真空平板玻璃激光焊接的封边试验

刘 伟，陶德清，张瑞宏＊，缪 宏，郑再象，孙 敢，2，李 祥，张钟鸣

（1.扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225127；2.苏州农业药械有限公司，江苏 苏州 215000）

真空平板玻璃激光焊接的封边试验

刘 伟1，陶德清1，张瑞宏1＊，缪 宏1，郑再象1，孙 敢1，2，李 祥1，张钟鸣1

（1.扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225127；2.苏州农业药械有限公司，江苏 苏州 215000）

对真空平板玻璃进行激光封边试验，分析了激光焊接后的金相组织图、扫描电镜组织图、能谱图.试验结果表明：激光焊接后得到的金相组织结构排布均匀、致密，焊料的断面组织结构均匀结合紧密，玻璃与焊料结合面紧密、熔合较好；能谱分析可以看出结合面处玻璃与焊料的元素已经出现熔合现象；根据试验结果和分析结论可知：采用激光焊接对真空平板玻璃进行封边可以得到理想的焊接结合性能与组织结构，说明激光焊接是真空平板玻璃封边的一种有效焊接方法.

真空平板玻璃；封边；激光焊接

真空平板玻璃是一种节能环保、隔音隔热、高透光的高科技玻璃深加工产品，其技术涉及到真空、封接、镀膜、清洁、机械自动化、精密测量等科技领域，在太阳能集热器、太阳能干燥房、车船建筑物门窗、保温箱等隔热透明材料方面的应用前景广阔，是当今国内外玻璃加工技术的研究热点［1－4］.由于真空平板玻璃加工制造技术难度高，因此对其制造工艺进行研究具有较大的工程意义和实际应用价值［5－6］.其中真空平板玻璃的高温封接一直是困扰科研工作者的一个难点，真空平板玻璃封边焊接涉及到脆性材料（玻璃）的热应力及其封接后的气密性问题.玻璃等脆性材料的焊接不同于金属材料，它传热系数小、易碎等特性决定其不能采用普通焊接方法进行封接［7－8］.真空平板玻璃一般采用高温熔接法封接，该方法是将玻璃和焊料放入高频加热炉中，焊料和玻璃基材的温度较均匀，热应力较小，但其生产率低［9－10］.激光焊接是利用高能激光束加热焊料来实现材料焊接的一种方法，是非金属材料重要的焊接技术之一，它克服了传统方法存在的焊接温度高、工艺过程复杂、焊接条件苛刻等缺陷［11－12］.本文采用激光焊接工艺对真空平板玻璃进行试验，并通过金相分析、扫描电镜及能谱分析等方法研究焊缝组织结构、焊缝与玻璃的结合性能.

1 试验

试验材料选用两块厚为4 mm，长、宽均为40 mm的普通钠钙玻璃.试验前首先对玻璃封边处进行喷沙处理，以利于玻璃母材与焊料的熔合；然后清除玻璃表面的油污、灰尘、氧化物与有机物等污物.样品的制作过程：先放置第1片玻璃→摆放支撑柱→涂焊料→再放置第2片玻璃→压合2片玻璃并进行干燥处理.试验过程：将制成的样品、加热平台等放入真空室，抽真空至10－4～10－3Pa，同时将预处理样品缓慢加热到250℃保温进行预热；将激光器调试到正常工作状态，待激光束能量稳定后进行焊接试验.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.激光焊接工艺参数如表1所示，在固定的焊接能量、脉冲宽度、激光束温度、光斑直径等参数下研究焊缝组织结构及其结合性能.

表1 真空平板玻璃激光焊接试验工艺参数Tab.1 Test parameters for vacuum plate glass welding

试验样品用金刚石线锯切割，尺寸为10 mm×10 mm×8 mm，并采用XJP200金相显微镜与XL－30ESEM环境扫描电子显微镜（SEM）观察分析焊缝的微观组织，观察不同放大倍数下的SEM与能谱，进行焊接结合性能的分析.

2 结果与分析

2.1 金相分析焊缝的组织结构

焊料是按照真空平板玻璃激光封边参数严格配比的金属混合物，焊接后焊料与玻璃形成稳定的结合层，其金相组织结构能为分析焊缝的性能提供重要依据.图1和图2分别是试样在100倍和400倍下的金相组织结构，可见金相组织排布均匀、致密，因此激光焊接后可以得到理想的金相组织结构，焊缝性能好.图1～2中显示黑色软质焊料基体上分布有突出的白色硬质点，其主要起支撑作用，抵抗外界的压力，黑色软质基体可以起到缓冲、吸能、润滑、保护封接层的作用.由观察到的金相图可以推断，在此激光焊接工艺参数下可以得到较好的焊缝结构性能.

图1 试样放大100倍的金相图Fig.1 The metallographic figure of sample（100－fold magnification）

图2 试验放大400倍的金相图Fig.2 The metallographic figure of sample（400－fold magnification）

2.2 扫描电镜分析焊缝结合性能

为了进一步研究焊料与玻璃的结合性能，对试样的微观结构进行扫描电镜观察，得到图3中4种不同放大倍数下的焊缝焊料的断面图像.由图3（a）中可以看出存在部分不够致密的缺陷，但是在图3（b）中可以发现缺陷部分内部组织分布均匀、规则、致密.图3（c）是缺陷部分和非缺陷部分交接处的放大图，可以发现缺陷部分和非缺陷部分结合相当紧密，这为获得高性能的焊缝结构提供了保障.在图3（d）中可以更加清晰地看到该结构的优良组织结构排布.通过观察图3中的4种放大倍数下的SEM图可以推断：焊料虽然存在缺陷，但是缺陷内部组织结构非常理想，而且缺陷部分与非缺陷部分结合非常紧密.图中条状片层结构大小在5μm内，且大小均匀分布于微观组织中，没有出现粗大不规则结构，说明熔覆区域良好，能满足封边要求，因此激光焊接基本能够满足真空平板玻璃的封边要求.

图3 试样焊料断面的SEM图Fig.3 The SEM diagram of the simple solder cross－section

为了进一步说明试样焊缝的结合性能，另对试样的结合界面进行SEM分析.由图4（a）可以看到焊缝与玻璃结合的界面整齐、结合界面组织结构比较紧密；而图4（b）显示玻璃与焊料之间熔合较好，比较致密，有明显的焊料与母材的熔合层，说明焊接效果理想，焊接性能可靠.

图4 试样焊料与玻璃断面放大图Fig.4 The cross－section enlarged drawing of solder and glass of sample

2.3 能谱分析焊缝的结合状况

取试样进行能谱分析，得到放大400倍时焊缝的能谱分析结果.图5（b）为点2钠钙硅酸盐玻璃的能谱图，其代表元素为Si；图5（c）为点3低熔点玻璃焊料的能谱图，其代表元素为Pb；图5（d）为点5结合面处能谱图，其主要元素为Si，Pb，Na，Mg，Au，Al，Ca，C，O；由图5（b）与（c）可知玻璃的主要代表元素为Si，焊料的主要代表元素为Pb，点5结合面处Si、Pb 2种元素的含量比例大，可以判定该结合处有明显的相互熔合现象，说明两者已经结合，焊接可靠有效.

图5 试样放大400倍时焊缝的能谱分析图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.＊ 联系人，E－mail：zhang－rh＠163.com.

国家自然科学基金资助项目（51172199；51372216）；国家青年科学基金资助项目（51302242）；住房和城乡建设部研究开发资助项目（2013－K1－31）；江苏省农机三新工程资助项目（NJ2013－15）；江苏省科技支撑资助项目（BE2010700）；扬州市建设科技计划资助项目（2012BAD32B11）.

刘伟，陶德清，张瑞宏，等.真空平板玻璃激光焊接的封边试验 ［J］.扬州大学学报：自然科学版，2014，17（1）：42－45.

（责任编辑 贾慧鸣）