项玻璃-金属封接工艺，指出其封接特征在于：在封接温度为铝基焊丝熔点的0.8～0.9倍条件下，对铝基焊丝进行强磁脉冲加压热封。铝基焊丝瞬间由预热温度加热到接近熔点，发生塑性变形，完成金属端盖与玻璃法兰的封接。由于铝基焊丝在无氧化条件下发生冲压塑性变形，不会有气体溢出，没有气孔，保证金属端盖与玻璃法兰封接面的气密性；同时对金属和玻璃的膨胀系数匹配要求不严，封接后无须退火。缺点在于：该封接工艺装置较为复杂，需要配置产生强磁脉冲的线圈和磁环，故需要的电功率较大，使成本增加，且热压封接的作用时间及冲力都需要计算机予以精确控制，不便于操作。

总体来看，目前已经公布的几种封接工艺发明专利在进行玻璃-金属封接时，都存在玻璃与金属封接端面面积较大，接触热阻、膨胀应力也较大。集热玻璃管封接过程中，普遍存在30～40％的炸管率、封接后的部件安全性较差、生产成本较高等缺点。因此，解决这些封接工艺问题是玻璃—金属封接工艺行业内一直努力的方向。

发明内容

本发明专利目的是提供一种新型的气密性能好、成本低廉、封接成品率高的玻璃——金属热压封接工艺。本发明的双口热压封接工艺，可以有效地减小玻璃管和金属端面的封接面积，减小了玻璃与金属间的封接热应力，且封接后无须进行退火处理，封接时间大幅缩短，不仅获得良好的密封效果，同时提高封接产品质量，封接成品率可达95％以上，大大降低生产成本。

本发明的集热管玻璃——金属的双口热压封接的材料，采用铅、铝和锡熔合而成的合金焊料。

所述的合金焊料的含量为：铅48％～56％、铝35％～42％、锡8％～10％。

优选的合金焊料的含量为铅50％，铝40％，锡10％。

所述的合金焊料的直径为φ1.0～φ2.5mm。

本发明的集热管玻璃——金属的双口热压封接的方法，是将金属端盖与玻璃管封接处的上下端部采用2个弧状对称玻璃法兰支承受力；封接温度为合金金属焊料熔点的0.7～0.9倍，焊接时施加的冲击压力为70～200kg/cm²，作用时间为0.5s～1.5min；集热玻璃管的膨胀系数为(3.2～3.4)×10^-6/℃。

与目前已经公布的几项玻璃与金属封接工艺专利相比，技术方案不同之处在于：其一，本发明专利中与集热玻璃管相熔接的两个弧状对称玻璃法兰同时支承受力。从封接机理角度，双口封接可有效地减小玻璃管和金属端面的封接面积，减少了玻璃与金属间的接触膨胀应力，封接热应力较小；其二，采用由铅、铝和锡三种金属的合金作为焊料进行封接，使集热玻璃管既可达到真空气密的要求，还很好地解决了玻璃与金属材料进行常规热压封接时出现的炸管几率较大的问题。

本发明公布的玻璃——金属双口封接工艺，采用由铅、铝和锡三种金属的合金作为焊料，与采用焊料铅进行封接相比，由于焊料熔点增加，因此可使集热玻璃管在较高温度下进行真空排气，集热管内的残余气体大幅减少，放气速率降低，同时使玻璃管、金属端盖除气较彻底，集热管的热效率和真空集热管的使用寿命明显提高；同时，与采用焊料铝进行封接相比，克服了铝质偏硬、封接时玻璃管易破损、成品率较低的缺点。

同时，集热玻璃管的封接处采用2个弧状对称玻璃法兰支承受力，该种封接工艺可以有效地减小玻璃管和金属端面的封接面积，减少玻璃与金属间的接触膨胀应力，封接热应力较小，气密性好，提高了封接部位的牢固性、安全性和可靠性。

该发明对金属与玻璃两者膨胀系数的匹配要求不严、焊接封接后无需作退火处理，还可解决金属与玻璃之间因膨胀系数不同而引起的封接应力，又可提高真空管排气温度，封接工艺的重复性和可控性好，操作简便，性能满足常规工作条件下的真空玻璃管安装要求，实现玻璃与金属端盖封接成功率在95％以上，提高了封接质量和产品的成品率，降低了生产成本。

附图说明

图1为利用本发明的材料及方法封接的真空集热管示意图，右半部分为集热管结构剖面图。其中，1.金属端盖；2.合金焊料丝；3.玻璃法兰；4.真空玻璃集热管。

具体实施方式

实施例1：

1)将金属端盖1的封接部件进行机械净化(如用砂纸擦)、去油、化学清洗，并将金属封接部件表面烘干。

2)将含量为铅48％、铝42％和锡10％的合金焊料制成φ1.0mm的合金焊料丝2，合金焊料丝过渡环装好后，使一对弧状对称玻璃法兰3中顶端一侧的金属端盖1与其对应上侧玻璃法兰3定位，玻璃法兰3口径为φ70mm，玻璃法兰3及集热玻璃管4的膨胀系数为3.4×10^-6/℃。

3)金属端盖封接件1和玻璃法兰3定位后，将合金焊料环2在热压封接机中加热到355℃，封接温度为合金金属焊料熔点的0.7倍，在金属焊料丝退火温度之内，向端面施加200kg/cm²的冲击压力，冲击时间为0.5s～1s，将对称封接结构中顶端一侧的金属端盖1和玻璃法兰3互相封接在一起。

4)重复步骤2)、3)完成弧状对称封接结构中底端一侧的金属端盖1与其对应下侧玻璃法兰3定位、加热、加压，实现下段封接部件的封接。

5)步骤3)和4)实现将对称封接结构中上下端部金属端盖与弧状对称玻璃法兰支承受力。

实施例2：

1)将金属端盖的封接部件1进行机械净化(如用砂纸擦)、去油、化学清洗，并将金属封接部件表面烘干。

2)将含量为铅49％、铝42％和锡9％的合金焊料制成φ1.5mm的焊料丝，焊料丝过渡环2装好后，使一对弧状对称玻璃法兰3中顶端一侧的金属端盖1与其对应上侧玻璃法兰3定位，玻璃法兰3口径为φ70mm，玻璃法兰3及集热玻璃管4的膨胀系数为3.3×10^-6/℃。

3)金属端盖封接件1和玻璃法兰3定位后，将合金焊料环2在热压封接机中加热到365～370℃，封接温度为合金金属焊料熔点的0.9倍，在金属焊料丝退火温度之内，向端面施加190kg/cm²的冲击压力，冲击时间为5s，将对称封接结构中顶端一侧的金属端盖1和玻璃法兰3互相封接在一起。

4)重复步骤2)、3)完成弧状对称封接结构中底端一侧的金属端盖1与其对应下侧玻璃法兰3定位、加热、加压，实现下段封接部件的封接。

5)步骤3)和4)实现将对称封接结构中上下端部金属端盖与弧状对称玻璃法兰支承受力。

实施例3：

1)将金属端盖的封接部件1进行机械净化(如用砂纸擦)、去油、化学清洗，并将金属封接部件表面烘干。

2)将含量为铅50％、铝40％和锡10％的合金焊料制成φ1.5mm的焊料丝，焊料丝过渡环2装好后，使一对弧状对称玻璃法兰3中顶端一侧的金属端盖1与其对应上侧玻璃法兰3定位，玻璃法兰3口径为φ70mm，玻璃法兰3及集热玻璃管4的膨胀系数为3.3×10^-6/℃。

3)金属端盖封接件1和玻璃法兰3定位后，将合金焊料环2在热压封接机中加热到360℃，封接温度为合金金属焊料熔点的0.8倍，在金属焊料丝退火温度之内，向端面施加170kg/cm²的冲击压力，冲击时间为10s，将对称封接结构中顶端一侧的金属端盖1和玻璃法兰3互相封接在一起。

4)重复步骤2)、3)完成弧状对称封接结构中底端一侧的金属端盖1与其对应下侧玻璃法兰3定位、加热、加压，实现下段封接部件的封接。

5)步骤3)和4)实现将对称封接结构中上下端部金属端盖与弧状对称玻璃法兰支承受力。

实施例4：

1)将金属端盖的封接部件1进行机械净化(如用砂纸擦)、去油、化学清洗，并将金属封接部件表面烘干。

2)将含量为铅55％、铝37％和锡8％的合金焊料制成φ2.0mm的焊料丝，焊料丝过渡环2装好后，使一对弧状对称玻璃法兰3中顶端一侧的金属端盖1与其对应上侧玻璃法兰3定位，玻璃法兰3口径为φ70mm，玻璃法兰3及集热玻璃管4的膨胀系数为3.2×10^-6/℃。

3)金属端盖封接件1和玻璃法兰3定位后，将合金焊料环2在热压封接机中加热到365℃，封接温度为合金金属焊料熔点的0.9倍，在金属焊料丝退火温度之内，向端面施加130kg/cm²的冲击压力，冲击时间为20s，将对称封接结构中顶端一侧的金属端盖1和玻璃法兰3互相封接在一起。

4)重复步骤2)、3)完成弧状对称封接结构中底端一侧的金属端盖1与其对应下侧玻璃法兰3定位、加热、加压，实现下段封接部件的封接。

5)步骤3)和4)实现将对称封接结构中上下端部金属端盖与弧状对称玻璃法兰支承受力。

实施例5：

1)将金属端盖的封接部件1进行机械净化(如用砂纸擦)、去油、化学清洗，并将金属封接部件表面烘干。

2)将含量为铅56％、铝35％和锡9％的合金焊料制成φ2.5mm的焊料丝，焊料丝过渡环2装好后，使一对弧状对称玻璃法兰3中顶端一侧的金属端盖1与其对应上侧玻璃法兰3定位，玻璃法兰3口径为φ70mm，玻璃法兰3及集热玻璃管4的膨胀系数为3.2×10^-6/℃。

3)金属端盖封接件1和玻璃法兰3定位后，将合金焊料环2在热压封接机中加热到346～347℃，封接温度为合金金属焊料熔点的0.8倍，在金属焊料丝退火温度之内，向端面施加70kg/cm²的冲击压力，冲击时间为1.5min，将对称封接结构中顶端一侧的金属端盖1和玻璃法兰3互相封接在一起。

4)重复步骤2)、3)完成弧状对称封接结构中底端一侧的金属端盖1与其对应下侧玻璃法兰3定位、加热、加压，实现下段封接部件的封接。

5)步骤3)和4)实现将对称封接结构中上下端部金属端盖与弧状对称玻璃法兰支承受力。

上述实施例为本发明的几种具体实施方式，仅用于说明本发明，而非用于限制本发明。

同时，本专利不仅限于真空集热管玻璃与金属实现真空封接，也同样适用于化工、环保等其它行业中封接成品率较低的金属与玻璃制品同类容器的封接工艺。

Claims (4)

1.一种集热管玻璃——金属的封接双口热压封接的方法，其特征是：金属端盖与玻璃管封接处的上下端部采用2个弧状对称玻璃法兰支承受力；封接温度为合金金属焊料熔点的0.7～0.9倍，焊接时施加的冲击压力为70～200kg/cm²，作用时间为0.5s～1.5min；集热玻璃管的膨胀系数为(3.2～3.4)×10^-6/℃；采用铅、铝和锡熔合而成的合金焊料；合金焊料的含量为：铅48％～55％、铝35％～42％、锡8％～10％；合金焊料的直径为φ1.0～φ2.5mm。

2.如权利要求1所述的集热管玻璃——金属的封接双口热压封接的方法，其特征在于所述的合金焊料的含量为铅50％，铝40％，锡10％。

3.如权利要求1或2所述的集热管玻璃——金属的封接双口热压封接的方法，其特征在于所属的金属端盖封接件采用膨胀系数与玻璃管膨胀系数相接近的铁-镍合金或低膨胀可伐合金。

4.如权利要求1或2所述的集热管玻璃——金属的封接双口热压封接的方法，其特征在于在对金属封接部位进行加热加压前，应先将金属封接部件进行去油、化学清洗去污，并将其表面进行烘干。

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