CN104051224B - 高温金属封接大功率脉冲氙灯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高温金属封接大功率脉冲氙灯及其制备方法，该大功率脉冲氙灯是由灯管和灯管两端完全相同的灯头构成。该氙灯采用高温金属封接制备。本发明大功率脉冲氙灯具有高可靠性、高强度、过电流密度大的特点。

Description

高温金属封接大功率脉冲氙灯及其制备方法

技术领域

本发明涉及脉冲氙灯，特别是一种高温金属封接大功率脉冲氙灯及其制备方法。

背景技术

脉冲氙灯的封接技术有多种，但大功率脉冲氙灯的制备封接技术主要分为两类：过渡玻璃封接技术和金属封接技术。

过渡玻璃封接技术主要分为直表式和潜藏式。过渡玻璃的直表式封接方法具有结构简单、承受电流密度好等优点，但存在抗张强度差、易炸灯等缺点。潜藏式过渡玻璃封接方法(上海光学精密机械研究所专利：)有许多优点：气密性好、过电流密度大、稳定性好、强度较高，使用此方法研制的大功率脉冲氙灯大量运用在神光系列大功率激光装置上，但此方法存在制备过程过于依赖于制造人员的技术水平，产品一致性和可靠性难以保证等缺点，不适应产品的标准化和批量化生产。

金属封接技术主要也分为两种：低温封接技术和高温封接技术。脉冲氙灯的低温封接技术多采用铅、铟等低温焊料将金属与石英玻璃进行封接，但由于低温焊料熔点低、与玻璃之间主要为物理结合等原因，易慢漏气，造成氙灯的总体性能差，寿命短。目前在激光装置上已经不大使用了。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温金属封接大功率脉冲氙灯及其制备方法。本发明摈弃了过渡玻璃封接技术而采用高温封接技术将金属与石英玻璃进行封接制备出大功率脉冲氙灯，本发明高温金属封接大功率脉冲氙灯具有电极强度高、气密性好、可靠性高，承受电流密度大等优点，由于封接工艺参数采用设备控制，对于标准化批量生产大功率脉冲氙灯产品提供了保证。

本发明的技术解决方案如下：

一种高温金属封接大功率脉冲氙灯，包括灯管和灯管两端对称分布的结构完全相同的灯头，其特点在于所述的灯头包括带引出线的金属封接过渡环、电极、保护套、陶瓷环和金属套筒，所述的金属封接过渡环包括电极引线帽、过渡环、金属薄壁套筒和石英接管，在所述的石英接管一端外套设所述的金属薄壁套筒，电极引线帽与过渡环之间采用激光焊接，过渡环、金属薄壁套筒和石英接管采用钎焊封接，焊料为Ag基焊料，所述的电极引线帽经导线连接件与所述的引出线相连接，所述的石英接管的另一端与所述的灯管一端的尾管相接，所述的电极穿过所述的石英接管与所述的电极引线帽相连接，在所述的金属封接过渡环外依次是所述的保护套、陶瓷环和金属套筒，在所述的金属封接过渡环、保护套、陶瓷套和金属套筒之间有硅胶层，所述的引出线、金属封接过渡环、电极、保护套、陶瓷环和金属套筒与所述的灯管的中心轴同轴，

所述的电极的材料是钨、或其他掺杂稀土材料的钨合金。

上述高温金属封接大功率脉冲氙灯的制备方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①根据需要制备的大功率脉冲氙灯的灯管两端的尾管的尺寸选取一段相匹配的石英管，先对外管壁进行研磨抛光，加工到与所述的尾管相同的尺寸；

②将所述的石英管在浓度为5％的HF溶液中进行清洗，去除杂质，然后进行退火，消除应力；

③在退火后的石英接管一端的外表面进行金属Ti离子注入，使管壁外表面形成一个Ti离子注入层，注入过程中注意将不需要注入的部位进行遮挡；

④在形成Ti离子注入层的部位镀制金属膜层，膜层根据需要选择，但一般最外层选择Ni层；

⑤将镀制了金属层的石英接管的金属层部位与金属薄壁套筒进行配合套封，填装Ag基焊料，同时将所述的金属簿壁套筒与所述的过渡环进行配合对封，配合面放置Ag基焊料，将配合好的石英接管、金属簿壁套筒和过渡环放入真空钎焊炉中进行钎焊，钎焊过程使用工装夹具保证它们之间的同心度，钎焊完成构成金属封接过渡环，炉温冷却后，将所述的金属封接过渡环从炉中取出，检验金属封接过渡环的气密性和强度，满足要求后，备用；

⑥将钨电极进行抛光打磨，清洗干净，烘干备用；

⑦将抛光好的钨电极的电极杆与电极引线帽进行套封装配，同时填充镍基焊料，将装配好的钨电极及电极引线帽放置入钎焊炉进行钎焊，焊接完成后，取出备用；

⑧先将所述的金属封接过渡环的石英接管的自由端与所述的灯管的尾管)进行熔封，再将另一个金属封接过渡环的石英接管的自由端与所述的灯管的另一端进行熔封，熔封过程中在灯管的一端接入排气口；

⑨将焊接有钨电极的电极引线帽与金属封接过渡环上的过渡环采用激光焊接密封；

⑩将两端焊好金属封接过渡环的灯接入排气台上，进行烘烤排气处理，然后按要求的气压充入氙气，完成充气后，揪掉排气口；采用套筒锡焊方式通过导线连接套将引出线与所述的电极引线帽相连，在所述的尾管和金属封接过渡环外，依次套上所述的保护套、陶瓷环和金属套筒，在所述的金属封接过渡环、保护套、陶瓷套和金属套筒之间有硅胶层，完成大功率脉冲氙灯的制作。

所述的石英接管表面的膜层采用金属离子注入、然后镀制金属膜的工艺，离子注入金属选择Ti或其它活性高的金属，金属膜为1层或多层，最外层金属选择Ni金属，金属膜的镀制方法是蒸镀、离子镀或磁控溅射镀。

所述的电极引线帽和过渡环采用不锈钢或其它易于进行激光焊接的材料制成。

所述的电极与所述的电极引线帽的连接方式是钎焊连接，或机械过盈配合+激光焊接的连接。

所述的电极连接帽和过渡环的材料采用不锈钢或其它易于进行激光焊接的材料，电极连接件与过渡环采用激光焊接的方式进行连接。

所述的金属薄壁套筒是一个直径稍大于所述的石英接管0.1～0.5mm的无氧铜簿壁套筒。

本发明的优点是：

(1)金属薄壁套筒与石英接管之间的封接采用了Ti离子注入、金属镀膜加钎焊结合的方式，Ti离子与石英玻璃之间形成了高强度的化学键结合，焊料焊接效果好，提高了脉冲氙灯的机械强度；

(2)本发明采用高温焊料封接石英玻璃与金属电极制作的大功率脉冲氙灯，解决了低温金属封接存在的慢漏气问题；

(3)本发明制作过程中不需要复杂的过渡玻璃吹制过程，组合体的制作大多在机器设备中完成，减少了人为因素的影响，提高了脉冲氙灯的可靠性和一致性；

(4)本发明制作的脉冲氙灯，制作工艺相对简单，生产能力可扩展性强，生产效率高；

(5)本发明制备的脉冲氙灯，电极直接与金属连接，然后通过金属与灯管连接，相对于石英玻璃，金属的延展性更好，弹性模量更小，有助于减少脉冲氙灯破坏，提高脉冲氙灯的抗冲击性能；

附图说明

图1是本发明高温金属封接大功率脉冲氙灯的部分结构示意图

图2是金属封接过渡环T1内部构造示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1和图2，由图可见，本发明高温金属封接大功率脉冲氙灯，包括灯管10和灯管两端对称分布的结构完全相同的灯头D1，所述的灯头D1包括带引出线11的金属封接过渡环T1、电极81、保护套41、陶瓷环61和金属套筒71，所述的金属封接过渡环T1包括电极引线帽31、过渡环2、金属薄壁套筒4和石英接管5，在所述的石英接管5一端外套设所述的金属薄壁套筒4，电极引线帽31与过渡环2之间采用激光焊接，过渡环2、金属薄壁套筒4和石英接管5采用钎焊封接，焊料为Ag基焊料3，所述的电极引线帽31经导线连接件21与所述的引出线11相连接，所述的石英接管5的另一端与所述的灯管10一端的尾管101相接，所述的电极81穿过所述的石英接管5与所述的电极引线帽31相连接，在所述的金属封接过渡环T1外依次是所述的保护套41、陶瓷环61和金属套筒71，在所述的金属封接过渡环T1、保护套41、陶瓷套61和金属套筒71之间有硅胶层51，所述的引出线11、金属封接过渡环T1、电极81、保护套41、陶瓷环61和金属套筒71与所述的灯管10的中心轴同轴，

所述的电极81的材料是钨、或其他掺杂稀土材料的钨合金。

所述的高温金属封接大功率脉冲氙灯的制备方法，该方法包括下列步骤：

①根据需要制备的大功率脉冲氙灯的灯管10两端的尾管101的尺寸选取一段相匹配的石英管5，先对外管壁进行研磨抛光，加工到与所述的尾管101相同的尺寸；

②将所述的石英管5在浓度为5％的HF溶液中进行清洗，去除杂质，然后进行退火，消除应力；

③在退火后的石英接管5一端的外表面进行金属Ti离子注入，使管壁外表面形成一个Ti离子注入层，注入过程中注意将不需要注入的部位进行遮挡；

④在形成Ti离子注入层的部位镀制金属膜层，膜层根据需要选择，但一般最外层选择Ni层；

⑤将镀制了金属层的石英接管5的金属层部位与金属薄壁套筒4进行配合套封，填装Ag基焊料3，同时将所述的金属簿壁套筒4与所述的过渡环2进行配合对封，配合面放置Ag基焊料3，将配合好的石英接管5、金属簿壁套筒4和过渡环2放入真空钎焊炉中进行钎焊，钎焊过程使用工装夹具保证它们之间的同心度，钎焊完成构成金属封接过渡环T1，炉温冷却后，将所述的金属封接过渡环T1从炉中取出，检验金属封接过渡环T1的气密性和强度，满足要求后，备用；

⑥将钨电极81进行抛光打磨，清洗干净，烘干备用；

⑦将抛光好的钨电极81的电极杆与电极引线帽31进行套封装配，同时填充镍基焊料，将装配好的钨电极81及电极引线帽31放置入钎焊炉进行钎焊，焊接完成后，取出备用；

⑧先将所述的金属封接过渡环T1的石英接管5的自由端与所述的灯管10的尾管101进行熔封，再将另一个金属封接过渡环T1的石英接管5的自由端与所述的灯管10的另一端进行熔封，熔封过程中在灯管10的一端接入排气口；

⑨将焊接有钨电极81的电极引线帽31与金属封接过渡环T1上的过渡环2采用激光焊接密封；

⑩将两端焊好金属封接过渡环T1的灯接入排气台上，进行烘烤排气处理，然后按要求的气压充入氙气，完成充气后，揪掉排气口；采用套筒锡焊方式通过导线连接套21将引出线11与所述的电极引线帽31相连，在所述的尾管101和金属封接过渡环T1外，依次套上所述的保护套41、陶瓷环61和金属套筒71，在所述的金属封接过渡环T1、保护套41、陶瓷套61和金属套筒71之间有硅胶层51，完成大功率脉冲氙灯的制作。

所述的石英接管5表面的膜层采用金属离子注入、然后镀制金属膜的工艺，离子注入金属选择Ti或其它活性高的金属，金属膜为1层或多层，最外层金属选择Ni金属，金属膜的镀制方法是蒸镀、离子镀或磁控溅射镀。

所述的电极引线帽31和过渡环2采用不锈钢或其它易于进行激光焊接的材料制成。

所述的电极81与所述的电极引线帽31的连接方式是钎焊连接，或机械过盈配合+激光焊接的连接。

所述的电极连接帽31和过渡环2的材料采用不锈钢或其它易于进行激光焊接的材料，电极连接件31与过渡环2采用激光焊接的方式进行连接。

所述的金属薄壁套筒4是一个直径稍大于所述的石英接管50.1～0.5mm的无氧铜簿壁套筒。

在以下是本发明的一个实施例：

选取外径为Φ22mm长70mm的石英玻璃管5，离子注入层为Ti层，注入完毕后，采用磁控溅射的方法依次在Ti注入层上依次镀制Mo、Ni层，金属簿壁套筒4采用无氧铜，内径为Φ22.04mm，厚度为0.1mm，灯管10采用Φ48mm的掺铈石英管，导线连接帽31和过渡环2采用304不锈钢，电极81为铈钨，电极81与电极引线帽31的焊接采用BNi2焊料进行钎焊连接，电极间距为1800mm，研制出金属封接大功率脉冲氙灯。在氙灯综合考核平台上进行测试，测试条件为主放电回路参数V＝23.5kV，I_max≥25kA，进灯能量为34～40kJ。测试失效率优于十万分之一，达到现有过渡玻璃脉冲氙灯水平。

图1给出的是本发明的高温金属封接大功率脉冲氙灯的结构图。高温金属封接大功率脉冲氙灯是由灯管10和灯管10两端完全相同的灯头D1构成。灯头D1的内部是灯头的金属封接过渡环T1，在金属封接过渡环外端通过导线连接套21与引出导线11连接，金属封接过渡环内部有电极81。金属封接过渡环T1的外部套有保护套41，保护套的外部有陶瓷套61，最外部是金属套71。在各个套之间采用环氧胶51进行填充，以强化电场绝缘强度。

所述的金属封接过渡环T1内部构造在图2表示，石英接管5的一端与灯管10延续的尾管101封接，另一端通过电极引线帽31、导线连接套21与引出线11连接。金属封接过渡环T1是一个石英接管5一端镀制有一层长为L0的金属膜层，外面焊接一个无氧铜簿壁套筒4，端面焊有一个过渡环2，三者之间采用钎焊方法密封焊，填料是Ag基焊料3。

电极81与电极引线帽31焊接而成。由于大功率脉冲氙灯瞬态脉冲电流高达数千安培，故不采用机械连接方式，采用钎焊连接或过盈机械配合+激光焊接连接；电极引线帽3和导线11之间通过导线连接套21采用套筒锡焊方法连接。

为了防止电极在氢氧火焰封接过程中高温氧化中毒，故在灯的制作过程中，先将金属封接过渡环T1与灯管10封接，将钎焊好的电极81与电极引线帽31放入灯内，完成后，将金属封接过渡环T1的过渡环2与电极引线帽31采用激光焊接密封焊牢。大功率脉冲氙灯基本制作完毕，下面进行真空烘烤除气，充气就可以了。具体制备过程分为以下几个步骤：

(一)首先制作金属封接过渡环T1：

1、取一外径Ф长L1的石英管，先对外管壁进行研磨抛光，加工到一定尺寸；

2、把石英管在浓度约5％的HF溶液中进行清洗，去除杂质，然后进行退火，消除应力；

3、将退火后的石英接管一端采用铝箔进行遮挡，留出长度L0的管壁外表面进行Ti金属离子注入，使管壁外表面形成一个Ti离子注入层；

4、在形成Ti离子注入层的部位镀制金属膜层，膜层可根据需要选择，但一般最外层选择Ni层；

5、将镀制了金属层的石英接管5金属层部位与金属薄壁套筒4进行套封配合，这里采用的金属套筒是一个大于石英接管5直径0.02～0.06mm、壁厚0.1～0.5mm的无氧铜簿壁套筒4，填装焊料3，焊料一般采用Ag基焊料，Ag基焊料强度高，焊接性能好，焊接温度适中，能够形成高强度的气密封接。同时将簿壁套筒4与过渡环2进行对封配合，配合面放置相同焊料；

6、将配合好的石英接管5、无氧铜簿壁套筒4和过渡环2放入真空钎焊炉中进行钎焊，钎焊过程需使用工装夹具保证它们之间的同心度；

7、钎焊完成，炉温冷却后，将焊接好的金属封接过渡环从炉中取出。经检验后，待用。

(二)电极81与电极引线帽31的焊接。

8、将钨(或含其他稀土金属的钨合金)电极81整体进行抛光打磨，完成后清洗干净，烘干待用；

9、将抛光好的钨电极81的电极杆与电极引线帽31进行套封装配，同时填充焊料，焊料一般选用镍基焊料，电极引线帽选用不锈钢材料；

10、将装配好的电极81及电极引线帽31放置入钎焊炉进行钎焊；

11、焊接完成后，取出备用。

至此电极81与电极引线帽31的焊接完成。

(三)将上述制备完成的金属封接过渡环T1，电极81(含电极引线帽31和灯管10进行封接，完成脉冲氙灯的制作。

12、先将金属封接过渡环T1石英管端与灯管10收孔处101进行熔封，熔封过程中在一端接入排气口；

13、将焊接有电极81的电极引线帽31与金属封接过渡环T1上的过渡环2进行焊接，焊接方式采用激光焊接，焊接部位应保证气密性；

14、将焊接好的灯接入排气台上，进行烘烤排气处理，然后按要求的气压充入氙气，完成充气后，揪掉排气口；

15、采用套筒锡焊方式焊接导线连接件的电缆引出线，在尾管外，依次套上塑料套41，陶瓷套61，和金属套71，填充环氧胶51。

至此，本发明的大功率脉冲氙灯制作过程全部完成。

实验表明，本发明高温金属封接大功率脉冲氙灯具有电极强度高、气密性好、可靠性高，承受电流密度大等优点，由于封接工艺参数采用设备控制，对于标准化批量生产大功率脉冲氙灯产品提供了保证。

Claims (8)

1.一种高温金属封接大功率脉冲氙灯，包括灯管(10)和在灯管两端对称分布的结构完全相同的灯头(D1)，其特征在于所述的灯头(D1)包括带引出线(11)的金属封接过渡环(T1)、电极(81)、保护套(41)、陶瓷环(61)和金属套筒(71)，所述的金属封接过渡环(T1)包括电极引线帽(31)、过渡环(2)、金属薄壁套筒(4)和石英接管(5)，在所述的石英接管(5)一端外套设所述的金属薄壁套筒(4)，电极引线帽(31)与过渡环(2)之间采用激光焊接，过渡环(2)、金属薄壁套筒(4)和石英接管(5)采用钎焊封接，焊料为Ag基焊料(3)，所述的电极引线帽(31)经导线连接件(21)与所述的引出线(11)相连接，所述的石英接管(5)的另一端与所述的灯管(10)一端的尾管(101)相接，所述的电极(81)穿过所述的石英接管(5)与所述的电极引线帽(31)相连接，在所述的金属封接过渡环(T1)外依次是所述的保护套(41)、陶瓷环(61)和金属套筒(71)，在所述的金属封接过渡环(T1)、保护套(41)、陶瓷套(61)和金属套筒(71)之间有硅胶层(51)，所述的引出线(11)、金属封接过渡环(T1)、电极(81)、保护套(41)、陶瓷环(61)和金属套筒(71)与所述的灯管(10)的中心轴同轴。

2.根据权利要求1所述的高温金属封接大功率脉冲氙灯，其特征在于所述的电极(81)的材料是钨或掺杂稀土材料的钨合金。

3.根据权利要求1所述的高温金属封接大功率脉冲氙灯的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①根据需要制备的大功率脉冲氙灯的灯管(10)两端的尾管(101)的尺寸选取一段相匹配的石英管(5)，先对外管壁进行研磨抛光，加工到与所述的尾管(101)相同的尺寸；

②将所述的石英管(5)在浓度为5％的HF溶液中进行清洗，去除杂质，然后进行退火，消除应力；

③在退火后的石英接管(5)一端的外表面进行金属Ti离子注入，使管壁外表面形成一个Ti离子注入层，注入过程中注意将不需要注入的部位进行遮挡；

④在形成Ti离子注入层的部位镀制金属膜层，最外层选择Ni层；

⑤将镀制了金属层的石英接管(5)的金属层部位与金属薄壁套筒(4)进行配合套封，填装Ag基焊料(3)，同时将所述的金属簿壁套筒(4)与所述的过渡环(2)进行配合对封，配合面放置Ag基焊料(3)，将配合好的石英接管(5)、金属簿壁套筒(4)和过渡环(2)放入真空钎焊炉中进行钎焊，钎焊过程使用工装夹具保证它们之间的同心度，钎焊完成构成金属封接过渡环(T1)，炉温冷却后，将所述的金属封接过渡环(T1)从炉中取出，检验金属封接过渡环(T1)的气密性和强度，满足要求后，备用；

⑥将钨电极(81)进行抛光打磨，清洗干净，烘干备用；

⑦将抛光好的钨电极(81)的电极杆与电极引线帽(31)进行套封装配，同时填充镍基焊料，将装配好的钨电极(81)及电极引线帽(31、)放置入钎焊炉进行钎焊，焊接完成后，取出备用；

⑧先将所述的金属封接过渡环(T1)的石英接管(5)的自由端与所述的灯管(10)的尾管(101)进行熔封，再将另一个金属封接过渡环(T1)的石英接管(5)的自由端与所述的灯管(10)的另一端进行熔封，熔封过程中在灯管(10)的一端接入排气口；

⑨将焊接有钨电极(81)的电极引线帽(31)与金属封接过渡环(T1)上的过渡环(2)采用激光焊接密封；

⑩将两端焊好金属封接过渡环(T1)的灯接入排气台上，进行烘烤排气处理，然后按要求的气压充入氙气，完成充气后，揪掉排气口；采用套筒锡焊方式通过导线连接套(21)将引出线(11)与所述的电极引线帽(31)相连，在所述的尾管(101)和金属封接过渡环(T1)外，依次套上所述的保护套(41)、陶瓷环(61)和金属套筒(71)，在所述的金属封接过渡环(T1)、保护套(41)、陶瓷套(61)和金属套筒(71)之间有硅胶层(51)，完成大功率脉冲氙灯的制作。

4.根据权利要求3所述的高温金属封接大功率脉冲氙灯的制备方法，其特征在于所述的石英接管(5)表面的膜层采用金属离子注入、然后镀制金属膜的工艺，离子注入金属选择Ti，金属膜为1层或多层，最外层金属选择Ni金属，金属膜的镀制方法是蒸镀、离子镀或磁控溅射镀。

5.根据权利要求3所述的高温金属封接大功率脉冲氙灯的制备方法，其特征在于所述的电极引线帽(31)和过渡环(2)采用不锈钢或其它易于进行激光焊接的材料制成。

6.根据权利要求3所述的高温金属封接大功率脉冲氙灯的制备方法，其特征在于所述的电极(81)与所述的电极引线帽(31)的连接方式是钎焊连接，或机械过盈配合+激光焊接的连接。

7.根据权利要求3所述的高温金属封接大功率脉冲氙灯的制备方法，其特征在于所述的电极连接帽(31)和过渡环(2)的材料采用不锈钢或其它易于进行激光焊接的材料，电极连接件(31)与过渡环(2)采用激光焊接的方式进行连接。

8.根据权利要求3至7任一项所述的高温金属封接大功率脉冲氙灯的制备方法，其特征在于所述的金属薄壁套筒(4)是一个无氧铜簿壁套筒，其直径比所述的石英接管(5)大0.1～0.5mm。