《真空玻璃激光焊接试验材料及测试方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《真空玻璃激光焊接试验材料及测试方法（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、真空玻璃激光焊接试验材料及测试方法现有真空平板玻璃机构是在一片玻璃板上以1025 mm的间隔放置高度为0.10.5 mm,直径为0.31.0 mm的圆柱状支崖物，再放上另一片玻璃板，将两片玻璃板的四周涂 上封接玻璃，然后在450C的高温炉中封接而成，其结构如图1-2所示。3.1实验材料本文采用激光焊接法作为真空玻璃的侧封方法。激光焊接是材料在激光的作用下迅速 发生物态变化的状态下进行焊接的。玻璃基材选用厚度为4mm的普通玻璃(钠钙硅酸盐 玻璃)，规格为70mmx70mm,弹性模量为E=6.89xlO4MPa,泊松比为丫=0.23,抗拉强度6=40 MP色抗压强度叫=880 MPa网叫 化学成分
2、见表3-1所示；支撑柱采用半径r=0.4mm,髙 度为0.2mm的不锈钢支撑柱，焊料选用低熔点玻璃基焊料。表3-1钠钙硅酸盐玻璃的化学成分Table 3-1 Chemical composition of soda lime silicate glassSi02b2o3ai2o3CaOMgONa：OK20软化温度C73.61.05.53.716.2一696温度场计算属于非线性瞬态传热问题，需给定导热系数入、比热容、换热系数、密度 以及随温度变化值。但许多材料的物理性能参数在高温特别是接近熔化状态时还是空白， 本文在参考大量文献的基础上，根据焊接温度变化并不是很大的实际状况，选择采用的平 均性能
3、参数，并力求模拟结果尽量准确.试验中材料属性参数如表3-2所示。表3-2试验中用材料属性Table 3-2 Material properties used in the experiment名称弹性模量MPa密度 T/mm泊松 比传热系数 W/nfflC线膨胀系数 i/r比热容 J/kgC钠钙玻璃6.89E+042.46E-060. 230. 75E-039.00E-03835焊粉1. 40E+041. 10E-050.435. 0ET35. 30E-02130不锈钢支撑柱2.00E+057. 80E-060. 2818.0E-031. 10E-024603.2激光焊接技术3.2.1激光焊接
4、I960年，世界上的第一个激光束利用闪光灯泡激发红宝石晶粒所产生，因受限于晶体 的热容量，只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达10-6瓦， 但仍属于低能量输出。使用枚(Nd)为激发元素的锂铝石榴石晶棒(Nd:YAG)可产生1-8KW 的连续单一波长光束。YAG激光，波长为1.06um,可以通过柔性光纤连接到激光加工头， 设备布局灵活，适用焊接厚度0.5-6mm的焊接件。使用CO2为激发物的CO2激光(波长10.6um）,输出能量可达25KW,可做出2mm板厚单道全渗透焊接，工业界已广泛用于金 属的加工上。激光焊接属于熔融焊接，以激光束为能源，冲击在焊件接头上。激光束可
5、由平面光学 元件（如镜子）导引，随后再以反射聚焦镜片或元件将光束投射在焊缝上。激光焊接属于 非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防止熔池被空气氧化，填料金属 偶有使用。激光焊可以与MIG焊组成激光MIG复合焊，实现大熔深焊接，同时热输入量 比MIG焊大为减小。3. 2. 2激光焊接的优缺点与其他焊接比较，激光焊接有其优点也有其不足之处：（1）可将入热最降到最低的需 要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。（2）焊接速度快，可 降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。（3）不需使用电极，没有电极污染 或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变
6、形接可降至最低。（4）激光 束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的 机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。（5）工件可放置 在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）。（6）激光束可聚焦在很小的区域， 可焊接小型且间隔相近的部件。（7）可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。（8）易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。（9）焊接薄材或细径线材时， 不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。（10）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容 易），能精确的对准焊件。（11）可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属。（12）不
7、需真 空，亦不需做X射线防护。（13）若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1。（14）可以切 换装置将激光束传送至多个工作站。3.2.3激光同金属材料间的相互作用阿呗金属材料中存在着大量的自由电子，这些自由电子在受到光频电磁波的作用时，会被 强迫振动而产生次波。而这些次波又会形成较弱的透射波和强烈的反射波。透射波部分在 很薄的金厲表层被吸收，造成激光在金属表面具有较高的反射比。而特别对红外光而言， 其光子的能量较相对较低，光频电磁波仅只能对金属中的自由电子起作用。对光子的能最 较奇的紫外光或可见光来说，由于金属中的束缚电子的固有频率处在紫外光或可见光频 段，因而能对金属中的束缚电子发生作用。
8、对束缚电子的作用，使金属的反射能量降低、 透射能力加强，增强了金属对激光的吸收，使金属呈现出某非金属的光学性质。对于波长为10.6“m的红外波和波长为0.25pm的紫外波的测量结果阿表明；光波在各 种大多数金属中穿透的深度能达到10nm的数量级。其吸收系数大约为105-106cm1 o在激光光束的作用下，大多数金属的光学性质会发生改变。辐射作用下，可以得到在 通常情况下，它们的反射系数会相应减小的结果。实质上，这是一种热效应，正是这种热效应使的金属对热损耗变得很敏感。在红外波段，当反射系数较大时，热损耗更是如此。 一般情况下，材料的吸收特性，是通过计算发射率来进行推导的，这是因为材料的发射率
9、6(丁)【冏通常是由下式给出的：(r)=i-/?jT)(3-1)式中，入为波长；R;.为反射率：T指的是材料表面温度数值。一般来说，乙卩)是随 入和T的变化而改变。假设有一种表面没有氧化金属材料，若将其且置于真空中，则可通过公式计算其发射 率，垂直入射时，材料的发射率为：巧(乃= (3-2)V 1 他+1)+蚣式中，为消光系数；珥为复发射率的实部。对该金属材料来说，和m均是入和T 的函数。一般来说，电子与品格的相互碰撞时间很短。所以，整体上金属的反射系数存在随温 度升高而减小规律W另外，热金属相对冷金属较活跃，由于金属表面存在的化学反应(如 氧化等)，容易发生反射率不可逆的变化规律，但在高真空
10、环境下，除外此规律不可应用。当前，可靠的实验数据相对还比较少见，特别是在热金属的反射系数方面。但在红外 波段，我们可以获得如下述描述，即认为金属的的总吸收系数可由三大部分组成：自由电 子(虑)，带间跃迁(ib)和表面效应(surf ),亦即：1-肚(1-尺严)+(1-町+(1-/?)冋)(3-3)但是，关于式中后两项同温度间的依赖关系，这里并没有系统而全面地论述，它们赖 于能带所处的能态、能带精细结构、表面金属的反应能力。然而，在假设自由电子的密度 与温度无关的条件下，我们可以将自由电子项与直流电导率00的温度关系联系在一起，而 后者常是已知的。金属材料的发射率与温度、金属电阻率有关，可用下式
11、进行计算：(r) = O.365r20(l + Zr)/lf(3-4 )-0.0667% (1 + yT)/AV2 + 0.006 0 (1 +式中，心为209时的电阻率；y为电阻率随温度变化的系数；7为温度。工件对激光束能量的利用率决定于吸收率，金属对光束的吸收率越大，激光钎焊越易 进行旳.材料对激光束的吸收主要取决于激光的波长、材料电阻系数和材料的表面状态。 研究表明，在金属熔化以前，吸收率随温度的增加而增加：当温度达到熔点时，吸收率急 剧增加。多数金属在熔化时其导电率急剧减小，常减小到常温时的1/21/3,这就必然会 导致反射率与导热率的突变。3.2.4漱光与非金层材料之间的相互作用冋侧
12、X一、非金属材料吸收激光时的反应非金属与金属大为不同，它对激光有较低的反射比，相反对应的吸收比相对较离。对 应不同结构特征非金属，对不同波长激光具有强烈的选择性。在没有收到激发时，半导体与绝缘体仅存在束缚电子，其中束缚电子不仅具有一定的 固有频率vo，同时其值由电子跃迁时的能量变化AE决定，且有v0=AE4i,其中h为普 朗克常量。但是当材料内束缚电子的固有频率等于或约等于入射光波频率时，内部束缚电 子会发生强烈谐振，辐射出次波，形成较强的透射波和较弱的反射波。但在该谐振频率周 围，材料的反射比和吸收系数都是增加的，出现反射峰值和吸收值峰；而在其它频率下， 如果是均匀的半导体或绝缘体，按其本性
13、应该是透明的，且具有较低的反射比，较小的吸 收系数。一般惜况下，半导体具有多个谐振频率，并以其中价带电子向导带跃迁产生的谐振最 为重要。这种跃迁常叫做本征吸收或本征电离，又称为电子的带间跃迁。受激光照射时的 半导体中，处于价带的电离会因吸收光子而受激跃迁到导带。电子跃迁时，根据有无声子 的带间跃迁，可将跃迁分为间接跃迁和直接跃迁。这两种要求最小光子能量应均等于禁带 宽度的能帛:。然而，当带间跃迁产生足够多的载流子对时，他们会反过来影响被照射材料 物质对激光的吸收.其中，半导体的的禁带宽度应对于可见光或红外光光谱，而绝缘体的 禁带宽度应于对紫外光光谱。此外，在热或光的作用下，浓度较高的半导体自由
14、载流子， 会呈现出某种金属的光学性质。除电子跃迁外，大多数非金属当然也可以通过有机物分子间的相对振动或者晶体点阵 来进行能量耦合。二、激光与透明固体的作用光束能够引起得固体光学的性质的所有变化，可以将其归结为三种，可从按照辐照度 增大的排列顺度.它们分别是：(1) 热的产生导致材料的电子性质或密度发生改变，其中有关的效应是：透明介质 中间的热自聚焦，以及金属和半导体中的“热逃逸”现象：(2) 绝缘体和半导体中发生的自由载流的光学现象，是由碰撞电离或带间跃迁引起 的，导致明显增大吸收系数，甚至会有可能引起严重的爆炸性的材料损伤：(3) 强光束的电场使整个分子或电子轨道发生非线性畸变自聚焦和多光子
15、吸收等许 多非线性光学现象，都是由电场效应而引起的自聚焦。而仅只有滞后部分的脉冲能经历自 聚焦，能有效地抑制短脉冲自聚焦出现的方法是驰豫效应。另外，自聚焦并不仅只局限于窄的高斯光束，如果能够调制足够好的光束橫截面，则 任意一种直径的高斯光束都会产生自聚焦，使众多够强的峰值功率，可以彼此独立地产生 自聚焦而导致宽的强光束，并会在非线性介质中，形成许许多多细小的丝状路径。在激光同材料相互间作用时，激光引起的冲击力和吸收能量的材料都将使受作用的材 料部分向外膨胀。若每一部分材料都能够自由膨胀，则虽有变形，材料也不会出现破坏或 应力。若各个部分的材料都不能自由膨胀，则各部分之间会产生应力或爆炸破坏，因为他 们之间相互制约。激光同透明固体材料间相互作用的过程，是部分材料受激光辐射的过程，而本身材料 是连续体，因而激光的作用将使材料内部产生力学效应，诸如应力波、自聚焦或爆炸破坏 等。3.3激光參数对焊接性能的影响影响激光焊接过程中焊接性能的因素，主要有激光功率密度、激光光速直径、材料本 性、焊接速度等。激光的功率密度必须在104-106W/cm2范围内方能进行激光焊接。激光的光束直径应根据焊缝的宽度进行调整，选择同钎料宽度相差不大的光斑直径， 以尽量减小焊接热影响区的大小。材料对光能量的吸收决定了激光深熔焊的效率，影响材料对激光
