真空平板玻璃激光焊接的封邊試驗(yàn)

劉 偉，陶德清，張瑞宏＊，繆 宏，鄭再象，孫 敢，2，李 祥，張鐘鳴

（1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.蘇州農(nóng)業(yè)藥械有限公司，江蘇 蘇州 215000）

真空平板玻璃激光焊接的封邊試驗(yàn)

劉 偉1，陶德清1，張瑞宏1＊，繆 宏1，鄭再象1，孫 敢1，2，李 祥1，張鐘鳴1

（1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.蘇州農(nóng)業(yè)藥械有限公司，江蘇 蘇州 215000）

對真空平板玻璃進(jìn)行激光封邊試驗(yàn)，分析了激光焊接后的金相組織圖、掃描電鏡組織圖、能譜圖.試驗(yàn)結(jié)果表明：激光焊接后得到的金相組織結(jié)構(gòu)排布均勻、致密，焊料的斷面組織結(jié)構(gòu)均勻結(jié)合緊密，玻璃與焊料結(jié)合面緊密、熔合較好；能譜分析可以看出結(jié)合面處玻璃與焊料的元素已經(jīng)出現(xiàn)熔合現(xiàn)象；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和分析結(jié)論可知：采用激光焊接對真空平板玻璃進(jìn)行封邊可以得到理想的焊接結(jié)合性能與組織結(jié)構(gòu)，說明激光焊接是真空平板玻璃封邊的一種有效焊接方法.

真空平板玻璃；封邊；激光焊接

真空平板玻璃是一種節(jié)能環(huán)保、隔音隔熱、高透光的高科技玻璃深加工產(chǎn)品，其技術(shù)涉及到真空、封接、鍍膜、清潔、機(jī)械自動(dòng)化、精密測量等科技領(lǐng)域，在太陽能集熱器、太陽能干燥房、車船建筑物門窗、保溫箱等隔熱透明材料方面的應(yīng)用前景廣闊，是當(dāng)今國內(nèi)外玻璃加工技術(shù)的研究熱點(diǎn)［1－4］.由于真空平板玻璃加工制造技術(shù)難度高，因此對其制造工藝進(jìn)行研究具有較大的工程意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值［5－6］.其中真空平板玻璃的高溫封接一直是困擾科研工作者的一個(gè)難點(diǎn)，真空平板玻璃封邊焊接涉及到脆性材料（玻璃）的熱應(yīng)力及其封接后的氣密性問題.玻璃等脆性材料的焊接不同于金屬材料，它傳熱系數(shù)小、易碎等特性決定其不能采用普通焊接方法進(jìn)行封接［7－8］.真空平板玻璃一般采用高溫熔接法封接，該方法是將玻璃和焊料放入高頻加熱爐中，焊料和玻璃基材的溫度較均勻，熱應(yīng)力較小，但其生產(chǎn)率低［9－10］.激光焊接是利用高能激光束加熱焊料來實(shí)現(xiàn)材料焊接的一種方法，是非金屬材料重要的焊接技術(shù)之一，它克服了傳統(tǒng)方法存在的焊接溫度高、工藝過程復(fù)雜、焊接條件苛刻等缺陷［11－12］.本文采用激光焊接工藝對真空平板玻璃進(jìn)行試驗(yàn)，并通過金相分析、掃描電鏡及能譜分析等方法研究焊縫組織結(jié)構(gòu)、焊縫與玻璃的結(jié)合性能.

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料選用兩塊厚為4 mm，長、寬均為40 mm的普通鈉鈣玻璃.試驗(yàn)前首先對玻璃封邊處進(jìn)行噴沙處理，以利于玻璃母材與焊料的熔合；然后清除玻璃表面的油污、灰塵、氧化物與有機(jī)物等污物.樣品的制作過程：先放置第1片玻璃→擺放支撐柱→涂焊料→再放置第2片玻璃→壓合2片玻璃并進(jìn)行干燥處理.試驗(yàn)過程：將制成的樣品、加熱平臺(tái)等放入真空室，抽真空至10－4～10－3Pa，同時(shí)將預(yù)處理樣品緩慢加熱到250℃保溫進(jìn)行預(yù)熱；將激光器調(diào)試到正常工作狀態(tài)，待激光束能量穩(wěn)定后進(jìn)行焊接試驗(yàn).其中玻璃的主要元素有Si，Na，Mg，Al，Ca，C，O；焊料的主要元素有Pb，Ti，Al，C，O.激光焊接工藝參數(shù)如表1所示，在固定的焊接能量、脈沖寬度、激光束溫度、光斑直徑等參數(shù)下研究焊縫組織結(jié)構(gòu)及其結(jié)合性能.

表1 真空平板玻璃激光焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)Tab.1 Test parameters for vacuum plate glass welding

試驗(yàn)樣品用金剛石線鋸切割，尺寸為10 mm×10 mm×8 mm，并采用XJP200金相顯微鏡與XL－30ESEM環(huán)境掃描電子顯微鏡（SEM）觀察分析焊縫的微觀組織，觀察不同放大倍數(shù)下的SEM與能譜，進(jìn)行焊接結(jié)合性能的分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 金相分析焊縫的組織結(jié)構(gòu)

焊料是按照真空平板玻璃激光封邊參數(shù)嚴(yán)格配比的金屬混合物，焊接后焊料與玻璃形成穩(wěn)定的結(jié)合層，其金相組織結(jié)構(gòu)能為分析焊縫的性能提供重要依據(jù).圖1和圖2分別是試樣在100倍和400倍下的金相組織結(jié)構(gòu)，可見金相組織排布均勻、致密，因此激光焊接后可以得到理想的金相組織結(jié)構(gòu)，焊縫性能好.圖1～2中顯示黑色軟質(zhì)焊料基體上分布有突出的白色硬質(zhì)點(diǎn)，其主要起支撐作用，抵抗外界的壓力，黑色軟質(zhì)基體可以起到緩沖、吸能、潤滑、保護(hù)封接層的作用.由觀察到的金相圖可以推斷，在此激光焊接工藝參數(shù)下可以得到較好的焊縫結(jié)構(gòu)性能.

圖1 試樣放大100倍的金相圖Fig.1 The metallographic figure of sample（100－fold magnification）

圖2 試驗(yàn)放大400倍的金相圖Fig.2 The metallographic figure of sample（400－fold magnification）

2.2 掃描電鏡分析焊縫結(jié)合性能

為了進(jìn)一步研究焊料與玻璃的結(jié)合性能，對試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描電鏡觀察，得到圖3中4種不同放大倍數(shù)下的焊縫焊料的斷面圖像.由圖3（a）中可以看出存在部分不夠致密的缺陷，但是在圖3（b）中可以發(fā)現(xiàn)缺陷部分內(nèi)部組織分布均勻、規(guī)則、致密.圖3（c）是缺陷部分和非缺陷部分交接處的放大圖，可以發(fā)現(xiàn)缺陷部分和非缺陷部分結(jié)合相當(dāng)緊密，這為獲得高性能的焊縫結(jié)構(gòu)提供了保障.在圖3（d）中可以更加清晰地看到該結(jié)構(gòu)的優(yōu)良組織結(jié)構(gòu)排布.通過觀察圖3中的4種放大倍數(shù)下的SEM圖可以推斷：焊料雖然存在缺陷，但是缺陷內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)非常理想，而且缺陷部分與非缺陷部分結(jié)合非常緊密.圖中條狀片層結(jié)構(gòu)大小在5μm內(nèi)，且大小均勻分布于微觀組織中，沒有出現(xiàn)粗大不規(guī)則結(jié)構(gòu)，說明熔覆區(qū)域良好，能滿足封邊要求，因此激光焊接基本能夠滿足真空平板玻璃的封邊要求.

圖3 試樣焊料斷面的SEM圖Fig.3 The SEM diagram of the simple solder cross－section

為了進(jìn)一步說明試樣焊縫的結(jié)合性能，另對試樣的結(jié)合界面進(jìn)行SEM分析.由圖4（a）可以看到焊縫與玻璃結(jié)合的界面整齊、結(jié)合界面組織結(jié)構(gòu)比較緊密；而圖4（b）顯示玻璃與焊料之間熔合較好，比較致密，有明顯的焊料與母材的熔合層，說明焊接效果理想，焊接性能可靠.

圖4 試樣焊料與玻璃斷面放大圖Fig.4 The cross－section enlarged drawing of solder and glass of sample

2.3 能譜分析焊縫的結(jié)合狀況

取試樣進(jìn)行能譜分析，得到放大400倍時(shí)焊縫的能譜分析結(jié)果.圖5（b）為點(diǎn)2鈉鈣硅酸鹽玻璃的能譜圖，其代表元素為Si；圖5（c）為點(diǎn)3低熔點(diǎn)玻璃焊料的能譜圖，其代表元素為Pb；圖5（d）為點(diǎn)5結(jié)合面處能譜圖，其主要元素為Si，Pb，Na，Mg，Au，Al，Ca，C，O；由圖5（b）與（c）可知玻璃的主要代表元素為Si，焊料的主要代表元素為Pb，點(diǎn)5結(jié)合面處Si、Pb 2種元素的含量比例大，可以判定該結(jié)合處有明顯的相互熔合現(xiàn)象，說明兩者已經(jīng)結(jié)合，焊接可靠有效.

圖5 試樣放大400倍時(shí)焊縫的能譜分析圖Fig.5 The energy spectrum of sample weld joint when magnified 400 times

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The sealing experimental study of the laser welding of vacuum plate glass

LIU Wei1，TAO Deqing1，ZHANG Ruihong1＊，MIAO Hong1，ZHENG Zaixiang1，SUN Gan1，2，LI Xiang1，ZHANG Zhongming1

（1.Sch of Mech Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China；2.Suzhou Agric Chem Mach Co.，Ltd，Suzhou 215000，China）

The laser welding is used to weld vacuum plate glass.The metallographic diagram SEM diagram and the energy spectrum diagram are analyzed.The experimental results show that metallographic structure can be arranged uniformly and densely，the organizational structure of solder cross－section is uniform and tight，the joint surface of glass and solder is fused tightly fusion phenomenon of elements of the glass and the solder emerges at the joint surface，the laser welding of vacuum plate glass sealing side can get desired weld organizational structure and good combining performance of weld and parent metal.It verifies that the laser welding is a preferable method of vacuum plate glass sealing.

vacuum plate glass；sealing；laser welding

TB 756

A

1007－824X（2014）01－0042－04

2013－04－24.＊ 聯(lián)系人，E－mail：zhang－rh＠163.com.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51172199；51372216）；國家青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51302242）；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部研究開發(fā)資助項(xiàng)目（2013－K1－31）；江蘇省農(nóng)機(jī)三新工程資助項(xiàng)目（NJ2013－15）；江蘇省科技支撐資助項(xiàng)目（BE2010700）；揚(yáng)州市建設(shè)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012BAD32B11）.

劉偉，陶德清，張瑞宏，等.真空平板玻璃激光焊接的封邊試驗(yàn) ［J］.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，17（1）：42－45.

（責(zé)任編輯 賈慧鳴）