一種用於鈉硫電池生產的金屬陶瓷封接工藝的製作方法

2023-12-03 22:53:31 1

本發明涉及一種用於鈉硫電池生產的金屬陶瓷封接工藝。

背景技術：

鈉硫電池用金屬製成鈉極密封環或者硫極密封環與陶瓷絕緣環的封接多採用在高溫真空爐內用設備壓頭在鈉極密封環或者硫極密封環與陶瓷絕緣環之間施加壓力，將鈉極密封環或者硫極密封環的與陶瓷絕緣環焊接在一起。該真空爐有間歇式爐和連續式爐兩種。

對於間歇式爐來說，由於熱壓封接過程中，在升降溫的較高溫度範圍內需要壓頭持續為鈉極密封環或者硫極密封環與陶瓷絕緣環的封接提供壓力，生產效率較低，不利於大規模產業化應用。

對於連續式壓力爐而言，由於設備較為複雜，需要多個真空室、多個壓頭，國內尚無滿足該條件的連續設備。

在公開號為CN 1034453A的專利申請中採用旋轉卡扣式工裝進行陶瓷和金屬的封接，但該結構只適合小尺寸零件的密封，而且該卡扣式結構工裝，在封接結束後脫模過程中需再次向完成封接的封接件施加大於封接壓力的作用力，操作不當極易對損傷乃至壓壞封接件。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種用於鈉硫電池生產的金屬陶瓷封接工藝，可大大降低設備的要求，有效提高鈉硫電池中陶瓷金屬封接的效率，為鈉硫電池陶瓷金屬封接奠定了技術基礎。

實現上述目的的一種技術方案是：一種用於鈉硫電池生產的金屬陶瓷封接工藝，包括下列步驟：

下部限位裝置組裝步驟：將硫極封接墊塊，硫極密封環、硫極封接中間環、通過玻璃封接而封接為一體的固體電解質陶瓷管和陶瓷絕緣環、鈉極封接中間環，鈉極密封環，以及鈉極封接壓塊按照從下至上的順序同心放入下部套筒，並在所述鈉極密封環的徑向內側安裝鈉極封接內定位塊；完成由硫極密封環、固體電解質陶瓷管、陶瓷絕緣環和鈉極密封環組成的鈉硫電池組件與下部限位裝置之間的組裝，所述下部限位裝置包括下部套筒、硫極封接墊塊、鈉極封接壓塊和鈉極封接內定位塊，所述硫極封接中間環和所述鈉極封接中間環為焊料；

碟簧封壓裝置安裝步驟：將碟簧封壓裝置同心置於所述鈉極密封環的上方，所述碟簧封壓裝置中的碟簧支撐環與所述鈉極封接壓塊的頂面之間通過封接高度補償環連接；

高溫碟簧調整步驟：將所述碟簧封壓裝置中碟簧壓至指定位置，提供所述陶瓷絕緣環與所述硫極密封環以及所述鈉極密封環之間進行壓裝所需的初始壓力；

工裝固定步驟：將所述碟簧封壓裝置中的碟簧外罩的底部與所述下部套筒的頂部固定；

封接步驟：在570～590℃，真空條件下對所述陶瓷絕緣環與所述硫極密封環以及所述鈉極密封環進行封接；

脫模步驟：壓裝完成後，將碟簧封壓裝置與下部限位裝置分離，將鈉硫電池組件從所述下部限位裝置取出。

進一步的，所述下部限位裝置組裝步驟中在所述硫極封接墊塊的頂面與所述硫極密封環的底面之間，所述鈉極封接壓塊的底面與所述鈉極密封環的頂面之間安裝防粘墊片。

進一步的，工裝固定步驟中，所述碟簧封壓裝置中的碟簧外罩的底部與所述下部套筒的頂部通過兩片相向設置的半圓形的卡箍固定，兩片所述卡箍通過兩組成對設置的卡箍連接銷定和卡箍鎖死螺栓固定。

再進一步的，所述脫模步驟中，所述卡箍通過位於所述卡箍上的脫模助力螺栓與所述碟簧外罩的底部以及所述下部套筒的頂部分離。

進一步的，所述封接步驟在真空爐內進行。

再進一步的，所述封接步驟包括：先將所述真空爐的真空度抽至2×10-2Pa以下，再對所述真空爐進行升溫，最高溫度時真空箱內真空度不得高於5×10-3Pa，升溫速率不得高於2℃/min，待所述真空爐內的溫度升至570～590℃對所述真空爐進行保溫，保溫時間為120～200min，並在保溫過程中對所述陶瓷絕緣環和所述硫極密封環，所述陶瓷絕緣環和所述鈉極密封環進行熱壓，保溫完成後對所述真空爐進行降溫，降溫速率不得高於5℃/min，所述封接步驟中高溫碟簧施加的壓力為1.0～2.0噸。

更進一步的，在所述真空爐內的溫度降至200℃及以下時，對所述真空爐洩真空。

更進一步的，所述真空爐為連續式真空釺焊爐。

採用了本發明的一種用於鈉硫電池生產的金屬陶瓷封接工藝的技術方案，包括下列步驟：下部限位裝置組裝步驟：將硫極封接墊塊，硫極密封環、硫極封接中間環、通過玻璃封接而封接為一體的固體電解質陶瓷管和陶瓷絕緣環、鈉極封接中間環，鈉極密封環，以及鈉極封接壓塊按照從下至上的順序同心放入下部套筒，並在所述鈉極密封環的徑向內側安裝鈉極封接內定位塊；完成由硫極密封環、固體電解質陶瓷管、陶瓷絕緣環和鈉極密封環組成的鈉硫電池組件與下部限位裝置之間的組裝，所述下部限位裝置包括下部套筒、硫極封接墊塊、鈉極封接壓塊和鈉極封接內定位塊，所述硫極封接中間環和所述鈉極封接中間環為焊料；碟簧封壓裝置安裝步驟：將碟簧封壓裝置同心置於所述鈉極密封環的上方，所述碟簧封壓裝置中的碟簧支撐環與所述鈉極封接壓塊的頂面之間通過封接高度補償環連接；高溫碟簧步驟：將所述碟簧封壓裝置中的碟簧壓至指定位置，提供所述陶瓷絕緣環與所述硫極密封環以及所述鈉極密封環之間進行壓裝所需的初始壓力；工裝固定步驟：將所述碟簧封壓裝置中的碟簧外罩的底部與所述下部套筒的頂部固定；封接步驟：在570～590℃，真空條件下對所述陶瓷絕緣環與所述硫極密封環以及所述鈉極密封環進行封接；脫模步驟：壓裝完成後，將碟簧封壓裝置與下部限位裝置分離，將鈉硫電池組件從所述下部限位裝置取出。其技術效果是：可大大降低設備的要求，有效提高鈉硫電池陶瓷金屬封接的效率，實現了鈉硫電池組件中硫極密封環、鈉極密封環與陶瓷絕緣環的一次封接成型。

附圖說明

圖1為本發明的一種用於鈉硫電池生產的金屬陶瓷封接工藝所採用的封接工裝結構示意圖。

圖2為本發明的一種用於鈉硫電池生產的金屬陶瓷封接工藝所採用的封接工裝碟簧封壓裝置的結構示意圖。

具體實施方式

請參閱圖1，本發明的發明人為了能更好地對本發明的技術方案進行理解，下面通過具體地實施例，並結合附圖進行詳細地說明：

本發明的一種用於鈉硫電池生產的金屬陶瓷封接工藝，所採用的工裝包括碟簧封壓裝置1、下部限位裝置2和抱箍3。

碟簧封壓裝置1包括碟簧支撐環11，碟簧內導向杆12、高溫碟簧13、碟簧外罩14和導向緊固螺釘15。

其中碟簧內導向杆12豎直設置。高溫碟簧13套接在碟簧內導向杆12的徑向外側。高溫碟簧13的底面通過碟簧支撐環11支撐，碟簧支撐環11的內圓周與碟簧內導向杆12底部的外圓周卡接。碟簧外罩14分為位於高溫碟簧13和碟簧支撐環11的徑向外側的罩身141，以及將罩身141頂部封閉的罩頂142。罩頂142由高溫碟簧13的頂面支撐，罩頂142的中心通過導向緊固螺釘15與碟簧內導向杆12頂面的中心固定，從而將碟簧外罩14固定。

下部限位裝置2包括下部套筒21，硫極封接墊塊22，硫極防粘墊片23，鈉極防粘墊片24，鈉極封接壓塊25，鈉極封接內定位塊26和封接高度補償環27。

下部套筒21頂部的內圓周與碟簧外罩14的罩身141的底部的外圓周卡接，下部套筒21底部的內圓周設有一個硫極支撐部211，用於支撐硫極封接墊塊22，硫極封接墊塊22的底部與下部套筒21的硫極支撐部211卡接。硫極封接墊塊22的內圓周的直徑大於鈉硫電池組件的固體電解質陶瓷管41的外徑，硫極封接墊塊22的頂面用於對鈉硫電池組件的硫極密封環42進行限位，因此，硫極封接墊塊22頂面的內圓周設有向上凸起的硫極限位部221。硫極封接墊塊22頂面的外圓周用於支撐鈉硫電池組件硫極密封環42，因此是水平的。為了防止硫極封接墊塊22的頂面和鈉硫電池組件的硫極密封環42粘連，硫極封接墊塊22的頂面上設有圍繞硫極限位部221外圓周設置的硫極防粘墊片23。

鈉極封接壓塊25置於鈉硫電池組件的鈉極密封環44的水平部441的頂面上，位於碟簧支撐環11的正下方，為了防止鈉極封接壓塊25和鈉極密封環44的水平部442的頂面粘連，在鈉極封接壓塊25的底面和鈉極密封環44的水平部442的頂面之間設置鈉極防粘墊片24。

鈉極封接內定位塊26位於鈉極封接壓塊25的徑向內側，鈉極封接內定位塊26分為豎直定位部261和水平定位部262，鈉極封接內定位塊26的豎直定位部261的外圓周緊貼鈉極密封環44的豎直部441的內圓周面和鈉硫電池組件的陶瓷絕緣環43的內圓周面，鈉極封接內定位塊26的水平定位部262的底面緊貼鈉極密封環44的豎直部441的頂面，從而完成鈉硫電池組件的鈉極密封環44的定位。

鈉極封接壓塊25的頂面與碟簧支撐環11的底面之間通過封接高度補償環27連接。

抱箍3包括兩片相向設置的半圓形的卡箍31。其中兩片半圓形的卡箍3的內圈緊貼下部套筒21頂部的外圓周和碟簧外罩14的罩身141的外圓周，兩片所述卡箍31通過兩組成對設置的卡箍連接銷定32和卡箍鎖死螺栓33固定。兩片卡箍31上各設有一個脫模助力螺栓34。

本發明的一種用於鈉硫電池生產的金屬陶瓷封接工藝，包括下列步驟：

下部限位裝置組裝步驟：將硫極封接墊塊22，硫極防粘墊片23，鈉硫電池組件的硫極密封環42、硫極封接中間環45，通過玻璃封接而封接為一體的鈉硫電池組件的固體電解質陶瓷管41和陶瓷絕緣環43、鈉極封接中間環46、鈉硫電池組件的鈉極密封環44、鈉極放粘墊片24、鈉極封接壓塊25和鈉極封接內定位塊26和封接高度補償環27置於下部套筒21內，完成由固體電解質陶瓷管41、陶瓷絕緣環43、硫極密封環42和鈉極密封環44組成的鈉硫電池組件與下部限位裝置2組裝。而硫極封接中間環45和鈉極封接中間環46起到焊料的作用。

碟簧封壓裝置安裝步驟：再將碟簧封壓裝置1放至於封接高度補償環27上，使碟簧封壓裝置1與下部套筒21同心，同時碟簧封壓裝置1中的高溫碟簧13處於壓縮狀態。

高溫碟簧調整步驟：在壓機的作用下將高溫碟簧13壓至設定位置，提供陶瓷絕緣環43與硫極密封環42以及鈉極密封環44之間進行壓裝所需的初始壓力。

工裝固定步驟：最後用抱箍3將碟簧外罩14與下部套筒21鎖死，形成下部限位裝置2、碟簧封壓裝置1和鈉硫電池組件之間的固定。

封接步驟：將下部限位裝置2、碟簧封壓裝置1和鈉硫電池組件整體移至真空爐內進行金屬陶瓷的熱壓封接。熱壓封接的時間為15～30小時。

脫模步驟：將該下部限位裝置2、碟簧封壓裝置1和鈉硫電池組件整從真空爐內取出，放至壓機下預先設定的位置，拆卸卡箍鎖死螺栓33和卡箍連接銷定32，並使用脫模助力螺栓34使抱箍3脫離，先移開碟簧封壓裝置1，再取出封接為一體的鈉硫電池固體電解質陶瓷管41、陶瓷絕緣環42、硫極密封環43和鈉極密封環44，即鈉硫電池組件。

本發明的一種用於鈉硫電池生產的金屬陶瓷封接工藝，可大大降低設備的要求，有效提高鈉硫電池中陶瓷金屬封接的效率，為鈉硫電池陶瓷金屬封接奠定了技術基礎。

本發明的一種用於鈉硫電池生產的金屬陶瓷封接工藝所採用的封接工裝，下部套筒21和碟簧外罩14由於長期在高溫下受到較大壓力作用，需要高溫高強度材料，本實施例中下部套筒21和碟簧外罩14均採用經過淬火處理的3Cr13合金作為基材。下部套筒21和碟簧外罩14均為子口結構，為了防止高溫碟簧13因載荷過大而損壞，在下部套筒21的子口內，即底部的內圓周設硫極支撐部211，對鈉硫電池組件起到支撐限位的作用。

本實施例中高溫碟簧13採用耐高溫、高屈服強度的Ni90材料。

本實施例中卡箍31採用經過調質處理的H13高溫鋼，由於卡箍31在熱壓過程中會長時間受到高溫，高反彈力作用，因此，連接卡箍31的卡箍連接銷定32需要用硬質合金材料；卡箍鎖死螺栓33和脫模助力螺栓34的螺牙均為粗螺牙結構。

碟簧封壓裝置1中，碟簧內導向杆12起到高溫碟簧13內導向作用，碟簧支撐環11的外徑比碟簧外罩14的罩身141內徑小0.10-0.15mm，使碟簧外罩14的罩身141起到外導向作用，保證高溫碟簧13在加壓過程中的受力均勻性，防止高溫碟簧13永久變形，也保障了鈉極密封環44、硫極密封環42與陶瓷絕緣環43封接後的平行度。

硫極封接墊塊22的硫極限位部221和鈉極封接壓塊25頂面外圓周圍繞封接高度補償環外圓周設置的補償環限位部251均可保證所有零件在下部套筒21內的同心度。

硫極防粘墊片23和鈉極防粘墊片24粘均為厚度0.05-0.15mm不鏽鋼箔環，主要用於防止脫模時硫極密封環42以及鈉極密封環44與工裝的粘連。硫極封接環42和鈉極密封環44的材料為鋁錳合金。

位於硫極封接環42和陶瓷絕緣環43之間的硫極封接中間環45、位於鈉極封接環44和陶瓷絕緣環43之間的鈉極封接中間環46的材料均為鋁-鎂-矽合金或鋁-矽合金，其外徑為60～150mm。

陶瓷絕緣環43的材料為99α-Al2O3，固體電解質陶瓷管41的材料為β"-Al2O3，陶瓷絕緣環43和固體電解質陶瓷管41之間通過玻璃封接。由於玻璃的導熱性較差，在真空爐內進行熱壓封接時，真空爐的升溫速率不得高於2℃/min，降溫速率不得高於4℃/min。

本發明的一種用於鈉硫電池生產的金屬陶瓷封接工藝用於鈉硫電池的陶瓷絕緣環43與鈉極密封環44以及硫極密封環42進行熱壓封裝時，先將真空爐的真空度抽至2.0×10-2Pa，然後再開啟加熱，熱壓高溫階段真空度不得高於5.0×10-3Pa，真空爐的最高溫度為570～590℃，最高溫保溫時間120～200min，高溫碟簧的壓力1.0～2.0噸。

真空爐所用的加熱絲材料為Cr20Ni80合金，可滿足熱壓工藝過程中進行高溫取件的要求。熱壓時，在降溫階段，當真空爐的溫度在200℃及以下時，洩真空，連同對碟簧封壓裝置1、下部限位裝置2和鈉硫電池組件進行整體高溫取件，轉移至保溫箱內降溫，保溫箱的降溫速率不得高於5℃/min。

為了提高產量，可通過在真空爐內增加封接工裝數量的方式或使用連續真空釺焊爐，即具有連續釺焊功能的真空爐，即連續式真空釺焊爐內進行釺焊的方式，上述發明可有利於鈉硫電池的大規模產業化應用。

本發明的一種用於鈉硫電池生產的金屬陶瓷封接工藝，採用抱箍3針對大尺寸的金屬陶瓷封接，而且在封接好後脫模也不需再次對鈉硫電池組件施加壓力，不會對鈉硫電池組件造成影響。

本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明，而並非用作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神範圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發明的權利要求書範圍內。