CN110002117B - 一种钛隔热容器的真空密封夹层及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钛隔热容器的真空密封夹层及制备方法，其制备方法包括：S1.在由内层和外层组成的密封夹层上制备微孔；S2.在真空电子束焊机中，通过所述微孔，对所述密封夹层进行抽真空处理；S3.通过真空电子束焊热熔封闭所述微孔，形成真空密封夹层。将抽真空以及封闭微孔在真空电子束焊机中一体完成，工作效率高；通过电子束热流融化钛金属表面的用于抽真空的微孔，不需要其他的配件及材料，一次成型并封闭微孔，使之成为浑然一体，从而使得产品的时效性长；其工艺操作简单、工作效率高、封闭效果好、质量稳定；相较于其他的方法，良品率大大提升；同时，该方法对加工件的形状、造型没有要求，可以在任何作业面上进行工作。

Description

一种钛隔热容器的真空密封夹层及制备方法
技术领域
本发明涉及钛金属隔热容器技术领域，尤其涉及一种钛隔热容器的真空密封夹层及制备方法。
背景技术
隔热容器包括保温杯/瓶、冷藏桶/箱/柜等，其能够使容器内的热量不易流失，从而极大地方便了人们的生活。保温杯通常是由陶瓷、玻璃或金属加上真空密封夹层做成的盛水的容器，顶部有盖，密封严实，真空密封夹层能使装在内部的水等液体延缓散热，以达到保温的目的。其中，现有保温杯的内层主要为不锈钢材质，具有自重轻、防破裂等优点；但因其存在重金属析出现象，在长时间存放具有一定酸碱度的饮品时，会使饮品失去原味、变质，而且饮品会腐蚀不锈钢导致其发生渗漏，影响保温杯的使用寿命；因此，不锈钢内胆的保温杯只适宜盛装水，而不适宜盛装茶、碳酸饮料、咖啡、酒、牛奶、中药等。
近年来，针对于不锈钢保温杯的缺陷与不足，出现一些以钛金属制造的保温杯，钛金属制造的保温杯不存在重金属析出问题，具有无害、健康及及保证饮品原味的特点，基于上述原因钛制保温杯日益引起人们的关注；然而，钛金属保温杯也存在明显的技术瓶颈。在钛金属保温杯的真空密封夹层制备过程中，无论是有尾抽真空还是无尾抽真空后，都出现了密封抽真空出口的难题。现有技术中采用传统的玻璃胶封堵法、钛金属片焊接法、金属螺钉封闭法等都因填料密封存在微观间隙、裂纹，不能保证夹层的真空度，即无法实现长时间、可靠的保温效果。此外，更重要的是，现有技术中包括如上的三种方法都存在加工过程复杂、加工难度大、工艺流程多、效率低、良品率低的问题。
中国专利文献CN103405104B中采用传统的玻璃胶封堵法来密封抽真空出口：在通孔处放置固态玻璃胶，在超过玻璃胶的熔点的高温环境下进行抽真空，使玻璃胶在抽真空的同时融化封堵住通孔，再冷却至常温使玻璃胶固化，使内杯体和外杯体之间形成真空夹层。由于钛金属表面存在的自然氧化保护膜使其始终处于化学惰性状态，使得玻璃胶与钛金属之间的结合强度差，极易出现微观缝隙等缺陷，不能长久保持真空度，严重影响保温效果和使用寿命；另外，如上玻璃胶封堵法需要在高温环境下进行，能源消耗巨大，成本高。
中国专利文献CN105942787A中采用钛金属片焊接法来密封抽真空出口：将钛金属杯放入真空炉中，空腔内的空气从出气孔被完全抽出后，采用自动焊接机将钛金属片封口焊接在外层上，使得钛金属片密封出气孔。虽然其真空度比固态玻璃胶封口有所增长，但仍存在很多不足。第一，因为钛的比强度高，导致钛金属片的加工难度大，另外对钛金属片的精度和平整度的要求极高，进而使得钛金属片的加工难度难上加难；第二，在真空箱中对钛金属片进行定位较困难，效率低；第三，用自动焊接机进行焊接，无论是氩弧焊还是激光焊，对起弧和收弧的要求高。如上的各种不足，造成工艺过程中的加工难度大，效率低，成品的良品率低，从而致使报废率高，成本极大增加。此外，由于自动焊接机是点状焊，其钛金属片和出气孔的密封处仍然可能存在微观缝隙。
中国专利文献CN204146781U中采用不锈钢螺丝封闭法来密封抽真空出口：抽真空结构包括钛金属的螺母和不锈钢的螺丝，螺母焊接固定在外杯体的底部处，螺母具有贯穿该螺母两个端面的螺孔，外杯体的底面上开设有与真空腔体相连通的通孔，通孔和螺孔相连通，螺丝螺接在外杯体的螺孔上，螺丝上开设有与螺孔相连通的出气孔，螺丝的出气孔处熔接有能够将该出气孔密封的固态玻璃胶封口。专利为了解决真空问题引入了钛螺母和不锈钢螺丝的机械连接方式，虽然提高了固态玻璃胶封口的牢固度，但增加了加工、装配成本，而且螺母与螺丝之间需要密封的面积更大、机械密封效果更差，甚至极易引起钛螺母与不锈钢螺丝之间的电偶腐蚀，反而降低保温效果和使用寿命。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种钛隔热容器的真空密封夹层及制备方法，其工艺简单、工作效率高、良品率高，产品的封闭效果好且质量稳定。
本发明提供一种钛隔热容器的真空密封夹层的制备方法，包括：S1.在由内层和外层组成的密封夹层上制备微孔；S2.在真空电子束焊机中，通过所述微孔，对所述密封夹层进行抽真空处理；S3.通过真空电子束焊热熔封闭所述微孔，形成真空密封夹层。
优选地，在所述步骤S1之前，包括如下步骤：S0.常温常压下将独立分开的内层和外层进行焊接，制备由内层和外层组成的密封夹层。进一步优选，所述步骤S0中采用激光焊接。
优选地，所述密封夹层上制备所述微孔的壁厚为0.5-1.5mm。在组成所述密封夹层的外层上制备所述微孔。
优选地，所述步骤S1包括：在常温常压下利用激光打孔制备所述微孔，且所述微孔的直径为0.3-0.5mm。进一步优选，激光脉冲的功率为2300–3000W，气体为氧气，频率为150–200Hz，占空比为16-18，时间为2-6s。
优选地，在所述步骤S1与所述步骤S2之间，还包括步骤：对所述微孔内部及外部进行清洗。进一步优选，采用丙酮对所述微孔内部及外部进行清洗。
优选地，所述步骤S2中对所述密封夹层进行抽真空处理，抽真空时间10-30min至压强为5×10-3-5×10-2Pa。
优选地，在所述步骤S3之后还包括如下步骤：S4.焊接完成后，检查焊缝质量，所述检查的质量包括无气孔、无沙眼、无漏焊；所述检查的方式包括目视、X光检查和荧光检查中的一种或多种。
优选地，所述钛隔热容器的内层和/或外层为纯钛。
优选地，所述钛隔热容器是：保温杯、保温瓶、冷藏桶、冷藏箱、冷藏柜中的一种。
本发明还提供一种钛隔热容器的真空密封夹层，通过如上所述的钛隔热容器的真空密封夹层的制备方法制备。所述钛隔热容器包括保温杯、热水瓶、冷藏桶、冷藏柜中的一种。
本发明的有益效果：将抽真空以及封闭微孔在真空电子束焊机中一体完成，工作效率高；通过电子束热流融化钛金属表面的用于抽真空的微孔，不需要其他的配件及材料，一次成型并封闭微孔，使之成为浑然一体，从而使得产品的时效性长；其工艺操作简单、工作效率高、封闭效果好、质量稳定；相较于其他的方法，良品率大大提升；同时，该方法对加工件的形状、造型没有要求，可以在任何作业面上进行工作。
附图说明
图1为本发明实施例1中钛保温杯的具制备方法流程示意图。
图2为本发明实施例1中钛保温杯杯底的外观示意图。
图3为现有技术中用钛金属片焊接法制备的保温杯杯底的外观示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
实施例
本实施例以钛隔热容器为保温杯为例，提供一种钛保温杯及其制备方法。保温杯包含内层杯体和外层杯体，且两者的中间形成真空密封夹层；内层杯体和外层杯体都优选纯钛材质，钛的含量为99.9％以上。
如图1所示，钛保温杯的具体制备方法及工艺如下：
A.制备内层杯体和外层杯体组成的密封夹层
准备若干纯钛金属的管料和板料，利用液压机和涨型模具将管料向外扩张形成内层杯体和外层杯体的周壁部分，再将板料拉伸成分别与内外层杯体的周壁口径相配合的底壁部分。
相较于不锈钢，钛金属的价格要相对较高，基于成本、钛保温杯的各项性能(轻便以及不变型)以及后续密封夹层的微孔制备以及微孔封闭的综合考虑，预制备微孔的壁厚为0.5mm-1.5mm左右，其他部分的壁厚可以相对薄一些；壁厚太薄的话，在外力作用下易导致变型；太厚又会增加成本以及不变携带。本实施例中，主要是在外层杯体的底壁上制备微孔，则内层杯体和外层杯体的周壁扩张后的壁厚控制在0.35mm-0.5mm左右，内层杯体的底壁拉伸后的壁厚控制在0.35mm-0.5mm左右，外层杯体的底壁拉升后的壁厚控制在0.5mm-1.5mm左右。
如上制备好的周壁和底壁部分，先分别将内层杯体的周壁部分与底壁部分、外层杯体的周壁部分与底壁部分通过焊接机焊接在一起组成内层杯体、外层杯体，然后将内层杯体装入外层杯体的内腔中，内层杯体和外层杯体的杯口朝向相同，最后将内层杯体的杯口处和外层杯体的杯口处通过焊接进行环形密封固定，内杯体的其余部位悬置在外杯体的内腔中，至此，形成由内层杯体和外层杯体组成的密封夹层。
内层杯体和外层杯体，无论是周壁与底部的焊接，还是内层杯体与外层杯体杯口的焊接，都是在常温常压下进行，其焊接可以采用现有技术中的任一种焊接方法，优选为激光焊。
B.制备微孔
不同于现有技术中在外层杯体的底壁上通过冲压头冲压形成用于放置固态玻璃胶的通孔，本实施例对步骤A中所制得的组成密封夹层的外层杯体的底壁上进行微孔制备，基于底壁的壁厚为0.5mm-1.5mm，选择制备微孔的直径为0.3mm-0.5mm。具体地，常温常压下，利用激光打孔制备该微孔，为了获得高质量的微孔，其激光打孔采用的激光脉冲的功率为2300-3000W，气体为氧气(O2)，频率为150-200Hz，占空比为16-18，时间为2-6s；若如上的任一个参数低于或高于如上的数值，则会出现打不穿或微孔直径过大的情形。若未打穿，则无法进行后续的抽真空处理，进而无法制备真空密封夹层；若微孔直径过大，在后续真空电子束焊过程中，在不使用其他的配件及材料情形下，则无法利用真空电子束热熔直接封闭该直径过大的微孔。
具体例子的相关参数如下：
Figure GDA0002427574290000051
C.对微孔进行清洗
将上述步骤制备好的密封夹层逐件检查杯体外观，有无磕碰伤、较深划痕、未打孔等缺陷。然后放入特制篮筐中，逐一摆放；再对微孔内部及外部进行清洗，优选用丙酮进行清洗，以保证微孔处的洁净，并为后续的电子束焊做准备。
D.抽真空及电子束焊
将上步骤中装有已清洗杯体的特制篮筐放入真空束焊机中，然后抽真空10-30min左右，直至压强为5×10-3Pa-5×10-2Pa。
抽真空后，调整真空电子束焊机的各项参数，进行电子束焊热熔封闭微孔，形成真空密封夹层。电子束焊接的微观原理为：电子束融化外层杯体微孔周围钛金属表面的部分，由于微孔下端的温度低于上端的温度，故融化的钛金属填充至微孔中并冷却，从而封住微孔。焊接完成后，检查焊缝质量，检查方式包括目视、X光和荧光检查等，检查项目包括有无气孔、沙眼、漏焊等。已焊接的焊点大小外形均匀，无气孔及沙眼。待检查无误后，台车出真空室，包装装箱。
保温实验结果比对
将实施例1制备好的真空密封夹层，与背景技术中通过玻璃胶封堵法、钛金属片焊接法、金属螺钉封闭法制备的真空密封夹层进行比较，往里倒入初始温度为100℃的热水，并盖上杯盖，每隔一段时间，测试其水温。
Figure GDA0002427574290000061
通过如上的对比结果可知，实施例1中制备的保温杯的真空密封夹层，其隔热效果好。
工作效率比对
本实施例中，通过激光制备微孔，可以在同一个设备中进行批量打孔，制备100个微孔的时间为10s-50s。在真空电子束焊机中利用电子束热熔封闭微孔也可以批量进行，封堵100个微孔的时间为10s-50s。
传统制备一个通孔(例如冲压头冲压等)需要30s-50s左右，而且不能在同一台设备中批量进行，只能一个一个地制备(做完一个拿开并进行下一个)。
传统利用钛金属片密封通孔，由于需要不时地移动工件以环形焊接，需要50s-90s左右一个，而且不能批量进行。另外制备钛金属片也需要花费更多的时间。
本实施例中通过制备微孔，再在真空电子束焊机中利用电子束封闭微孔，其工艺操作简单，而且工作效率得到大大提升。
良品率比对
对于金属钛片焊接法，钛金属片如果没有达到精度和平整度的要求，则无法用于后续的焊接；即使钛金属片达到要求，在焊接过程中，如果定位没对好，起弧和收弧没有做好，则直接导致整个保温杯的报废，进而提升成本。如上各种原因导致其良品率仅为97％-98％。而对于玻璃胶封堵法和金属螺钉封闭法，其良品率也都维持在97％-98％左右。
本实施例中只需要在杯体上用激光制备微孔以及抽真空后用电子束焊机封闭微孔，其制备的产品良品率高，达到99.9％以上。
如上的制备方法，总的来说具有如下的优点：
1.制备密封夹层、杯体上的微孔都是在常温常压下进行，后续的抽真空以及封闭微孔在真空电子束焊机中一体完成，其加工过程简单、难度低，工作效率高。
2.通过电子束热流融化钛金属表面的用于抽真空的微孔，不需要其他的配件及材料(比如钛片)，一次成型并封闭微孔，使之成为浑然一体，从而使得产品的时效性长。
3.其工艺操作简单、工作效率高、封闭效果好、质量稳定；同时，该方法对加工件的形状、造型没有要求，可以在任何作业面上进行工作。
3.相较于其他的方法，良品率大大提升，良品率为99.9％以上。
4.如图2所示，本实施例制备的钛杯的杯底一体化，相较于现有技术中用钛金属片焊接法(图3)、玻璃胶封堵法以及金属螺钉封闭法，本实施例中抽真空口处的封堵更平整，也更美观。
如上的方法除用于制备钛保温杯外，还可以制备其他的钛隔热容器，包括热水瓶、冷藏桶、冷藏柜等。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种钛隔热容器的真空密封夹层的制备方法，其特征在于，包括：
S1.在由内层和外层组成的密封夹层上制备微孔；
S2.在真空电子束焊机中，通过所述微孔，对所述密封夹层进行抽真空处理；
S3.通过真空电子束焊热熔封闭所述微孔，形成真空密封夹层。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，包括如下步骤：S0.常温常压下将独立分开的内层和外层进行焊接，制备由内层和外层组成的密封夹层。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S0中采用激光焊接。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述密封夹层上制备所述微孔处的壁厚为0.5-1.5mm。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在组成所述密封夹层的外层上制备所述微孔。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：在常温常压下利用激光打孔制备所述微孔，且所述微孔的直径为0.3-0.5mm。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述激光打孔的参数如下：激光脉冲的功率为2300–3000W，气体为氧气，频率为150–200Hz，占空比为16-18，时间为2-6s。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1与所述步骤S2之间，还包括步骤：对所述微孔内部及外部进行清洗。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，采用丙酮对所述微孔内部及外部进行清洗。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中对所述密封夹层进行抽真空处理，抽真空时间10-30min至压强为5×10-3-5×10-2Pa。
11.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3之后还包括如下步骤：
S4.焊接完成后，检查焊缝质量，所述检查的质量包括无气孔、无沙眼、无漏焊；所述检查的方式包括目视、X光检查和荧光检查中的一种或多种。
12.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钛隔热容器的内层和/或外层为纯钛。
13.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钛隔热容器是：保温杯、保温瓶、冷藏桶、冷藏箱、冷藏柜中的一种。
14.一种钛隔热容器的真空密封夹层，其特征在于，通过如权利要求1-12任一项所述的钛隔热容器的真空密封夹层的制备方法制备。
15.如权利要求14所述的钛隔热容器的真空密封夹层，其特征在于，所述钛隔热容器包括保温杯、热水瓶、冷藏桶、冷藏柜中的一种。
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