玻璃烧结密封插座玻璃绝缘体脱出原因分析

杨贺 马歆 侯强

摘 要：介绍了烧结密封插座的产品结构，通过对宏观尺寸分析、理论计算等对造成玻璃绝缘体脱出的原因进行分析，确定了玻璃绝缘体脱出的原因。通过对密封插座的封接过程进行分析，并进行模拟分析，分析了过盈量不足的原因。着重论证了封接过程降温速率对过盈量的影响。

关键词：玻璃；烧结；脱出

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.029

玻璃烧结密封插座因具有较好的机械强度、耐高温性、良好的密封性等普通密封插座无法替代的优势广泛应用于航空航天领域。玻璃烧结密封插座采用金属-玻璃的封接结构[1]。接触体一般采用铁钴镍合金，外壳则为铁钴镍合金、不锈钢或碳钢等材料，并配有橡胶件增加密封性。所用的封接玻璃多为钼组类电子封接玻璃DM305和DM308等。

玻璃烧结密封插座结构相对简单，但由于其生产工艺需经过高温烧结和表面处理等特殊过程，导致故障频现，其中玻璃绝缘体脱出就是故障之一。

1 故障现象

烧结密封电连接器在进行鉴定试验过程中，完成36小时180℃高温振动试验后，检查发现玻璃绝缘体从非插配端脱出，如图1所示。

2 宏观分析

对故障件进行了初步分析。此时，玻璃绝缘体已无法放入插座壳体中，测量玻璃绝缘体外径尺寸为φ11.32mm，对应插座壳体内径尺寸为φ11.30mm。测量同型号其他插座玻璃绝缘体外径尺寸为φ13.34mm～φ13.36mm。

3 机理分析

3.1 封接过程

玻璃烧结产品壳体与玻璃绝缘体间为压力封接。封接过程中，随着温度的不断上升，插座壳体内径开始逐渐膨胀。玻璃绝缘体为非晶体，无固定熔点，在温度升至玻璃软化点温度后，玻璃绝缘体内部的固相开始向液相转变，出现变软和粘滞流动特性，同时在玻璃自身重力和上石墨工装的综合作用下，液相状态下的玻璃绝缘体逐渐向壳体封接直径四周运动，填满插针与壳体之间的间隙。在降温过程中，插座壳体随温度的下降内径尺寸持续收缩，玻璃绝缘体的外径与壳体内径同时收缩，但当温度降至玻璃绝缘体软化点时，玻璃绝缘体开始由液相向固相转变，由于非晶体的特性，相的转变与温度的降低同时进行，而其完全转变为固相需要一定的时间，在其完全转变成固相这段时间内，其外径尺寸依旧随壳体内径变化，直至其完全固化，此时，玻璃绝缘体的外径不再随壳体尺寸缩小而缩小，反而对壳体施加向外的阻力，阻止壳体内径的缩小，直至降到室温，形成过盈配合[2]。因此玻璃绝缘体与壳体的过盈量为玻璃绝缘体完全固化时的壳体内径尺寸与壳体室温下的尺寸之差。每个壳体室温下的尺寸是定值，而玻璃绝缘体完全固化时的壳体内径尺寸与当时的温度有关。因玻璃绝缘体固化过程为液相向固相的转变过程，需要持续一定时间，在这段时间里温度的变化与温度的变化速率有关，当温度变化速率较大时，玻璃绝缘体完全固化的温度相对较低，此时壳体内径尺寸较小，其二者的过盈量较小，反之，其二者过盈量较大。从而可以推断封接过程的降温速率是决定玻璃绝缘体和壳体过盈量的关键因素。

3.2 试验温度影响

经查阅《航空材料手册》，可以得到不锈钢材料膨胀系数大于玻璃膨胀系数，详见表1，故不同温度下不锈钢膨胀尺寸大于玻璃膨胀尺寸。

计算可得插座壳体与玻璃绝缘体封接处尺寸的变化量约为0.02mm。高温下由于插座壳体与玻璃绝缘体封接处尺寸膨胀不同，导致二者封接处出现相对分离的趋势，封接处应力减小。故障产品插座壳体与玻璃绝缘体过盈量为0.02mm。产品的试验温度为180℃，在该温度下壳体相对于玻璃绝缘体多膨胀约0.02mm，二者之间的过盈量消失，封接处应力减小，存在脱出的趋势。

3.3 应力分析

采用有限元软件（ANSYS）对封接处应力进行仿真，按照常规玻璃烧结插座正常过盈量设置玻璃绝缘体外径尺寸为φ11.35mm，壳体内径尺寸为φ11.30mm，二者双边盈量为0.05mm，仿真得到二者接合面的應力为803.13MPa。

180℃高温下，按双边过盈减小0.02mm～0.03mm计算，将二者双边过盈量设置为0.03mm、0.02mm，分别进行仿真，得到二者接合面应力。双边过盈量0.03mm时应力为481.54MPa，双边过盈量0.02mm时应力为320.83 MPa。由此可知，180℃的高温条件下，由于插座壳体与玻璃绝缘体尺寸膨胀不同，使二者配合处过盈量减小、封接处压应力降低，但正常情况下即使二者过盈量减小，但依旧存在约320MPa～482MPa的应力，可以有效阻止二者的分离。

4 故障原因确定

通过对宏观分析和机理的分析可以确定，封接过程中该插座降温速率较大导致玻璃绝缘体与壳体的常温过盈量不足，高温下过盈量消失为玻璃绝缘体脱出的主要原因，试验过程中的高温及振动加剧了玻璃绝缘体的脱出，该故障的发生为多因素共同作用的结果。

5 结论

（1）玻璃烧结插座玻璃绝缘体与壳体的封接为压力封接，封接力由过盈量决定。

（2）封接过程降温速率对过盈量起决定作用，封接过程降温速率必须严格控制。

（3）使用温度越高过盈量越小，分离的趋势越明显。

参考文献：

[1]叶迎华.火工品技术[M].北京： 北京理工大学出版社，2007.

[2]王匀，陈万荣，王雪鹏等.温度对玻璃-金属封接性能的影响研究[J].电子元件与材料，2014，33（08）：49-52.

作者简介：杨贺（1985-），男，辽宁鞍山人，研究生，工程师，研究方向：玻璃烧结。