CN106112261B - 一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装工艺及其辅助工装 - Google Patents

一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装工艺及其辅助工装 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装工艺及其辅助工装，解决了传统的火焰封装由于火焰作用点距离内填金属丝端部更近，容易造成内填金属丝的端部熔化，进而导致封装失败的问题。本发明的封装工艺包括采用CO2型激光焊机进行石英玻璃毛细管的封装；所述CO2型激光焊机的具体焊接参数为：激光功率：600W～900W；焦点形式：散焦；焦点距离：5mm～10mm；相对旋转速度：15rpm～25rpm。本发明具有大大缩短探测器的封装长度、封装后尺寸可有效控制在20mm以内、封装方法及工艺可重复性强等特点。

Description

一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装工艺及其辅助工装
技术领域
本发明涉及一种封装工艺，具体涉及一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装工艺，并提供了该工艺的辅助工装。
背景技术
辐照监督管是核反应堆寿期内针对反应堆压力容器进行材料辐照效应监测的重要部件，对获取反应堆压力容器辐照环境数据、材料辐照脆化程度及发展趋势，评价反应堆压力容器完整性，修订反应堆运行参数及最终保证反应堆的安全运行具有重要意义。
为真实有效的测定反应堆压力容器运行期间温度以及中子剂量的监测结果，需在辐照监督管管体中涉及不同温度梯度以及中子注量的温度和剂量探测器，例如温度探测器主要设定温度为304℃、310℃、318℃，中子剂量探测器主要包括Fe、Ni、Nb、Cu、Al-Co、238U、237Np七种。
辐照监督管虽然型号较多，但其温度探测器以及剂量探测器的设置几乎相同。探测器的基本结构主要由两部分组成：内填金属丝和石英玻璃毛细管，通过外部热源将石英玻璃管端部熔化进而密封金属丝的作用，因此在探测器研制过程中最为关键的环节便是石英玻璃毛细管的封装。
尤其是随着核电用探测器将封装后的长度缩短为20mm及以内后，这就造成低熔点内填金属丝（一般熔点温度≤318℃）与石英玻璃毛细管之间的长度差最大仅为5mm。传统的火焰由于其能量较为分散，封装时为了单纯追求其封装后产品长度，火焰作用点距离内填金属丝端部更近，极易造成内填金属丝端部熔化或发生氧化变色，进而导致封装失败。而采用集中性好、高能束的热源时，类似电弧、等离子弧等虽然其能量集中性得到改善，但由于石英玻璃管无法导电、熔点高等原因导致无法实施封装，YAG激光、光纤激光等由于其固有的波长大小，当激光作用至石英玻璃时由于能量吸收率过低而同样无法实现石英玻璃毛细管的封装。
发明内容
本发明的目的在于解决传统的火焰封装由于火焰作用点距离内填金属丝端部更近，容易造成内填金属丝的端部熔化，进而导致封装失败的问题，提供解决上述问题的一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装工艺，并提供了该工艺的辅助工装。
本发明通过下述技术方案实现：
一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装工艺，采用CO2型激光焊机进行石英玻璃毛细管的封装。
当封装热源作用位置距离低熔点金属丝5mm以内时，现有技术中采用火焰封装时，封装火焰会对低熔点金属丝造成影响，导致低熔点金属丝端部发生熔化，直接造成探测器封装失败，影响探测器质量，导致其无法实现应有的监测功能。
本发明优化了封装工艺，采用能量更为集中、石英材料吸收率更高的CO2激光工艺实现石英玻璃毛细管的封装，极大地减小了封装时内填金属丝端部的熔化率。
进一步，所述CO2型激光焊机的具体焊接参数如下：
激光功率：600W～900W；焦点形式：散焦；焦点距离：5mm～10mm。
本发明优化了CO2型激光焊机的焊接参数，通过该参数的优化能够在封装位置距离内填金属丝端部距离≤5mm下实现探测器的精密封装，保证探测器而内填低熔点金属丝不发生熔化；大大缩短探测器的封装长度，封装后尺寸可有效控制在20mm以内；封装方法及工艺可重复性强，可实现探测器批量封装与供货。
更进一步地，所述石英玻璃毛细管封装过程中采用高纯氦气作为保护气，该保护气的流量为10L/min～15 L/min。所述石英玻璃毛细管与CO2型激光焊机之间的相对旋转速度为15rpm～25rpm。
本发明中相对旋转速度是指：当石英玻璃毛细管静止时，该CO2型激光焊机围绕石英玻璃毛细管进行转动，转动的速度为15rpm～25rpm；或当CO2型激光焊机静止时，该石英玻璃毛细管进行自传，自传的转速为15rpm～25rpm。
通过本发明工艺所制造的探测器成形美观，封装长度均可控制在20mm以下，内填金属丝保持完好，满足军民两用反应堆温度和剂量探测器的制造技术要求，可充分应用于军民用探测器的生产与批量供货。
本发明还提供了一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装用辅助工装，具体设置如下：
本发明包括用于为石英玻璃毛细管内抽真空及充入保护气体的保护气填充装置，用于固定石英玻璃毛细管的固定装置，以及用于限定石英玻璃毛细管内试样位置的试样限位组件；
所述固定装置包括与保护气填充装置连接且使石英玻璃毛细管与保护气填充装置形成密封腔体的开口端固定件，用于固定石英玻璃毛细管的封闭端且可沿着石英玻璃毛细管的中轴线方向移动的封闭端固定件；所述开口端固定件与封闭端固定件之间用于设置石英玻璃毛细管封装用CO2型激光焊机。
进一步，所述试样限位组件包括位于开口端固定件与封闭端固定件之间且用于套接在石英玻璃毛细管上的磁环，用于设置在石英玻璃毛细管内部的导磁柱，以及固定在导磁柱一端的非导磁性柱。
本发明通过上述结构的设置，能有效将石英玻璃管进行夹持，通过上述各结构的设置，能有效避免抽真空及充氦过程中试样的移动，进而有效保证焊接过程中试样与焊接点之间的距离达到最大值，进而能最大化地减小焊接过程中热源对试样的影响。
进一步，所述开口端固定件包括一端通过阀门转换接头与保护气填充装置连通的不锈钢套筒，固定套接在不锈钢套筒上的三爪卡盘，套接在不锈钢套筒上且与三爪卡盘固定的转换柱，设置在不锈钢套筒另一端且位于石英玻璃毛细管与不锈钢套筒之间的第一密封环，以及用于实现第一密封环压紧密封的密封压紧环。
通过上述开口端固定件结构的优化设置，能在达到稳定夹持的条件下，极大地保证密封性能，实现石英玻璃毛细管的抽真空及充氦操作。
进一步，所述封闭端固定件包括与石英玻璃毛细管的中轴线方向平行设置的滑台，设置在滑台上的立板，安装在立板上且用于套接在石英玻璃毛细管上的随动部件，用于设置在随动部件与石英玻璃毛细管之间的第二密封环，设置在随动部件上用于实现第二密封环压紧操作的稳定压紧环。
通过上述结构的设置，能极大地保证焊接过程中石英玻璃管的稳定性，提高焊接的成功率。
为了能有效确定焊接位置，避免焊接后的石英玻璃管过长或过短，所述封闭端固定件中还包括同轴连接在随动部件上且位于随动部件与开口端固定件之间的限位块，所述限位块内壁上还设置有散热环。
为了能更好地实现保护气的填充，避免杂余气体对封装造成影响，所述保护气填充装置包括三通接头，与三通接头第一个端口连通的工装阀门，与三通接头第二个端口连通的充氦装置，以及与三通接头第三个端口连通的真空装置；所述工装阀门与开口端固定件连接。
优选地，所述充氦装置包括氦气提供装置，以及设置在氦气提供装置与三通接头第二个端口之间的充氦阀门；所述真空装置包括通过抽气阀门与三通接头连通的真空罐，以及与真空罐连接的真空泵。
为了能及时了解石英玻璃管内压力情况，所述工装阀门与三通接头之间还设置有压力表。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明采用能量更为集中、石英材料吸收率更高的CO2激光工艺实现石英玻璃毛细管的封装，极大地减小了封装时内填金属丝端部的熔化率；
2、本发明的封装工艺的设置，可以实现封装位置距离内填金属丝端部距离≤5mm下进行温度探测器和剂量探测器的精密封装，且封装接头成形良好，封装长度均可控制在20mm及以下，内填金属端部未发生熔化；
3、本发明满足军民两用反应堆温度和剂量探测器的制造技术要求，可充分应用于军民用探测器的生产与批量供货。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-石英玻璃毛细管，2-试样，3-非导磁性柱，4-磁环，5-导磁柱，6-稳定压紧环，7-随动部件，8-轴承，9-限位块，10-密封压紧环，11-不锈钢套筒，12-转换柱，13-第一密封环，14-三爪卡盘，15-阀门转换接头，16-工装阀门，17-旋转接头转换头，18-旋转换接头，19-充氦阀门，20-第二密封环，21-滑台，22-立板，23-散热环，24-压力表，25-支撑座，26-抽气阀门，27-真空罐，28-真空泵，29-连接杆，30-转盘，31-手柄。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装工艺，采用CO2型激光焊机进行石英玻璃毛细管的封装。
所述CO2型激光焊机的具体焊接参数如下：
激光功率：600W～900W；焦点形式：散焦；焦点距离：5mm～10mm。
所述石英玻璃毛细管封装过程中采用高纯氦气作为保护气，该保护气的流量为10L/min～15 L/min；所述石英玻璃毛细管与CO2型激光焊机之间的相对旋转速度为15rpm～25rpm。
实施例2
本实施例提供了一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装工艺用辅助工装，具体设置如下：
所述辅助工装包括用于为石英玻璃毛细管1内充入保护气体的保护气填充装置，用于固定石英玻璃毛细管1的固定装置，以及用于限定石英玻璃毛细管1内试样2位置的试样限位组件；
所述固定装置包括与保护气填充装置连接且使石英玻璃毛细管1与保护气填充装置形成密封腔体的开口端固定件，用于固定石英玻璃毛细管1的封闭端且可沿着石英玻璃毛细管1的中轴线方向移动的封闭端固定件；
所述石英玻璃毛细管1封装用CO2型激光焊机设置在开口端固定件与封闭端固定件之间。
实施例3
本实施例与实施例2的区别在于，本实施例优化了辅助工装的具体结构设置，具体设置如下：
所述试样限位组件包括位于开口端固定件与封闭端固定件之间且用于套接在石英玻璃毛细管1上的磁环4，用于设置在石英玻璃毛细管1内部的导磁柱5，以及固定在导磁柱5一端的非导磁性柱3。
所述开口端固定件包括一端通过阀门转换接头15与保护气填充装置连通的不锈钢套筒11，固定套接在不锈钢套筒11上的三爪卡盘14，套接在不锈钢套筒11上且与三爪卡盘14固定的转换柱12，设置在不锈钢套筒11另一端且位于石英玻璃毛细管1与不锈钢套筒11之间的第一密封环13，以及用于实现第一密封环13压紧密封的密封压紧环10。
所述封闭端固定件包括与石英玻璃毛细管1的中轴线方向平行设置的滑台21，设置在滑台21上的立板22，安装在立板22上且用于套接在石英玻璃毛细管1上的随动部件7，用于设置在随动部件7与石英玻璃毛细管1之间的第二密封环20，设置在随动部件7上用于实现第二密封环20压紧操作的稳定压紧环6。
所述封闭端固定件中还包括同轴连接在随动部件7上且位于随动部件7与开口端固定件之间的限位块9，所述限位块9内壁上还设置有散热环23。
所述保护气填充装置包括三通接头，与三通接头第一个端口连通的工装阀门16，与三通接头第二个端口连通的充氦装置，以及与三通接头第三个端口连通的真空装置；所述工装阀门16与开口端固定件连接。
实施例4
本实施例与实施例3的区别在于，本实施例中进一步优化了辅助工装的具体结构，如图1所示，设置如下：
所述充氦装置包括氦气提供装置，以及设置在氦气提供装置与三通接头第二个端口之间的充氦阀门19；所述真空装置包括通过抽气阀门26与三通接头连通的真空罐27，以及与真空罐27连接的真空泵28。
所述工装阀门16与三通接头之间还设置有旋转换接头18，旋转换接头18上设置有用于辅助工装安装固定的支撑座25。该旋转换接头18与工装阀门16之间设置有旋转接头转换头17，该旋转接头转换头17上设置有压力表24。所述随动部件7与立板22之间还设置有轴承8。
采用本发明的辅助工装进行封装操作的具体过程如下：
步骤一、试样的装填
本实施例中该试样2为内填金属丝，该金属丝主要包括304℃ Pb-Ag温度探测丝、310℃ Pb-Ag-Sn温度探测丝或318℃Pb-Zn温度探测丝，以及高纯（99.99%）Fe、Nb、Ni、Cu、Al-Co剂量探测丝。
将其中一头端部已封装好的石英玻璃毛细管1取下，从开口端装入10mm长304℃Pb-Ag温度探测丝以及15mm长310℃ Pb-Ag-Sn温度探测丝、318℃Pb-Zn温度探测丝、高纯Fe、Nb、Ni、Cu、Al-Co剂量探测丝，然后装夹至辅助工装的三抓卡盘14中，夹持后需保证石英玻璃管1与三抓卡盘14同心，防止石英玻璃管1在旋转过程中跳动。同时该三抓卡盘14通过阀门转换接头连通有三通接头。该三通接头的第一个端口与待封装石英玻璃管1密封连通，三通接头的第三个端口与抽真空管路连通，三通接头的第二个端口与高纯氦管路连通。
步骤二、石英玻璃管的定位密封
把已装入内填金属丝的石英玻璃管1插入不锈钢套筒11和随动部件7，以随动部件7的右端面为定位基准进行石英玻璃管的定位，定位后拧紧密封压紧环10和稳定压紧环6，在密封压紧环10的挤压下第一密封环13挤压变形实现密封，在稳定压紧环6的挤压下第二密封环20挤压变形实现石英玻璃管1与随动部件的稳定安装，同时有效实现石英玻璃管1与辅助工装的同心定位。
步骤三、石英玻璃管抽真空及充氦
把磁环4向右侧移动到限位块9附近，使得磁环4磁附于限位块9上，由于磁环4的磁力作用，当磁环4在移动的过程中将带动石英玻璃管1内部的导磁柱5一起移动，导磁柱5带动粘接其上的非导磁型柱3一起移动，非导磁型柱3的端面将限制试样2在抽气和充氦的过程中移动。试样2定位后关闭充氦阀门19开启抽气阀门26，在真空罐27及真空泵28的作用下开始抽气，压力表24达到5Pa及以下后关闭抽气阀门26开启充氦阀门19充入高纯氦气，当压力表24读数达到0.1MPa后关闭阀门16和充氦阀门19。
步骤四、石英玻璃管另一端旋转封装
充氦结束后把磁环4向左移动到密封压紧环10附近，在磁力的作用下磁环与密封压紧环10紧密贴合，石英玻璃管1内部的导磁柱5带动粘接其上的非导磁型柱3一起移动，使试样限位组件远离石英玻璃管1的受热部位。开启CO2激光焊机设备，从已封装端量取石英玻璃管总长L≤20mm，将激光作用点移动至L±1mm范围内通过实施例1中所述的激光封装工艺参数进行最终封装即可。
实施例5
本实施例与实施例4的区别在于，为了便于封闭端固定件的移动旋转，所述立板22上还设置有通过连接杆29连接的转盘30，该转盘30上还设置有手柄31。
实施例6
本实施例为实施例1的对比实施例，本实施例与实施例1的区别在于，CO2型激光焊机的具体焊接参数不同，具体设置如下：
参数1：
激光功率：1050W；焦点形式：散焦；焦点距离：11mm。保护气的流量：20 L/min；相对旋转速度：26rpm。封装后检查发现：石英玻璃毛细管端部发生轻微熔化，端部中心出现小孔，未实现密封封装。
参数2：
激光功率：1050W；焦点形式：散焦；焦点距离：12mm。保护气的流量：20 L/min；相对旋转速度：14rpm。封装后检查发现：石英玻璃毛细管端部发生熔化，但端部中心仍出现小孔，未实现密封封装。
参数3：
激光功率：1050W；焦点形式：散焦；焦点距离：4mm。保护气的流量：20 L/min；相对旋转速度：26rpm。封装后检查发现：由于激光作用效果过强，导致石英玻璃毛细管端部发生严重熔化后的切割效果，石英玻璃毛细管端部被切下约1mm长度的石英环，未实现密封封装。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装工艺，其特征在于，采用CO2型激光焊机进行石英玻璃毛细管的封装；
所述CO2型激光焊机的具体焊接参数如下：
激光功率：600W～900W；焦点形式：散焦；焦点距离：5mm～10mm。
2.根据权利要求1所述的一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装工艺，其特征在于，所述石英玻璃毛细管封装过程中采用高纯氦气作为保护气，该保护气的流量为10L/min～15L/min；所述石英玻璃毛细管与CO2型激光焊机之间的相对旋转速度为15rpm～25rpm。
3.如权利要求1所述的一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装工艺用辅助工装，其特征在于，包括用于为石英玻璃毛细管(1)内抽真空及充入保护气体的保护气填充装置，用于固定石英玻璃毛细管(1)的固定装置，以及用于限定石英玻璃毛细管(1)内试样(2)位置的试样限位组件；
所述固定装置包括与保护气填充装置连接且使石英玻璃毛细管(1)与保护气填充装置形成密封腔体的开口端固定件，用于固定石英玻璃毛细管(1)的封闭端且可沿着石英玻璃毛细管(1)的中轴线方向移动的封闭端固定件；所述开口端固定件与封闭端固定件之间用于设置石英玻璃毛细管(1)封装用CO2型激光焊机。
4.根据权利要求3所述的一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装用辅助工装，其特征在于，所述试样限位组件包括位于开口端固定件与封闭端固定件之间且用于套接在石英玻璃毛细管(1)上的磁环(4)，用于设置在石英玻璃毛细管(1)内部的导磁柱(5)，以及固定在导磁柱(5)一端的非导磁性柱(3)。
5.根据权利要求3所述的一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装用辅助工装，其特征在于，
所述开口端固定件包括一端通过阀门转换接头(15)与保护气填充装置连通的不锈钢套筒(11)，固定套接在不锈钢套筒(11)上的三爪卡盘(14)，套接在不锈钢套筒(11)上且与三爪卡盘(14)固定的转换柱(12)，设置在不锈钢套筒(11)另一端且位于石英玻璃毛细管(1)与不锈钢套筒(11)之间的第一密封环(13)，以及用于实现第一密封环(13)压紧密封的密封压紧环(10)；
所述封闭端固定件包括与石英玻璃毛细管(1)的中轴线方向平行设置的滑台(21)，设置在滑台(21)上的立板(22)，安装在立板(22)上且用于套接在石英玻璃毛细管(1)上的随动部件(7)，用于设置在随动部件(7)与石英玻璃毛细管(1)之间的第二密封环(20)，设置在随动部件(7)上用于实现第二密封环(20)压紧操作的稳定压紧环(6)。
6.根据权利要求5所述的一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装用辅助工装，其特征在于，所述封闭端固定件中还包括同轴连接在随动部件(7)上且位于随动部件(7)与开口端固定件之间的限位块(9)，所述限位块(9)内壁上还设置有散热环(23)。
7.根据权利要求3所述的一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装用辅助工装，其特征在于，所述保护气填充装置包括三通接头，与三通接头第一个端口连通的工装阀门(16)，与三通接头第二个端口连通的充氦装置，以及与三通接头第三个端口连通的真空装置；所述工装阀门(16)与开口端固定件连接。
8.根据权利要求7所述的一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装用辅助工装，其特征在于，
所述充氦装置包括氦气提供装置，以及设置在氦气提供装置与三通接头第二个端口之间的充氦阀门(19)；
所述真空装置包括通过抽气阀门(26)与三通接头连通的真空罐(27)，以及与真空罐(27)连接的真空泵(28)。
9.根据权利要求7所述的一种石英玻璃毛细管内填金属控长封装用辅助工装，其特征在于，所述工装阀门(16)与三通接头之间还设置有压力表(24)。
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