玻璃与铝的超声辅助钎焊方案-铝钎焊焊料.docx

玻璃与铝的超声辅助钎焊方案:铝钎焊焊料1、实验研究内容玻璃是一种具有无规则结构的非晶态固体，在熔融时形成连续网格结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。普通玻璃化学氧化物的组成(Na2O·CaO·6SiO2)主要成分是二氧化硅。广泛应用于建筑物，用于隔风透光，属于混合物。玻璃具有很高的化学稳定性,可以抵抗除氢氟酸以外所有酸类的侵蚀，硅酸盐玻璃一般不耐碱。玻璃遭受侵蚀性介质腐蚀，也能导致变质和破坏。大气对玻璃侵蚀作用实质上是水气、二氧化碳、二氧化硫等作用的总和。通过改变玻璃的化学成分，或对玻璃进行热处理及表面处理，可以提高玻璃的化学稳定性。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，比强度高，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中得到大量应用。对比玻璃和铝的典型物理性能可以发现，玻璃属于脆性材料，工业纯铝属于塑性材料。工业纯铝的线膨胀系数是玻璃的3倍左右，焊接时热变形量不匹配，接头中会产生较大的残余应力。而由于玻璃属于脆性材料，在应力的作用下很容易产生断裂而使得焊接接头失效。玻璃的化学性质非常稳定，难于与其他金属物质发生反应或产生扩散。因此如何实现玻璃和铝的牢固连接是本实验的一个难点。2、研究方案论证2.1、玻璃和铝的焊接的研究现状2.1.1、玻璃和铝常用的焊接方法胶连接：利用耐温粘合剂将玻璃和金属连接在一起。该粘结剂要求对金属和玻璃都有较高的粘结强度，同时为克服金属和玻璃因膨胀系数不同在使用过程中产生封装应力，粘结剂应有较好的韧性。密封圈连接：常用的密封圈材料为各种橡胶、氟塑料和软金属等，其中只有软金属密封圈耐高温，且放气远比橡胶少。而软金属密封圈也存在一些缺点：弹性差，需要很大的密封力才能保证可靠的真空密封；法兰密封面的粗糙度和配合精度要求高，很小的伤痕都能破坏密封，特别是大尺寸加工很困难；密封圈和法兰材料的热膨胀系数相差较大，加热不均匀或密封结构设计不正确，会引起局部变形而造成漏气。热压封接：热压封接是属于材料固态焊接技术中一种特殊的焊接方法。先将玻璃端面制成法兰形式，在加热和加压的条件下，以铅或铝为焊料，对玻璃端面和金属盖之间进行固态封接。通常的实施方法是当金属焊料铅或铝达到焊接熔点的0.7-0.9倍刚刚开始软化时，通常气缸迅速向其施加一定的冲击压力，使焊料迅速变形分解，并形成气密的封接面。熔封：又称火封，是一种传统的玻璃金属封接工艺。熔封时，将玻璃加热至1000℃左右，使之融化，从而与金属封接在一起。按金属和玻璃线膨胀系数的差值，熔封分为匹配封接和不匹配封接。在室温至玻璃软化点的温度范围内，若两种材料线膨胀系数非常相近，相互间差值小于6%，则为匹配封接；否则为不匹配封接。熔封工艺的优点是封接件耐高温，玻璃排气彻底，使用寿命长，抗拉强度也较大；缺点是熔接温度难于控制，需要仔细退火，工艺重复性较差。熔封工艺是目前能制造合格高温太阳能集热管的唯一成熟工艺。过渡玻璃封接法：为回避石英玻璃与金属封接，而将石英玻管一次次地与相应的玻管封接，每次封接的玻璃的线膨胀系数都比上次的高一些，经过近10次的对接，最后其对接的玻管的线膨胀系数与钨接硬料玻璃的线膨胀系数相同。场致扩散焊(阳极焊)：西安交通大学的喻萍等人通过对金属Al与K4玻璃阳极焊的研究，发现此两种材料在大气环境中可以进行阳极焊，结合面处结合情况比较理想。实验原理为：在阳极焊过程中，由于外加电场的作用，K4玻璃中的Na＋向阴极移动，使得玻璃中靠近阳极的一面产生贫Na＋区。在强电场作用下产生的离子迁移，除了玻璃中较活跃的阳离子向阴极移动外，还包括连接阳极金属中的阳离子向玻璃中迁移，以及玻璃中相对不活跃的阴离子向阳极迁移。在贫化区内，由于Na＋向阴极迁移，引起负电荷增多，因此在贫化区靠近玻璃体一侧产生负电荷聚集区，该区与阳极之间形成强大的电场，使两种材料紧密接触。在贫化区非负电荷聚集区，阳极金属正离子向玻璃中扩散，而玻璃中的负离子向阳极移动，最终在界面处发生化学冶金反应，所生成的复合化合物将被焊接件牢固地连接在一起。2.1.2、玻璃和铝焊接的应力问题董为勇等人对玻璃与金属封接件的应力进行了分析。在最常见的玻璃—金属圆柱形封接件中，一般遇到的应力有三种：轴向应力、径向应力和切向应力。其中每种应力可能是张应力或是压应力，应力的大小和选用的金属或玻璃材料有关。由于玻璃是脆性材料，其抗压强度远远大于抗张强度，故封接后的玻璃体宜承受压应力，或承受在安全范围内的张应力。图1套封结构内的应力示意图基于薄壳理论可以导出在封接后的冷却过程中，金属环周界上作用着径向应力和切向应力。同时