玻璃成型装置及大口径掺钕磷酸盐激光玻璃的成型方法

摘要

本发明属于玻璃成型技术领域，具体公开了一种玻璃成型装置及大口径掺钕磷酸盐激光玻璃的成型方法，旨在保证玻璃成型效果的同时基本避免因空气中的水分而引起玻璃表面裂纹。该玻璃成型装置通过设置盖板可使得围成的成型腔尽量封闭，通过设置的保护气体管道能够向成型腔中通入保护气体，赶走成型腔内的空气并对待成型的玻璃液形成保护，防止空气中的水分以OH‑的形式重新进入玻璃的表面和亚表面层，基本避免因此而产生玻璃表面裂纹；同时，通过将保护气体管道的预热管道段在盖板上蜿蜒分布，可以利用盖板传递出的热量预热保护气体，避免保护气体温度过低对成型腔内的成型温度造成较大扰动，影响玻璃的正常成型。

说明书

技术领域

本发明属于玻璃成型技术领域，具体涉及一种玻璃成型装置及大口径掺钕磷酸盐激光玻璃的成型方法。

背景技术

掺钕磷酸盐激光玻璃是一种以玻璃为基质的固体激光材料，它广泛应用于各类型固体激光器中，是高功率和高能量激光器的主要激光材料。为提高荧光寿命和量子率，减少非辐射能量跃迁，提高系统增益能力，掺钕磷酸盐激光玻璃熔炼过程需要消除玻璃内的OH

目前，采用玻璃成型装置成型掺钕磷酸盐激光玻璃。现有的玻璃成型装置，一般包括底模、两个分别设置在底模左右两侧的侧模、以及设置在底模上并处于两个侧模之间的堵头，底模的上侧面、两个侧模的内侧面及堵头的后侧导流面共同围成一个非封闭式的成型腔。

采用现有的玻璃成型装置成型宽度200mm以上、厚度30mm以上的大口径掺钕磷酸盐激光玻璃的过程中，因玻璃液整体流量偏小而成型需求量较大，所以玻璃液需要在成型腔中停留较长时间，且该过程中需要较高的温度保证玻璃液的流动性，又由于掺钕磷酸盐玻璃对水份有强烈的亲和力，高温条件下其在空气中长时间停留，容易使得空气中的水分以OH

因为表面裂纹的存在，掺钕磷酸盐激光玻璃在精密退火前需进行粗磨加工，以避免成型、粗退环节的裂纹在精退过程加深导致玻璃炸裂，大大增加了加工损耗和成本，且裂纹深度越大加工量越大。另外，磷酸盐体系玻璃膨胀系数较大、机械强度差，数量较多且深度较大的表面裂纹，极大的增加了掺钕磷酸盐激光玻璃炸裂的风险。

发明内容

本发明提供了一种玻璃成型装置，旨在解决现有的玻璃成型装置在成型大口径掺钕磷酸盐激光玻璃过程中，空气中的水分容易以OH

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：玻璃成型装置，包括底模、两个分别设置在底模左右两侧的侧模、以及设置在底模上并处于两个侧模之间的堵头，还包括盖板和保护气体管道；

所述盖板设置在侧模上，所述底模的上侧面、两个侧模的内侧面、堵头的后侧导流面以及盖板的下侧面共同围成一个成型腔，所述盖板上开设有与成型腔相通的漏料管过孔；

所述保护气体管道包括预热管道段，所述预热管道段在盖板上蜿蜒分布，所述预热管道段的出气口与成型腔连通。

进一步的是，所述盖板由透明且耐高温的材料制成；或者，所述盖板由不透明的耐高温材料制成，且盖板上设有观察窗，所述观察窗由透明且耐高温的材料制成。

进一步的是，所述盖板主要由左右拼接在一起的两个板块构成。

进一步的是，所述板块的前端设置有把手。

进一步的是，所述盖板的后端设置有阻气帘，所述阻气帘遮挡在成型腔的后端。

进一步的是，所述预热管道段呈“S”形结构，或至少两个“S”形首位相连的结构，或“回”字形结构，或螺旋形结构。

进一步的是，还包括装有保护气体的气源，所述保护气体管道的进气口与气源的出气口连接，所述保护气体为氮气、氦气和氩气中的一种或者两种以上的混合气体。

本发明还提供了一种大口径掺钕磷酸盐激光玻璃的成型方法，旨在减少玻璃表面裂纹的数量并减小玻璃表面裂纹的深度；该成型方法包括下列步骤：

步骤一，选取上述的玻璃成型装置作为成型大口径掺钕磷酸盐激光玻璃的设备，所述大口径掺钕磷酸盐激光玻璃的宽度为200mm以上、厚度为30mm以上；

步骤二，将玻璃漏料管的出料端由漏料管过孔穿入成型腔中并与堵头的后侧导流面相对应；

步骤三，通过保护气体管道向成型腔中持续通入保护气体，通入保护气体的流量控制在30～100L/h；

步骤四，通过玻璃漏料管将玻璃液送入成型腔中，并对成型腔的左右两侧进行加热使成型腔内的温度保持在400～500℃；同时，通过底模、侧模和堵头各自内部的冷却腔对玻璃成型装置本身进行冷却，使玻璃成型装置本身的温度保持在300～450℃；

步骤五，玻璃液在成型腔中定型后，按15～50mm/min的牵引速度从成型腔的后端牵引出。

进一步的是，步骤二，还包括将退火炉设置在玻璃成型装置的后侧，并与成型腔的后端相对应；

步骤五，还包括将定型后的玻璃牵引至退火炉中。

进一步的是，步骤四，还包括观察玻璃液在成型腔中定型的宽度，若该宽度比需要的尺寸小2Dmm，则使玻璃漏料管中玻璃液的出料温度升高10D±2℃，或者使成型腔内的温度升高20D±3℃。

本发明的有益效果是：该玻璃成型装置通过设置盖板可以起到保温作用，并可使得围成的成型腔尽量封闭，进而可通过设置的保护气体管道向成型腔中通入保护气体，赶走成型腔内的空气并对待成型的玻璃液形成保护，防止空气中的水分以OH

附图说明

图1是本发明中玻璃成型装置的实施结构示意图；

图2是沿图1中A-A线的剖视图；

图3是沿图2中B-B线的剖视图；

图4是沿图2中C-C线的剖视图；

图中标记为：底模100、侧模200、堵头300、盖板400、漏料管过孔410、板块420、把手421、阻气帘430、保护气体管道500、预热管道段510、成型腔600、玻璃漏料管700、大口径掺钕磷酸盐激光玻璃800。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

针对本发明需要说明的是，本文涉及到的“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”这些表示方向的描述，是在玻璃成型装置在成型玻璃过程中，以玻璃的牵引方向作为后方向进行确定的。已知后方向，即可确定与后方向相反的方向为前方向，与前后方向水平垂直的方向即为左右方向，与前后方向竖向垂直的方向即为上下方向。

结合图1、图2、图3和图4所示，玻璃成型装置，包括底模100、两个分别设置在底模100左右两侧的侧模200、以及设置在底模100上并处于两个侧模200之间的堵头300，还包括盖板400和保护气体管道500；

所述盖板400设置在侧模200上，所述底模100的上侧面、两个侧模200的内侧面、堵头300的后侧导流面以及盖板400的下侧面共同围成一个成型腔600，所述盖板400上开设有与成型腔600相通的漏料管过孔410；

所述保护气体管道500包括预热管道段510，所述预热管道段510在盖板400上蜿蜒分布，所述预热管道段510的出气口与成型腔600连通。

该玻璃成型装置的组成零部件一般采用石墨、青铜或球墨铸铁等材料加工而成；其中，底模100为该玻璃成型装置的载体，主要用于其他零部件的安装设置及该玻璃成型装置的安放，一般将底模100及安装在其上的其他零部件装入装置壳体中；底模100内通常开设的底模冷却通道，主要用于通入冷却介质以对底模100及玻璃液中间高温区进行集中冷却，通常使底模冷却通道沿成型腔600的长度方向设置；冷却介质可以为多种，例如：压缩空气、惰性气体和水等；底模100上通常设有分别与底模冷却通道连通的底模冷却进孔和底模冷却出孔，以分别用于冷却介质的流入和流出，通常将底模冷却进孔和底模冷却出孔设置在底模100的前端。

侧模200主要用于限制在待成型玻璃液的左右两侧，侧模200内通常也设有冷却腔和加热装置，可根据成型需要进行选用。侧模200一般可拆卸地设置在底模100上，此处的可拆卸设置方式可以为多种，例如：卡扣连接、螺纹连接、嵌入连接等。侧模200的高度一般与堵头300的高度相同，均比成型腔600成型的玻璃高30～80mm。

堵头300主要封堵在成型腔600的前端，并用于接料及对送入的玻璃液进行初步冷却和导向；堵头300内一般设有堵头冷却腔，堵头300上设有分别与堵头冷却腔相连通的堵头冷却进孔和堵头冷却出孔，堵头冷却进孔和堵头冷却出孔一般设置在堵头300的前端。

盖板400主要用于遮盖在成型腔600的上侧，一方面用于防止定型的玻璃冷却过快，出现炸裂、或不能达到需要的宽度、亦或形状差等问题，另一方面可使成型腔600成为仅后端开口的腔体，又由于成型的玻璃需要从成型腔600的后端开口牵引出去，所以实际生产中成型的玻璃会阻挡在成型腔600的后端开口处，使成型腔600变为相对封闭的空间，能够有效防止玻璃液成型过程中空气进入。为了方便观察玻璃液的成型过程，以修正成型工艺参数，控制成型质量，通常采用透明且耐高温的材料制作盖板400；或者是，使盖板400由不透明的耐高温材料制成，且盖板400上设有观察窗，并使观察窗由透明且耐高温的材料制成；上述透明且耐高温的材料可以为多种，优选为耐高温玻璃。

为了方便盖板400的安装和拆卸，通常将之设置为分体式结构，如图3所示，盖板400主要由左右拼接在一起的两个板块420构成。为了方便板块420的拾取，一般在板块420的前端设置有把手421。

为了进一步提高成型腔600的封闭效果，再如图2所示，在盖板400的后端设置有阻气帘430，阻气帘430遮挡在成型腔600的后端。阻气帘430可以防止通入成型腔600中的保护气体泄漏过快，而达不到保护效果。为了不干涉成型玻璃的牵引，阻气帘430的下端需要高于成型玻璃的上侧。阻气帘430可以采用多种材料制作，优选由硅酸铝保温板或耐高温塑料制成。

保护气体管道500主要用于向成型腔600中通入保护气体，以赶走成型腔600内的空气并对待成型的玻璃液进行保护，防止空气中的水分以OH

该玻璃成型装置通常还包括装有保护气体的气源，所述保护气体管道500的进气口与气源的出气口连接，所述保护气体为氮气、氦气和氩气中的一种或者两种以上的混合气体。

成型腔600主要用于定型玻璃液，以将其成型为需要口径的玻璃坯料；为了对成型腔600的左右两侧进行加热，以控制成型温度，保证玻璃液在成型腔600内的流动性，成型出符合要求的大口径掺钕磷酸盐激光玻璃800，一般在将成型腔600划分为中间高温区域及左右两侧低温区域，并设置用于加热左右两侧低温区域的加热元件；加热元件510可以为多种，例如：加热丝、加热棒等；加热元件可以设置在底模100的左右两侧，也可以设置在两个侧模200上；因为送入成型腔600的玻璃液中间降温慢、左右两侧降温快，通过上述加热元件能够对送入成型腔600的玻璃液的左右两侧加热，并与底模冷却通道的冷却效果配合有效降低待成型玻璃液中间与左右两侧的温差，保证玻璃液各处在成型腔600中流动的一致性；若送入成型腔600的玻璃液中间高温区温度不足或降温过快时，可在底模100的前端底部用天然气加热保温。

大口径掺钕磷酸盐激光玻璃的成型方法，包括下列步骤：

步骤一，选取上述的玻璃成型装置作为成型大口径掺钕磷酸盐激光玻璃800的设备，所述大口径掺钕磷酸盐激光玻璃800的宽度为200mm以上、厚度为30mm以上；

步骤二，将玻璃漏料管700的出料端由漏料管过孔410穿入成型腔600中并与堵头300的后侧导流面相对应；

步骤三，通过保护气体管道500向成型腔600中持续通入保护气体，通入保护气体的流量控制在30～100L/h；

步骤四，通过玻璃漏料管700将玻璃液送入成型腔600中，并对成型腔600的左右两侧进行加热使成型腔600内的温度保持在400～500℃；同时，通过底模100、侧模200和堵头300各自内部的冷却腔对玻璃成型装置本身进行冷却，使玻璃成型装置本身的温度保持在300～450℃；该步骤送入的玻璃液是经过熔化、除水、澄清、均化的玻璃液；通常还根据需要在底模100的前端底部用天然气加热，以起到对成型腔600前端保温的作用；通过对底模100、侧模200和堵头300各自内部的冷却腔进行冷却，可以防止玻璃与装置粘连并缩短玻璃定型时间，且可防止玻璃出模具后遇冷炸裂；

步骤五，玻璃液在成型腔600中定型后，按15～50mm/min的牵引速度从成型腔600的后端牵引出。

由上述成型方法成型的大口径掺钕磷酸盐激光玻璃800，与现有技术相比，可使玻璃表面裂纹数量减少90％以上，并将将玻璃表面裂纹的最大深度由0.3mm以上改善为0.1mm以下，大大减少了玻璃二次加工需加工的量，同时降低了玻璃的炸裂风险。

为了便于将玻璃成型装置的温度有效控制在300～450℃，步骤四中，优选对玻璃成型装置本身的冷却范围为前后长度200～300mm范围，冷却范围的前端为玻璃成型装置的前端。

具体的，步骤二还包括将退火炉设置在玻璃成型装置的后侧，并与成型腔600的后端相对应；退火炉可以为多种，优选为网带退火炉；

步骤五还包括将定型后的玻璃牵引至退火炉中。

作为本发明方法的一种优选方案，步骤四，还包括观察玻璃液在成型腔600中定型的宽度，若该宽度比需要的尺寸小2Dmm，则使玻璃漏料管700中玻璃液的出料温度升高10D±2℃，或者使成型腔600内的温度升高20D±3℃；D大于0且小于需要成型的大口径掺钕磷酸盐激光玻璃800的宽度的二分之一。例如：观察到玻璃液在成型腔600中定型的宽度比需要的尺寸小2mm，可使玻璃漏料管700中玻璃液的出料温度升高10℃，或者使成型腔600内的温度升高20℃。

实施例1

某次成型大口径掺钕磷酸盐激光玻璃，过程如下：

首先，选取上述的玻璃成型装置作为成型大口径掺钕磷酸盐激光玻璃800的设备；

其次，将玻璃漏料管700的出料端由漏料管过孔410穿入成型腔600中并与堵头300的后侧导流面相对应；再将退火炉设置在玻璃成型装置的后侧，并与成型腔600的后端相对应；

接着，通过保护气体管道500向成型腔600中持续通入保护气体，通入保护气体的流量控制在40L/h；

再接着，通过玻璃漏料管700将出料池中990℃的玻璃液送入成型腔600中，流出玻璃漏料管700的玻璃液的温度为950℃，并对成型腔600的左右两侧进行加热使成型腔600内的温度保持在430℃；同时，通过底模100、侧模200和堵头300各自内部的冷却腔对玻璃成型装置本身进行冷却，使玻璃成型装置本身的温度保持在430℃；

最后，玻璃液在成型腔600中定型后，按20mm/min的牵引速度从成型腔600的后端牵引至退火炉中。

对成型的大口径掺钕磷酸盐激光玻璃800进行检测，测得其表面裂纹数量为3条/100cm

实施例2

某次成型大口径掺钕磷酸盐激光玻璃，过程如下：

首先，选取上述的玻璃成型装置作为成型大口径掺钕磷酸盐激光玻璃800的设备；

其次，将玻璃漏料管700的出料端由漏料管过孔410穿入成型腔600中并与堵头300的后侧导流面相对应；

接着，通过保护气体管道500向成型腔600中持续通入保护气体，通入保护气体的流量控制在90L/h；

再接着，通过玻璃漏料管700将出料池中980℃的玻璃液送入成型腔600中，流出玻璃漏料管700的玻璃液的温度为930℃，并对成型腔600的左右两侧进行加热使成型腔600内的温度保持在460℃；同时，通过底模100、侧模200和堵头300各自内部的冷却腔对玻璃成型装置本身进行冷却，使玻璃成型装置本身的温度保持在400℃；

最后，玻璃液在成型腔600中定型后，按40mm/min的牵引速度从成型腔600的后端牵引出。

对成型的大口径掺钕磷酸盐激光玻璃800进行检测，测得其表面没有裂纹，二次加工需加工厚度为0.5mm。

实施例3

某次成型大口径掺钕磷酸盐激光玻璃，过程如下：

首先，选取上述的玻璃成型装置作为成型大口径掺钕磷酸盐激光玻璃800的设备；

其次，将玻璃漏料管700的出料端由漏料管过孔410穿入成型腔600中并与堵头300的后侧导流面相对应；再将退火炉设置在玻璃成型装置的后侧，并与成型腔600的后端相对应；

接着，通过保护气体管道500向成型腔600中持续通入保护气体，通入保护气体的流量控制在60L/h；

再接着，通过玻璃漏料管700将出料池中990℃的玻璃液送入成型腔600中，流出玻璃漏料管700的玻璃液的温度为970℃，并对成型腔600的左右两侧进行加热并在底模100的前端底部用天然气加热，使成型腔600内的温度保持在470℃；同时，通过底模100、侧模200和堵头300各自内部的冷却腔对玻璃成型装置本身进行冷却，使玻璃成型装置本身的温度保持在360℃；

最后，玻璃液在成型腔600中定型后，按30mm/min的牵引速度从成型腔600的后端牵引至退火炉中。

对成型的大口径掺钕磷酸盐激光玻璃800进行检测，测得其表面裂纹数量为2条/100cm

实施例4

某次成型大口径掺钕磷酸盐激光玻璃，过程如下：

首先，选取上述的玻璃成型装置作为成型大口径掺钕磷酸盐激光玻璃800的设备；

其次，将玻璃漏料管700的出料端由漏料管过孔410穿入成型腔600中并与堵头300的后侧导流面相对应；再将退火炉设置在玻璃成型装置的后侧，并与成型腔600的后端相对应；

接着，通过保护气体管道500向成型腔600中持续通入保护气体，通入保护气体的流量控制在80L/h；

再接着，通过玻璃漏料管700将出料池中980℃的玻璃液送入成型腔600中，流出玻璃漏料管700的玻璃液的温度为940℃，并对成型腔600的左右两侧进行加热使成型腔600内的温度保持在490℃；同时，通过底模100、侧模200和堵头300各自内部的冷却腔对玻璃成型装置本身进行冷却，使玻璃成型装置本身的温度保持在320℃；

最后，玻璃液在成型腔600中定型后，按30mm/min的牵引速度从成型腔600的后端牵引至退火炉中。

对成型的大口径掺钕磷酸盐激光玻璃800进行检测，测得其表面裂纹数量为3条/100cm