CN103145350B - 一种金属与玻璃封接装置及其封接方法 - Google Patents

Abstract

一种金属与玻璃封接装置及其封接方法，包括底座（1）、工作平台（2）、立柱（3）、丝杠（10）、同步转轴（4）、上卡具（7）、下卡具（6）、上同轴定位装置（13）、下同轴定位装置（12）、移动定位装置（8）、加热火头（11）、上电机驱动装置（9），以及下电机驱动装置（5）。移动定位装置（8）沿所述立柱（3）上下移动定位，控制夹持玻璃管的上夹具（7）在竖直方向移动、定位。所述上卡具（7）与下卡具（6）可实现同步、同轴旋转。上、下同轴定位装置具有弹簧伸缩装置（17）和转动轮（16）；加热火头（11）装有至少2个喷嘴，且呈环形布置。本发明金属与玻璃封接方法利用玻璃软化后的重力作用，使软化的玻璃在金属壁面上快速形成双面封接。

Description

一种金属与玻璃封接装置及其封接方法

技术领域

本发明涉及一种用于高温太阳能真空集热管的金属与玻璃封接装置及其封接方法。

背景技术

高温太阳能真空集热管一般用于槽式太阳能热发电系统中，通过可跟踪太阳的抛物面反射镜将入射光线聚焦到该集热管上，集热管吸收太阳光加热管内工质，从而产生高温蒸汽。高温太阳能真空集热管一般包括带有选择性吸收辐射涂层的金属内管和环绕在金属内管外的玻璃管，由于玻璃管和金属内管间膨胀系数不同和工作温度不同，玻璃管和金属内管之间通过位于两端的波纹管缓解两者的轴向膨胀差。为了减少热损失和防止选择性吸收膜氧化，在玻璃管与金属内管之间需要抽真空，因此在波纹管与玻璃管之间具有最关键的玻璃与金属封接环节。该集热管一般长4米左右，金属内管外径在70mm左右，玻璃管外径在115-125mm，集热管长期运行温度在300℃以上，并且处在野外严酷的环境中，对玻璃的透光率、耐热、耐水、耐酸和耐碱性要求较高，同时该玻璃必须与金属能够形成可靠的封接，不仅要满足真空和高温的要求，而且能够承受温度的频繁交变。因此金属与玻璃封接必须保证封接抗拉强度和使用寿命。

CN100513926C的发明专利提出了一种高温太阳能集热管及其制造工艺，该集热管采用膨胀系数比较接近的DM308玻璃与可伐合金进行匹配封接。但是DM308玻璃耐水性较差，且不宜大规模制造，对于直通式太阳能集热管中近4米长的玻璃管来说，只能采用一部分该种玻璃，然后利用多段过渡玻璃封接的方法将短的DM308玻璃管与长的高硼硅玻璃管封接起来，实现4米长玻璃外管制作。但该种方法由于过渡玻璃接缝较多，封接工艺较为复杂，且过渡玻璃不耐酸碱腐蚀，生产效率较低，大规模工业化生产受到限制。

目前集热管中普遍采用高硼硅玻璃（Pyrex玻璃），其膨胀系数为3.3×10^-6/K,由于其具有优异的耐冷热冲击性能、高透光性能及高耐水性能，是集热管中最理想的玻璃。但没有与高硼硅膨胀系数较为接近的金属，一般采用将不锈钢加工成薄壁刀口状，利用薄壁刀口变形缓解封接应力。如美国专利US6324870中提出一种采用高硼硅玻璃（Pyrex玻璃）与膨胀系数为17×10^-6/K的不锈钢进行非匹配封接的方法，将高膨胀系数的不锈钢加工成非常薄的尖口（小于0.1mm），然后在玻璃车床上加热与高硼硅玻璃进行热熔封，通过薄壁的不锈钢弹塑性变形缓解封接后的热应力，但该技术要求玻璃操作工人必须有较高的技术水平和操作经验，先将玻璃烧在金属的外壁，然后再烧在内壁，但是在操作中由于金属太薄，高温下极易发生变形和褶皱，难以形成较好的封接。

CN101602579A发明专利提出一种金属—玻璃型太阳能真空集热管的热熔封工艺，采用高频电磁感应加热方法实现了玻璃与金属的热熔封接，该封接方式在进行软化温度较低的玻璃与金属封接时效果较好，但是对于软化温度较高的玻璃如高硼硅玻璃，由于金属与玻璃接触的面积较小，单纯依靠金属端部向玻璃的导热使得玻璃软化或熔融时间过长，甚至出现金属温度已经达到高温极限而玻璃温度没有达到熔融状态的问题，因此对于软化温度高的玻璃难以有效的封接。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种应用于高温太阳能真空集热管的玻璃与金属封接装置及其封接方法。本发明能够实现玻璃与金属的快速封接，装置和封接工艺简单，显著降低劳动强度，不依靠人工操作经验，便于实现自动化封接，特别适宜应用在非匹配封接中。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种金属与玻璃封接装置，包括底座、工作平台、立柱、同步转轴、上卡具、下卡具、上同轴定位装置、下同轴定位装置、移动定位装置、丝杠、加热火头、上电机驱动装置，以及下电机驱动装置。

所述的工作平台固定在底座上面，所述的下卡具固定在工作平台上面。所述的上卡具固定在移动定位装置上。所述的同步转轴的下端与安装在工作平台下部的下电机驱动装置连接，同步转轴的上端与移动定位装置连接；下电机驱动装置驱动同步转轴带动所述上卡具与下卡具实现同步、同轴旋转，且旋转的转速需控制在10-200转/分钟之内。

所述的立柱和丝杠均竖直的固定在工作平台上，所述的上电机驱动装置安装在立柱的顶部，所述的丝杠下端安装在工作平台上，丝杠的上端与上电机驱动装置连接，所述的移动定位装置套装在立柱和丝杠上，所述上电机驱动装置通过丝杠控制移动定位装置沿所述的立柱上下移动，从而控制夹持玻璃管的上夹具能够精确地在竖直方向上下移动、定位。

所述的上同轴定位装置和下同轴定位装置位于下卡具的同一侧且均固定在工作平台上，上同轴定位装置位于下同轴定位装置的上方。所述的上同轴定位装置和下同轴定位装置均装有弹簧伸缩装置和转动轮，两个所述的弹簧伸缩装置分别位于上同轴定位装置和下同轴定位装置的中部，控制转动轮的伸缩移动；两个所述的转动轮分别位于上同轴定位装置和下同轴定位装置的端部。其中上同轴定位装置通过转动轮接触玻璃管并随玻璃管转动，上同轴定位装置的弹簧伸缩装置控制玻璃管同轴旋转对正。下同轴定位装置同样通过转动轮接触金属环并随金属环转动，下同轴定位装置的弹簧伸缩装置控制金属环同轴旋转对正。所述的上同轴定位装置和下同轴定位装置在高度方向的距离至少为10mm，用于控制玻璃与金属封接处保持均匀、对正。

所述加热火头固定在工作平台上，位于下卡具的另一侧。加热火头的上方装有挡火板，加热火头的端部按抓安装有喷嘴，挡火板从竖直方向距离喷嘴中心线至少20mm，防止火焰向上烧到上夹具。所述的加热火头根据加热的玻璃管壁厚和直径确定喷嘴个数，在加热火头的端部至少有2个喷嘴，多个喷嘴且呈环形布置，以保证均匀加热。

本发明的金属与玻璃封接方法包括如下步骤：

（1）将用于封接的金属环固定在下卡具上；

（2）将玻璃管固定在上卡具上；

（3）开启上电机驱动装置，控制所述的移动定位装置通过丝杠沿立柱向下移动，将固定在上卡具上的玻璃管与金属环接触并对正，然后开启下电机驱动装置，将玻璃管与金属环同步、同轴旋转；

（4）打开加热火头开始预热，控制玻璃管的温度为200-700℃。同时通过上同轴定位装置和下同轴定位装置的转动轮分别控制玻璃管和金属环同轴旋转对正；进一步提高加热火头温度，控制金属环加热温度在850-1050℃。待玻璃管的下端面与金属环接触部分软化或熔融后，上电机驱动装置控制移动定位装置将玻璃管缓慢向下移动，使金属环的端部压入到玻璃管的壁面内，形成双面封接；

（5）进行退火，控制加热火头的温度，使金属环加热温度在500-600℃，维持3-30分钟，然后缓慢降温，完成玻璃与金属封接。

在上述玻璃与金属封接方法中，所述的玻璃管直径一般为80-140mm，壁厚为2-4mm。金属环在与玻璃管封接的区域加工出薄壁刀口，其顶端壁厚为0.03-1mm，在进行封接过程中要控制玻璃的软化程度，较硬薄壁刀口在插入玻璃壁中时易于出现褶皱，过软玻璃易于产生流动，玻璃珠宽度不均匀。金属环要求插入玻璃管壁内的长度为2-10mm。

本发明与现有高频电磁感应加热设备封接技术相比，可以同时加热玻璃管和金属环，特别适宜应用到金属环为薄壁刀口时，由于高频加热设备是单纯依靠金属端部向玻璃的导热的，薄壁刀口与玻璃接触面积小，难以加热玻璃。另外，本发明合理的利用了玻璃软化后重力作用，使软化的玻璃在金属壁面上形成较好的封接结构。

附图说明

图1为本发明金属与玻璃封接装置结构示意图；

图2为本发明所涉及的金属与玻璃封接装置结构俯视图；

图3为本发明的玻璃管与具有薄壁刀口的金属环封接示意图；

图中：1底座、2工作平台、3立柱、4同步转轴、5下电机驱动装置、6下卡具、7上卡具、8移动定位装置、9上电机驱动装置、10丝杠、11加热火头、12下同轴定位装置、13上同轴定位装置、14挡火板、15喷嘴、16转动轮、17弹簧伸缩装置、18金属环、19薄壁刀口、20玻璃管。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1和图2所示，本发明金属与玻璃封接装置包括底座1、工作平台2、立柱3、同步转轴4、下电机驱动装置5、上电机驱动装置9、上夹具7、下夹具6，移动定位装置8、丝杠10、加热火头11、下同轴定位装置12以及上同轴定位装置13。工作平台2固定在底座1上面；下卡具6固定在工作平台2上面，上卡具7固定在移动定位装置8上。同步转轴4的下端与安装在工作平台2下部的下电机驱动装置5连接，同步转轴4的上端与移动定位装置8连接，并通过下电机驱动装置5驱动同步转轴4带动上卡具7与下卡具实现同步、同轴旋转。立柱3和丝杠10均竖直的固定在工作平台2上。上电机驱动装置9安装在立柱3的顶部，丝杠10的下端安装在工作平台2上，丝杠10的上端与上电机驱动装置9连接。移动定位装置8套装在立柱3和丝杠10上，上电机驱动装置9通过丝杠10控制移动定位装置8沿所述立柱3上下移动定位。上同轴定位装置13、下同轴定位装置12及加热火头11位于下卡具6的两侧且均固定在工作平台2上。上同轴定位装置13和下同轴定位装置12位于工作平台2的同一侧，上同轴定位装置13位于下同轴定位装置12的上方。加热火头11位于下卡具6的另一侧，加热火头11装有喷嘴15和档火板14，喷嘴15位于加热火头11的端部，档火板14位于加热火头11的上方。下同轴定位装置12和上同轴定位装置13的端部均装有转动轮16，下同轴定位装置12和上同轴定位装置13的中部均装有弹簧伸缩装置17弹簧伸缩装置17控制转动轮16伸缩移动。

图3以剖面图示出玻璃管20与金属环18封接结构，金属环18具有薄壁刀口19，封接后，薄壁刀口19的双面均有玻璃。

以下为采用本发明装置的封接方法的实施例。

实施例1

本实施例中玻璃与金属封接方法为：首先将内径为116mm、壁厚1mm的金属环18的封接区域预先加工出长为15mm的薄壁刀口19，薄壁刀口19顶端壁厚为0.03mm，锥度1°，然后将金属环18固定在下卡具6上。将直径为120mm、壁厚为3mm玻璃管20固定在上卡具7上。开启上电机驱动装置9，通过丝杠10控制移动定位装置8沿立柱3将玻璃管20向下移动与金属环18接触对正；打开下电机驱动装置5，将玻璃管20与金属环18同步、同轴旋转，转速为20转/分钟。打开具有6个喷头15的加热火头11开始预热，控制玻璃管20的温度为500℃，同时调整上同轴定位装置13和下同轴定位装置12的距离控制在20mm。上、下同轴定位装置的转动轮16分别接触玻璃管20和金属环18，并随玻璃管20、金属环18转动，控制玻璃管20和金属环18同轴旋转对正后，进一步提高加热火头温度，控制金属环18加热温度在950℃，待玻璃管20下端面与金属环18接触部分软化或熔融后，上电机驱动装置9控制移动定位装置8将玻璃管20缓慢向下移动，使金属环18端部压入到玻璃管20的壁面内，压入深度控制在6mm，形成双面封接；然后进行退火，控制加热火头11的温度，使金属环18加热温度在600℃，维持30分钟，然后缓慢降温，完成玻璃与金属封接。

实施例2：

本实施例中玻璃与金属封接方法为：首先将内径为96mm、壁厚0.8mm的金属环18固定在下卡具6上；外径直径为100mm、壁厚为2.5mm玻璃管20固定在上卡具7上。开启上电机驱动装置9，通过丝杠10控制移动定位装置8沿立柱3将玻璃管20向下移动与金属环18接触对正。打开下电机驱动装置5，将玻璃管20与金属环18同步、同轴旋转，转速为80转/分钟。打开具有2个喷头15的加热火头11开始预热，控制玻璃管20的温度为300℃，同时调整上同轴定位装置13和下同轴定位装置12的距离控制在15mm，上、下同轴定位装置的转动轮16分别接触玻璃管20和金属环18，并随玻璃管20、金属环18转动，控制玻璃管20和金属环18同轴旋转对正后，进一步提高火头温度，控制金属环18加热温度在900℃，待玻璃管20下端面与金属环18接触部分软化或熔融后，控制移动定位装置8将玻璃管20缓慢向下移动，使金属环18端部压入到玻璃管20壁面内，压入深度控制在5mm，形成双面封接；然后进行退火，控制加热火头11的温度，使金属环18加热温度在560℃，维持20分钟，然后缓慢降温，完成玻璃与金属封接。

Claims (10)

1.一种金属与玻璃封接装置，其特征在于：所述的封接装置包括底座(1)、工作平台(2)、立柱(3)、同步转轴(4)、下电机驱动装置(5)、下卡具(6)、上卡具(7)、移动定位装置(8)、上电机驱动装置(9)、丝杠(10)、加热火头(11)、下同轴定位装置(12)，以及上同轴定位装置(13)；所述的工作平台(2)固定在底座(1)上面；所述的下卡具(6)固定在工作平台(2)上面；所述的上卡具(7)固定在移动定位装置(8)上；所述的同步转轴(4)的下端与安装在工作平台(2)下部的下电机驱动装置(5)连接，同步转轴(4)的上端与移动定位装置(8)连接，同步转轴(4)由下电机驱动装置(5)驱动，带动所述上卡具(7)与下卡具(6)实现同步、同轴旋转；所述的立柱(3)和丝杠均竖直地固定在工作平台(2)上；所述的上电机驱动装置(9)安装在立柱(3)的顶部；所述的丝杠(10)下端安装在工作平台(2)上，丝杠(10)的上端与上电机驱动装置(9)连接，所述移动定位装置(8)套装在立柱(3)和丝杠(10)上；所述的上电机驱动装置(9)通过丝杠(10)控制移动定位装置(8)沿所述立柱(3)上下移动定位；所述上同轴定位装置(13)、下同轴定位装置(12)及加热火头(11)位于下卡具(6)的两侧且均固定在工作平台(2)上；上同轴定位装置(13)和下同轴定位装置(12)位于工作平台(2)的同一侧，上同轴定位装置(13)位于下同轴定位装置(12)的上方。

2.根据权利要求1所述的金属与玻璃封接装置，其特征在于，所述的上卡具(7)与下卡具(6)同轴旋转的转速为10-200转/分钟。

3.根据权利要求1所述的金属与玻璃封接装置，其特征在于，所述的上同轴定位装置(13)和下同轴定位装置(12)均装有弹簧伸缩装置(17)和转动轮(16)，两个所述的弹簧伸缩装置(17)分别位于上同轴定位装置(13)和下同轴定位装置(12)的中部，控制转动轮(16)伸缩；两个所述的转动轮(16)分别位于上同轴定位装置(13)和下同轴定位装置(12)的端部。

4.根据权利要求1所述的金属与玻璃封接装置，其特征在于，所述的加热火头(11)端部具有至少2个喷嘴(15)，至少2个的喷嘴(15)呈环形布置。

5.根据权利要求4所述的金属与玻璃封接装置，其特征在于，所述的加热火头(11)正上方装有挡火板(14)，所述挡火板(14)从竖直方向距离喷嘴(15)中心线至少20mm。

6.根据权利要求1所述的金属与玻璃封接装置，其特征在于，所述的上同轴定位装置(13)和下同轴定位装置(12)在高度方向的距离至少为10mm。

7.一种采用权利要求1所述的金属与玻璃封接装置的金属与玻璃封接方法，其特征在于所述的封接方法包括如下步骤：

(1)将用于封接的金属环(18)固定在下卡具(6)上；

(2)将玻璃管(20)固定在上卡具(7)上；

(3)开启上电机驱动装置(9)控制所述的移动定位装置(8)通过丝杠(10)沿立柱(3)向下移动，将固定在上卡具(7)上的玻璃管(20)与金属环(18)接触并对正，然后开启下电机驱动装置(5)，将玻璃管(20)与金属环(18)同步、同轴旋转；

(4)打开加热火头(11)开始预热，控制玻璃管(20)的温度为200-700℃，同时通过上同轴定位装置(13)和下同轴定位装置(12)的转动轮分别控制玻璃管(20)和金属环(18)同轴旋转对正；进一步提高加热火头(11)的温度，控制金属环(18)的温度在850-1050℃；待玻璃管(20)的下端面与金属环(18)接触部分软化或熔融后，上电机驱动装置控制移动定位装置(8)将玻璃管(20)缓慢向下移动，使金属环(18)的端部压入到玻璃管(20)的壁面内，形成双面封接；

(5)进行退火，调节加热火头(11)的温度，使金属环(18)加热温度在500-600℃，维持3-30分钟，然后缓慢降温，完成玻璃与金属封接。

8.根据权利要求7所述的金属与玻璃封接方法，其特征在于，所述的金属环(18)在与玻璃管(20)封接的区域具有薄壁刀口(19)，所述薄壁刀口的顶端壁厚为0.03-1mm。

9.根据权利要7所述的金属与玻璃封接方法，其特征在于，所述的玻璃管(20)直径为80-140mm，壁厚为2-4mm。

10.根据权利要求7所述的金属与玻璃封接方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，金属环(18)插入玻璃管(20)壁内的长度为4-10mm。