專利名稱：集熱管玻璃——金屬雙口熱壓封接材料及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種玻璃——金屬封接工藝，特別是涉及一種真空集熱管玻璃與低膨脹合金 金屬雙口封接材料及方法。
背景技術(shù)：
本發(fā)明屬于玻璃與金屬封接技術(shù)領(lǐng)域、利用固態(tài)焊接的一種熱壓封方法。 不同類型的玻璃一金屬封接時(shí)，對(duì)金屬材料及玻璃的要求不同。對(duì)于一種選定的玻璃材 料，不是任意一種金屬或合金材料都可以進(jìn)行封接，二者必須滿足一定的封接條件，其中最 基本的條件是(1)玻璃與金屬材料二者膨脹系數(shù)要相接近，以達(dá)到封接件的內(nèi)應(yīng)力減少到 最低限度，稱之為匹配封接；(2)金屬材料的熔點(diǎn)要高于玻璃的軟化溫度，即高于玻璃可塑 溫度，由于玻璃沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，隨著溫度的上升從固態(tài)逐漸均勻地變?yōu)橐簯B(tài)，金屬材料的 表面經(jīng)過(guò)加熱后，其氧化層才能牢固地與玻璃粘合在一起；(3)必須使玻璃能潤(rùn)濕金屬表面， 即玻璃在金屬表面能充分展開(kāi)。潤(rùn)濕性反應(yīng)了玻璃與金屬之間的結(jié)合能力，利用這一特性能 夠使玻璃和金屬在熱膨脹系數(shù)差異很大的情況下進(jìn)行封接，以達(dá)到不漏氣不爆裂的目的。
傳統(tǒng)的玻璃一金屬合金材料封接一般采用火焰熔封的方法，將被封接的玻璃和金屬封接 在一起。采用火焰法封接時(shí)，要求被封接玻璃和金屬材料的膨脹系數(shù)非常匹配，其差值不超 過(guò)±10% (—般相互差值小于6%)的情況下，玻璃或金屬產(chǎn)生的熱應(yīng)力便可控制在安全范圍 內(nèi)，玻璃就不會(huì)炸裂；同時(shí)，在封接后需對(duì)熔封后的部件進(jìn)行仔細(xì)退火，以消除熔接時(shí)造成 的熱應(yīng)力。該工藝封接溫度較高，調(diào)節(jié)熔接溫度較難，能耗大，造成封接質(zhì)量不高，工藝重 復(fù)性差，成品率低。雖然存在以上缺點(diǎn)，但該工藝仍然是大多數(shù)國(guó)家(如英國(guó)、荷蘭、日本) 采用的封接工藝。
目前，中國(guó)開(kāi)始采用熱壓封接工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)玻璃一金屬真空密封。專利號(hào)為93101627. 4的 中國(guó)發(fā)明專利"玻璃一金屬熱壓封接工藝"和專利號(hào)為99100222. 9的中國(guó)發(fā)明專利"玻璃一 金屬熱壓封接工藝"，該封接工藝特征在于焊接是在加熱加壓的條件下進(jìn)行，焊接采用塑性 較好的金屬鉛作為焊料進(jìn)行固態(tài)封接，封接時(shí)通過(guò)汽缸對(duì)焊料進(jìn)行沖擊加壓，使焊料迅速變 形分解，在其尚未氧化時(shí)就形成了氣密的封接面，從而解決了玻璃管材料膨脹系數(shù)與封接金
屬之間的不匹配困難；該工藝缺點(diǎn)在于焊料鉛熔點(diǎn)較低(加熱溫度30(TC)，使真空集熱管 排氣溫度降低，真空集熱管無(wú)法徹底排氣，在使用過(guò)程中不斷放氣，影響其使用壽命。
專利號(hào)為CN98125249.4，名稱為"玻璃——金屬的鋁絲熱壓封接工藝"的中國(guó)發(fā)明專利， 與前述熱壓封接工藝大致相同。不同之處在于，該工藝使用鋁絲作為封接材料，封接溫度為 鋁熔點(diǎn)(66(TC)的0.6 0.9倍，把壓縮空氣充入氣缸使其迅速向金屬充壓，使位于玻璃和金 屬之間的鋁絲在極短的時(shí)間內(nèi)形成氣密的封接面，實(shí)現(xiàn)熱壓封接。該工藝優(yōu)點(diǎn)在于用焊料鋁 進(jìn)行封接，鋁的熔點(diǎn)比鉛要高，可使真空集熱管排氣徹底，延長(zhǎng)使用壽命；缺點(diǎn)在于鋁質(zhì)偏 硬，封接時(shí)玻璃易破損，成品率較低。
專利號(hào)為CN98101161.6，名稱為"玻璃——金屬的磁脈沖熱壓封接工藝"的中國(guó)發(fā)明專 禾IJ，公告了一項(xiàng)玻璃一金屬封接工藝，指出其封接特征在于在封接溫度為鋁基焊絲熔點(diǎn)的 0.8 0. 9倍條件下，對(duì)鋁基焊絲進(jìn)行強(qiáng)磁脈沖加壓熱封。鋁基焊絲瞬間由預(yù)熱溫度加熱到接 近熔點(diǎn)，發(fā)生塑性變形，完成金屬端蓋與玻璃法蘭的封接。由于鋁基焊絲在無(wú)氧化條件下發(fā) 生沖壓塑性變形，不會(huì)有氣體溢出，沒(méi)有氣孔，保證金屬端蓋與玻璃法蘭封接面的氣密性；
同時(shí)對(duì)金屬和玻璃的膨脹系數(shù)匹配要求不嚴(yán)，封接后無(wú)須退火。缺點(diǎn)在于該封接工藝裝置
較為復(fù)雜，需要配置產(chǎn)生強(qiáng)磁脈沖的線圈和磁環(huán)，故需要的電功率較大，使成本增加，且熱 壓封接的作用時(shí)間及沖力都需要計(jì)算機(jī)予以精確控制，不便于操作。
總體來(lái)看，目前己經(jīng)公布的幾種封接工藝發(fā)明專利在進(jìn)行玻璃-金屬封接時(shí)，都存在玻璃 與金屬封接端面面積較大，接觸熱阻、膨脹應(yīng)力也較大。集熱玻璃管封接過(guò)程中，普遍存在
30 40%的炸管率、封接后的部件安全性較差、生產(chǎn)成本較高等缺點(diǎn)。因此，解決這些封接工 藝問(wèn)題是玻璃一金屬封接工藝行業(yè)內(nèi) 一直努力的方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利目的是提供一種新型的氣密性能好、成本低廉、封接成品率高的玻璃——金 屬熱壓封接工藝。本發(fā)明的雙口熱壓封接工藝，可以有效地減小玻璃管和金屬端面的封接面 積，減小了玻璃與金屬間的封接熱應(yīng)力，且封接后無(wú)須進(jìn)行退火處理，封接時(shí)間大幅縮短， 不僅獲得良好的密封效果，同時(shí)提高封接產(chǎn)品質(zhì)量，封接成品率可達(dá)95%以上，大大降低生 產(chǎn)成本。
本發(fā)明的集熱管玻璃——金屬的雙口熱壓封接的材料，采用鉛、鋁和錫熔合而成的合金 焊料。
所述的合金焊料的含量為鉛48% 56%、鋁35% 42°/。、錫8% 10%。 優(yōu)選的合金焊料的含量為鉛50%，鋁40%，錫10%。 所述的合金焊料的直徑為<t 1. 0 d)2. 5誦。
本發(fā)明的集熱管玻璃——金屬的雙口熱壓封接的方法，是將金屬端蓋與玻璃管封接處的 上下端部采用2個(gè)弧狀對(duì)稱玻璃法蘭支承受力；封接溫度為合金金屬焊料熔點(diǎn)的0. 7 0. 9倍， 焊接時(shí)施加的沖擊壓力為70 200kg/cm2，作用時(shí)間為0.5s 1.5min;集熱玻璃管的膨脹系 數(shù)為(3. 2 3. 4) X10—V。C。
與目前已經(jīng)公布的幾項(xiàng)玻璃與金屬封接工藝專利相比，技術(shù)方案不同之處在于其一， 本發(fā)明專利中與集熱玻璃管相熔接的兩個(gè)弧狀對(duì)稱玻璃法蘭同時(shí)支承受力。從封接機(jī)理角度， 雙口封接可有效地減小玻璃管和金屬端面的封接面積，減少了玻璃與金屬間的接觸膨脹應(yīng)力， 封接熱應(yīng)力較??；其二，采用由鉛、鋁和錫三種金屬的合金作為焊料進(jìn)行封接，使集熱玻璃 管既可達(dá)到真空氣密的要求，還很好地解決了玻璃與金屬材料進(jìn)行常規(guī)熱壓封接時(shí)出現(xiàn)的炸 管幾率較大的問(wèn)題。
本發(fā)明公布的玻璃——金屬雙口封接工藝，采用由鉛、鋁和錫三種金屬的合金作為焊料， 與采用焊料鉛進(jìn)行封接相比，由于焊料熔點(diǎn)增加，因此可使集熱玻璃管在較高溫度下進(jìn)行真 空排氣，集熱管內(nèi)的殘余氣體大幅減少，放氣速率降低，同時(shí)使玻璃管、金屬端蓋除氣較徹 底，集熱管的熱效率和真空集熱管的使用壽命明顯提高；同時(shí)，與采用焊料鋁進(jìn)行封接相比， 克服了鋁質(zhì)偏硬、封接時(shí)玻璃管易破損、成品率較低的缺點(diǎn)。
同時(shí)，集熱玻璃管的封接處采用2個(gè)弧狀對(duì)稱玻璃法蘭支承受力，該種封接工藝可以有效 地減小玻璃管和金屬端面的封接面積，減少玻璃與金屬間的接觸膨脹應(yīng)力，封接熱應(yīng)力較小， 氣密性好，提高了封接部位的牢固f生、安全性和可靠性。
該發(fā)明對(duì)金屬與玻璃兩者膨脹系數(shù)的匹配要求不嚴(yán)、焊接封接后無(wú)需作退火處理，還可 解決金屬與玻璃之間因膨脹系數(shù)不同而引起的封接應(yīng)力，又可提高真空管排氣溫度，封接工 藝的重復(fù)性和可控性好，操作簡(jiǎn)便，性能滿足常規(guī)工作條件下的真空玻璃管安裝要求，實(shí)現(xiàn) 玻璃與金屬端蓋封接成功率在95%以上，提高了封接質(zhì)量和產(chǎn)品的成品率，降低了生產(chǎn)成本。


圖1為利用本發(fā)明的材料及方法封接的真空集熱管示意圖，右半部分為集熱管結(jié)構(gòu)剖面圖。 其中，l.金屬端蓋；2.合金焊料絲；3.玻璃法蘭；4.真空玻璃集熱管。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:
1) 將金屬端蓋1的封接部件進(jìn)行機(jī)械凈化(如用砂紙擦)、去油、化學(xué)清洗，并將金屬 封接部件表面烘干。
2) 將含量為鉛48%、鋁42%和錫10。/。的合金焊料制成(H.0mm的合金焊料絲2，合金焊 料絲過(guò)渡環(huán)裝好后，使一對(duì)弧狀對(duì)稱玻璃法蘭3中頂端一側(cè)的金屬端蓋1與其對(duì)應(yīng)上側(cè)玻璃 法蘭3定位，玻璃法蘭3 口徑為4) 70mm，玻璃法蘭3及集熱玻璃管4的膨脹系數(shù)為3. 4 X 10—7 。C。
3) 金屬端蓋封接件1和玻璃法蘭3定位后，將合金焊料環(huán)2在熱壓封接機(jī)中加熱到355 'C，封接溫度為合金金屬焊料熔點(diǎn)的0.7倍，在金屬焊料絲退火溫度之內(nèi)，向端面施加 200kg/cn^的沖擊壓力，沖擊時(shí)間為0.5s ls，將對(duì)稱封接結(jié)構(gòu)中頂端一側(cè)的金屬端蓋1和玻 璃法蘭3互相封接在一起。
4) 重復(fù)步驟2)、 3)完成弧狀對(duì)稱封接結(jié)構(gòu)中底端一側(cè)的金屬端蓋1與其對(duì)應(yīng)下側(cè)玻璃 法蘭3定位、加熱、加壓，實(shí)現(xiàn)下段封接部件的封接。
5) 歩驟3)和4)實(shí)現(xiàn)將對(duì)稱封接結(jié)構(gòu)中上下端部金屬端蓋與弧狀對(duì)稱玻璃法蘭支承受力。
實(shí)施例2:
1) 將金屬端蓋的封接部件1進(jìn)行機(jī)械凈化(如用砂紙擦)、去油、化學(xué)清洗，并將金屬 封接部件表面烘干。
2) 將含量為鉛49%、鋁42%和錫9%的合金焊料制成4) 1. 5mm的焊料絲，焊料絲過(guò)渡環(huán) 2裝好后，使一對(duì)弧狀對(duì)稱玻璃法蘭3中頂端一側(cè)的金屬端蓋1與其對(duì)應(yīng)上側(cè)玻璃法蘭3定 位，玻璃法蘭3 口徑為4 70mm，玻璃法蘭3及集熱玻璃管4的膨脹系數(shù)為3. 3X 10—7'C。
3) 金屬端蓋封接件1和玻璃法蘭3定位后，將合金捍料環(huán)2在熱壓封接機(jī)中加熱到365 37(TC，封接溫度為合金金屬焊料熔點(diǎn)的0.9倍，在金屬焊料絲退火溫度之內(nèi)，向端面施加 190kg/cn^的沖擊壓力，沖擊時(shí)間為5s，將對(duì)稱封接結(jié)構(gòu)中頂端一側(cè)的金屬端蓋1和玻璃法蘭 3互相封接在一起。
4) 重復(fù)步驟2)、 3)完成弧狀對(duì)稱封接結(jié)構(gòu)中底端一側(cè)的金屬端蓋1與其對(duì)應(yīng)下側(cè)玻璃 法蘭3定位、加熱、加壓，實(shí)現(xiàn)下段封接部件的封接。
5) 步驟3)和4)實(shí)現(xiàn)將對(duì)稱封接結(jié)構(gòu)中上下端部金屬端蓋與弧狀對(duì)稱玻璃法蘭支承受力。
實(shí)施例3:
1)將金屬端蓋的封接部件1進(jìn)行機(jī)械凈化(如用砂紙擦)、去油、化學(xué)清洗，并將金屬
封接部件表面烘千。
2) 將含量為鉛50%、鋁40%和錫10%的合金焊料制成(i) 1. 5mm的焊料絲，焊料絲過(guò)渡環(huán) 2裝好后，使一對(duì)弧狀對(duì)稱玻璃法蘭3中頂端一側(cè)的金屬端蓋1與其對(duì)應(yīng)上側(cè)玻璃法蘭3定 位，玻璃法蘭3 口徑為4> 70mm，，玻璃法蘭3及集熱玻璃管4的膨脹系數(shù)為3. 3X 1(T/。C 。
3) 金屬端蓋封接件1和玻璃法蘭3定位后，將合金焊料環(huán)2在熱壓封接機(jī)中加熱到360 °C，封接溫度為合金金屬焊料熔點(diǎn)的0.8倍，在金屬焊料絲退火溫度之內(nèi)，向端面施加 170kg/cn^的沖擊壓力，沖擊時(shí)間為10s，將對(duì)稱封接結(jié)構(gòu)中頂端一側(cè)的金屬端蓋l和玻璃法 蘭3互相封接在一起。
4) 重復(fù)歩驟2)、 3)完成弧狀對(duì)稱封接結(jié)構(gòu)中底端一側(cè)的金屬端蓋l與其對(duì)應(yīng)下側(cè)玻璃 法蘭3定位、加熱、加壓，實(shí)現(xiàn)下段封接部件的封接。
5) 步驟3)和4)實(shí)現(xiàn)將對(duì)稱封接結(jié)構(gòu)中上下端部金屬端蓋與弧狀對(duì)稱玻璃法蘭支承受力。
實(shí)施例4:
1) 將金屬端蓋的封接部件1進(jìn)行機(jī)械凈化(如用砂紙擦)、去油、化學(xué)清洗，并將金屬 封接部件表面烘干。
2) 將含量為鉛55%、鋁37%和錫8%的合金焊料制成<1)2.0腿的焊料絲，焊料絲過(guò)渡環(huán) 2裝好后，使一對(duì)弧狀對(duì)稱玻璃法蘭3中頂端一側(cè)的金屬端蓋1與其對(duì)應(yīng)上側(cè)玻璃法蘭3定 位，玻璃法蘭3 口徑為4)70mm，玻璃法蘭3及集熱玻璃管4的膨脹系數(shù)為3. 2X 10—7'C。
3) 金屬端蓋封接件1和玻璃法蘭3定位后，將合金焊料環(huán)2在熱壓封接機(jī)中加熱到365 'C，封接溫度為合金金屬焊料熔點(diǎn)的0.9倍，在金屬焊料絲退火溫度之內(nèi)，向端面施加 130kg/ci^的沖擊壓力，沖擊時(shí)間為20s，將對(duì)稱封接結(jié)構(gòu)中頂端一側(cè)的金屬端蓋l和玻璃法 蘭3互相封接在一起。
4) 重復(fù)步驟2)、 3)完成弧狀對(duì)稱封接結(jié)構(gòu)中底端一側(cè)的金屬端蓋1與其對(duì)應(yīng)下側(cè)玻璃 法蘭3定位、加熱、加壓，實(shí)現(xiàn)下段封接部件的封接。
5) 歩驟3)和4)實(shí)現(xiàn)將對(duì)稱封接結(jié)構(gòu)中上下端部金屬端蓋與弧狀對(duì)稱玻璃法蘭支承受力。
實(shí)施例5:
1) 將金屬端蓋的封接部件1進(jìn)行機(jī)械凈化(如用砂紙擦)、去油、化學(xué)清洗，并將金屬 封接部件表面烘干。
2) 將含量為鉛56%、鋁35°/。和錫9%的合金焊料制成4>2.5國(guó)的焊料絲，焊料絲過(guò)渡環(huán) 2裝好后，使一對(duì)弧狀對(duì)稱玻璃法蘭3中頂端一側(cè)的金屬端蓋1與其對(duì)應(yīng)上側(cè)玻璃法蘭3定
位，玻璃法蘭3 口徑為(J)70mm，玻璃法蘭3及集熱玻璃管4的膨脹系數(shù)為3. 2X 10—7°C。
3) 金屬端蓋封接件1和玻璃法蘭3定位后，將合金焊料環(huán)2在熱壓封接機(jī)中加熱到346 347°C，封接溫度為合金金屬焊料熔點(diǎn)的0.8倍，在金屬焊料絲退火溫度之內(nèi)，向端面施加 70kg/cn^的沖擊壓力，沖擊時(shí)間為1. 5min，將對(duì)稱封接結(jié)構(gòu)中頂端一側(cè)的金屬端蓋1和玻璃 法蘭3互相封接在一起。
4) 重復(fù)步驟2)、 3)完成弧狀對(duì)稱封接結(jié)構(gòu)中底端一側(cè)的金屬端蓋l與其對(duì)應(yīng)下側(cè)玻璃 法蘭3定位、加熱、加壓，實(shí)現(xiàn)下段封接部件的封接。
5) 歩驟3)和4)實(shí)現(xiàn)將對(duì)稱封接結(jié)構(gòu)中上下端部金屬端蓋與弧狀對(duì)稱玻璃法蘭支承受力。
上述實(shí)施例為本發(fā)明的幾種具體實(shí)施方式
，僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非用于限制本發(fā)明。 同時(shí)，本專利不僅限于真空集熱管玻璃與金屬實(shí)現(xiàn)真空封接，也同樣適用于化工、環(huán)保 等其它行業(yè)中封接成品率較低的金屬與玻璃制品同類容器的封接工藝。
權(quán)利要求
1、一種集熱管玻璃——金屬的封接雙口熱壓封接材料，其特征在于采用鉛、鋁和錫熔合而成的合金焊料。
2、 如權(quán)利要求1所述的集熱管玻璃——金屬的封接雙口熱壓封接材料，其特征在于所述的 合金焊料的含量為鉛48% 55%、鋁35% 42%、錫8% 10%。
3、 如權(quán)利要求2所述的集熱管玻璃——金屬的封接雙口熱壓封接材料，其特征在于所述的 合金淳料的含量為鉛50%，鋁40%，錫10%。
4、 如權(quán)利要求l、 2或3所述的集熱管玻璃——金屬的封接雙口熱壓封接材料，其特征在于 所述的合金焊料的直徑為4) 1. 0 4) 2. 5mm。
5、 由權(quán)利要求1所述的材料的集熱管玻璃——金屬的封接雙口熱壓封接的方法，其特征是 金屬端蓋與玻璃管封接處的上下端部采用2個(gè)弧狀對(duì)稱玻璃法蘭支承受力；封接溫度為 合金金屬焊料熔點(diǎn)的0. 7 0.9倍，焊接時(shí)施加的沖擊壓力為70 200kg/cm2，作用時(shí)間 為0. 5s 1.5ndn;集熱玻璃管的膨脹系數(shù)為(3. 2 3.4) X10—7°C。
6、 如權(quán)利要求5所述的集熱管玻璃——金屬的封接雙口熱壓封接方法，其特征在于所屬的 金屬端蓋封接件采用膨脹系數(shù)與玻璃管膨脹系數(shù)相接近的鐵-鎳合金或低膨脹可伐合金。
7、 如權(quán)利要求5所述的集熱管玻璃——金屬的封接雙口熱壓封接方法，其特征在于在對(duì)金 屬封接部位進(jìn)行加熱加壓前，應(yīng)先將金屬封接部件進(jìn)行去油、化學(xué)清洗去污，并將其表 面進(jìn)行烘干。
全文摘要
本發(fā)明屬于玻璃與金屬封接技術(shù)領(lǐng)域的一種基于固態(tài)焊接技術(shù)的熱壓封接工藝，其特征在于，(1)封接是在加熱加壓的條件下進(jìn)行的；(2)加壓時(shí)，玻璃管封接處采用2個(gè)弧狀對(duì)稱玻璃法蘭支承受力；(3)封接材料采用鉛、鋁和錫熔合而成的合金焊料絲；(4)封接溫度為合金金屬焊料熔點(diǎn)的0.7～0.9倍，焊接時(shí)施加的沖擊壓力為70～200kg/cm²，作用時(shí)間為0.5s～1.5min；(5)集熱玻璃管的膨脹系數(shù)為(3.2～3.4)×10^-6/℃；(6)金屬端蓋采用鐵-鎳或可伐等低膨脹合金。該種雙口熱壓封接工藝可有效減小玻璃法蘭與金屬端面的封接面積，減少玻璃與金屬間的膨脹應(yīng)力，封接應(yīng)力較小。封接后，無(wú)須再對(duì)其進(jìn)行退火處理，封接時(shí)間大幅縮短，封接成功率在95％以上。
文檔編號(hào)C03C27/00GK101182134SQ20071015038
公開(kāi)日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2007年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月26日
發(fā)明者崔俊奎, 張雨田, 軍 趙, 趙國(guó)華 申請(qǐng)人:天津大學(xué)