一种石英管自动熔接装置及方法
阅读说明：本技术 一种石英管自动熔接装置及方法 (Automatic quartz tube welding device and method ) 是由 兰天平 周春锋 边义午 于 2020-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种石英管自动熔接装置及方法,该装置包括操作台、控制面板、载物台旋转装置、氢氧焊枪移动装置、氢氧焊枪、氢氧焊枪调节装置和氢氧气阀门；将装有多晶料及其它辅料的石英管置于载物台上；将石英帽置于石英管上端口并对齐；调整石英管同心度；根据所要熔接石英管的直径调节氢氧焊枪的位置；点火调节氢氧焊枪火焰大小,对石英管与石英帽接缝进行烧结,完成二者的熔接。本发明具有以下优势：每个氢氧焊枪火焰独立控制,避免单枪回火造成熔接失败的风险；熔接过程操作简单,效率高,三把焊枪同时烧结,结合旋转使得石英管受热更均匀,熔接质量较人工操作好,消除了人工操作易产生应力裂管问题,而且能够很好地确保操作人员的人身安全。(The invention discloses an automatic welding device and method for a quartz tube, wherein the device comprises an operation table, a control panel, an objective table rotating device, an oxyhydrogen welding gun moving device, an oxyhydrogen welding gun adjusting device and an oxyhydrogen valve; placing a quartz tube filled with polycrystalline materials and other auxiliary materials on an objective table; placing a quartz cap at the upper end of the quartz tube and aligning; adjusting the concentricity of the quartz tube; adjusting the position of an oxyhydrogen welding gun according to the diameter of the quartz tube to be welded; and igniting and adjusting the flame size of the oxyhydrogen welding gun, sintering the joint of the quartz tube and the quartz cap, and completing the fusion of the quartz tube and the quartz cap. The invention has the following advantages: flame of each oxyhydrogen welding gun is independently controlled, so that the risk of fusion failure caused by single-gun tempering is avoided; welding process easy operation, it is efficient, three welder sintering simultaneously, combine rotatory quartz capsule to be heated more evenly, the butt fusion quality is better than manual operation, has eliminated the easy production stress of manual operation and has cracked the pipe problem, can ensure operating personnel's personal safety moreover well.)
技术领域
本发明涉及晶体材料制备技术，具体涉及一种石英管自动熔接装置及方法。
背景技术
由于垂直梯度凝固法（VGF/VB）技术比较成熟且运行成本低，是目前晶体材料制备领域应用比较普遍的一种晶体生长方法。该方法中较为常用的晶体生长系统由真空密封的石英管构成。此晶体生长工艺的过程是将准备好的多晶料及籽晶等装入预先准备好的热解氮化硼（PBN）坩埚内，然后将PBN坩埚装入石英管中，经抽空系统处理后，在真空状态下烧结，最后将真空状态的PBN-石英管系统装入VB/VGF单晶炉中,采用坩埚系统移动或分段降温的方法实现定向结晶，达到晶体生长的目的。
目前业界采用最多的石英管熔接方法是将PBN-石英管系统水平或垂直放置，通过法兰与抽空系统连接，待真空度达到要求后，由两人同时使用6头或12头氢氧气焊枪对烧，将石英管与其内放置的石英帽熔接，形成真空系统。这种操作方法虽然简单易行，但在烧结过程中人为因素影响较大，由于烧结前后预热不均匀，烧结完成后形成的热应力影响容易裂管，导致失败需更换新的石英管重新进行抽空，严重的会导致多晶料报废，降低了生产效率，使生产成本大幅增加，不利于批量生产；另外，由于操作时间长达20 多分钟，氢氧焰属于高温高热，近距离操作如果保护不当会对操作人员造成一定伤害。
发明内容
本发明提供了一种石英管自动熔接的装置及熔接方法，用于解决现有石英管熔接过程中容易出现的石英管裂管问题，同时大幅缩短管帽熔接时间，提高封管效率；另外，避免了操作人员近距离接触氢氧焰，确保人身安全。
本发明所采取的技术方案是：一种石英管自动熔接装置,其特征在于，所述装置包括操作台、控制面板、载物台旋转装置、氢氧焊枪移动装置、氢氧焊枪、氢氧焊枪调节装置和氢氧气阀门。
所述的控制面板上的控制部分设有三组，第一组为指示灯和急停按钮；第二组为载物台转动控制包括载物台转动调速按钮、载物台转动打开按钮和载物台转动关闭按钮；第三组为氢氧焊枪移动控制包括氢氧焊枪移动调速按钮、氢氧焊枪向上移动按钮、氢氧焊枪向下移动按钮和氢氧焊枪移动停止按钮。
所述的载物台旋转装置包括载物台、上法兰盘、下法兰盘、减速器、转动电机、校正压板和O型胶圈；其中载物台与上法兰盘和下法兰盘通过螺丝固定；校正压板通过螺丝固定在载物台的顶部，O型胶圈置于校正压板的下方，减速器和转动电机固定在所述操作台的底部，减速器通过连接轴与转动电机相连，带动载物台旋转装置及载物台一起旋转。
所述的氢氧焊枪移动装置包括移动电机、移动丝杆、丝杠保护壳、轴承套、氢氧焊枪固定托板和分托板；移动丝杆置于丝杠保护壳中，移动丝杆的下端与固定在所述操作台上的移动电机的转动轴连接，轴承套套在移动丝杆的上端，并通过螺丝与氢氧焊枪固定托板的一端固定，三个分托板分别与氢氧焊枪固定托板固定连接为一体。
所述的氢氧焊枪为三把，三把氢氧焊枪在同一平面，且互成120º。
所述的氢氧焊枪调节装置包括固定夹具、水平移动导轨、氢氧焊枪角度调节旋钮；所述的三把氢氧焊枪分别固定在三个固定夹上，三个固定夹具分别与三个氢氧焊枪角度调节旋钮连接，三个氢氧焊枪角度调节旋钮分别固定在三个水平移动导轨的滑块上，三个水平移动导轨分别固定在三个分托板上，三个分托板分别固定在氢氧焊枪固定托板上。
所述的氢氧气阀门为三组，每组为一个氢气阀门和一个氧气阀门，其中进气口分别连接氢氧气管路，出气口通过耐压软管分别连接三把氢氧焊枪的进气口。
所述的载物台内腔为倒锥形，向底部中心倾斜角度不小于90º；优选地，载物台内腔向底部中心倾斜的角度设为91º±1º。
所述载物台的材质为石墨或不锈钢。
所述氢氧焊枪选用多孔石英焊枪。
所述多孔石英焊枪的孔数优选5-7孔。
一种石英管自动熔接方法，其特征在于，有如下步骤：
一、将装有多晶料及其它辅料的石英管置于载物台上。
二、将石英帽置于石英管上端口并对齐。
三、调整石英管同心度。
四、根据所要熔接石英管的直径调节氢氧焊枪的位置。
五、点火调节氢氧焊枪火焰大小，对石英管与石英帽接缝进行烧结，完成二者的熔接。
所述氢氧焊枪距所熔接石英管的距离不小于50mm，优选为50-80mm。
所述步骤五中，调节氢氧焊枪火焰长度不小于60mm，优选为65-75mm。
所述熔接石英管时，载物台的转速为3-10转/分钟，优选设为4-6转/分钟。
本发明所产生的有益效果是：采用新设计的石英管自动熔接装置，通过调整火焰大小及其位置，控制高温烧结时间，使石英管与石英封帽充分熔接，在抽真空时使石英管系统能够形成较高的真空度，有利于晶体生长质量的提高；该石英管熔接装置能够使石英管均匀地受热，消除单枪烧结时易产生应力而裂管的现象，减少了人工近距离操作的不安全因素。
附图说明
图1为本发明石英管熔接装置结构正视示意图；
图2为本发明石英管熔接装置结构俯视示意图；
图3为固定夹具和氢氧焊枪角度调节旋钮放大的正视示意图；
图4为固定夹具和氢氧焊枪角度调节旋钮放大的俯视示意图；
图5为本发明实施例中石英管自动熔接方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，本装置包括操作台1、控制面板2、载物台旋转装置3、氢氧焊枪移动装置4、氢氧焊枪5、氢氧焊枪调节装置6和氢氧气阀门7。
本装置的控制面板2上的控制部分设有三组，第一组为指示灯2.1和急停按钮2.2；第二组为载物台转动控制包括载物台转动调速按钮2.3、载物台转动打开按钮2.5和载物台转动关闭按钮2.7；第三组为氢氧焊枪移动控制包括氢氧焊枪移动调速按钮2.4、氢氧焊枪向上移动按钮2.6、氢氧焊枪向下移动按钮2.8和氢氧焊枪移动停止按钮2.9。
载物台旋转装置3包括石英管载物台3.1、上法兰盘3.2、下法兰盘3.3、减速器3.4、转动电机3.5、校正压板3.6和O型胶圈3.7；其中载物台3.1与上法兰盘3.2和下法兰盘3.3通过螺丝固定，方便熔接不同规格石英管时载物台12的更换；校正压板3.6通过螺丝固定在石英管载物台3.1的顶部，O型胶圈3.7置于校正压板3.6的下方，减速器3.4和转动电机3.5固定在操作台1的底部，减速器3.4通过连接轴与转动电机3.3相连，带动载物台旋转装置3及载物台3.1一起旋转。
本装置的氢氧焊枪移动装置4包括移动电机4.1、移动丝杆4.2、丝杠保护壳4.3、轴承套4.4、氢氧焊枪固定托板4.5和分托板4.6；移动丝杆4.2置于丝杠保护壳4.3中，移动丝杆4.2的下端与固定在操作台1上的移动电机4.1的转动轴连接，轴承套4.4套在移动丝杆4.2的上端，并通过螺丝与氢氧焊枪固定托板4.5的一端固定，三个分托板4.6分别与氢氧焊枪固定托板4.5固定连接为一体。
本装置的氢氧焊枪5为三把，三把氢氧焊枪5在同一平面，且互成120º，高低、前后及倾斜角度可调。
本装置的氢氧焊枪调节装置6包括三组，分别对应三把氢氧焊枪5，每组包括固定夹具6.1、水平移动导轨6.2、氢氧焊枪角度调节旋钮6.3；三把氢氧焊枪5分别固定在三个固定夹具6.1上，三个固定夹具6.1分别与三个氢氧焊枪角度调节旋钮6.3连接，三个氢氧焊枪角度调节旋钮6.3分别固定在三个水平移动导轨6.2的滑块上，三个水平移动导轨6.2分别固定在三个分托板4.6上，三个分托板4.6分别固定在氢氧焊枪固定托板4.5上。
本装置为了满足三把氢氧焊枪5互成120º，三个分托板4.6也要相互对称，因此与三个分托板4.6分别固定的固定托板4.5整体是不规则的。
如图3、图4所示，本装置的固定夹具6.1由两块带异型槽的长方体不锈钢块组成，其中后面的不锈钢块与右侧的氢氧焊枪角度调节旋钮6.3固定，当安装氢氧焊枪5后，将前面的不锈钢块由四个螺丝与后面的不锈钢块固定在一起，由此氢氧焊枪5被两块不锈钢块夹持固定在异型槽里。氢氧焊枪角度调节旋钮6.3包括顶部的锁紧旋钮和右侧的角度调节旋钮，氢氧焊枪角度调节旋钮6.3通过螺丝与水平移动导轨6.2 上的滑块连接，滑块上有一锁紧旋钮，可调节氢氧焊枪5沿水平移动导轨6.2 的水平位置。
本装置的氢氧气阀门7为三组，每组为一个氢气阀门和一个氧气阀门，其中进气口分别连接氢、氧气管路，出气口通过耐压软管分别连接三把氢氧焊枪5的进气口。
本实施例的载物台3.1内腔为倒锥形，载物台3.1内腔向底部中心倾斜的角度不小于90º；本实施例设为91º±1º。
本装置的载物台3.1的材质由具有一定强度的材料构成，本实施例优选石墨。
本实施例的氢氧焊枪5选用多孔石英焊枪，孔数优选5-7孔。
本实施例的石英管自动熔接方法如图5所示，步骤如下：
S100、将装有多晶料及其它辅料的石英管置于熔接装置的载物台上。
S101、开启石英管载物台的旋转按钮，调整石英管的同心度并固定，石英管的同心度通过O型胶圈与校正压板的固定螺丝来调节，将石英帽置于石英管上端口并对齐。O型胶圈应为耐高温的橡胶圈，本实施例选用直径略大于所焊石英管外径O型硅胶圈。
S102、根据所要熔接石英管的直径调节氢氧焊枪的位置；氢氧焊枪距所熔接石英管的距离应不小于50mm，本实施例中氢氧焊枪距石英管位置为50～80mm。4英寸石英管氢氧焊枪位置为50～65mm；6英寸石英管氢氧焊枪位置为65～80mm。
S103、打开氢气阀门，点火，调整火焰大小，以火焰能接触到石英管为准，三把氢氧焊枪火焰大小应一致，火焰中心高矮一致。氢氧焊枪火焰大小通过三个独立的氢气阀门来调节。
S104、对转动的石英管进行预热。
S105、打开氧气，通过调节三个氧气阀门逐渐增加火焰温度继续对石英管预热。
S106、调节氢氧焰的大小及火候，以氢氧焰为发白光的浅蓝色为准；对准石
英管与石英帽接缝进行烧结熔接，氢氧焊枪火焰长度应不小于60mm，本实施例优选为65-75mm。
S107、熔接石英管时，载物台的转速为3-10转/分钟，本实施例设为4-6转/分钟效果最好，烧结5～10分钟，石英管与石英帽接触部位逐渐软化，熔接成一条细线时，熔接完毕。
S108、逐步减小氧气流量，对熔接完毕的石英管接口处做退火处理，使该部位温度逐渐降低。
S109、退火处理1～3分钟后，先关闭氧气阀门，再关闭氢气阀门熄火，石英管熔接工艺过程结束。
本装置通过载物台转动调速按钮2.3调节石英管的旋转速度，同时，通过调节O型胶圈3.7和校正压板3.6调整石英管8的垂直度；将石英帽9扣置于石英管8上端口并对齐；通过控制面板2上的氢氧焊枪移动调速按钮2.4、氢氧焊枪向上移动按钮2.6和氢氧焊枪向下移动按钮2.8，经氢氧焊枪移动装置4将氢氧焊枪5移动到石英管8与石英帽9接缝处，按氢氧焊枪移动停止按钮2.9停止移动。
本方法根据所要熔接石英管的直径通过氢氧焊枪调节装置6调节氢氧焊枪5距石英管的远近及枪头角度；氢氧焊枪5通过固定夹具6.1、水平移动导轨6.2固定于与氢氧焊枪固定托板4.5固定连接的分托板4.6上，通过氢氧焊枪角度调节旋钮6.3调节氢氧焊枪5的角度；打开氢氧气后，通过调节氢氧焰火焰大小，使氢氧焰中心对准石英管8与石英帽9接缝进行烧结，观察两者的接触点变成一条细线后逐渐减小火力，完成二者的熔接。在操作过程中若有突发意外情况，按急停按钮2.2停止。
本发明具有以下优势：每个氢氧焊枪火焰独立控制，避免单枪回火造成熔接失败的风险；熔接过程操作简单，效率高，三把焊枪同时烧结，结合旋转使得石英管受热更均匀，熔接质量较人工操作好，消除了人工操作易产生应力裂管问题，而且能够很好地确保操作人员的人身安全。
通过本发明实施熔接后的石英管与石英帽接口处光滑平整，周圈熔接均匀。
通过后续晶体生长实验数据统计对比，证明了采用本方法熔接的石英管系统，熔接强度高，高温时无漏气、开裂等缺陷。本方法适用于2英寸、3英寸、4英寸、6、8英寸晶体生长用石英管的封管熔接工序。
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