玻璃与铝的超声辅助钎焊方案

玻璃与铝的超声辅助钎焊方案李创1473125材料与建筑工程学院焊接技术及自动化(陕西省安康市汉滨区大河镇小双溪村4组725001)摘要：从材料选用、焊接方法及接头性能等方面，论述总结了国内外学者在玻璃连接领域采用超声波焊接、电场辅助扩散连接、活性钎焊、半固态钎焊、超声波振动辅助钎焊等方法的研究现状，对后续开发新的玻璃连接方法具有一定的指导意义。关键词：玻璃与铝连接、匹配封接、试验方案、超声波辅助钎焊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(Na20・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5001,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。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looor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图1套封结构内的应力示意图董为勇等人对玻璃与金属封接件的应力进行了分析。在最常见的玻璃一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(1)⑵⑶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，可以得到一些结论：a.当玻璃圆片的半径增大时径向应力降低；b.当金属环壁厚度增加时，切向应力也随之增加；c.在金属环壁厚度相同时，封接应力随环直径的增大而减小。在封接玻璃中，允许应力为5〜10MPa的数值则是满意的匹配封接。诚然，有时应力值可以达到10〜20MPa。但超过这个数值时便需谨慎，开裂的可能性随封接件尺寸的增大而增加。如果封接件在不受到摩擦的理想情况下，应力可以允许高达30MPa。若应力超过30MPa，便属非匹配封接范畴。从上分析可知，为了尽量减少封接后封接件产生的残余应力，应尽量选择良好的封接温度等封接参数。徐迪等人利用真空扩散焊接将高硼硅玻璃和可伐合金进行连接。工艺参数为：温度_1000°C,压力-10MPa,冷却速度-10C/min。得到如图2所示的玻璃-金属搭接接头。图2玻璃与可伐合金搭接接头利用有限元对玻璃-金属平板搭接接头的残余应力进行了分析，并利用X射线衍射法测量了接头的残余应力，并将二者进行了对比，得到了了几个影响玻璃与金属扩散焊接残余应力的结论：残余应力的产生是由于在焊接冷却过程中两种材料参数的不匹配导致的。在高硼硅玻璃上出现最大残余应力，沿界面产生的残余应力会导致焊接接头的开裂以及接头疲劳强度的降低。运用有限元的方法能很好的描述分布在接头上的残余应力，分析的结果也证明了扩散焊接的影响因素有焊接温度、焊接压力、真空度和焊接时间。最大的拉应力出现在高硼硅玻璃表面处而最大的压应力则出现在接近可伐合金的表面处。残余应力的变化则依靠的是焊接接头尺寸的改变。2.2、玻璃和铝的焊接性本实验中的玻璃母材采用最常用的平板玻璃。常用的平板浮法玻璃的部分物理性能如表1所示。表1常用浮法玻璃的部分物理性能密度比热容软化点导热系数热膨胀系弹性模量抗弯强度/g・cm-3/J・（kg・C）-1/C/W・mT・C-1数/10-6C-1/MPa/MPa2.5753.62720~7306~7&5>7*10490玻璃具有密度小，不导电，抗腐蚀性能好的特点。由表1中的数据可以看到，玻璃在720~730°C时会软化。玻璃的导热性能较差，如果加热不均匀会在玻璃内产生较大的温差，从而形成较大的热应力。线膨胀系数较小，加热过程中变形量较小。玻璃的抗压表2工业纯铝的典型物理性能密度/g・cm-3熔点/C导热系数/W・m-i・C-i热膨胀系数/10-6C-1抗拉强度/MPa屈服强度/MPa延伸率/%2.6866023423.8451050强度远大于抗拉强度，属于典型的脆性材料。因此，焊接过程中对玻璃中的应力的控制是非常重要的。本实验中的铝母材采用工业纯铝。常用的工业纯铝的典型物理性能如表2所示。工业纯铝具有铝的一般特点，密度小，导电、导热性能好，抗腐蚀性能好，塑性加工性能好，可加工成板、带、箔和挤压制品等。适用于常用的各种焊接方法，得到的焊接接头的质量均较好。2.3、焊接方法的选择玻璃和铝的焊接首先应该考虑的问题是焊接方法的选择。首先考虑最常用的电弧焊。熔化焊玻璃属于无机氧化物材料，不导电，电弧无法在玻璃表面引燃，因而无法对玻璃进行直接加热。熔钎焊可以考虑采用熔钎焊。对于玻璃和铝的对接接头，电弧在焊缝的铝侧和电极之间产生，依靠热传导和热辐射对玻璃侧进行间接加热。但是玻璃的抗拉强度远小于抗压强度，属于典型的脆性材料。当对玻璃板单侧加热时，由于玻璃的导热性较差，玻璃板内温度梯度较大。温度高的位置玻璃膨胀较大，温度低的位置玻璃膨胀较小。在玻璃板内温度较低的位置会产生较大的拉伸应力，在此应力下玻璃将发生断裂破坏。因此，采用加热不均匀的电弧焊无法得到完整的玻璃和铝的焊接接头。因此，应该选择温度场均匀的焊接方法进行玻璃和铝的焊接。可供选择的方法有扩散焊和钎焊。扩散焊硅酸盐玻璃中，硅原子与邻近的氧原子的结合非常牢固，因而即使在高温下，硅酸盐的扩散系数也是很小的。只有半径很小的原子才能在玻璃里进行渗透和扩散，而半径较大的原子则无法轻易地在玻璃里扩散，主要是由于阳离子受到Si-0网络中氧原子的静电吸引。如果在扩散的过程中施加电场，则可以比较容易地实现金属原子在玻璃里的扩散，从而实现焊接。太原理工大学的孟庆森等人在此方面做了相关的研究。钎焊场致扩散焊焊接工艺复杂，对焊件的表面质量要求高。因此，考虑使用更为广泛的钎焊。钎焊过程中，母材不熔化，焊接温度较低。选择合适的钎料可以使玻璃与钎料中的某些成分发生反应，而铝侧可以与钎料产生良好的扩散，从而实现玻璃与铝的钎焊。2.4、 钎料的选择如果不使用钎料，在720°C时，玻璃的主要成分SiO2和Al存在反应4Al+3SiO2=2Al2O3+3Si，即此时玻璃与铝的界面可因发生反应而牢固结合。但是，此时的铝已经成为液态，而玻璃也已明显软化。因此，必须降低钎焊温度，既保证铝和玻璃没有明显的软化。钎料的选择成为一个关键的问题。钎料的选择首先应该保证与玻璃产生牢固的结合。因金属原子向玻璃的扩散很困难，无法通过扩散来实现牢固的连接。金属阳离子会受到表面处氧原子的静电吸引，与玻璃表面形成电子型结合。硅酸盐化合物中的金属阳离子主要是惰性气体型离子(如Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Ab+等)和部分过渡型离子(如Fe2+、Fe3+、Mn2+、Mn3+、Cr3+、Ti3+等)，可见这些离子对应的原子容易与Si-O网络形成结合。而铜型离子(如Cu+、Zn2+、Pb2+、Sn4+等)则较难形成硅酸盐化合物，即这些离子对应的原子较难和Si-O网络结合。其中，Ti和Al与Si-O网络结合能力较强，首先考虑使用这两种金属或其合金作为钎焊玻璃和铝的钎料。考虑到玻璃和铝的线膨胀系数相差很大，在冷却过程中因收缩不一致会在接头中产生应力。钎焊温度越高，则冷却至室温时产生的残余应力越大，玻璃越容易开裂。因此，应该选择尽可能低的钎焊温度。Ti及其合金熔点均高于玻璃和铝母材的熔化温度，无法用于钎焊玻璃和铝。因此，选用含Al的钎料实现玻璃和铝的钎焊。常用的含有Al的钎料有Al-Si系、Al-Cu-Si系、Zn-Al系。由于Al-Si系和Al-Cu-Si系钎料熔点较高，铝有一定的软化，因此本实验中选用Zn-Al系钎料。为了探究Al元素对玻璃和钎料界面的影响，实验中采用两种含Al量不同的钎料Zn-10Al和Zn-25Al。另外，为了考察钎料熔点对玻璃和铝钎焊接头的影响，选用Sn基钎料Sn-9Zn在较低的温度下进行对比实验。2.5、 实验方案钎焊时，要形成牢固的连接，钎料首先要润湿母材表面。对于玻璃，纯Al和纯Zn均能浸渍润湿玻璃，而纯Sn不能浸渍润湿玻璃。实验中使用的三种钎料中均含有可以浸渍润湿玻璃的Zn和Al，可以实现玻璃表面的润湿。对于铝，采用施加超声的办法去除铝表面的氧化膜，实现钎料在铝表面的润湿。采用超声辅助钎焊的方法进行玻璃和铝的钎焊，主要是利用超声去除铝表面的氧化膜和促进钎料的填缝。实验温度应该保证钎料具有良好的流动性。超声施加时间应保证钎料充分填满钎缝。实验方案如表3所示。表3玻璃和铝的钎焊实验方案实验编号钎料钎焊温度/°C超声时间/s冷却方式1Sn-9Zn30010s缓冷2Zn-10Al42010s缓冷3Zn-25Al50010s缓冷3、实验过程实验时，采用超声辅助钎焊设备进行钎焊。采用搭接接头，如图3进行装配。玻璃和铝板的尺寸均为10mmX3mmX50mm，装配时玻璃板位于上侧，纯铝板位于下侧。搭接长度为30mm，钎缝间隙为200pm。待温度达到钎焊温度时，将钎料置于搭接接头一端使其熔化，戴钎料熔化后停止加热并通过超声波换能器将超声引入于纯铝板，超声振幅6~7pm。钎料量充足，确保可完全填充整个钎缝。超声作用10s使钎料充分填缝后进行冷却。冷却过程中应尽可能降低冷却速度，尤其应该使玻璃板上下表面的温差尽可能小以减小冷却过程中的热应力。如果冷却速度过快，玻璃会因应力过大而发生断裂破坏。加热器•图3超声辅助钎焊示意图参考文献【1】 第一机械工业部哈尔滨焊接研究所，焊接裂缝金相分析图谱•黑龙江科学技术出版社1