陶瓷金屬端封結(jié)構(gòu)

梁曉川,高 巖

(陜西寶光真空電器股份有限公司,陜西 寶雞 721006)

1 引言

陶瓷——金屬端封結(jié)構(gòu)是繼平封、套封、針封等結(jié)構(gòu)型式之后，發(fā)展起來的一種高強(qiáng)度氣密性焊接結(jié)構(gòu)。國內(nèi)大部分滅弧室制造企業(yè)在進(jìn)行陶瓷-金屬封接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中以大量采用。部分平封、套封和夾封結(jié)構(gòu)都可以用端封結(jié)構(gòu)來代替。見圖1。該結(jié)構(gòu)之所以引起大量使用，是因?yàn)橛泻芏鄡?yōu)點(diǎn)。

（1）金屬零件加工簡單。 金屬零件可以可以沖制。陶瓷零件無需復(fù)雜的內(nèi)外圓研磨。加工成本降低。

（2）零件裝配方便，不存在配合間隙，焊料用量及流散狀態(tài)易控制，焊縫氣密性高，質(zhì)量易保證。封接強(qiáng)度亦高。（3）根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，端封結(jié)構(gòu)可適應(yīng)多種金屬與陶瓷的封接，甚至膨脹系數(shù)失配較大的金屬和陶瓷進(jìn)行封接。如不銹鋼、鉬等金屬也可以直接與陶瓷直接端封封接。

由于以上種種原因，近年國內(nèi)外應(yīng)用端封結(jié)構(gòu)的實(shí)例已較為普遍。作者曾應(yīng)用不銹鋼與陶瓷進(jìn)行端封試驗(yàn)，進(jìn)行了工藝嘗試，得到了一些數(shù)據(jù)。

2 端封結(jié)構(gòu)和平封結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析比較

我們知道，陶瓷與金屬封接成一體后，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，由于膨脹系數(shù)不同，焊縫處的陶瓷受金屬的約束會產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力就是封接應(yīng)力。封接應(yīng)力的方向和大小正是衡量封接質(zhì)量好壞的一個重要表征。根據(jù)文獻(xiàn)介紹封接應(yīng)力分布情況見圖2。

從圖2中可看出，封接應(yīng)力可以分解為軸向應(yīng)力ax，周向應(yīng)力aq。兩種應(yīng)力中ax危害性最大。因?yàn)樗诤缚p處附近出現(xiàn)了正的最大值。使陶瓷焊縫處受到拉應(yīng)力，周向應(yīng)力aq值也最大。但它是負(fù)的最大值，使陶瓷焊縫處受到的是壓應(yīng)力，不會對陶瓷封接面造成應(yīng)力威脅。所以只有軸向應(yīng)力ax才是造成陶瓷封接處破壞的危險(xiǎn)封接應(yīng)力。

平封結(jié)構(gòu)焊口處上的各應(yīng)力分布情況和端封結(jié)構(gòu)封口處上各應(yīng)力分布情況見圖3。

從圖3中兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況可看出，在陶瓷零件幾何尺寸相同，金屬零件厚度亦相同時，端封結(jié)構(gòu)與平封結(jié)構(gòu)相比，端封結(jié)構(gòu)中ax要比平封結(jié)構(gòu)中的ax小很多。從而說明端封結(jié)構(gòu)要比平封結(jié)構(gòu)安全性高。

3 端封結(jié)構(gòu)封接強(qiáng)度

封接強(qiáng)度是封接部件性能要求中最為關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，而抗拉強(qiáng)度測試是最為常規(guī)也是最能說明問題的一種測試方法。這里仿ASTM法進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試，見圖4。

圖4 抗拉強(qiáng)度式樣

表1 標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度試樣測試情況

表2 端封部件抗拉強(qiáng)度情況

從表1和表2中抗拉強(qiáng)度結(jié)果看，盡管端封封口很窄，可是其直接拉力和單位面積上的抗拉強(qiáng)度都比平封高，足見端封結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是牢固的。這里也啟發(fā)我們，衡量一個封接件的強(qiáng)度不僅僅取決于封接面的大小，還必須要有合理的封接結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的封接工藝。

4 端封結(jié)構(gòu)封接氣密性

氣密性陶瓷---金屬封接件對于用于真空器件的外殼來說，氣密性能要求是非常高的。而且往往還需要封接部件要經(jīng)歷500C-----600、幾小時或十幾小時的高溫烘烤，多次的冷熱循環(huán)過程。這樣就必須使

封接件經(jīng)受多次的冷熱循環(huán)及熱烘烤后，其封接氣密性同樣得到保證。熱沖擊與熱烘烤試驗(yàn)科通過模擬試驗(yàn)進(jìn)行。

表3 試驗(yàn)過程及條件

表4 試驗(yàn)結(jié)果(試驗(yàn)件5件)

從表4得知，端封結(jié)構(gòu)經(jīng)多次冷熱沖擊和熱烘烤后其真空氣密性也是可靠的。

5 端封實(shí)際應(yīng)用

對于陶瓷----金屬端封結(jié)構(gòu)，以前我們認(rèn)識不足，沒有及時得到廣泛應(yīng)用，隨著對端封結(jié)構(gòu)的研究試驗(yàn)的深入開展，該結(jié)構(gòu)現(xiàn)已成功應(yīng)用在大量的真空器件外殼。已經(jīng)顯示出了它的優(yōu)良性能，獲得了令人滿意的結(jié)果，并為這種封接結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用展示了更廣闊的前景。

6 結(jié)論

綜上所述，可以得到以下結(jié)論：

（1）端封結(jié)構(gòu)零件加工簡便，成本低廉。

（2）端封結(jié)構(gòu)封接應(yīng)力較小，可望實(shí)現(xiàn)與陶瓷膨脹系數(shù)較大的金屬材料進(jìn)行封接。

（3）可減少封接件徑向尺寸，縮小產(chǎn)品體積。

（4）端封部件氣密性極易保證，而且抗拉強(qiáng)度比平封高。

[1]劉連寶.陶瓷--金屬封接技術(shù)指南[K].國防工業(yè)出版社,1986.