真空封接技术中的玻璃-玻璃封接工艺

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学 作者:张以忱

      在真空技术中有时会用到玻璃与玻璃、石英与石英的封接工艺。在设计和制造玻璃真空系统时,需要考虑系统的玻璃管道封接、管道与真空零件的封接。

      同种和不同种玻璃材料之间靠熔融过程实现封接,温度应升高到超过玻璃的软化点。玻璃是脆性材料,封接成功的关键参量是膨胀系数。在很宽的温度变化范围内,膨胀系数必须相匹配。不同组分玻璃间封接成功的条件是:平均膨胀系数之差小于10%;转变温度相近;彼此互溶。

       玻璃之间的封接是借助于氧—煤气火焰进行烧熔连接的。真空系统的玻璃零件和管道一般均用DW2211、DW2308、95号等硬质玻璃材料制作。连接时采用特制的氧—煤气火焰手灯进行操作,先用煤气火焰烘烤玻璃的加工部位,防止玻璃内部的局部应力剧增引起炸裂,然后加氧气,使手灯中喷出尖而细的高温火焰,烧熔欲连接部位,使接头熔烧在一起,待整个接头都连在一起时略微降温并吹气,使连接部位的玻璃熔烧均匀,得到良好的成形,并用略带氧气的煤气火焰退火,最后去掉氧气用煤气火焰烘烤退火。

       两件玻璃因其膨胀系数之差过大而不能封接时,可使用膨胀系数处于它们之间的过渡玻璃,形成分级过渡封接。软硬玻璃间的封接,需要使用多级(可达7级)过渡玻璃,在每级的接头处平均膨胀系数之差必须小于10%,并且要求玻璃壁厚相等。过渡封接的每级长度L应足够长,充分消除端部应力。每级封接长度的安全条件为

L ≥ 0.85(ah)1/2

式中 a——管子半径

       h ——壁厚

       为消除应力,任何接头尤其是分级过渡接头都应在炉内仔细退火。加热到超过退火温度,保温尽可能长的时间,大零件保温一小时,然后缓慢冷却到室温。

      另一种膨胀系数相近玻璃间的封接方法是采用玻璃焊料。封接时要求玻璃焊料(或称焊料玻璃)的软化点低于被封接玻璃的软化点。例如封接苏打玻璃用的焊料玻璃,其软化点约为300℃~400℃。这种方法尤其适用于平面视窗或透镜的封接。使用时,焊料玻璃细粒悬浮于硝棉溶液内,用刷子或其它类似方法涂敷到零件间的接头处。然后,封接零件放在炉内加热到焊接温度,靠它们的自重压紧在一起。焊料玻璃的膨胀系数必须与玻璃或陶瓷零件相匹配,相差不应大于7%。

       焊料玻璃有易熔和难熔两类,前者封接温度低于500℃,后者高于1000℃。易熔焊料玻璃从微观结构来看,可分为玻璃态、微晶态和混合态三种。玻璃态的组成是PbO-B2O3和PbO-B2O3-R2O,低温封接,低温使用。微晶态的组成是以PbO-ZnO-B2O3为基础,低温封接高温使用, 用来封接彩色显像管屏锥。混合态的组成是PbO-Al2O3-B2O3和PbO-B i2O3-B2O2系玻璃添加填料B2锂霞石、B2锂辉石、钛酸铅、锆英石及堇青石等,用来封接钼组材料和玻璃。难熔焊料玻璃组成是Al2O3-CaO系玻璃添加BaO、MgO、SrO、Y2O 3、B2O3、SiO2、Li2O等氧化物,在800℃~900B℃下长期工作不会软化,不变形,不折晶,耐碱金属蒸汽腐蚀,用来封接Al2O3瓷管和金属铌等。“高温玻璃”封泥也能封接玻璃零件,与焊料玻璃相比,优点是熔化后失透变成类陶瓷材料,具有很高的软化点。这种接头允许高温除气处理。

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