CN109231813B - 感应玻璃焊料自热式焊接玻璃件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开感应玻璃焊料自热式焊接玻璃件的方法，属于玻璃技术领域，包括如下步骤：1)制备以SiO2·TiO2·BaO体系为基础玻璃的玻璃，按以下质量百分比在1200～1400℃熔制玻璃熔体：25～40％SiO2、10～30％TiO2、20～45％的BaO和/或Fe2O3；2)制备浇铸成型的感应玻璃焊料件；3)感应焊接。本发明的感应玻璃焊料自热式焊接玻璃件的方法，在SiO2·TiO2·BaO体系基础玻璃中引入Fe2O3，Cr2O3，MnO，CoO，NiO提高了玻璃材料在高频交变磁场下的涡流，涡流的欧姆热效应和剩磁的磁滞热效应使其自身发热，成为焊接的热源，具有熔区的玻璃熔融均匀，加热速度快和焊接速度快，加热速度和温度可控，调节方便的特点，可实现璃材料的高频感应焊接。
Description
技术领域
本发明属于玻璃技术领域，具体涉及感应玻璃焊料自热式焊接玻璃件的方法。
背景技术
一般采用火焰作为热源焊接玻璃件，使焊接处的玻璃被火焰的高温熔化而完成连接，多数是手工或者半自动完成，操作技术要求高，焊接效率低，质量不稳定。
电磁感应加热，简称感应加热，要求被加热的是导体材料，比如金属件。由置于感应磁场中的被加热金属件和感应线圈组成一个电磁耦合系统，在金属件上产生感应电流(通常称为涡流)，通过电-磁-涡电流-热的转化，使被加热的金属件自身温度升高。但是，电磁感应焊接玻璃件的方法鲜有报道。
常温下玻璃材料是低导电率的，电阻率ρ的范围在1013～1018Ω·cm，通常作为电绝缘材料使用，即使在交变磁场下玻璃材料中也难以产生涡流，形成电-磁- 涡电流-热的转化。另一方面，玻璃材料还是抗磁性的或弱磁性的，在交变磁场下磁滞热效应不明显，增加了玻璃材料感应发热的难度。因而玻璃材料的焊接一般是采用火焰作为热源的。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供感应玻璃焊料自热式焊接玻璃件的方法，即一种低电阻、中等磁性的感应玻璃焊料件在感应线圈的交变磁场中高频感应焊接玻璃件的方法；通过调整高频发生器交流电的频率和感应线圈的输入功率，从而调整和控制感应玻璃焊料和玻璃件的升温速度、热量穿透深度、最高发热区域的大小。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
感应玻璃焊料自热式焊接玻璃件的方法，包括如下步骤：
1)制备玻璃熔体
以SiO2·TiO2·BaO体系为基础玻璃，按以下质量百分比在1200～1400℃熔制玻璃熔体：25～40％SiO2、10～30％TiO2、20～45％的BaO和/或Fe2O3；
2)制备浇铸成型的感应玻璃焊料件
将步骤1)制备的玻璃熔体浇铸成型，在480～590℃退火，得到浇铸成型的感应玻璃焊料件；
3)感应焊接
将浇铸成型的感应玻璃焊料件，与玻璃件的待焊接头处紧密接触，一起置于电磁感应器的中心位置，在电磁感应器中交替的1～3/MHz和10～1000/KHz的高频磁场作用下，感应玻璃焊料件和玻璃件的待焊接头处产生涡流，形成剧烈、快速和局部热源，升高至550～1200℃，感应玻璃焊料件和玻璃件的待焊接头处开始软化甚至熔化，形成一体的熔区；熔区被冷却并凝固形成感应玻璃焊料件和玻璃件的连接。
进一步的，步骤1)中，还包括质量百分比的0～5％B2O3、0～5％的增磁剂。
进一步的，所述的增磁剂选自Cr2O3，MnO，CoO，NiO，CeO2中任意一种或者几种的组合。
进一步的，步骤2)中，浇铸成型的感应玻璃焊料件的电阻率为103～ 107Ω·cm，比饱和磁矩为10～30A·m2/kg。
进一步的，步骤2)中，将步骤1)制备的玻璃熔体磨成粉，先加入质量百分比0～20％的铁粉和/或石墨粉末，再粘接、烧结成形的感应玻璃焊料件。
进一步的，所述的再粘接、烧结成形的感应玻璃焊料件的电阻率为102.5～ 104Ω·cm，比饱和磁矩为25～37A·m2/kg。
进一步的，步骤2)中，感应玻璃焊料件的热膨胀系数大于被焊玻璃件的热膨胀系数，而且两者的差值不超过10％。
进一步的，所述的感应玻璃焊料件为环状或块状。
进一步的，步骤3)中，所述的玻璃件为玻璃管、玻璃棒或者玻璃纤维。
发明原理：焊接过程中通过调整高频发生器和电磁感应器的交流电频率和输入功率，从而调整和控制感应玻璃焊料件和玻璃件的待焊接头处的升温速度、热量穿透深度、最高发热区域的大小。该频率越高，越能产生剧烈、快速和局部性的热源，如1～3/MHz及以上的高频的加热升温速度快、热量穿透深度小、最高发热区域小，类似于小而集中的气体火焰加热相似；1～1000/KHz频率的加热升温速度相对慢、热量穿透深度增加、最高发热区域增大，与比较大的柔和的气体火焰加热相似。
有益效果：与现有技术相比，本发明的感应玻璃焊料自热式焊接玻璃件的方法，通过在SiO2·TiO2·BaO体系基础玻璃中引入Fe2O3，Cr2O3，MnO，CoO，NiO 能被感应的玻璃焊料，提高了玻璃材料在高频磁场下的涡流，涡流的欧姆热效应和剩磁的磁滞热效应使其自身发热，成为焊接的热源，这种自热式焊接玻璃件的方法具有熔区玻璃熔融均匀，加热速度快和焊接速度快，加热速度和温度可控，调节方便的特点，可实现了玻璃材料的高频感应焊接；并且本申请的玻璃件可以是玻璃管、玻璃棒或者玻璃纤维，应用前景广泛。
附图说明
图1是感应玻璃焊料件感应封接玻璃管结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。
如图1所示，附图标记如下：第一玻璃管1、第二玻璃管2、电磁感应器3 和感应玻璃焊料件4。
感应玻璃焊料件感应封接玻璃件的制备方法，包括如下步骤：
1)制备玻璃熔体
以SiO2·TiO2·BaO体系为基础玻璃，按以下质量百分比在1200～1400℃熔制玻璃熔体：25～40％SiO2、10～30％TiO2、20～45％的BaO和/或Fe2O3；
2)制备浇铸成型的感应玻璃焊料件
将步骤1)制备的玻璃熔体浇铸成型，在480～590℃退火，得到浇铸成型(环状或块状)的感应玻璃焊料件4；
3)感应焊接
如图1所示，将浇铸成型的感应玻璃焊料件4，紧密套在第一玻璃管1、第二玻璃管2的待焊接头处，一起置于电磁感应器3中心位置，电磁感应器3中交替产生1～3/MHz和10～1000/KHz的高频，在感应玻璃焊料件和第一玻璃管1、第二玻璃管2的接头处产生涡流，形成剧烈、快速和局部性的热源，升高至550～ 1200℃，感应玻璃焊料件4和第一玻璃管1、第二玻璃管2的接头处软化甚至熔化，形成一体的熔区，熔区冷却并凝固形成感应玻璃焊料件和第一玻璃管1、第二玻璃管2的连接，得到感应玻璃焊料件感应焊接的玻璃管。
焊接中，通过调整高频发生器调整电磁感应器的交流电频率和输入功率，从而调整和控制感应玻璃焊料件和玻璃件的待焊接头处的升温速度、热量穿透深度、最高发热区域的大小。
步骤1)中，还包括质量百分比的0～5％B2O3、0～5％的Cr2O3，MnO，CoO， NiO，CeO2中任意一种或者几种的组合。
步骤2)中，浇铸成型的感应玻璃焊料件4的电阻率为103～107Ω·cm，比饱和磁矩为10～30A·m2/kg。感应玻璃焊料件4的热膨胀系数大于被焊玻璃件的热膨胀系数，而且两者的差值不超过10％。
步骤2)中，将步骤1)制备的玻璃熔体磨成粉，加入质量百分比0～20的铁粉和/或石墨粉末，以调整其电阻率、比饱和磁矩和热膨胀系数，再粘接、烧结成形(环状或块状)的感应玻璃焊料件4。其电阻率为102.5～104Ω·cm，比饱和磁矩为25～37A·m2/kg；感应玻璃焊料件4的热膨胀系数大于被焊玻璃管的，而且两者的差值不超过10％。
步骤3)中，通过调整高频发生器调整电磁感应器3的交流电频率和功率，从而调整和控制感应玻璃焊料件4和玻璃件的待焊接头处的升温速度、热量穿透深度、最高发热区域的大小。感应玻璃焊料件为环状或块状。步骤3)中，玻璃件为玻璃管、玻璃棒或者玻璃纤维。
将感应玻璃焊料件4和待焊接玻璃件一起置于电磁感应器3的交变磁场中，首先是在感应玻璃焊料件4上产生涡流，此涡流转变成热能，感应玻璃焊料件4 升温，并把热量传递给待焊接的玻璃件；随着它们温度的升高，特别在转变温度 Tg以上，它们的电阻率呈现快速下降，涡流增大，升温速度进一步加快，到熔融状态时玻璃成为良导体；由此导致的欧姆热效应使感应玻璃焊料和待焊接玻璃件的粘度下降、导电性能提高，如此循环，直至感应玻璃焊料和待焊接玻璃件发生熔化和软化甚至熔化，成为一体。调整电磁感应器3的交流电频率和功率，使熔区(焊接区)冷却并凝固，完成由感应玻璃焊料和待焊接玻璃件自身感应发热，作为焊接热源的快速自热式焊接过程。
借助在感应线圈的交变磁场中，有磁性的感应玻璃焊料件的磁极方向随交变磁场方向的改变而迅速改变，极化分子发生激烈的摩擦而发热的磁滞热效应，有利于加快感应玻璃焊料件的升温速度。
可通过高频发生器调整电磁感应器3的交流电的频率和功率，调整和控制感应玻璃焊料件和玻璃件的升温速度、热量穿透深度、最高发热区域的大小。该频率越高，越能产生剧烈、快速和局部性的热源，如1～3/MHz及以上的高频的加热效果，升温速度快、热量穿透深度小、最高发热区域的小，类似于小而集中的高温气体火焰的作用；而1～1000/KHz交流频率的加热升温速度相对慢、热量穿透深度增加、最高发热区域增大，与比较大的和开阔的气体火焰相似。
在电磁感应器3的交变磁场中，常温下电阻率103～107Ω·cm，比饱和磁矩为10～30A·m2/kg的玻璃焊料和玻璃件被感应产生涡流，涡流的欧姆热效应和剩磁的磁滞热效应使其自身发热，成为焊接的热源，实现玻璃材料自热式焊接。
玻璃材料的导电率会随着温度的上升而迅速提高，特别在转变温度Tg以上，电阻率呈现快速下降，到熔融状态玻璃是成为良导体，电阻率在0.3～100.0Ω·cm。涡流的欧姆热效应和剩磁的磁滞热效应使玻璃自身发热，成为焊接的热源，具有加热精度高，加热温度高，加热均匀，效率高，操作简便等诸多特点。
实施例1
用浇铸成型的环状感应玻璃焊料高频感应焊接玻璃管。
1、按以下质量百分比在1200～1400℃熔制25～40％SiO2、10～30％TiO2、 20～45％(BaO、Fe2O3)、0～5％B2O3、0～5％(Cr2O3，MnO，CoO，NiO，CeO2)，得到玻璃熔体，该玻璃熔体被浇铸成型，在480～590℃退火，得到浇铸成型的感应玻璃焊料件4，其电阻率为103～107Ω·cm，比饱和磁矩为10～30A·m2/kg；感应玻璃焊料件4的热膨胀系数必须大于被焊玻璃管的，而且两者的差值不超过 10％。
2、感应焊接
将浇铸成型的感应玻璃焊料件4紧密套在第一玻璃管1、第二玻璃管2的待焊接头处，一起置于电磁感应器3的中心位置(见图1)；电磁感应器3中交替产生1～3/MHz和10～1000/KHz的高频，在感应玻璃焊料件4和第一玻璃管1、第二玻璃管2的接头处产生涡流，形成剧烈、快速和局部的热源，升高至550～ 1200℃，感应玻璃焊料环4和第一玻璃管1、第二玻璃管2的接头处软化甚至熔化，形成一体的熔区；熔区冷却并凝固形成感应玻璃焊料件4和第一玻璃管1、第二玻璃管2接头的连接。焊接过程中选择高的工作电源频率，如1～3/MHz及以上的高频，形成集中的发热区域，加热升温速度快、热量穿透深度小、最高发热区域的小，发热效果类似于小而集中的气体火焰的加热作用；而1～1000/KHz 交流频率，最高发热区域增大，加热升温速度相对慢、热量穿透深度增加，发热效果与比较开阔和柔和的气体火焰加热相似。
实施例2
用环状烧结成型的感应玻璃焊料高频感应焊接玻璃管。
1、按以下质量百分比在1200～1400℃熔制25～40％SiO2、10～30％TiO2、 20～45％(BaO、Fe2O3)、0～5％B2O3、0～5％(Cr2O3，MnO，CoO，NiO，CeO2)，得到玻璃熔体；为调整感应玻璃焊料件的电阻率、比饱和磁矩和热膨胀系数，将玻璃熔体磨成粉，加入0～20的铁粉和(或)石墨粉末并混合均匀，再粘接、烧结成形得到感应玻璃焊料件4。其电阻率为102.5～104Ω·cm，比饱和磁矩为25～ 37A·m2/kg；感应玻璃焊料件的热膨胀系数大于被焊玻璃管的，而且两者的差值不超过10％。
2、感应焊接
将烧结成型的感应玻璃焊料件4紧密套在第一玻璃管1、第二玻璃管2的待焊接头处，一起置于电磁感应器3的中心位置(见图1)；电磁感应器3中交替产生1～3/MHz和10～1000/KHz的高频，在感应玻璃焊料件4和第一玻璃管1、第二玻璃管2的接头处产生涡流，形成剧烈、快速和局部的热源，升高至550～ 1200℃，感应玻璃焊料环4和第一玻璃管1、第二玻璃管2的接头处软化甚至熔化，形成一体的熔区；熔区冷却并凝固形成感应玻璃焊料件4和第一玻璃管1、第二玻璃管2接头的连接。焊接过程中选择高的工作电源频率，如1～3/MHz及以上的高频，形成集中的发热区域，加热升温速度快、热量穿透深度小、最高发热区域的小，发热效果类似于小而集中的气体火焰的加热作用；而1～1000/KHz 交流频率，最高发热区域增大，加热升温速度相对慢、热量穿透深度增加，发热效果与比较开阔和柔和的气体火焰加热相似。
Claims (1)
1.感应玻璃焊料自热式焊接玻璃件的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）制备玻璃熔体
按以下质量百分比在1200～1400℃熔制玻璃熔体：25～40%SiO2、10～30%TiO2、20～45%的BaO和Fe2O3；还包括质量百分比的0～5%B2O3、0～5%的增磁剂；所述的增磁剂选自Cr2O3，MnO，CoO，NiO，CeO2中任意一种或者几种的组合；
2）制备浇铸成型的感应玻璃焊料件
将步骤1）制备的玻璃熔体浇铸成型，在480～590℃退火，得到浇铸成型的感应玻璃焊料件；浇铸成型的感应玻璃焊料件的电阻率为103～107Ω·cm，比饱和磁矩为10～30A·m2/kg；感应玻璃焊料件的热膨胀系数大于被焊玻璃件的热膨胀系数，而且两者的差值不超过10%；
3）感应焊接
将浇铸成型的感应玻璃焊料件，与玻璃件的待焊接头处紧密接触，一起置于感应圈中心位置，在电磁感应器中交替的1～3/MHz和10～1000/ KHz的高频磁场作用下，感应玻璃焊料件和玻璃件的待焊接头处产生涡流、热源，升高至550～1200℃，感应玻璃焊料件和玻璃件的待焊接头处开始软化、熔化，形成一体的熔区；熔区被冷却并凝固形成感应玻璃焊料件和玻璃件的连接；所述的玻璃件为玻璃管、玻璃棒或者玻璃纤维；
所述的感应玻璃焊料件为环状或块状。
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