一种玻璃与铁素体不锈钢的激光封接方法及封接体

1.本发明属于异质材料的连接技术领域，具体涉及一种玻璃与铁素体不锈钢的激光封接方法及封接体。


背景技术：

2.玻璃与金属的封接体是由两层或多层玻璃与金属所构成，其中玻璃与金属的封接利用复合胶条密封，或利用沟槽采用铝丁基胶和聚硫胶密封，将两片或多片玻璃与密封条、玻璃条粘接、密封，或者将金属先进行高温氧化，在金属表面形成一层氧化膜，然后将玻璃与金属放置在高温炉中，加热保温一段时间，冷却后形成玻璃与金属的封接体。改高温加热的方法具有加热温度高、保温时间长的特点，对金属性能损伤。玻璃与金属的封接体因其保温性和隔音性以及其他多种结构和功能方面的特性而具有较为广泛的用途。
3.基于上述玻璃与金属的结构，玻璃也可与铁素体不锈钢相结合形成玻璃-金属封接体。铁素体不锈钢，也称铁镍钴合金，该合金在20-450℃范围内具有与硬玻璃相近的线膨胀系数和相应的硬玻璃能进行有效封接匹配，具有较高的居里点以及良好的低温组织稳定性，铁素体不锈钢的氧化膜致密，容易焊接和熔接，有良好可塑性，可切削加工，广泛用于制作电真空元件，发射管，显像管，开关管，晶体管以及密封插头和继电器外壳等。
4.常用的不锈钢与玻璃封接的工艺，是在一定的高温条件下对不锈钢进行高温氧化，在其表面生成一层氧化膜，靠该氧化膜与玻璃反应形成中间层实现玻璃与金属的封接。但不锈钢不属于抗高温的材料，该氧化工艺和形成的氧化层对不锈钢的性能存在一定的损伤。因此，不断提高玻璃与金属封接体的效果和不断降低对不锈钢材料的性能的损伤成为科研人员和工程技术人员需要攻克的一个难题。发明专利《一种玻璃和可伐合金的激光封接方法》，专利号cn201310155901.3和《一种玻璃与可伐合金的激光封接方法及封接体》专利号为cn201611206465.8，就是基于这种思路来实现的。目前国内和国外的现有的玻璃与金属封接基本都是采用的这种设计思路，如图2所示。
5.发明专利申请《一种玻璃与可伐合金的激光封接方法及封接体》(cn201611206465.8)，使用ag-cu-ti粉末或ag-cu-ti箔片作为焊料，代替了传统的不锈钢表面高温加热形成氧化层的工艺步骤，取得了积极的效果。
6.但上述发明专利申请，缺点是所使用的元素中，无论是ag、cu还是ti都是价格比较昂贵的元素，在高精尖的应用场合使用这些焊料，尚能负担的起。但大量的民用产品中玻璃与不锈钢器件封接需求，如果同样采用上述ag-cu-ti焊料，不仅价格上承受不起，对资源也是极大的浪费。因此，技术上一直在探索性能上同样有效且价格低廉的替代方案。
7.鉴于发明专利(《一种玻璃和可伐合金的激光封接方法》，专利号cn201310155901.3)是在不锈钢基础上，高温加热不锈钢，利用高温氧化在不锈钢表面形成氧化层作为中间层，实现玻璃与金属的封接，那么反过来，理论上也可以对玻璃进行改性，从而实现玻璃与金属之间的封接。


技术实现要素：

8.针对上述现有技术所存在的问题，亟需设计一种玻璃与铁素体不锈钢的激光封接方法，来提高玻璃与铁素体不锈钢之间的封接头的强度。本发明开发了sio
2-bao-mgo-(xb2o3)焊料来代替前面申请的ag-cu-ti焊料，期望在大大降低成本的同时能够获得同样的封接效果(性能)。
9.本发明一种玻璃与铁素体不锈钢的激光封接方法，包括以下步骤：
10.s1、根据所需封接的玻璃和铁素体不锈钢的尺寸、形状，设定加工轨迹，并进行焊接夹具准备；
11.对所需焊接的玻璃和铁素体不锈钢进行前期封接净化预处理操作，并提供粒径为20～80μm的sio
2-bao-mgo-(
x
b2o3)粉末或厚度为50～100μm的sio
2-bao-mgo-(
x
b2o3)箔片作为焊料；
12.s2、将步骤s1中的焊料均匀喷洒在待封接的铁素体不锈钢的待封接的位置缘，将待封接的玻璃放置于铁素体不锈钢上，保证待封接的玻璃与铁素体不锈钢紧密接触，形成待封接体；
13.s3、焊接夹具按照要求将步骤s2中的待封接体进行夹持，做好激光封接准备；其中待封接的不锈钢在激光封接前，加热到100～200℃；
14.s4、设定激光器激光加工参数，激光器按照步骤s1设定的加工轨迹对玻璃与铁素体不锈钢的交界处的焊料进行激光照射，制得玻璃-铁素体不锈钢封接体；
15.s5、拆除焊接夹具，完成激光封接操作。
16.优选的，所述步骤s2中的前期封接净化预处理操作分别是指对待封接的铁素体不锈钢进行脱脂、去油处理后在进行氧化处理，对待封接的玻璃进行清水洗净，然后冷却风干。
17.优选的，所述步骤s2中的sio
2-bao-mgo-(
x
b2o3)粉末或sio
2-bao-mgo-(
x
b2o3)箔片按质量百分比，包括如下组分：34.6～35.8％的sio2，7.5～8.8％的mgo，49.7～51.0％的bao，余量为b2o3和杂质；其中，所述b2o3为sio2、bao和mgo总质量的2～7.5％；所述sio
2-bao-mgo-(
x
b2o3)粉末或sio
2-bao-mgo-(
x
b2o3)箔片，均为化学分析纯，不需要进行特殊处理；
18.优选的，所述步骤s3中均匀喷洒于待封接的铁素体不锈钢四周边缘的焊料厚度为50～100μm。
19.优选的，所述步骤s5中，激光器采用波长为800～1100nm。
20.优选的，所述步骤s5中，激光器加工参数为激光扫描速度80～160mm
·
min-1
，激光功率80～160w，脉冲宽度1.5～3.0ms，频率为5～10hz，扫描次数为1～3道。
21.优选的，所述步骤s5中，整个激光封接操作在氩气的氛围中进行。
22.一种根据如上任一项所述的玻璃与铁素体不锈钢的激光封接方法制得的封接体，包括玻璃和铁素体不锈钢，所述玻璃与铁素体不锈钢的封接位置之间设置有封接用的焊料；所述玻璃与铁素体不锈钢之间存在间隔。
23.以sio2、bao和mgo等氧化物为基础的微晶玻璃具有低膨胀、耐腐蚀、高强度、低介电损耗以及光化学加工的综合性能，因此在航空、电子、机械等领域具有广泛的应用。该微晶玻璃所使用的原材料资源十分丰富，可利用炉渣和矿渣等固体废弃物作为原材料进行生产。sio
2-bao-mgo微晶玻璃具有上述所提及的优异性能，同时还具有较大的膨胀系数。
24.三氧化二硼会降低釉料及微晶玻璃的热膨胀系数，提高它们的抗热冲击强度，这也有利于匹配陶瓷或玻璃坯体的性能。三氧化二硼(b2o3)成分是最有效的强熔剂之一。它作为强熔剂体现在两个方面。一方面三氧化二硼的加入，降低了配料系统的液相线温度。它会加速、强化熔化过程。
25.本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
26.本发明所用方法充分解决了玻璃与铁素体不锈钢之间连接强度不高的问题，同时制得具有高连接强度的封接体，而且采取的办法具有操作简单，制造周期短的优点。
27.本发明同前面申请的ag-cu-ti焊料相比较，不再使用价格昂贵的ag、cu、ti等元素作为原材料，以上原材料的资源也不丰富，而是使用成本低廉，来源丰富的原材料作为焊料，大大降低了成本，并同时取得了同样显著的效果。
附图说明
28.图1为本发明提供的一种玻璃与铁素体不锈钢的激光封接方法的流程图。
29.图2为现有技术及本发明的激光封接体结构对比图。
30.附图标记说明：1-铁素体不锈钢，2-中间过渡层，3-玻璃，4-氧化膜，5-梯度过渡层。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
32.实施例1
33.s1、根据所需封接的玻璃和铁素体不锈钢的尺寸、形状，设定加工轨迹，并进行焊接夹具准备。在本实施例中，所需封接的玻璃为8
×
20
×
4mm的视窗玻璃样品，铁素体不锈钢为10
×
25
×
1.5mm的铁素体不锈钢钢板。
34.s2、对所需焊接的玻璃和铁素体不锈钢进行前期封接净化预处理操作，并提供粒径为20～80μm的sio
2-bao-mgo-2b2o3粉末或厚度为50～100μm的sio
2-bao-mgo-2b2o3箔片作为焊料。
35.其中，前期封接净化预处理操作分别是指对待封接的铁素体不锈钢进行脱脂、去油处理后在进行氧化处理，对待封接的玻璃进行清水洗净，然后冷却风干。
36.作为焊料的sio
2-bao-mgo-2b2o3粉末或sio
2-bao-mgo-2b2o3箔片按质量分数计包括如下组分：34.6％的sio2，8.8％的mgo，50.2％的bao，b2o3为sio2、mgo和bao总质量的2％。且在本发明中所使用的氧化物均为化学纯，不需要再进行特殊处理。
37.s3、将步骤s2中的焊料均匀喷洒在待封接的铁素体不锈钢的四周边缘，控制焊料的厚度在50μm左右，将待封接的玻璃放置于铁素体不锈钢上，保证待封接的玻璃与铁素体不锈钢紧密接触，形成待封接体。
38.s4、焊接夹具按照要求将步骤s3中的待封接体进行夹持，做好激光封接准备。不锈钢在封接前，加热到110℃。
39.s5、采用波长为1064nm的光纤激光器，设定该光纤激光器的激光加工参数为：激光扫描速度100mm
·
min-1
，激光功率110w，脉冲宽度1.5ms，频率为7hz，扫描次数为1～3道。激
光器按照步骤s1设定的加工轨迹：扫描长度为78mm(x方向)和18mm(y方向)，在氩气的氛围中在距离焊料的2mm处，对玻璃与铁素体不锈钢的交界处的焊料进行激光照射，在此焊料起到了“胶水”的作用，制得玻璃-铁素体不锈钢封接体。
40.s6、拆除焊接夹具，完成整个激光封接操作流程。
41.经试验测得，采用本实施例的激光封接方法获得的玻璃-铁素体不锈钢封接体的抗剪强度可达25mpa。
42.实施例2
43.本实施例与实施例1的不同之处在于，所采用的焊料的组分按质量分数计包括35.4％的sio2，7.6％的mgo，49.7％的bao，b2o3为sio2、mgo和bao总质量的5％，焊料的厚度为70μm，不锈钢在封接前加热到150℃。采用波长为1000nm的nd-yag型激光器，该nd-yag型激光器设定的加工轨迹为扫描长度为78mm(x方向)和18mm(y方向)，且激光参数设定为：激光扫描速度40mm
·
min-1
，激光功率130w，脉冲宽度2.5ms，频率为10hz，扫描次数为1～3道，并且在距离焊料处1mm处对玻璃和铁素体不锈钢进行激光封接操作。
44.经试验测得，采用本实施例的激光封接方法获得的玻璃-铁素体不锈钢封接体的抗剪强度可达32mpa。
45.实施例3
46.本实施例与实施例1的不同之处在于，所采用的焊料的组分按质量分数计包括35.8％的sio2，7.5％的mgo，51.0％的bao，b2o3为sio2、mgo和bao总质量的6.5％，焊料的厚度为95μm，不锈钢在封接前加热到190℃，采用波长为940nm的半导体激光器，该半导体激光器设定的加工轨迹为扫描长度为78mm(x方向)和18mm(y方向)，且激光参数设定为：激光扫描速度160mm
·
min-1
，激光功率160w，脉冲宽度1.8ms，频率为8hz，扫描次数为1～3道，并且在距离焊料处3mm处对玻璃和铁素体不锈钢进行激光封接操作。
47.经试验测得，采用本实施例的激光封接方法获得的玻璃-铁素体不锈钢封接体的抗剪强度可达40mpa。
48.实施例4
49.本实施例与实施例1的不同之处在于，所采用的焊料的组分按质量分数计包括35.8％的sio2，7.5％的mgo，51.0％的bao，b2o3为sio2、mgo和bao总质量的7％，焊料的厚度为80μm，不锈钢在封接前加热到195℃，采用波长为810nm的半导体激光器，该半导体激光器设定的加工轨迹为扫描长度为78mm(x方向)和18mm(y方向)，且激光参数设定为：激光扫描速度163mm
·
min-1
，激光功率161w，脉冲宽度1.9ms，频率为9hz，扫描次数为1～3道，并且在距离焊料处3mm处对玻璃和铁素体不锈钢进行激光封接操作。
50.经试验测得，采用本实施例的激光封接方法获得的玻璃-铁素体不锈钢封接体的抗剪强度可达42mpa。
51.综上所述，本发明提供的一种玻璃与铁素体不锈钢的激光封接方法在玻璃与铁素体不锈钢的交界处添加焊料，再利用激光对玻璃与铁素体不锈钢交界处进行直线照射，不但解决了玻璃激光透射率高致使激光加工困难的问题，而且使得玻璃和铁素体不锈钢能够进行紧密的连接和封接，通过选择合适的功率、频率、扫描速率，精确控制热作用区及区内的温度分布，使焊料恰好发生熔化使得玻璃与铁素体不锈钢结合，并且避免玻璃局部集中受热而致玻璃炸裂，同时避免了封接过程中热输入过大导致玻璃直接被切断的问题。
52.同时，本发明提供的激光封接方法还具有能量可控性高、加工热影响区窄、加工效率高的有点，可更好的适应柔性制造环境。不需要再炉子中进行长时间的高温加热和保温的问题。
53.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。