專利名稱：玻璃與金屬真空擴散焊接工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種利用真空擴散焊接技術(shù)進行玻璃與金屬封接的工藝制造方法， 該工藝方法可以用于太陽能熱發(fā)電技術(shù)當中。
背景技術(shù)：
真空擴散焊接是將兩種異種材料放置在真空室內(nèi)，在一定的真空度范圍下，并在一 定的壓力下加熱到焊接材料的熔點以下，讓原子互相擴散以實現(xiàn)焊接的一種固態(tài)焊接方 法?，F(xiàn)有的金屬與非金屬的真空壓力擴散焊接工藝，包括以下工藝步驟(1)將焊接件 進行表面處理，并當金屬焊接件厚度大于2毫米時，在靠近擴散焊接面的外側(cè)開設(shè)一圈
應(yīng)力槽；然后將處理好的焊件安裝在高真空固態(tài)壓力擴散焊爐中并抽真空；(2)當爐中 真空在(2-4) xlO—4Pa時開始將爐加熱，在爐溫小于40(TC時，每4-6分鐘內(nèi)可加熱升 溫20-50°C;當溫度大于40(TC時，每40-80秒內(nèi)可加熱升溫8-12°C;當溫度大于550 。C時，進行保溫13-17分鐘，然后亟需加熱升溫至600-640'C，保溫50-70分鐘后開始 降溫；(3)在爐溫為640-380。C之間時，應(yīng)在每4-6分鐘內(nèi)降溫8-12°C;在爐溫為380-280 'C之間時，應(yīng)在每10-15分鐘內(nèi)降溫8-12'C;當溫度小于280'C時，可自然退溫；當溫 度小于16卩時，可停止抽真空，停加壓力直至關(guān)機；(4)在爐溫升溫過程中還應(yīng)加壓 力；當爐溫升至420-480。C時，開始加壓力至0.2-0.3kg/mm2，然后每4-6分鐘加壓一次， 累計2.5kg/mm2，總壓加壓結(jié)束；然后保壓至停機。
隨著近代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，玻璃與金屬擴散封接技術(shù)可將運用于拋物面槽式太陽 能熱發(fā)電中，即獲得高質(zhì)量的太陽能真空吸收管，可以大大提高太陽能熱力發(fā)電的效率， 但這樣同時也對玻璃與金屬得封接技術(shù)提出了更高的要求。在常規(guī)的玻璃與金屬的封 接，僅僅是玻璃和金屬合金的連接，金屬是主含鐵、鈷、鎳的合金，與高硼硅玻璃有較 為接近的膨脹系數(shù)，二者材料的膨脹系數(shù)相差在±10%以內(nèi)，封接接頭的強度不是很高。 但是在拋物面槽式太陽能熱發(fā)電的使用環(huán)境中，對玻璃與金屬封接接頭要求會更高一 些，特別是在力學(xué)性能方面的要求遠高于在電子設(shè)備的應(yīng)用性能要求，譬如除了要求玻 璃與金屬封接接頭具備較高的抗靜載荷拉伸能力還應(yīng)該具有抗疲勞性能。因為在熱疲勞載荷的循環(huán)作用下，玻璃與金屬封接接頭的往往發(fā)生損傷失效現(xiàn)象。采用上述現(xiàn)有技 術(shù)不僅工藝操作步驟復(fù)雜，且不能解決玻璃與金屬封接接頭的發(fā)生損傷失效現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述問題，對非金屬與金屬封接制造工藝進行改進，提出一種 玻璃與金屬真空擴散焊的制造工藝，這種工藝制造方法提高了玻璃與金屬封接接頭的抗 拉伸強度及使用壽命、真空氣密性，且成本低，具有良好的經(jīng)濟效果。該工藝可以應(yīng)用 在太陽能熱力發(fā)電當中。
玻璃與金屬真空擴散焊接工藝，該工藝包括以下步驟l)將玻璃與金屬焊接件進 行表面處理；2)將處理好的焊件安裝在高真空固態(tài)壓力擴散焊爐中，抽真空，進行真 空擴散焊接；上述步驟l)中包括-
步驟1.1)對金屬焊接件進行清潔和表面光潔度處理，對玻璃焊接件表面進行清潔處理； 步驟1.2)金屬焊接件表面的進行預(yù)氧化處理。
上述步驟l.l)的對焊前材料的清潔及表面處理，是為了滿足擴散焊接工藝的要求。 玻璃和金屬除了兩者的膨脹系數(shù)一致以外，還要求兩者具有很好的結(jié)合能力，即潤濕性。 為了達到這個目標，對金屬進行清潔處理。
上述步驟1.2)是玻璃與金屬擴散焊接中的重要環(huán)節(jié)。由于化學(xué)鍵的不同，金屬本 身并不能與玻璃封接。金屬與玻璃的封接實際上是將金屬進行預(yù)氧化處理,然后在高溫 下金屬的氧化膜與玻璃浸潤融合，即金屬和高硅硼玻璃是通過金屬表面的氧化物與玻璃 互溶而緊密結(jié)合在一起的，所以金屬的預(yù)氧化是玻璃與金屬擴散焊接中一個非常重要的 工藝環(huán)節(jié)，是直接影響氣密封接的一個重要因素。
上述步驟1.1)中進一步包括將金屬焊接件先放在乙醇溶液中用超聲波清洗，然 后用砂紙和金相砂紙對金屬焊接件端面磨平后進行拋光，得到光潔的端面，再分別用丙 酮、乙醇、清水清洗表面；玻璃焊接件分別用丙酮、乙醇、清水清洗表面，最后金屬和 玻璃焊接件在烘箱里進行烘干。
在擴散焊接中對表面異物的敏感性很高，微量油脂等含碳雜質(zhì)不但會影響擴散焊質(zhì) 量。因此，試驗試樣在擴散焊接之前需要經(jīng)過徹底的清洗以便除去一切表面上附著的異 物和油脂。
上述步驟1.2)中進一步包括把金屬在IOOO'C下，以N2 + H20 + H2氣氛中保溫 25min，進行氧化得到以Fe304為主要成分的氧化膜。在混合氣體的氛圍中對金屬熱處理也是為了在金屬表面形成氧化物層而達到良好的潤濕效果。氧化膜厚度與擴散焊接的 強度和透氣性有關(guān)。氧化膜過薄會導(dǎo)致金屬和玻璃直接封接，影響強度；氧化膜過厚則 在金屬表面會殘留較多的氧化膜，從而導(dǎo)致漏氣。 一般氧化膜厚度為2.5-6g/m2。
作為本發(fā)明的進一步改進上述步驟2)中的焊件安裝步驟進一步包括將金屬和 玻璃焊接面相接觸，上下端面加一副耐高溫的夾具。為了防止玻璃被壓碎破損和焊接過 程中保持足夠壓力以及焊接殘余應(yīng)力的釋放，所述夾具內(nèi)側(cè)加膨脹石墨，并在夾具兩側(cè) 加以螺栓固定好。當焊件為管件時，所述夾具采用對稱的半圓形，在夾具內(nèi)側(cè)設(shè)置對稱 的半圓形膨脹石墨。為了產(chǎn)生足夠的壓力，在金屬管或玻璃管的內(nèi)加設(shè)膨脹石墨。
作為本發(fā)明的進一步改進，上述步驟2)中的真空擴散焊接進一步包括以下工藝流
程
將固定好的焊接件放置于擴散焊爐真空室當中，并關(guān)閉爐門； 啟動擴散焊爐的真空系統(tǒng)，將擴散焊爐內(nèi)抽真空在1.3xl(^Pa以下，使焊接壓力為 5-10MPa;
啟動加熱系統(tǒng)，焊接件隨爐加熱升溫至400 45(TC，并保溫20-30分鐘，使焊接件 各部位的溫度均勻，擴散焊爐繼續(xù)升溫720 75(TC，并且真空度保持在1.3X1(T2 1.3 X10—3Pa，保溫10 15分鐘以上，然后隨爐慢慢冷卻，出爐溫度為5(TC以下。
玻璃與金屬擴散焊接工藝主要參數(shù)有最高加熱溫度、保溫時間、焊接壓力的控制。 在真空擴散焊接過程中，這三個參數(shù)是決定玻璃與金屬焊接界面擴散結(jié)合是否充分，從 而決定焊接接頭質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵。采用本發(fā)明的真空擴散焊接步驟，工藝流程簡單，焊 接接頭的抗拉伸強度達到30Mpa，用此工藝焊接的集熱管真空氣密性好，其漏率可 S5xl0-"PaTn"s (氦質(zhì)譜檢漏)，使用壽命比現(xiàn)有技術(shù)大大提高。
本發(fā)明的有益效果在于，在真空擴散焊接前進行清潔步驟和金屬預(yù)氧化處理以及帶 有石墨的特殊夾具的使用，使焊接接頭氣密性提高，采用比現(xiàn)有技術(shù)簡單的焊接工藝， 通過對最高加熱溫度、保溫時間、焊接壓力參數(shù)的控制，避免焊接過程中因玻璃和金屬 的膨脹系數(shù)不同引起的應(yīng)力損傷、破壞，達到更好的焊接效果。


圖1是本發(fā)明實施例1玻璃與金屬擴散焊接安裝示意圖。 圖2是本發(fā)明實施例2玻璃與金屬擴散焊接安裝示意圖。 圖3是圖2的A-A剖視圖。圖4是本發(fā)明實施例1和實施例2玻璃與金屬擴散焊接過程工藝流程圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對發(fā)明作進一步說明。 實施例1
一種玻璃與金屬真空擴散焊接工藝，金屬是主含鐵、鈷、鎳的合金，該工藝包括以 下步驟
1) 將玻璃與金屬焊接件進行表面處理
i.將金屬焊接件先放在乙醇溶液中用超聲波清洗，然后用800tt砂紙和金相砂紙對 金屬焊接件端面磨平后進行拋光，得到光潔的端面，再分別用丙酮、乙醇、清水 清洗表面；玻璃焊接件分別用丙酮、乙醇、清水清洗表面，最后金屬和玻璃焊接 件在烘干爐里進行烘干。 ii.把金屬焊接件在IOO(TC下，及N2 + H20 + H2氣氛中保溫25min，進行氧化得到 以Fe304為主要成分的氧化膜。
2) 將處理好的焊件安裝在高真空固態(tài)壓力擴散焊爐中，抽真空，進行真空擴散焊 接
i.將金屬1和玻璃2焊接面相接觸，上下端面加一副耐高溫的平板型夾具3。為 了防止玻璃被壓碎破損和焊接過程中保持足夠壓力以及焊接過程中殘余應(yīng)力的釋放， 夾具內(nèi)側(cè)加膨脹石墨4，并在夾具兩側(cè)加以螺栓固定好，玻璃2與金屬1擴散焊接安 裝固定方式如圖l所示。 ii.進行真空擴散焊接
將固定好的待焊試樣放置于擴散焊爐真空室當中，并關(guān)閉爐門； 擴散焊接前，啟動擴散焊爐的真空系統(tǒng)，將擴散焊爐內(nèi)袖真空在1.3XiO—3Pa以下， 焊接壓力為5 10MPa;
啟動加熱系統(tǒng)，待焊接件隨爐加熱升溫至400 45(TC，并保溫20-30分鐘，使焊 接件各部位的溫度均勻，擴散焊爐繼續(xù)升溫720 750°C，并且真空度保持在1.3X1(T2 1.3Xl(T3Pa，此溫度為玻璃與金屬的擴散焊溫度，此溫度下金屬中的鎳元素處于最佳的 流動狀態(tài)，考慮基體材料厚度及組件結(jié)構(gòu)，保溫10 15分鐘以上，然后隨爐慢慢冷卻， 出爐溫度為5(TC以下。玻璃與金屬擴散焊接過程工藝流程如圖4所示。 實施例2本實施例與實施例1不同之處在于，步驟2)中的i步驟為
金屬1和玻璃2為管件，將金屬l和玻璃2焊接面相接觸，上下端面加一副耐高 溫的對稱的半圓形夾具3，在夾具3內(nèi)側(cè)設(shè)置對稱的半圓形膨脹石墨4，并在夾具3 兩側(cè)加以螺栓固定好，為了產(chǎn)生足夠的壓力，在金屬管1內(nèi)加設(shè)膨脹石墨4。玻璃2 與金屬1擴散焊接安裝固定方式如圖2和3所示。
本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用在太陽能熱力發(fā)電當中，將大大提高太陽能拋物面槽式太陽能 熱發(fā)電的效率，從而緩解能源危機，降低溫室效應(yīng)。
權(quán)利要求
1、玻璃與金屬真空擴散焊接工藝，該工藝包括以下步驟1)將玻璃與金屬焊接件進行表面處理；2)將處理好的焊件安裝在高真空固態(tài)壓力擴散焊爐中，抽真空，進行真空擴散焊接；其特征是，上述步驟1)中包括步驟1. 1)對金屬焊接件進行清潔和表面光潔度處理，對玻璃表面進行清潔處理；步驟1. 2)金屬焊接件表面的進行預(yù)氧化處理。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接工藝，其特征是，上述步驟l.l)中進一步包括將 金屬焊接件先放在乙醇溶液中用超聲波清洗，然后用砂紙和金相砂紙對金屬焊接件端面 磨平后進行拋光，得到光潔的端面，再分別用丙酮、乙醇、清水清洗表面；玻璃焊接件 分別用丙酮、乙醇、清水清洗表面，最后金屬和玻璃焊接件在烘干爐里進行烘干。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接工藝，其特征是，上述步驟1.2)中進一步包括把 金屬焊接件在IOO(TC下，及N2 + H20 + H2環(huán)境中保溫15min，進行氧化得到以Fe304 為主要成分的氧化膜。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接工藝，其特征是，上述步驟2)中的焊件安裝步驟 進一步包括將金屬和玻璃焊接面相接觸，上下端面加一副耐高溫的夾具。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接工藝，其特征是，上述步驟2)中的真空擴散焊接 進一步包括以下工藝流程將固定好的焊接件放置于擴散焊爐真空室當中，并關(guān)閉爐門； 啟動擴散焊爐的真空系統(tǒng)，將擴散焊爐內(nèi)抽真空在1.3xl(T3Pa以下，使焊接壓力 為5-10MPa;啟動加熱系統(tǒng)，焊接件隨爐加熱升溫至400 45(TC，保溫20-30分鐘，使焊接件 各部位的溫度均勻；擴散焊爐繼續(xù)升溫720 750'C，并且真空度保持在1.3X1(T2 1.3 X10—3Pa，保溫10 15分鐘以上，然后隨爐慢慢冷卻，出爐溫度為50。C以下。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的焊接工藝，其特征是，在所述夾具內(nèi)側(cè)加膨脹石墨。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的焊接工藝，其特征是，所述夾具采用對稱的半圓形，在 夾具內(nèi)側(cè)設(shè)置對稱的半圓形膨脹石墨。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的焊接工藝，其特征是，在所述金屬或玻璃的內(nèi)側(cè)加設(shè)膨 脹石墨。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種玻璃與金屬真空擴散焊接工藝，該工藝包括以下步驟1)將玻璃與金屬焊接件進行表面處理；2)將處理好的焊件安裝在高真空固態(tài)壓力擴散焊爐中，抽真空，進行真空擴散焊接；上述步驟1)中包括步驟1.1)對金屬焊接件進行清潔和表面光潔度處理，對玻璃焊接件表面進行清潔處理；步驟1.2)金屬焊接件表面的進行預(yù)氧化處理。該工藝制造方法提高了玻璃與金屬封接接頭的抗拉伸強度及使用壽命、真空氣密性，且成本低，具有良好的經(jīng)濟效果。
文檔編號C03C27/02GK101428979SQ200810243068
公開日2009年5月13日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者祥 凌, 申希海, 董為勇 申請人:南京工業(yè)大學(xué)