CN102219400B - 不锈钢管制件与玻璃管封接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明所公开的是一种不锈钢管制件与玻璃管封接的方法，以其工艺过程包括不锈钢管制件和玻璃管的预处理，制备玻璃管圆锥体，制备与不锈钢管制件的薄壁圆锥体末端的内外壁紧粘的玻璃接头，将玻璃管与玻璃接头焊封连接在一起，和进行退火处理步骤为主要特征，具有工艺合理，工艺成本低，封接质量好，无环境污染和制成品工作可靠等特点。

Description

不锈钢管制件与玻璃管封接的方法

技术领域

本发明涉及一种不锈钢管制件与玻璃管封接的方法，具体涉及一种主要用于槽式太阳能热发电集热器集热管的不锈钢内管与玻璃外管封接的方法。属于太阳能利用装备制造技术。

背景技术

本发明所述不锈钢管制件，是不锈钢内管与玻璃外管组装成集热管的中间连接件。

玻璃与金属封接的已有技术有两种类型，其中的一种是匹配封接。它是采用可伐合金（4J29）作为过渡件将玻璃与金属封接起来。由于可伐合金的膨胀系数较接近于硅硼玻璃，因而其焊接性能和工作可靠性好，但可伐合金的价格十分昂贵，因而其制备成本很高。另一种是非匹配封接。如无线电发射管的铜丝（α＝17.8×10^-6/℃）与硬质玻璃（α＝3.6×10^-6/℃）直接封接；高压泵灯的内管石英玻璃（α＝0.55×10^-6/℃）与铂箔（α＝9.3×10^-6/℃）的封接，都属于非匹配封接。

不锈钢（α＝16×10^-6/℃）与硅硼玻璃（α＝3.3×10^-6/℃）的封接，由于两者的膨胀系数（α）差别很大，且其制成品工作环境温度变化也很显著，因而，目前用于太阳能集热器的集热管的不锈钢内管与玻璃外管封接的已有技术是，采用可伐合金内管，通过几种不同的过渡玻璃，依次一段接着一段封接，最后一段过渡玻璃与可伐合金的膨胀系数相接近而实现匹配封接。这种方法制造的集热管玻璃外管的封接部位，由好几道过渡玻璃段组成，不仅其外观差，而且其制造费时费料，加之可伐合金的机械物理性能不及不锈钢，且其价格是不锈钢的好几倍，因而其生产成本过高，尤其是各道过渡玻璃段之间，长期在热应力作用下容易破损，因而其工作可靠性差。

发明内容

本发明旨在提供一种工艺步骤合理，工艺成本相对较低，封接质量可靠的不锈钢管制件与玻璃管封接的方法，以克服已有技术的诸多不足。

本发明实现其目的技术构想，一是采用膨胀系数相对接近的316L不锈钢管制件与硅硼玻璃3.3玻璃管作为本发明封接对象；二是将所述不锈钢管制件的封接端加工成薄壁圆锥体，实施薄壁封接；且在符合所述不锈钢管工作性能要求的前提下，将所述薄壁圆锥体的壁厚做得相当薄，（例如0.15~0.2mm），即作成有一定坡度的刀口型，然后与玻璃管封接。这种方法可充分利用金属的塑性变形来松弛应力，从而实现非匹配封接；三是采用玻璃车床作为本发明的加工设备。在具体加工过程中，先在不锈钢管制件的薄壁圆锥体内外壁末端形成一道与所述薄壁圆锥体紧粘的玻璃接头，然后再将所述玻璃管与玻璃接头焊封连接成一体，从而实现本发明的目的。

应当说明的是，本发明所用的硅硼玻璃3.3，是一种广泛用于全玻璃真空集热管的玻璃管。它具有优良的耐热性和耐久性，是一种低膨胀率，耐高温、高强度、高硬度、高透光率和高化学稳定性的玻璃。而316L不锈钢，它具有很强的物化耐蚀性能，在1600℃以下连续工作，有很好的抗氧化性能。基于以上原因，本发明优选硅硼玻璃3.3玻璃管，作为用于槽式太阳能热发电集热器的集热管的外管，优选与所述玻璃管外管封接的316L不锈钢管制件，作为与不锈钢内管的组装连接件。由此构成所述集热器的集热管（如附图7所示）。

基于上述技术构想和相关认知，本发明实现其目的的技术方案是：

一种不锈钢管制件与玻璃管封接的方法，以封接端呈薄壁圆锥体结构的316L不锈钢管制件和外径大于所述不锈钢管制件的薄壁圆锥体大直径的硅硼玻璃3.3的玻璃管为封接对象，以玻璃车床为加工设备，其创新点在于，所述封接方法依次包括如下步骤：

一是分别对封接对象进行预处理；对所述不锈钢管制件依次实施清洁烘干处理、烧氢处理和预氧化处理，以及对所述玻璃管实施清洁烘干处理；

二是将经步骤一处理过的所述玻璃管夹持在玻璃车床的旋转夹头上实施旋转加热，通过旋转加热使所述玻璃管封接端缩径成可插入所述不锈钢管制件薄壁圆锥体内的玻璃管圆锥体；

三是将经步骤一处理过的所述不锈钢管制件夹紧在与步骤二同一台玻璃车床的移动夹头上，并对其薄壁圆锥体实施旋转加热，待所述薄壁圆锥体加热呈赤红色，然后推进移动夹头，使已被加热软化的所述玻璃管的玻璃管圆锥体，插入已被加热呈赤红色的所述不锈钢管制件的薄壁圆锥体内；

四是通过玻璃车床，令所述不锈钢管制件和玻璃管一起高速旋转，在离心力的作用下，已被加热软化的所述玻璃管的玻璃管圆锥体，与所述不锈钢管制件的薄壁圆锥体的内壁紧粘在一起；

五是降低玻璃车床的转速，通过调控加热火头和吹气大小，令已被加热软化的所述玻璃管的玻璃，在所述不锈钢管制件的薄壁圆锥体的末端形成一玻璃突缘，然后再用工具将所述玻璃突缘复贴在所述薄壁圆锥体的外壁上形成玻璃接头，且所述玻璃管与玻璃接头分离，而使所述不锈钢管制件的薄壁圆锥体的末端带有玻璃接头；

六是将所述不锈钢管制件所带的玻璃接头，与玻璃管焊封连接起来；

七是所述不锈钢制件与玻璃管焊封连接成一体后，实施退火处理。

由以上所给出的技术方案结合本发明实现其目的的技术构想可以明了，本发明的工艺步骤合理，工艺方法可行，工艺成本相对较低，封接质量好，制成品工作可靠和无环境污染等特点，是显而易见的。

在上述技术方案中，本发明主张，所述不锈钢管制件的烧氢处理，是在烧氢炉中进行的，其温度控制在1020~1075℃范围内，时间控制在20~30min范围内，所用的氢为湿氢。但不局限于此。通过烧氢处理的不锈钢管制件，可去除材料中的杂质和气体，尤其是氧和碳一类的化合物。经烧氢处理后的不锈钢管制件，与玻璃管的封接面光滑、透明，结合牢固，气密性好。

在上述技术方案中，本发明主张所述不锈钢管制件的预氧化处理，是在氧化炉内氮基气氛中加入0.5~1.5%的H₂O和0.3~0.5%的H₂的气氛中进行的，其温度控制在980~1020℃范围内，时间控制在10~15min范围内；通过所述预氧化处理所形成的氧化膜的厚度在0.8~1.5μm范围内。但不局限于此。不锈钢管制件薄壁圆锥体的氧化状况，对金属与玻璃的封接至关重要。氧化程度要掌握适中，既不能过分，也不能不足，以谋求不锈钢与玻璃两者间良好的润湿性，形成两者的良好封接。当然氧化膜的厚度也应当适中，过厚则质地疏松，封接强度低，甚至膜内龟裂，导致慢性漏气；过薄则封接强度不高，同样会造成漏气。而所述的预氧化，是指通过氧化处理形成Cr₂O₃膜。而Cr₂O₃膜的粘附性和稳定性以及气密性都很高，封接十分牢固可靠。

在上述技术方案中，本发明还主张，所述薄壁圆锥体大直径端口的壁厚，在0.15~0.2mm范围内。但不局限于此。所述薄壁厚度应当慎重掌握。合理的所述薄壁厚度，可使其具有良好的塑性变形能力，以用来松驰由于金属与玻璃两者膨胀系数不同所产生的应力，使本发明的制成品工作可靠性得以进一步提升。

附图说明

图1是本发明一种具体实施方式的不锈钢管制件1的结构示意图；

图2是将本发明所包括的不锈钢管制件1和玻璃管2装夹在玻璃车床上的状态参考图；

图3是将玻璃管2通过旋转加热，使其形成玻璃管圆锥体2-1的状态参考图；

图4是将玻璃管圆锥体2-1插入不锈钢管制件1的薄壁圆锥体1-1内且两者紧粘在一起的状态参考图；

图5是玻璃管2的末端通过加工在所述不锈钢管制件1的薄壁圆锥体1-1的末端端口形成玻璃接头2-3，且玻璃管2与玻璃接头2-3分离的状态参考图；

图6是所述玻璃接头2-3与玻璃管2焊封连接的状态参考图；

图7是采用本发明制备的不锈钢管制件1与玻璃管外管2封接后，与不锈钢内管3组装成集热管的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式，请读附图1~6。

一种不锈钢管与玻璃管封接的方法，以封接端呈薄壁圆锥体结构1-1的316L不锈钢管制件1（如附图1所示），和外径大于所述不锈钢管制件1的薄壁圆锥体1-1的大直径1~2mm的硅硼玻璃3.3的玻璃管2为封接对象，以玻璃车床为加工设备，所述封接方法依次包括如下步骤：

一是分别对封接对象进行预处理；对所述不锈钢管制件1依次实施清洁烘干处理、烧氢处理和预氧化处理，以及对所述玻璃管实施清洁烘干处理；

二是将经步骤一处理过的所述玻璃管2夹持在玻璃车床的旋转夹头上实施旋转加热，通过旋转加热使所述玻璃管2封接端缩径成可插入所述不锈钢管制件1薄壁圆锥体1-1内的玻璃管圆锥体2-1（如附图3所示）；

三是将经步骤一处理过的所述不锈钢管制件1夹紧在与步骤二同一台玻璃车床的移动夹头上，并对其薄壁圆锥体1-1实施旋转加热，待所述薄壁圆锥体1-1加热呈赤红色，然后推进移动夹头，使已被加热软化的所述玻璃管2的玻璃管圆锥体2-1，插入已被加热呈赤红色的所述不锈钢管制件1的薄壁圆锥体1-1内（如附图4所示）；

四是通过玻璃车床，令所述不锈钢管制件1和玻璃管2一起高速旋转，在离心力的作用下，已被加热软化的所述玻璃管2的玻璃管圆锥体2-1，与所述不锈钢管制件1的薄壁圆锥体1-1的内壁紧粘在一起（如附图4所示）；

五是降低玻璃车床的转速，通过调控加热火头和吹气大小，令已被加热软化的所述玻璃管2的玻璃，在所述不锈钢管制件1的薄壁圆锥体1-1的末端形成一玻璃突缘（图中未画出），然后再用工具将所述玻璃突缘复贴在所述薄壁圆锥体1-1的外壁上，形成与薄壁圆锥体1-1末端内外壁紧粘在一起的玻璃接头2-3，且所述玻璃管2与玻璃接头2-3分离，而使所述不锈钢管制件1的薄壁圆锥体1-1的末端带有玻璃接头2-3（如附图5所示）；

六是将所述不锈钢管制件1所带的玻璃接头2-3，与玻璃管2焊封连接起来（如附图6所示）；

七是所述不锈钢制件1与玻璃管2焊封连接成一体后，立即实施退火处理。

所述不锈钢管制件1的烧氢处理，是在烧氢炉中进行的，其温度控制在1020~1075℃范围内，时间控制在20~30min范围内，所用的氢为湿氢。所述不锈钢管制件的预氧化处理，是在氧化炉内氮基气氛中加入0.5~1.5%的H₂O和0.3~0.5%的H₂的气氛中进行的，其温度控制在980~1020℃范围内，时间控制在10~15min范围内；通过所述预氧化处理所形成的氧化膜的厚度在0.8~1.5μm范围内。所述薄壁圆锥体（1-1）大直径端口的壁厚，在0.15~0.2mm范围内。

在上述具体实施方式中，所述玻璃接头2-3复贴在不锈钢制件1的薄壁圆锥体1-1外壁上的长度，要短于复贴在内壁上的长度，使冷却后玻璃承受压应力，而不致脱离不锈钢管制件1；外壁玻璃还能起到保护薄壁圆锥体1-1的金属薄边，免受机械擦伤及防止高压击穿。

在上述具体实施方式中，所述玻璃管的加热方式和加热温度以及旋转速度，按照通常玻璃的加热方式和加热温度以及旋转速度进行。其火头大小和吹气量大小的控制以及退火处理，均与常规工艺相同。

本发明初试显示，其效果是很好的。不但封接牢固可靠，质量好，而且生产效率也很高，每小时可制备2~3个本发明的制成品。

本发明的应用范围，不受本说明描述的限制。

Claims (4)

1.一种不锈钢管制件与玻璃管封接的方法，以封接端呈薄壁圆锥体结构（1-1）的316L不锈钢管制件（1）和外径大于所述不锈钢管制件（1）的薄壁圆锥体（1-1）大直径的热膨胀系数为3.3×10^-6/℃的硅硼玻璃的玻璃管（2）为封接对象，以玻璃车床为加工设备，其特征在于，所述封接方法依次包括如下步骤：

一是分别对封接对象进行预处理；对所述不锈钢管制件（1）依次实施清洁烘干处理、烧氢处理和预氧化处理，以及对所述玻璃管实施清洁烘干处理；

二是将经步骤一处理过的所述玻璃管（2）夹持在玻璃车床的旋转夹头上实施旋转加热，通过旋转加热使所述玻璃管（2）封接端缩径成可插入所述不锈钢管制件（1）薄壁圆锥体（1-1）内的玻璃管圆锥体（2-1）；

三是将经步骤一处理过的所述不锈钢管制件（1）夹紧在与步骤二同一台玻璃车床的移动夹头上，并对其薄壁圆锥体（1-1）实施旋转加热，待所述薄壁圆锥体（1-1）加热呈赤红色，然后推进移动夹头，使已被加热软化的所述玻璃管（2）的玻璃管圆锥体（2-1），插入已被加热呈赤红色的所述不锈钢管制件（1）的薄壁圆锥体（1-1）内；

四是通过玻璃车床，令所述不锈钢管制件（1）和玻璃管（2）一起高速旋转，在离心力的作用下，已被加热软化的所述玻璃管（2）的玻璃管圆锥体（2-1），与所述不锈钢管制件（1）的薄壁圆锥体（1-1）的内壁紧粘在一起；

五是降低玻璃车床的转速，通过调控加热火头和吹气大小，令已被加热软化的所述玻璃管（2）的玻璃，在所述不锈钢管制件（1）的薄壁圆锥体（1-1）的末端形成一玻璃突缘，然后再用工具将所述玻璃突缘复贴在所述薄壁圆锥体（1-1）的外壁上形成玻璃接头（2-3），且所述玻璃管（2）与玻璃接头（2-3）分离，而使所述不锈钢管制件（1）的薄壁圆锥体（1-1）的末端带有玻璃接头（2-3）；

六是将所述不锈钢管制件（1）所带的玻璃接头（2-3），与玻璃管（2）焊封连接起来；

七是所述不锈钢制件（1）与玻璃管（2）焊封连接成一体后，实施退火处理。

2.根据权利要求1所述的不锈钢管制件与玻璃管封接的方法，其特征在于，所述不锈钢管制件（1）的烧氢处理，是在烧氢炉中进行的，其温度控制在1020~1075℃范围内，时间控制在20~30min范围内，所用的氢为湿氢。

3.根据权利要求1所述的不锈钢管制件与玻璃管封接的方法，其特征在于，所述的不锈钢管制件（1）预氧化处理，是在氧化炉内氮基气氛中加入0.5~1.5%的H₂O和0.3~0.5%的H₂的气氛中进行的，其温度控制在980~1020℃范围内，时间控制在10~15min范围内；通过所述预氧化处理所形成的氧化膜的厚度在0.8~1.5μm范围内。

4.根据权利要求1所述的不锈钢管制件与玻璃管封接的方法，其特征在于，所述薄壁圆锥体（1-1）大直径端口的壁厚，在0.15~0.2mm范围内。

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