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玻璃与金属焊接之异种连接

  :前面在介绍玻璃与金属的焊接时,已经给各位读者介绍了润湿、扩散的基本知识。今天给各位读者介绍异种连接(焊接)相关知识,只有明晰和解决了异种连接(焊接)的问题,我们才能正式进入玻璃与金属焊接的话题。

  玻璃材料因高温耐磨、耐蚀、绝缘,抗氧化能力强等特点被广泛的应用,但玻璃本身的低延性、冲击韧性差则限制了其在工程中的应用。因此结合了玻璃与金属双重优良性能的玻璃金属复合连接体应运而生,并广泛应用于微电子封装、电池、仪器仪表、太阳能真空集热管、复合材料等领域,因此研究玻璃与金属封接有重要意义。玻璃与金属的封接方法有很多种,其中研究最多理论较成熟的为匹配封接,匹配封接是在封接前先对金属进行预氧化处理,使金属表面生成一层厚度适当的氧化层,再将金属与玻璃放在炉中加热保温一定时间然后冷却至室温,但是匹配封接要在炉中加热然后冷却故生产周期长。然而激光具有极高的能量,能非接触式局部实现快速加热快速冷却,还能实现接缝形状比较复杂器件的封接,因此在封接领域内的应用也越来越广。玻璃与金属的焊接属于不同种类的材料,所以他们的焊接属于异种焊接。这就是我们为什么要介绍异种焊接的原因。子啊后续文章中我们会逐渐介绍玻璃与金属的匹配封接(焊接)和激光焊接。

  什么是异种连接

  处于功能的需要或现有技术的限制,我们通常很难可以不经过焊接(连接)来实现异种多功能的工程件。因此,在实际生产中常常会用组合制造并常常会焊接(连接)这一技术来达到设计的目的。为了实现不同功能和效用,将不同性能和功用的材料焊接(连接)在一起,焊接(连接)常常成为必不可少的一道工序。为此,充分理解并熟练掌握这一技术就成为制造上的一个关键问题。不同的学者从不同的角度对焊接(连接)进行了不同的定义。Messler认为“一种将不同部分的部件制造成一个整体的过程”。按照此定义,我们的堆积木、农村的木质结构的房子和家具,均属于焊接(连接)的范畴。而学者Campbell则认为“将不同的单个部件组合成整体,成为一个比单个个体复杂的部件的过程,即组装也是焊接(连接)的一个过程”。这个定义进一步验证了堆积木实际上就是异种焊接(连接)。不同学者给出了不同定义,但不管是哪位学者的定义,可以明确的是“焊接(连接)”首先是一种将不同部件组合在一起形成一个整体单元的活动或过程。第二点可以明确的是“焊接(连接)是将部件或结构元素组合在一起的过程”。但组合的目的必须是为了实现或达到某一功能,而这一功能必须是单个部件所无法实现的。基于对以上定义的理解,以下三种途径均可以认为是实现焊接(连接)的途径:

  1、 机械连接:通过机械的办法来焊接(连接);

  2、 化学连接:通过化学键合(反应)来实现焊接(连接);

  3、 热连接:通过热熔过程来实现焊接(连接)。

  为什么要采用异种连接的办法:基于对更多选择,如轻质、高效的需求,为了实现多功能的工程结构和功效,人们常常将不同的材料连接在一起。如本专题谈到的玻璃与金属的焊接(连接)。众所周知的汽车工业、航空航天工业、纺织工业(衣服上的金属和铭牌)、工具行业、医用植入物、电力和海洋工程等领域。

  异种焊接其实在古代就也有之,如

  考古发现:

  5000年前用锡钎焊银摆设(古埃及)

  5000年前用锡钎焊银铜体的银把手(古埃及)

  5000年前用银钎料焊的管子(古埃及)

  4000年前用金钎料钎焊的护符盒(古埃及)

  公元前5世纪用锡铅料镶嵌皇冠上的珠宝首饰等(中国)

  公元79年被火山爆发埋没的庞贝城中有用锡钎料钎焊的家用铅制水管(古罗马)

  在历史文化灿如繁星的中国,据文献记载:

  汉代.班固 撰《汉书》:

  胡桐泪盲似眼泪也,可以汗金银也,今工匠皆用之。(汗即焊)。

  宋代.宋应星 撰 《天工开物》:

  中华小钎用白铜末,大钎则竭力挥锤而强合之,历岁弥久,终不可坚。(小钎即钎焊,大钎为锻焊)。

  明朝.方以智 撰 《物理小识》:

  焊药以硼砂合铜为之,若以胡桐汁合银,坚如石。今玉石刀柄之类焊药,加银一分其中,则永不脱。试以圆盆口点焊药于其一隅,其药自走,周而环之,亦一奇也。

  异种焊接(连接)的应用

  比较常见的例子是波音787飞机采用了复合材料作为其飞机壳体的基本材料,该材料由20%Al、15%Ti、10%钢和5%的其他材料所组成。在现代汽车工业中,为了减重,其中有陶瓷与金属的焊接(连接),横梁采用了钢、同时还有铝合金制作了较多的零件,如铝合金活塞和铝合金发动机缸体。EU-FP6项目中研发的小汽车则使用了Al、钢、Mg、玻璃纤维等不同材料。

  那么何为异种材料呢,可以简单的定义为“材料或材料组合在一起时,比较难以实现焊接(连接),难以实现焊接(连接)的原因是他们的化学性能或物理性质不同而造成的” 。

  由于异种材料在化学特性、热性能和物力性能(如热膨胀系数、韧性、疲劳、断裂力学行为、弹性模量等)的差别,不仅会影响到焊接(连接)的工艺,同时会影响到组件服役时的性能。如服役时的电偶腐蚀、不同的热膨胀系数以及其他效应均会影响到组件的服役性能。

  为了解决以上问题,在产品设计和焊接(连接)工艺实践中,必须充分考虑并尽可能的考虑如何解决这一挑战。学者Messler则指出:“在异种焊接(连接)时必须充分的缩小两者之间的差异,即通过选择不同材料或其他途径来缩小不同特性材料之间的差别。与此同时,这增加了操作者和设计者的难度。因为不同材料在本性上,如原子层面的结构、微观组织、微观组织和性能本来就不同。同时组合多种材料时,减低不同材料之间的差别就变得更为困难”。

  由于焊接(连接)的分类比较多,我们这里只是介绍玻璃与金属的焊接(连接)的,所示同此不相关的,在这里就不做过多的介绍。

  玻璃与金属连接,目前常用的有四种主要形式:

  1.机械连接:家中常用的陶瓷插座就是这种情况。

  2.采用密封胶或者密封条:家中使用的门窗玻璃就是这种情况。

  3.采用高温烧结的办法:我们使用电灯泡就是这种情况。

  4.我们提到的激光焊接的办法:这是一种新的、先进的焊接方法,在激光行业中,激光气体放电管,使用寿命长的就是采用激光对玻璃与金属进行焊接的。

  在下一次的文章中我们将介绍如何实现玻璃与金属的焊接。

  

  图1 采用密封条进行玻璃与金属封接的建筑门窗

  

  图2 采用高温烧结的办法制作的电灯泡

  

  图3 真空干燥箱中的高温观察窗(玻璃与金属的密封(焊接))

  

  图4 不同金属(铝合金和钢)与陶瓷的连接(焊接),用于电子工业的部件

  作者:张敏 陈长军 邹涛 胡增荣 王晓南 孙茜

发布时间:   来源:苏州大学激光加工中心  作者:匿名
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