新型自動環繞式熱壓封接設備

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理論基礎上，利用固態熱壓封接技術，對太陽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， 通過中間介質，如下圖中2所示，完成氣密性封接的過程。熱壓封接屬于固態焊接的一種特殊的焊接方法：對封接件加熱加壓，使其在連接處產生微量的塑性變形，進而發生原子間的相互擴散來實現焊接。我們在該項技術的基礎上進行了改進，增加中間介質，亦可稱之為焊料。當溫度達到焊料熔點的0.7～0.9倍的時候，對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損又要實現氣密封接，故工藝要點是對溫度和壓力的控制。

傳統的玻璃—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，將玻璃加熱到軟態，然后進行熔融封接。該項工藝對玻璃和金屬的膨脹系數的匹配度要求非常嚴格，熔封后要進行仔細的退火以消除封接過程中所產生的應力。傳統工藝封接過程完全依靠人工完成，工藝過程復雜、成品率低、能耗大，難以滿足工業大批量生產的要求。

金屬—玻璃的熱壓封接工藝技術彌補了傳統工藝生產的缺陷；不僅實現生產過程自動化，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 設備介紹

新型自動環繞式熱壓封接設備綜合爐窯烘箱設計與氣動液壓設計于一身，主體結構為長方形隧道密封結構。主要分為機械主體、液壓、氣動、電控幾部分，如下圖所示。

機械主體主要包括底架、烘箱、料盤、壓封室。底架為壓封機的主體基礎，長方形的底架內側鋪設鋼性導軌，導軌用于支撐料盤，是實現料盤位移的載體。料盤用于裝載被封接工件，導軌上放置39塊料盤及一個空位。底架外側設計鋼性支架用以支撐烘箱，除上下料區沒有烘箱密封外，其他部分全部都由烘箱密閉。根據各溫區溫度要求烘箱內壁安裝不同功率的加熱元件，不同溫區間由氣動隔門將其隔開。料盤在液壓推桿的作用下按照箭頭方向順序通過預熱區、加熱區、壓封室、緩冷區，完成升溫—保溫—壓封—降溫的工藝過程。壓封室為該設備的核心機構，壓封室上部安裝壓封氣缸及壓頭。氣缸帶動壓頭完成壓頭往復上下位移，實現瞬間沖擊加壓、保壓過程，進而達到熱壓封接工藝要求。

液壓系統由一個液壓站及四個液壓推缸及推桿組成，分別為：前推進缸（桿 ）、右推進缸（桿）、后推進缸（桿）、左推進缸（桿），四個液壓缸依次順序動作完成料盤的步進式循環位移。當有空位出現時，根據行進方向，相應的液壓推桿進行推進，實現料盤坐標平面的X—Y方向位移。每個液壓缸定位支架的前端和后端，分別安裝一個行程開關，用以檢測前推進到位信號和后退到位信號。

氣動系統控制不同溫區隔熱門的升降和壓封室壓頭的升降及加壓。主要由氣壓站、5個隔門氣缸和2個壓封氣缸組成。氣壓站由3個儲氣穩壓罐和減壓閥組成：一個穩壓罐保證系統運行，另外兩個穩壓罐保證兩個壓封氣缸增壓之用。所有氣缸上均裝有傳感器，用于檢測氣缸上升、下降到位信號。電控系統由溫控回路和系統運行控制回路組成。溫控系統完成烘箱的加熱功能：溫控器通過測量元件測量烘箱的實際溫度，根據設定溫度的不同給出控制信號控制加熱器的開關并通過自身的PID控制調節烘箱加熱，溫度的波動范圍控制在±5℃。系統運行控制回路主要由一個PLC、若干繼電器及觸摸屏組成，實現所有控制信號的順序控制及自鎖保護、操作動作的手動自動控制及生產節拍的控制。生產時，人工手動將壓封工件在裝料區裝于料盤中，然后由左推進推桿→前推進推桿→右推進推桿→后推進推桿順序作用下將其推進烘箱，經由預熱區、加熱區逐漸升溫到一定溫度后，進入壓封室。

當壓封室兩側隔熱門均下降到位后，壓封室壓頭下降，當下位信號顯示到位后，開始瞬間加壓，完成高硼硅玻璃和金屬可伐的熱壓封接。壓封完畢后，壓頭抬起料盤推出壓封室進入緩冷區，緩慢冷卻后進入卸料區，待人工手動取出工件。

3 結論

新型自動環繞式熱壓封接設備是集機、電、液一體的專業封接設備，是生產該產品的核心設備之一。該生產工藝我們具有自主知識產權，由此項技術生產出的“玻璃—金屬封接式”太陽真空集熱管系列產品將為太陽能光熱利用領域打開廣闊的市場空間，是世界上唯一實現成功商業運行模式的聚光太陽能熱發電（槽式發電）的核心集熱元件。新型自動環繞熱壓封接設備的設計研發和相關工藝的成熟為我國自主批量生產“金屬—玻璃封接式”太陽真空集熱管提供制造裝備保證，也為國內自主研發槽式發電系統提供技術和試驗基礎。

[1]GB/T 19775-2005.玻璃-金屬封接式熱管真空太陽集熱管.