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解決方案

玻璃與金屬焊接之異種連接

來源:蘇州大學激光加工中心2016-08-03 我要評論(0 )   

前面在介紹玻璃與金屬的焊接時,已經(jīng)給各位讀者介紹了潤濕、擴散的基本知識。今天給各位讀者介紹異種連接(焊接)相關知識,只有明晰和解決了異種連接(焊接)的問題,...

前面在介紹玻璃與金屬的焊接時,已經(jīng)給各位讀者介紹了潤濕、擴散的基本知識。今天給各位讀者介紹異種連接(焊接)相關知識,只有明晰和解決了異種連接(焊接)的問題,我們才能正式進入玻璃與金屬焊接的話題。

玻璃材料因高溫耐磨、耐蝕、絕緣,抗氧化能力強等特點被廣泛的應用,但玻璃本身的低延性、沖擊韌性差則限制了其在工程中的應用。因此結合了玻璃與金屬雙重優(yōu)良性能的玻璃金屬復合連接體應運而生,并廣泛應用于微電子封裝、電池、儀器儀表、太陽能真空集熱管、復合材料等領域,因此研究玻璃與金屬封接有重要意義。玻璃與金屬的封接方法有很多種,其中研究最多理論較成熟的為匹配封接,匹配封接是在封接前先對金屬進行預氧化處理,使金屬表面生成一層厚度適當?shù)难趸瘜?,再將金屬與玻璃放在爐中加熱保溫一定時間然后冷卻至室溫,但是匹配封接要在爐中加熱然后冷卻故生產(chǎn)周期長。然而激光具有極高的能量,能非接觸式局部實現(xiàn)快速加熱快速冷卻,還能實現(xiàn)接縫形狀比較復雜器件的封接,因此在封接領域內的應用也越來越廣。玻璃與金屬的焊接屬于不同種類的材料,所以他們的焊接屬于異種焊接。這就是我們?yōu)槭裁匆榻B異種焊接的原因。在后續(xù)文章中我們會逐漸介紹玻璃與金屬的匹配封接(焊接)和激光焊接。

什么是異種連接


處于功能的需要或現(xiàn)有技術的限制,我們通常很難可以不經(jīng)過焊接(連接)來實現(xiàn)異種多功能的工程件。因此,在實際生產(chǎn)中常常會用組合制造并常常會焊接(連接)這一技術來達到設計的目的。為了實現(xiàn)不同功能和效用,將不同性能和功用的材料焊接(連接)在一起,焊接(連接)常常成為必不可少的一道工序。為此,充分理解并熟練掌握這一技術就成為制造上的一個關鍵問題。不同的學者從不同的角度對焊接(連接)進行了不同的定義。Messler認為“一種將不同部分的部件制造成一個整體的過程”。按照此定義,我們的堆積木、農(nóng)村的木質結構的房子和家具,均屬于焊接(連接)的范疇。而學者Campbell則認為“將不同的單個部件組合成整體,成為一個比單個個體復雜的部件的過程,即組裝也是焊接(連接)的一個過程”。這個定義進一步驗證了堆積木實際上就是異種焊接(連接)。不同學者給出了不同定義,但不管是哪位學者的定義,可以明確的是“焊接(連接)”首先是一種將不同部件組合在一起形成一個整體單元的活動或過程。第二點可以明確的是“焊接(連接)是將部件或結構元素組合在一起的過程”。但組合的目的必須是為了實現(xiàn)或達到某一功能,而這一功能必須是單個部件所無法實現(xiàn)的?;趯σ陨隙x的理解,以下三種途徑均可以認為是實現(xiàn)焊接(連接)的途徑:

1、 機械連接:通過機械的辦法來焊接(連接);

2、 化學連接:通過化學鍵合(反應)來實現(xiàn)焊接(連接);

3、 熱連接:通過熱熔過程來實現(xiàn)焊接(連接)。

為什么要采用異種連接的辦法:基于對更多選擇,如輕質、高效的需求,為了實現(xiàn)多功能的工程結構和功效,人們常常將不同的材料連接在一起。如本專題談到的玻璃與金屬的焊接(連接)。眾所周知的汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、紡織工業(yè)(衣服上的金屬和銘牌)、工具行業(yè)、醫(yī)用植入物、電力和海洋工程等領域。

異種焊接其實在古代就也有之,如
考古發(fā)現(xiàn):
5000年前用錫釬焊銀擺設(古埃及)
5000年前用錫釬焊銀銅體的銀把手(古埃及)
5000年前用銀釬料焊的管子(古埃及)
4000年前用金釬料釬焊的護符盒(古埃及)
公元前5世紀用錫鉛料鑲嵌皇冠上的珠寶首飾等(中國)
公元79年被火山爆發(fā)埋沒的龐貝城中有用錫釬料釬焊的家用鉛制水管(古羅馬)

在歷史文化燦如繁星的中國,據(jù)文獻記載:
漢代.班固 撰《漢書》:
胡桐淚盲似眼淚也,可以汗金銀也,今工匠皆用之。(汗即焊)。
宋代.宋應星 撰 《天工開物》:
中華小釬用白銅末,大釬則竭力揮錘而強合之,歷歲彌久,終不可堅。(小釬即釬焊,大釬為鍛焊)。
明朝.方以智 撰 《物理小識》:
焊藥以硼砂合銅為之,若以胡桐汁合銀,堅如石。今玉石刀柄之類焊藥,加銀一分其中,則永不脫。試以圓盆口點焊藥于其一隅,其藥自走,周而環(huán)之,亦一奇也。

異種
焊接(連接應用

比較常見的例子是波音787飛機采用了復合材料作為其飛機殼體的基本材料,該材料由20%Al、15%Ti、10%鋼和5%的其他材料所組成。在現(xiàn)代汽車工業(yè)中,為了減重,其中有陶瓷與金屬的焊接(連接),橫梁采用了鋼、同時還有鋁合金制作了較多的零件,如鋁合金活塞和鋁合金發(fā)動機缸體。EU-FP6項目中研發(fā)的小汽車則使用了Al、鋼、Mg、玻璃纖維等不同材料。

那么何為異種材料呢,可以簡單的定義為“材料或材料組合在一起時,比較難以實現(xiàn)焊接(連接),難以實現(xiàn)焊接(連接)的原因是他們的化學性能或物理性質不同而造成的” 。

由于異種材料在化學特性、熱性能和物力性能(如熱膨脹系數(shù)、韌性、疲勞、斷裂力學行為、彈性模量等)的差別,不僅會影響到焊接(連接)的工藝,同時會影響到組件服役時的性能。如服役時的電偶腐蝕、不同的熱膨脹系數(shù)以及其他效應均會影響到組件的服役性能。

為了解決以上問題,在產(chǎn)品設計和焊接(連接)工藝實踐中,必須充分考慮并盡可能的考慮如何解決這一挑戰(zhàn)。學者Messler則指出:“在異種焊接(連接)時必須充分的縮小兩者之間的差異,即通過選擇不同材料或其他途徑來縮小不同特性材料之間的差別。與此同時,這增加了操作者和設計者的難度。因為不同材料在本性上,如原子層面的結構、微觀組織、微觀組織和性能本來就不同。同時組合多種材料時,減低不同材料之間的差別就變得更為困難”。

由于焊接(連接)的分類比較多,我們這里只是介紹玻璃與金屬的焊接(連接)的,所示同此不相關的,在這里就不做過多的介紹。

玻璃與金屬連接,目前常用的有四種主要形式:
1.機械連接:家中常用的陶瓷插座就是這種情況。
2.采用密封膠或者密封條:家中使用的門窗玻璃就是這種情況。
3.采用高溫燒結的辦法:我們使用電燈泡就是這種情況。
4.我們提到的激光焊接的辦法:這是一種新的、先進的焊接方法,在激光行業(yè)中,激光氣體放電管,使用壽命長的就是采用激光對玻璃與金屬進行焊接的。

在下一次的文章中我們將介紹如何實現(xiàn)玻璃與金屬的焊接。

圖片1
圖1 采用密封條進行玻璃與金屬封接的建筑門窗

圖片2
圖2 采用高溫燒結的辦法制作的電燈泡

圖片3
圖3 真空干燥箱中的高溫觀察窗(玻璃與金屬的密封(焊接))

 

圖片4
圖4 不同金屬(鋁合金和鋼)與陶瓷的連接(焊接),用于電子工業(yè)的部件
 

 

作者:張敏 陳長軍  鄒濤  胡增榮 王曉南 孫茜

 


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玻璃金屬焊接異種連接
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