CN111348842A - 一种太阳能集热管玻璃金属自动封接设备及方法 - Google Patents

一种太阳能集热管玻璃金属自动封接设备及方法 Download PDF

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Abstract

一种太阳能集热管玻璃金属封接自动封接设备及方法。设备包括底座、左基座、安装在左基座上的玻璃管卡具、右基座、安装在右基座上的金属环卡具、排火系统、整形装置及控制系统；左基座固定在底座上，右基座安装在底座滑轨上并可沿底座滑轨平移；底座内部固定有驱动玻璃管卡具及金属环卡具同步同心转动的传动电机；排火系统安装在排基座上，排火头在排火气缸推动下可在排火滑轨上实现两点摆动和定位；整形装置安装于右基座，其中的气缸通过传动杆连接弹簧片，弹簧片与石墨板连接；弹簧片上通过螺杆连接有支撑杆，该支撑杆的端部设有滚轮，支撑杆通过滚轮作用于金属环表面，其支撑高度可调。本发明可实现封接工艺的精准控制，提高玻璃金属封接效率。

Description

一种太阳能集热管玻璃金属自动封接设备及方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能集热管玻璃金属自动封接设备及方法，可应用于太阳能中高温光热利用领域。
背景技术
太阳能集热管由带有选择性吸收涂层的不锈钢中央管和外层玻璃套管组成，是太阳能中高温集热系统的核心组件。为了保护选择性吸收涂层和降低集热管热损，需要将中央管和玻璃套管之间抽至真空，并且要求真空保持长达20年之久，这就为玻璃金属封接质量提出了严苛的要求。
专利文献CN1262248A提出了一种玻璃金属热压封接工艺，即利用固态焊接的热压封方法将玻璃和金属封接在一起，达到真空气密的要求。该方法使用的焊料主要是铅，最高使用温度低于200℃，所以铅热压封接的真空集热管只能应用于低温光热利用领域。火焰封接仍然是最适用中高温集热管的封接方法，该方法分为匹配封接和非匹配封接两条路线，匹配封接一般要求金属与玻璃膨胀系数非常匹配(误差小于6％)，对材料的选择要求较高；非匹配封接采用膨胀系数非匹配的玻璃和金属，但金属需减薄至0.1mm以下才能释放封接应力，这种封接方法由于金属厚度太薄，封接工艺难度更大。
火焰封接目前主要由玻璃工人手工实现，培养一名手艺熟练的封接工人至少需要一年时间，并且由于人为因素的存在导致封接合格率较低，封接产品一致性较差，封接产能也受到限制。专利文献CN103145350A提出一种玻璃金属封接装置及其封接方法，利用玻璃软化后的重力作用使软化的玻璃在金属壁面上形成双面封接。该装置在实际封接过程中主要存在如下不足：首先，玻璃管为拉制成型，玻璃管直径及壁厚有较大误差，圆度无法保证，当金属环插入软化的玻璃时，金属壁内外侧均会出现分料不均现象，造成封接失败或产品外观不合格；其次，金属环氧化程度决定着玻璃金属封接质量，该装置无法实现对金属环氧化的精准控制；最后，装置无非实现自动封接，封接效率低，产品一致性难以保证。
发明内容
鉴于以上技术问题，本发明的目的在于提供一种精度更高、封接效率高效的太阳能集热管玻璃金属自动封接设备。
本发明的另一目的在于提供一种使用上述设备对太阳能集热管玻璃金属进行封接的方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种太阳能集热管玻璃金属封接自动封接设备，包括底座、左基座、安装在左基座上的玻璃管卡具、右基座、安装在右基座上的金属环卡具、排火系统、整形装置及控制系统；
底座上设有底座滑轨，左基座固定在底座上，右基座安装在底座滑轨上并可沿底座滑轨平移；左基座旁设有平移电机，该平移电机通过丝杠实现对右基座的平移及坐标定位；底座内部固定有传动电机，该传动电机通过传动轴驱动玻璃管卡具及金属环卡具同步同心转动；
排火系统包括排火基座、排火头、排火气缸和排火滑轨，排火基座设置在底座上，排火滑轨安装在排基座上，排火头在排火气缸推动下可在排火滑轨上实现两点摆动和定位，分别进行金属环氧化和玻璃管软化；
整形装置固定在右基座一侧，包括石墨板、弹簧片、传动杆和气缸，气缸通过传动杆连接弹簧片，弹簧片与石墨板连接；弹簧片通过螺杆连接有支撑杆，该支撑杆的端部设有滚轮，支撑杆通过滚轮作用于金属环表面，并且支撑高度可调；
控制系统控制由人机交互界面和单片机控制器组成，通过编程及参数设置，实现对右基座坐标、玻璃管整形位置及软化时间、可伐氧化时间及位置、封接面宽度、排火头摆动、火焰强度及石墨板按压动作的程序化控制。
一种使用上述设备对太阳能集热管玻璃金属进行封接的方法，包括以下步骤：
(1)根据玻璃管定尺长度调整好限位，将玻璃管放入玻璃管卡具并夹紧，将金属环放入金属环卡具夹紧；
(2)控制玻璃管和金属环匀速转动，转速为30～300转/分钟，将排火头摆向玻璃管一侧并保持，启动弱火焰对玻璃管进行低温预热处理，控制玻璃管端口温度300～600℃维持30～120秒；
(3)右基座向左移至金属环氧化坐标处，启动强火焰，同时将排火头摆至金属环一侧对金属环进行氧化处理，氧化温度为600～1200℃，时间为10～120秒；
(4)金属环氧化完成后，将排火头摆至玻璃管一侧对玻璃管进行软化处理，软化温度为600～1200℃，持续时间20～120秒；
(5)右基座向左移动至玻璃管整形位置，石墨板做出按压动作，对玻璃管完成整形后石墨板回位；
(6)右基座进一步移动至封接位置坐标，平移速度降低，金属环缓慢插入软化的玻璃管中，插入速度为10～100mm/分钟，插入深度为3～8mm；此时排火头再次摆至金属环一侧，对封接面进行热处理，热处理后，石墨板做出按压动作，对封接面进行整形；
(7)强火焰切换至弱火焰，对封接样品退火处理，退火温度为300～600℃，时间为30～150秒完成封接。
本发明的优点在于：
本发明可实现对封接工艺的精准控制，并明显提高太阳能集热管玻璃金属封接效率。
附图说明
图1为本发明的太阳能集热管玻璃金属封接自动封接设备的结构示意图。
图2为从排火系统左侧向右观察到的结构示意图。
图3为整形装置中石墨板各部件的连接状态示意图。
图4为图3的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。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。
如图1～图4所示，本发明的太阳能集热管玻璃金属封接自动封接设备包括底座1、左基座2及玻璃管卡具4、右基座3及金属环卡具5、底座滑轨8、传动电机9、传动轴10、平移电机6、丝杠7、排火系统、整形装置及控制系统，所述左基座2和右基座3均安装在底座滑轨8上，左基座2位置固定，右基座3可在底座滑轨8上平移。传动电机9固定于底座1内部，通过传动轴10驱动玻璃管卡具4和金属环卡具5同步同心转动；平移电机6固定在左基座2旁，通过丝杠7实现对右基座3的平移及坐标定位。
所述排火系统由排火基座11、排火头13、排火气缸12和排火滑轨14组成，排火头13在排火气缸12驱动下，可在排火滑轨14上两点定位，分别完成金属环氧化及玻璃管软化。
所述整形装置由石墨板18、滚轮22、支撑杆21、螺杆23、弹簧片17、传动杆16和整形气缸15组成。以金属环表面为基准面，弹簧片17按压后滚轮22在金属环表面滚动，保持石墨板18与金属环间的距离恒定，从而确保封接面厚度的均匀性。弹簧片17通过螺杆23连接有支撑杆21，该支撑杆21的端部设有滚轮22，支撑杆21通过滚轮22作用于金属环表面，并且支撑高度可调。
石墨板18呈斜面设计，对软化玻璃管口整形时，通过改变玻璃管整形坐标来控制玻璃管口外径，从而实现对金属环内外侧分料比例。
所述控制系统由人机交互界面19和单片机控制器20组成，通过编程及参数设置，实现对右基座3坐标、玻璃管整形位置及软化时间、可伐氧化时间及位置、封接面宽度、排火头13摆动、火焰强度及弹簧片17按压动作的程序化控制。
使用上述设备对太阳能集热管玻璃金属进行封接的方法，包括以下步骤：
(1)根据玻璃管定尺长度调整好限位，将玻璃管放入玻璃管卡具并夹紧，将金属环放入金属环卡具夹紧，设定转速、金属环氧化位置坐标及氧化时间、玻璃管整形位置坐标及软化时间、封接位置坐标、金属环插入深度、排火头摆动及石墨板按压动作等参数，坐标归零复位后启动程序；
(2)控制玻璃管和金属环匀速转动，将排火头摆向玻璃管一侧并保持，启动弱火焰，对玻璃管进行低温预热处理；
(3)右基座向左移至金属环氧化坐标处，启动强火焰，同时将排火头摆至金属环一侧对金属环进行氧化处理；
(4)金属环氧化完成后，将排火头摆至玻璃管一侧对玻璃管进行软化处理；
(5)右基座向左移动至玻璃管整形位置，石墨板做出按压动作，对玻璃管完成整形后石墨板回位；
(6)右基座进一步移动至封接位置坐标，平移速度降低，金属环缓慢插入软化的玻璃管中，此时排火头再次摆至金属环一侧，对封接面进行热处理，热处理后，石墨板做出按压动作，对封接面进行整形。
(7)强火焰切换至弱火焰，对封接样品退火处理，完成封接。
实施例1
(1)玻璃管外径为125mm，厚度为3mm，定尺长度260mm；金属环外径122mm，厚度为1mm，为了方便插入玻璃管，金属环口做倒圆处理。将玻璃管放入玻璃管卡具4并夹紧，将金属环放入金属环卡具5夹紧。设定转速为200转/分钟，金属环氧化位置坐标为-240，氧化时间为20s，玻璃管整形位置坐标为-250，软化时间为40s，封接位置坐标为-265、金属环插入深度为4mm，排火头13摆动及石墨板18按压动作命令加入程序，坐标归零复位后启动程序。
(2)玻璃管和金属环匀速转动。排火头13摆向玻璃管一侧并保持，启动弱火焰，对玻璃管进行500℃预热处理40s。
(3)右基座3向左移至金属环氧化坐标处，启动强火焰，同时将排火头摆至金属环一侧对金属环进行800℃氧化20s。
(4)金属环氧化完成后，排火头13摆至玻璃管一侧对玻璃管进行800℃软化处理40s。
(5)右基座3向左移动至玻璃管整形位置，石墨板18做出按压动作，保持6s，玻璃管完成整形后石墨板18回位。
(6)右基座3进一步移动至封接位置坐标，平移速度降低，金属环缓慢插入软化的玻璃管中，插入速度为60mm/分钟，插入深度为4mm，此时排火头13再次摆至金属环一侧，对封接面进行加热，10s后，石墨板18做出按压动作，对封接面进行整形6s。
(7)强火焰切换至弱火焰，对封接样品退火处理30s，完成封接。
实施例2
(1)玻璃管外径为150mm，厚度为3mm，定尺长度为280mm；金属环外径为147mm，厚度为1mm，为了方便插入玻璃管，金属环口做倒圆处理。将玻璃管放入玻璃管卡具4并夹紧，限位调整至合适位置；将金属环放入金属环卡具5夹紧。设定转速为180转/分钟，金属环氧化位置坐标为-240，氧化时间为24s，玻璃管整形位置坐标为-250，软化时间为45s，封接位置坐标为-265、金属环插入深度为4mm，排火头13摆动及石墨板18按压动作命令加入程序，坐标归零复位后启动程序。
(2)玻璃管和金属环匀速转动。排火头13摆向玻璃管一侧并保持，启动弱火焰，对玻璃管进行600℃预热处理45s。
(3)右基座3向左移至金属环氧化坐标处，启动强火焰，同时将排火头摆至金属环一侧对金属环进行850℃氧化24s。
(4)金属环氧化完成后，排火头13摆至玻璃管一侧对玻璃管进行900℃软化处理45s。
(5)右基座3向左移动至玻璃管整形位置，石墨板18做出按压动作，保持6s，玻璃管完成整形后石墨板18回位。
(6)右基座3进一步移动至封接位置坐标，平移速度降低，金属环缓慢插入软化的玻璃管中，插入速度为50mm/分钟，插入深度为5mm，此时排火头13再次摆至金属环一侧，对封接面进行加热，15s后，石墨板18做出按压动作，对封接面进行整形6s。
(7)强火焰切换至弱火焰，对封接样品退火处理30s，完成封接。

Claims (2)

1.一种太阳能集热管玻璃金属封接自动封接设备，其特征在于，包括底座、左基座、安装在左基座上的玻璃管卡具、右基座、安装在右基座上的金属环卡具、排火系统、整形装置及控制系统；
底座上设有底座滑轨，左基座固定在底座上，右基座安装在底座滑轨上并可沿底座滑轨平移；左基座旁设有平移电机，该平移电机通过丝杠实现对右基座的平移及坐标定位；底座内部固定有传动电机，该传动电机通过传动轴驱动玻璃管卡具及金属环卡具同步同心转动；
排火系统包括排火基座、排火头、排火气缸和排火滑轨，排火基座设置在底座上，排火滑轨安装在排基座上，排火头在排火气缸推动下可在排火滑轨上实现两点摆动和定位，分别进行金属环氧化和玻璃管软化；
整形装置固定在右基座一侧，包括石墨板、弹簧片、传动杆和气缸，气缸通过传动杆连接弹簧片，弹簧片与石墨板连接；弹簧片通过螺杆连接有支撑杆，该支撑杆的端部设有滚轮，支撑杆通过滚轮作用于金属环表面，并且支撑高度可调；
控制系统控制由人机交互界面和单片机控制器组成，通过编程及参数设置，实现对右基座坐标、玻璃管整形位置及软化时间、可伐氧化时间及位置、封接面宽度、排火头摆动、火焰强度及石墨板按压动作的程序化控制。
2.根据权利要求1所述的设备对太阳能集热管玻璃金属进行封接的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据玻璃管定尺长度调整好限位，将玻璃管放入玻璃管卡具并夹紧，将金属环放入金属环卡具夹紧；
(2)控制玻璃管和金属环匀速转动，转速为30～300转/分钟，将排火头摆向玻璃管一侧并保持，启动弱火焰对玻璃管进行低温预热处理，控制玻璃管端口温度300～600℃，维持30～120秒；
(3)右基座向左移至金属环氧化坐标处，启动强火焰，同时将排火头摆至金属环一侧对金属环进行氧化处理，氧化温度为600～1200℃，时间为10～120秒；
(4)金属环氧化完成后，将排火头摆至玻璃管一侧对玻璃管进行软化处理，软化温度为600～1200℃，持续时间20～120秒；
(5)右基座向左移动至玻璃管整形位置，石墨板做出按压动作，对玻璃管完成整形后石墨板回位；
(6)右基座进一步移动至封接位置坐标，平移速度降低，金属环缓慢插入软化的玻璃管中，插入速度为10～100mm/分钟，插入深度为3～8mm；此时排火头再次摆至金属环一侧，对封接面进行热处理，热处理后，石墨板做出按压动作，对封接面进行整形；
(7)强火焰切换至弱火焰，对封接样品退火处理，退火温度为300～600℃，时间为30～150秒完成封接。
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