玻璃和金属钎焊接头参数优化及其封接工艺研究.doc

Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｇｌａｓｓ－－ｔｏ－·ｍｅｔａｌ Ｂｒａｚｅｄ Ｊｏｉｎｔｓ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｓｅａｌｉｎｇ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓ ｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ （Ｇｒａｎｔ Ｎｏ．１ ０６７２０７２） ＆ Ｈ?椤簦澹悖?Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒａｍ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｊｉａｎｇｓｕ （Ｇｒａｎｔ Ｎｏ．ＢＧ２００６０４０） Ａ Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ Ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ ｔｏ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｐａｒｔｉａｌ ｆｕｌｆｉｌｌｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｍａｓｔｅｒ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｂｙ Ｚｈｅｎｇｉ ｎｕｌＲｅｎ．／ＧＮＯＨＺ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．Ｘｉａｎｇ ＬＩＮＧ Ｊｕｎｅ ２０１１ 硕士学位论文 摘要 玻璃和金属封接技术主要应用于制造各种光电器件近年来，随着人类对新能源的开发，该技术又应用到太阳能真空集热管中。

太阳能真空集热管是槽式太阳能热发电系统的关键部件之一，它在运行过程中，不仅要承受较大的交变载荷，而且需要保持较高的真空度，因此，对玻璃和金属的封接提出了更高要求 本文主要通过数值分析和试验对玻璃和金属钎焊接头的力学性能与封接工艺进行了研究，主要研究内容及成果如下： （１）采用有限元的方法，分析了不同孔隙率对玻璃和金属钎焊接头残余应力的影响分析结果表明，接头最大拉应力集中在钎料层，其值约为１７２ＭＰａ；玻璃侧切应力的最大拉应力值约为６０ＭＰａ，会对接头强度产生重要影响；接头端部附近的应力梯度变化很大，会导致钎料层和基体母材的分离失效；各向最大拉应力和压应力都集中在孔隙层中的孔洞附近；各向应力的压应力和拉应力峰值随孔隙率增加而增大，但当孔隙率达到ｌ％以后，其增加速度变得很小 （２）基于正交分析和数值模拟的方法研究了玻璃管扩口锥度，搭接长度，可伐合金环厚度和施加的压力等因素对玻璃管和可伐合金钎焊封接接头处玻璃侧残余应力的影响计算结果表明，施加的压力和可伐合金环的厚度影响最大，玻璃管扩口锥度和搭接长度的影响较小，并以此为基础优化了钎焊接头的参数：玻璃管扩口锥度为９搭接长度为ｌＯｍｍ；可伐合金厚度为１．２ｒａｍ；施加的压力为３ＭＰａ。

利用优化的参数设计的接头能够减小接头处玻璃和可伐合金侧的最大拉应力，有利于提高接头的抗拉强度 （３）对玻璃表面进行粗化，实现对玻璃和可伐合金表面的化学镀镍和化学镀铜，然后进行真空钎焊封接钎焊试验结果表明，玻璃表面的金属化和可伐合金表面的化学镀处理有利于提高封接的成功率；玻璃和可伐合金能够实现较为紧密的连接，但由于镀层和玻璃表面的结合力较小，使一些试件的镀层脱离玻璃基体，发生断裂 （４）利用扫描电子显微镜、Ｘ射线衍射仪等对玻璃和可伐合金钎焊接头界面的微观组织进行了分析结果发现，玻璃和钎料层的连接表现出结合力较强的咬合结构，玻璃和可伐合金基体与钎料层在钎焊过程中发生了相互溶解和扩散这些扩散反应最终使玻璃．钎料．可伐合金连接在一起，形成了玻璃和金属的钎焊接头初步探索了玻璃和金属钎焊封接的机理，为以后的研究提供一定的理论依据关键词：玻璃和金属封接：孔隙率；真空钎焊；数值模拟；残余应力；微观组织 Ｉ ＡＢＳｑ、ＲＡＣＴ＝皇宣＝＝：＝皇‘；＝＝昌宣鲁＝＝＝盏；＝＝＝昌鲁；；；；；；盆；；；昔；＝＝＝；；＝＝；；；二；；；；二＝＝；＝；＝＝盏警；晶＝＝；昌；＝乇；昌：；．＝；；＝苫；昌；；；；皇；；；；；＝；；＝菡；；；；＝；；；盆；＝；；； ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｇｌａｓｓ ｔｏ ｍｅｔａｌ ｓｅａｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｗ ｅｎｅｒｇｙ ｓｏｕｒｃｅｓ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｄｅｍａｎｄ，ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｌｓｏ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｖａｃｕｕｍ ｔｕｂｅ．Ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｖａｃｕｕｍ ｔｕｂｅ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒｏｕｇｈ ｓｏｌａｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ ｈａｓ ｔｏ ｂｅａｒ ａ ｇｒｅａｔ ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｌｏａｄ ａｎｄ ｍａｉｎｔａｉｎ ａ ｈｉｇｈ ｖａｃｕｕｍ ｗｈｅｎ ｎｍｎｉｎｇ，ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ａ １１ｉｇｈ·ｑｕａｌｉｔｙ ｇｌａｓｓ－ｔｏ—ｍｅｔａｌ ｂｏｎｄｉｎｇ ｊｏｉｎｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｌａｓｓ－－ｔｏ－－ｍｅｔａｌ ｂｒａｚｅｄ ｊｏｉｎｔ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｓ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ： Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｌｅｖｅｌｓ ｏｎ ｔｈｅ ｇｌａｓｓ－ｔｏ—ｍｅｔａｌ ｂｒａｚｅｄ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ＯＣＣｕｒＳ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｌｌｅｒ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｉｓ ａｂｏｕｔ １ ７２ＭＰａ；ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｔｈｅ ｇｌａｓｓ ｐｌａｔｅ ｉｓ ａｂｏｕｔ ６０ＭＰａ ａｎｄ ｈａｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｂｕｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｅｎｄｓ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｗｏｕｌｄ ｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｐｌａｔｅｓ ａｎｄ ｆｉｌｌｅｒ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｇｌａｓｓ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｌｌｅｒ ｄｅ—ｂｏｎｄ；ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｐｏｒｅｓ ｗａｌｌ；ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｓｈａｒｐｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｌｅｖｅｌ ｂｅｌｏｗ １％，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｃｈａｎｇｅ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｍａｌｌ． Ｔｈｅ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｆｌａｒｅｄ ｇｌａｓｓ ｔｕｂｅ ｔａｐｅｒ，ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｌａｐ ｊｏｉｎｔ，ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｏｖａｒ ａｌｌｏｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｇｌａｓｓ ｔｕｂｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｌａｓｓ—ｔｏ—Ｋｏｖａｒ ａｌｌｏｙ ｒｉｎｇ ｂｒａｚｅｄ ｊｏｉｎｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｏｖａｒ ａｌｌｏｙ ｉｓ ｇｒｅａｔ，ｏｔｈｅｒ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｍｐａｃｔ ｉｓ ｓｍａｌｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｓｅ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｒａｚｅｄ ｊｏｉｎｔ：ｆｌａｒｅｄ ｇｌａｓｓ ｔｕｂｅ ｔａｐｅｒ ｉｓ ９。

ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｌａｐ ｊｏｉｎｔ ｉｓ １０ｍｍ，ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｏｖａｒ ａｌｌｏｙ ｉｓ １．２ｍｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ ３ＭＰａ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｌｓｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｇｌａｓｓ ａｎｄ Ｋｏｖａｒ ａｌｌｏｙ ｗｅｒｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂｅｎｅｆｉｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆｊｏｉｎｔｓ ｓｔｒｅｎｇｔｈ． Ｔｈｅ ｇｌａｓｓ ｗｉｔｈ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｒｏｕｇｈｅｎｅｄ ａｎｄ Ｋｏｖａｒ ａｌｌｏｙ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｐｌａｔｅｄ、析ｍ ｎｉｃｋｅｌ ａｎｄ ｃｏｐｐｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｖａｃｕｕｍ ｂｒａｚｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｏｐｅｒａｔｅｄ．Ｂｒａｚｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｌａｓｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｐｌａｔｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｋｏｖａｒ ａｌｌｏｙ Ｃａｎ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓ ｒａｔｅ ｏｆ ｓｅａｌｉｎｇ；ｔｈｅ ｇｌａｓｓ ａｎｄ Ｋｏｖａｒ ａｌｌｏｙ ｗｅｒｅ ｃｌｏｓｅｌｙ ＩＩ 硕士学位论文ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ，ｂｕｔ ｉｔ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｄｅｐｏｓｉｔ ｄｅｔａｃｈｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｇｌａｓｓ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅｓｍａｌｌ ｃｏｈｅｓｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｅｐｏｓｉｔ ａｎｄ ｇｌａｓｓ．Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｃｒａｃｋ Ｏｃｃｕｒｓ ｉｎｓｏｍｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ，ｌｅａｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｆａｉｌｕｒｅ． Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ）ａｎｄ Ｘ－ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ）ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｂｒａｚｅｄ ｊｏｉｎｔｓ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｇｌａｓｓａｎｄ ｆｉｌｌｅｒ ｌａｙｅｒ ｓｈｏｗｓ ｓｔｒｏｎｇｅｒ ｂｉｔｅ ｆｏｒｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｕｔｕａｌ ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎＯＣＣｕｒ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｇｌａｓｓ，ｔｈｅ Ｋｏｖａｒ ａｌｌｏｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｌｌｅｒ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｂｒａｚｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎ ｕｌｔｉｍａｔｅｌｙ。