CN106784449B - 一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺，包括下部限位装置组装步骤：将硫极封接垫块，硫极密封环、硫极封接中间环、通过玻璃封接而封接为一体的固体电解质陶瓷管和陶瓷绝缘环、钠极封接中间环，钠极密封环，以及钠极封接压块按照从下至上的顺序同心放入下部套筒，并在所述钠极密封环的径向内侧安装钠极封接内定位块；完成下部限位装置和钠硫电池组件的组装；碟簧封压装置安装步骤：将碟簧封压装置同心置于所述钠极密封环的上方，所述碟簧封压装置中的碟簧支撑环与所述钠极封接压块的顶面之间通过封接高度补偿环连接；高温碟簧调整步骤：将所述碟簧封压装置中的碟簧压至指定位置，工装固定步骤，以及封接步骤和脱模步骤。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺。
背景技术
钠硫电池用金属制成钠极密封环或者硫极密封环与陶瓷绝缘环的封接多采用在高温真空炉内用设备压头在钠极密封环或者硫极密封环与陶瓷绝缘环之间施加压力，将钠极密封环或者硫极密封环的与陶瓷绝缘环焊接在一起。该真空炉有间歇式炉和连续式炉两种。
对于间歇式炉来说，由于热压封接过程中，在升降温的较高温度范围内需要压头持续为钠极密封环或者硫极密封环与陶瓷绝缘环的封接提供压力，生产效率较低，不利于大规模产业化应用。
对于连续式压力炉而言，由于设备较为复杂，需要多个真空室、多个压头，国内尚无满足该条件的连续设备。
在公开号为CN 1034453A的专利申请中采用旋转卡扣式工装进行陶瓷和金属的封接，但该结构只适合小尺寸零件的密封，而且该卡扣式结构工装，在封接结束后脱模过程中需再次向完成封接的封接件施加大于封接压力的作用力，操作不当极易对损伤乃至压坏封接件。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺，可大大降低设备的要求，有效提高钠硫电池中陶瓷金属封接的效率，为钠硫电池陶瓷金属封接奠定了技术基础。
实现上述目的的一种技术方案是：一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺，包括下列步骤：
下部限位装置组装步骤：将硫极封接垫块，硫极密封环、硫极封接中间环、通过玻璃封接而封接为一体的固体电解质陶瓷管和陶瓷绝缘环、钠极封接中间环，钠极密封环，以及钠极封接压块按照从下至上的顺序同心放入下部套筒，并在所述钠极密封环的径向内侧安装钠极封接内定位块；完成由硫极密封环、固体电解质陶瓷管、陶瓷绝缘环和钠极密封环组成的钠硫电池组件与下部限位装置之间的组装，所述下部限位装置包括下部套筒、硫极封接垫块、钠极封接压块和钠极封接内定位块，所述硫极封接中间环和所述钠极封接中间环为焊料；
碟簧封压装置安装步骤：将碟簧封压装置同心置于所述钠极密封环的上方，所述碟簧封压装置中的碟簧支撑环与所述钠极封接压块的顶面之间通过封接高度补偿环连接；
高温碟簧调整步骤：将所述碟簧封压装置中碟簧压至指定位置，提供所述陶瓷绝缘环与所述硫极密封环以及所述钠极密封环之间进行压装所需的初始压力；
工装固定步骤：将所述碟簧封压装置中的碟簧外罩的底部与所述下部套筒的顶部固定；
封接步骤：在570～590℃，真空条件下对所述陶瓷绝缘环与所述硫极密封环以及所述钠极密封环进行封接；
脱模步骤：压装完成后，将碟簧封压装置与下部限位装置分离，将钠硫电池组件从所述下部限位装置取出。
进一步的，所述下部限位装置组装步骤中在所述硫极封接垫块的顶面与所述硫极密封环的底面之间，所述钠极封接压块的底面与所述钠极密封环的顶面之间安装防粘垫片。
进一步的，工装固定步骤中，所述碟簧封压装置中的碟簧外罩的底部与所述下部套筒的顶部通过两片相向设置的半圆形的卡箍固定，两片所述卡箍通过两组成对设置的卡箍连接销钉和卡箍锁死螺栓固定。
再进一步的，所述脱模步骤中，所述卡箍通过位于所述卡箍上的脱模助力螺栓与所述碟簧外罩的底部以及所述下部套筒的顶部分离。
进一步的，所述封接步骤在真空炉内进行。
再进一步的，所述封接步骤包括：先将所述真空炉的真空度抽至2×10-2Pa以下，再对所述真空炉进行升温，最高温度时真空箱内真空度不得高于5×10-3Pa，升温速率不得高于2℃/min，待所述真空炉内的温度升至570～590℃对所述真空炉进行保温，保温时间为120～200min，并在保温过程中对所述陶瓷绝缘环和所述硫极密封环，所述陶瓷绝缘环和所述钠极密封环进行热压，保温完成后对所述真空炉进行降温，降温速率不得高于5℃/min，所述封接步骤中高温碟簧施加的压力为1.0～2.0吨。
更进一步的，在所述真空炉内的温度降至200℃及以下时，对所述真空炉泄真空。
更进一步的，所述真空炉为连续式真空钎焊炉。
采用了本发明的一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺的技术方案，包括下列步骤：下部限位装置组装步骤：将硫极封接垫块，硫极密封环、硫极封接中间环、通过玻璃封接而封接为一体的固体电解质陶瓷管和陶瓷绝缘环、钠极封接中间环，钠极密封环，以及钠极封接压块按照从下至上的顺序同心放入下部套筒，并在所述钠极密封环的径向内侧安装钠极封接内定位块；完成由硫极密封环、固体电解质陶瓷管、陶瓷绝缘环和钠极密封环组成的钠硫电池组件与下部限位装置之间的组装，所述下部限位装置包括下部套筒、硫极封接垫块、钠极封接压块和钠极封接内定位块，所述硫极封接中间环和所述钠极封接中间环为焊料；碟簧封压装置安装步骤：将碟簧封压装置同心置于所述钠极密封环的上方，所述碟簧封压装置中的碟簧支撑环与所述钠极封接压块的顶面之间通过封接高度补偿环连接；高温碟簧步骤：将所述碟簧封压装置中的碟簧压至指定位置，提供所述陶瓷绝缘环与所述硫极密封环以及所述钠极密封环之间进行压装所需的初始压力；工装固定步骤：将所述碟簧封压装置中的碟簧外罩的底部与所述下部套筒的顶部固定；封接步骤：在570～590℃，真空条件下对所述陶瓷绝缘环与所述硫极密封环以及所述钠极密封环进行封接；脱模步骤：压装完成后，将碟簧封压装置与下部限位装置分离，将钠硫电池组件从所述下部限位装置取出。其技术效果是：可大大降低设备的要求，有效提高钠硫电池陶瓷金属封接的效率，实现了钠硫电池组件中硫极密封环、钠极密封环与陶瓷绝缘环的一次封接成型。
附图说明
图1为本发明的一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺所采用的封接工装结构示意图。
图2为本发明的一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺所采用的封接工装碟簧封压装置的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：
本发明的一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺，所采用的工装包括碟簧封压装置1、下部限位装置2和抱箍3。
碟簧封压装置1包括碟簧支撑环11，碟簧内导向杆12、高温碟簧13、碟簧外罩14和导向紧固螺钉15。
其中碟簧内导向杆12竖直设置。高温碟簧13套接在碟簧内导向杆12的径向外侧。高温碟簧13的底面通过碟簧支撑环11支撑，碟簧支撑环11的内圆周与碟簧内导向杆12底部的外圆周卡接。碟簧外罩14分为位于高温碟簧13和碟簧支撑环11的径向外侧的罩身141，以及将罩身141顶部封闭的罩顶142。罩顶142由高温碟簧13的顶面支撑，罩顶142的中心通过导向紧固螺钉15与碟簧内导向杆12顶面的中心固定，从而将碟簧外罩14固定。
下部限位装置2包括下部套筒21，硫极封接垫块22，硫极防粘垫片23，钠极防粘垫片24，钠极封接压块25，钠极封接内定位块26和封接高度补偿环27。
下部套筒21顶部的内圆周与碟簧外罩14的罩身141的底部的外圆周卡接，下部套筒21底部的内圆周设有一个硫极支撑部211，用于支撑硫极封接垫块22，硫极封接垫块22的底部与下部套筒21的硫极支撑部211卡接。硫极封接垫块22的内圆周的直径大于钠硫电池组件的固体电解质陶瓷管41的外径，硫极封接垫块22的顶面用于对钠硫电池组件的硫极密封环42进行限位，因此，硫极封接垫块22顶面的内圆周设有向上凸起的硫极限位部221。硫极封接垫块22顶面的外圆周用于支撑钠硫电池组件硫极密封环42，因此是水平的。为了防止硫极封接垫块22的顶面和钠硫电池组件的硫极密封环42粘连，硫极封接垫块22的顶面上设有围绕硫极限位部221外圆周设置的硫极防粘垫片23。
钠极封接压块25置于钠硫电池组件的钠极密封环44的水平部442的顶面上，位于碟簧支撑环11的正下方，为了防止钠极封接压块25和钠极密封环44的水平部442的顶面粘连，在钠极封接压块25的底面和钠极密封环44的水平部442的顶面之间设置钠极防粘垫片24。
钠极封接内定位块26位于钠极封接压块25的径向内侧，钠极封接内定位块26分为竖直定位部261和水平定位部262，钠极封接内定位块26的竖直定位部261的外圆周紧贴钠极密封环44的竖直部441的内圆周面和钠硫电池组件的陶瓷绝缘环43的内圆周面，钠极封接内定位块26的水平定位部262的底面紧贴钠极密封环44的竖直部441的顶面，从而完成钠硫电池组件的钠极密封环44的定位。
钠极封接压块25的顶面与碟簧支撑环11的底面之间通过封接高度补偿环27连接。
抱箍3包括两片相向设置的半圆形的卡箍31。其中两片半圆形的卡箍3的内圈紧贴下部套筒21顶部的外圆周和碟簧外罩14的罩身141的外圆周，两片所述卡箍31通过两组成对设置的卡箍连接销钉32和卡箍锁死螺栓33固定。两片卡箍31上各设有一个脱模助力螺栓34。
本发明的一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺，包括下列步骤：
下部限位装置组装步骤：将硫极封接垫块22，硫极防粘垫片23，钠硫电池组件的硫极密封环42、硫极封接中间环45，通过玻璃封接而封接为一体的钠硫电池组件的固体电解质陶瓷管41和陶瓷绝缘环43、钠极封接中间环46、钠硫电池组件的钠极密封环44、钠极防粘垫片24、钠极封接压块25和钠极封接内定位块26和封接高度补偿环27置于下部套筒21内，完成由固体电解质陶瓷管41、陶瓷绝缘环43、硫极密封环42和钠极密封环44组成的钠硫电池组件与下部限位装置2组装。而硫极封接中间环45和钠极封接中间环46起到焊料的作用。
碟簧封压装置安装步骤：再将碟簧封压装置1放至于封接高度补偿环27上，使碟簧封压装置1与下部套筒21同心，同时碟簧封压装置1中的高温碟簧13处于压缩状态。
高温碟簧调整步骤：在压机的作用下将高温碟簧13压至设定位置，提供陶瓷绝缘环43与硫极密封环42以及钠极密封环44之间进行压装所需的初始压力。
工装固定步骤：最后用抱箍3将碟簧外罩14与下部套筒21锁死，形成下部限位装置2、碟簧封压装置1和钠硫电池组件之间的固定。
封接步骤：将下部限位装置2、碟簧封压装置1和钠硫电池组件整体移至真空炉内进行金属陶瓷的热压封接。热压封接的时间为15～30小时。
脱模步骤：将该下部限位装置2、碟簧封压装置1和钠硫电池组件整从真空炉内取出，放至压机下预先设定的位置，拆卸卡箍锁死螺栓33和卡箍连接销钉32，并使用脱模助力螺栓34使抱箍3脱离，先移开碟簧封压装置1，再取出封接为一体的钠硫电池固体电解质陶瓷管41、陶瓷绝缘环43、硫极密封环42和钠极密封环44，即钠硫电池组件。
本发明的一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺，可大大降低设备的要求，有效提高钠硫电池中陶瓷金属封接的效率，为钠硫电池陶瓷金属封接奠定了技术基础。
本发明的一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺所采用的封接工装，下部套筒21和碟簧外罩14由于长期在高温下受到较大压力作用，需要高温高强度材料，本实施例中下部套筒21和碟簧外罩14均采用经过淬火处理的3Cr13合金作为基材。下部套筒21和碟簧外罩14均为子口结构，为了防止高温碟簧13因载荷过大而损坏，在下部套筒21的子口内，即底部的内圆周设硫极支撑部211，对钠硫电池组件起到支撑限位的作用。
本实施例中高温碟簧13采用耐高温、高屈服强度的Ni90材料。
本实施例中卡箍31采用经过调质处理的H13高温钢，由于卡箍31在热压过程中会长时间受到高温，高反弹力作用，因此，连接卡箍31的卡箍连接销钉32需要用硬质合金材料；卡箍锁死螺栓33和脱模助力螺栓34的螺牙均为粗螺牙结构。
碟簧封压装置1中，碟簧内导向杆12起到高温碟簧13内导向作用，碟簧支撑环11的外径比碟簧外罩14的罩身141内径小0.10-0.15mm，使碟簧外罩14的罩身141起到外导向作用，保证高温碟簧13在加压过程中的受力均匀性，防止高温碟簧13永久变形，也保障了钠极密封环44、硫极密封环42与陶瓷绝缘环43封接后的平行度。
硫极封接垫块22的硫极限位部221和钠极封接压块25顶面外圆周围绕封接高度补偿环外圆周设置的补偿环限位部251均可保证所有零件在下部套筒21内的同心度。
硫极防粘垫片23和钠极防粘垫片24粘均为厚度0.05-0.15mm不锈钢箔环，主要用于防止脱模时硫极密封环42以及钠极密封环44与工装的粘连。硫极封接环42和钠极密封环44的材料为铝锰合金。
位于硫极封接环42和陶瓷绝缘环43之间的硫极封接中间环45、位于钠极封接环44和陶瓷绝缘环43之间的钠极封接中间环46的材料均为铝-镁-硅合金或铝-硅合金，其外径为60～150mm。
陶瓷绝缘环43的材料为99α-Al2O3，固体电解质陶瓷管41的材料为β"-Al2O3，陶瓷绝缘环43和固体电解质陶瓷管41之间通过玻璃封接。由于玻璃的导热性较差，在真空炉内进行热压封接时，真空炉的升温速率不得高于2℃/min，降温速率不得高于4℃/min。
本发明的一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺用于钠硫电池的陶瓷绝缘环43与钠极密封环44以及硫极密封环42进行热压封装时，先将真空炉的真空度抽至2.0×10-2Pa，然后再开启加热，热压高温阶段真空度不得高于5.0×10-3Pa，真空炉的最高温度为570～590℃，最高温保温时间120～200min，高温碟簧的压力1.0～2.0吨。
真空炉所用的加热丝材料为Cr20Ni80合金，可满足热压工艺过程中进行高温取件的要求。热压时，在降温阶段，当真空炉的温度在200℃及以下时，泄真空，连同对碟簧封压装置1、下部限位装置2和钠硫电池组件进行整体高温取件，转移至保温箱内降温，保温箱的降温速率不得高于5℃/min。
为了提高产量，可通过在真空炉内增加封接工装数量的方式或使用连续真空钎焊炉，即具有连续钎焊功能的真空炉，即连续式真空钎焊炉内进行钎焊的方式，上述发明可有利于钠硫电池的大规模产业化应用。
本发明的一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺，采用抱箍3针对大尺寸的金属陶瓷封接，而且在封接好后脱模也不需再次对钠硫电池组件施加压力，不会对钠硫电池组件造成影响。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (7)
1.一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺，包括下列步骤：
下部限位装置组装步骤：将硫极封接垫块，硫极密封环、硫极封接中间环、通过玻璃封接而封接为一体的固体电解质陶瓷管和陶瓷绝缘环、钠极封接中间环，钠极密封环，以及钠极封接压块按照从下至上的顺序同心放入下部套筒，并在所述钠极密封环的径向内侧安装钠极封接内定位块；完成由硫极密封环、固体电解质陶瓷管、陶瓷绝缘环和钠极密封环组成的钠硫电池组件与下部限位装置之间的组装，所述下部限位装置包括下部套筒、硫极封接垫块、钠极封接压块和钠极封接内定位块，所述硫极封接中间环和所述钠极封接中间环为焊料；
碟簧封压装置安装步骤：将碟簧封压装置同心置于所述钠极密封环的上方，所述碟簧封压装置中的碟簧支撑环与所述钠极封接压块的顶面之间通过封接高度补偿环连接；
高温碟簧调整步骤：将所述碟簧封压装置中的碟簧压至指定位置，提供所述陶瓷绝缘环与所述硫极密封环以及所述钠极密封环之间进行压装所需的初始压力；
工装固定步骤：将所述碟簧封压装置中的碟簧外罩的底部与所述下部套筒的顶部固定；
封接步骤：在570～590℃，真空条件下对所述陶瓷绝缘环与所述硫极密封环以及所述钠极密封环进行封接；
脱模步骤：压装完成后，将碟簧封压装置与下部限位装置分离，将钠硫电池组件从所述下部限位装置取出。
2.根据权利要求1所述的一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺，其特征在于：所述下部限位装置组装步骤中在所述硫极封接垫块的顶面与所述硫极密封环的底面之间，所述钠极封接压块的底面与所述钠极密封环的顶面之间安装防粘垫片。
3.根据权利要求1所述的一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺，其特征在于：工装固定步骤中，所述碟簧封压装置中的碟簧外罩的底部与所述下部套筒的顶部通过两片相向设置的半圆形的卡箍固定，两片所述卡箍通过两组成对设置的卡箍连接销钉和卡箍锁死螺栓固定。
4.根据权利要求3所述的一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺，其特征在于：所述脱模步骤中，所述卡箍通过位于所述卡箍上的脱模助力螺栓与所述碟簧外罩的底部以及所述下部套筒的顶部分离。
5.根据权利要求1所述的一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺，其特征在于：所述封接步骤在真空炉内进行。
6.根据权利要求5所述的一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺，其特征在于：所述封接步骤包括：先将所述真空炉的真空度抽至2×10-2Pa以下，再对所述真空炉进行升温，最高温度时真空箱内真空度不得高于5×10-3Pa，升温速率不得高于2℃/min，待所述真空炉内的温度升至570～590℃对所述真空炉进行保温，保温时间为120～200min，并在保温过程中对所述陶瓷绝缘环和所述硫极密封环、所述陶瓷绝缘环和所述钠极密封环进行热压，保温完成后对所述真空炉进行降温，降温速率不得高于5℃/min，所述封接步骤中高温碟簧施加的压力为1.0～2.0吨。
7.根据权利要求6所述的一种用于钠硫电池生产的金属陶瓷封接工艺，其特征在于：在所述真空炉内的温度降至200℃及以下时，对所述真空炉泄真空。
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