新型自動(dòng)環(huán)繞式熱壓封接設(shè)備

侯邑平，楊麗姍，劉建生，朱富良

HOU Yi-ping, YANG Li-shan, LIU Jian-sheng, ZHU Fu-liang

（北京利瑪環(huán)太科技有限公司，北京 100120）

1 工藝概述

金屬—玻璃的熱壓封接是基于玻璃和金屬匹配封接技術(shù)理論基礎(chǔ)上，利用固態(tài)熱壓封接技術(shù)，對(duì)太陽(yáng)能集熱管中的高硼硅玻璃，如下圖中3所示，和金屬可伐，如下圖中1所示， 通過(guò)中間介質(zhì)，如下圖中2所示，完成氣密性封接的過(guò)程。熱壓封接屬于固態(tài)焊接的一種特殊的焊接方法：對(duì)封接件加熱加壓，使其在連接處產(chǎn)生微量的塑性變形，進(jìn)而發(fā)生原子間的相互擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接。我們?cè)谠擁?xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加中間介質(zhì)，亦可稱之為焊料。當(dāng)溫度達(dá)到焊料熔點(diǎn)的0.7～0.9倍的時(shí)候，對(duì)焊接件及焊料迅速施加沖擊壓力，使焊料迅速變型分解形成具有一定寬度但微薄的環(huán)狀封面，以完成玻璃和金屬的氣密封接。由于玻璃是脆性原料在瞬間的沖擊壓力既要保證玻璃完好無(wú)損又要實(shí)現(xiàn)氣密封接，故工藝要點(diǎn)是對(duì)溫度和壓力的控制。

傳統(tǒng)的玻璃—金屬封接工藝一般采用火焰封接。利用火焰將金屬加熱到紅熱狀態(tài)，將玻璃加熱到軟態(tài)，然后進(jìn)行熔融封接。該項(xiàng)工藝對(duì)玻璃和金屬的膨脹系數(shù)的匹配度要求非常嚴(yán)格，熔封后要進(jìn)行仔細(xì)的退火以消除封接過(guò)程中所產(chǎn)生的應(yīng)力。傳統(tǒng)工藝封接過(guò)程完全依靠人工完成，工藝過(guò)程復(fù)雜、成品率低、能耗大，難以滿足工業(yè)大批量生產(chǎn)的要求。

金屬—玻璃的熱壓封接工藝技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的缺陷；不僅實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，而且保證熱壓封接的玻璃與金屬的封接面漏氣率小于1.0×10-10Pa·m3/s。

2 設(shè)備介紹

新型自動(dòng)環(huán)繞式熱壓封接設(shè)備綜合爐窯烘箱設(shè)計(jì)與氣動(dòng)液壓設(shè)計(jì)于一身，主體結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方形隧道密封結(jié)構(gòu)。主要分為機(jī)械主體、液壓、氣動(dòng)、電控幾部分，如下圖所示。

機(jī)械主體主要包括底架、烘箱、料盤(pán)、壓封室。底架為壓封機(jī)的主體基礎(chǔ)，長(zhǎng)方形的底架內(nèi)側(cè)鋪設(shè)鋼性導(dǎo)軌，導(dǎo)軌用于支撐料盤(pán)，是實(shí)現(xiàn)料盤(pán)位移的載體。料盤(pán)用于裝載被封接工件，導(dǎo)軌上放置39塊料盤(pán)及一個(gè)空位。底架外側(cè)設(shè)計(jì)鋼性支架用以支撐烘箱，除上下料區(qū)沒(méi)有烘箱密封外，其他部分全部都由烘箱密閉。根據(jù)各溫區(qū)溫度要求烘箱內(nèi)壁安裝不同功率的加熱元件，不同溫區(qū)間由氣動(dòng)隔門(mén)將其隔開(kāi)。料盤(pán)在液壓推桿的作用下按照箭頭方向順序通過(guò)預(yù)熱區(qū)、加熱區(qū)、壓封室、緩冷區(qū)，完成升溫—保溫—壓封—降溫的工藝過(guò)程。壓封室為該設(shè)備的核心機(jī)構(gòu)，壓封室上部安裝壓封氣缸及壓頭。氣缸帶動(dòng)壓頭完成壓頭往復(fù)上下位移，實(shí)現(xiàn)瞬間沖擊加壓、保壓過(guò)程，進(jìn)而達(dá)到熱壓封接工藝要求。

液壓系統(tǒng)由一個(gè)液壓站及四個(gè)液壓推缸及推桿組成，分別為：前推進(jìn)缸（桿 ）、右推進(jìn)缸（桿）、后推進(jìn)缸（桿）、左推進(jìn)缸（桿），四個(gè)液壓缸依次順序動(dòng)作完成料盤(pán)的步進(jìn)式循環(huán)位移。當(dāng)有空位出現(xiàn)時(shí)，根據(jù)行進(jìn)方向，相應(yīng)的液壓推桿進(jìn)行推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)料盤(pán)坐標(biāo)平面的X—Y方向位移。每個(gè)液壓缸定位支架的前端和后端，分別安裝一個(gè)行程開(kāi)關(guān)，用以檢測(cè)前推進(jìn)到位信號(hào)和后退到位信號(hào)。

氣動(dòng)系統(tǒng)控制不同溫區(qū)隔熱門(mén)的升降和壓封室壓頭的升降及加壓。主要由氣壓站、5個(gè)隔門(mén)氣缸和2個(gè)壓封氣缸組成。氣壓站由3個(gè)儲(chǔ)氣穩(wěn)壓罐和減壓閥組成：一個(gè)穩(wěn)壓罐保證系統(tǒng)運(yùn)行，另外兩個(gè)穩(wěn)壓罐保證兩個(gè)壓封氣缸增壓之用。所有氣缸上均裝有傳感器，用于檢測(cè)氣缸上升、下降到位信號(hào)。電控系統(tǒng)由溫控回路和系統(tǒng)運(yùn)行控制回路組成。溫控系統(tǒng)完成烘箱的加熱功能：溫控器通過(guò)測(cè)量元件測(cè)量烘箱的實(shí)際溫度，根據(jù)設(shè)定溫度的不同給出控制信號(hào)控制加熱器的開(kāi)關(guān)并通過(guò)自身的PID控制調(diào)節(jié)烘箱加熱，溫度的波動(dòng)范圍控制在±5℃。系統(tǒng)運(yùn)行控制回路主要由一個(gè)PLC、若干繼電器及觸摸屏組成，實(shí)現(xiàn)所有控制信號(hào)的順序控制及自鎖保護(hù)、操作動(dòng)作的手動(dòng)自動(dòng)控制及生產(chǎn)節(jié)拍的控制。生產(chǎn)時(shí)，人工手動(dòng)將壓封工件在裝料區(qū)裝于料盤(pán)中，然后由左推進(jìn)推桿→前推進(jìn)推桿→右推進(jìn)推桿→后推進(jìn)推桿順序作用下將其推進(jìn)烘箱，經(jīng)由預(yù)熱區(qū)、加熱區(qū)逐漸升溫到一定溫度后，進(jìn)入壓封室。

當(dāng)壓封室兩側(cè)隔熱門(mén)均下降到位后，壓封室壓頭下降，當(dāng)下位信號(hào)顯示到位后，開(kāi)始瞬間加壓，完成高硼硅玻璃和金屬可伐的熱壓封接。壓封完畢后，壓頭抬起料盤(pán)推出壓封室進(jìn)入緩冷區(qū)，緩慢冷卻后進(jìn)入卸料區(qū)，待人工手動(dòng)取出工件。

3 結(jié)論

新型自動(dòng)環(huán)繞式熱壓封接設(shè)備是集機(jī)、電、液一體的專業(yè)封接設(shè)備，是生產(chǎn)該產(chǎn)品的核心設(shè)備之一。該生產(chǎn)工藝我們具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，由此項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)出的“玻璃—金屬封接式”太陽(yáng)真空集熱管系列產(chǎn)品將為太陽(yáng)能光熱利用領(lǐng)域打開(kāi)廣闊的市場(chǎng)空間，是世界上唯一實(shí)現(xiàn)成功商業(yè)運(yùn)行模式的聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電（槽式發(fā)電）的核心集熱元件。新型自動(dòng)環(huán)繞熱壓封接設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)和相關(guān)工藝的成熟為我國(guó)自主批量生產(chǎn)“金屬—玻璃封接式”太陽(yáng)真空集熱管提供制造裝備保證，也為國(guó)內(nèi)自主研發(fā)槽式發(fā)電系統(tǒng)提供技術(shù)和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

[1]GB/T 19775-2005.玻璃-金屬封接式熱管真空太陽(yáng)集熱管.