玻璃與金屬焊接之異種連接 _知識百科

前面在介紹玻璃與金屬的焊接時，已經給各位讀者介紹了潤濕、擴散的基本知識。今天給各位讀者介紹異種連接（焊接）相關知識，只有明晰和解決了異種連接（焊接）的問題，我們才能正式進入玻璃與金屬焊接的話題。
玻璃材料因高溫耐磨、耐蝕、絕緣，抗氧化能力強等特點被廣泛的應用，但玻璃本身的低延性、沖擊韌性差則限制了其在工程中的應用。因此結合了玻璃與金屬雙重優良性能的玻璃金屬復合連接體應運而生，并廣泛應用于微電子封裝、電池、儀器儀表、太陽能真空集熱管、復合材料等領域，因此研究玻璃與金屬封接有重要意義。玻璃與金屬的封接方法有很多種，其中研究最多理論較成熟的為匹配封接，匹配封接是在封接前先對金屬進行預氧化處理，使金屬表面生成一層厚度適當的氧化層，再將金屬與玻璃放在爐中加熱保溫一定時間然后冷卻至室溫，但是匹配封接要在爐中加熱然后冷卻故生產周期長。然而激光具有極高的能量，能非接觸式局部實現快速加熱快速冷卻，還能實現接縫形狀比較復雜器件的封接，因此在封接領域內的應用也越來越廣。玻璃與金屬的焊接屬于不同種類的材料，所以他們的焊接屬于異種焊接。這就是我們為什么要介紹異種焊接的原因。子啊后續文章中我們會逐漸介紹玻璃與金屬的匹配封接（焊接）和激光焊接。
什么是異種連接
處于功能的需要或現有技術的限制，我們通常很難可以不經過焊接（連接）來實現異種多功能的工程件。因此，在實際生產中常常會用組合制造并常常會焊接（連接）這一技術來達到設計的目的。為了實現不同功能和效用，將不同性能和功用的材料焊接（連接）在一起，焊接（連接）常常成為必不可少的一道工序。為此，充分理解并熟練掌握這一技術就成為制造上的一個關鍵問題。不同的學者從不同的角度對焊接（連接）進行了不同的定義。 Messler認為“一種將不同部分的部件制造成一個整體的過程” 。按照此定義，我們的堆積木、農村的木質結構的房子和家具，均屬于焊接（連接）的范疇。而學者Campbell則認為“將不同的單個部件組合成整體，成為一個比單個個體復雜的部件的過程，即組裝也是焊接（連接）的一個過程” 。這個定義進一步驗證了堆積木實際上就是異種焊接（連接）。不同學者給出了不同定義，但不管是哪位學者的定義，可以明確的是“焊接（連接）”首先是一種將不同部件組合在一起形成一個整體單元的活動或過程。第二點可以明確的是“焊接（連接）是將部件或結構元素組合在一起的過程” 。但組合的目的必須是為了實現或達到某一功能，而這一功能必須是單個部件所無法實現的。基于對以上定義的理解，以下三種途徑均可以認為是實現焊接（連接）的途徑：
1、機械連接：通過機械的辦法來焊接（連接）；
【玻璃與金屬焊接之異種連接】 2、化學連接：通過化學鍵合（反應）來實現焊接（連接）；
3、熱連接：通過熱熔過程來實現焊接（連接）。
為什么要采用異種連接的辦法：基于對更多選擇，如輕質、高效的需求，為了實現多功能的工程結構和功效，人們常常將不同的材料連接在一起。如本專題談到的玻璃與金屬的焊接（連接）。眾所周知的汽車工業、航空航天工業、紡織工業（衣服上的金屬和銘牌）、工具行業、醫用植入物、電力和海洋工程等領域。
異種焊接其實在古代就也有之，如
考古發現：
5000年前用錫釬焊銀擺設（古埃及）
5000年前用錫釬焊銀銅體的銀把手（古埃及）
5000年前用銀釬料焊的管子（古埃及）
4000年前用金釬料釬焊的護符盒（古埃及）
公元前5世紀用錫鉛料鑲嵌皇冠上的珠寶首飾等（中國）
公元79年被火山爆發埋沒的龐貝城中有用錫釬料釬焊的家用鉛制水管（古羅馬）
在歷史文化燦如繁星的中國，據文獻記載：
漢代.班固撰《漢書》：
胡桐淚盲似眼淚也，可以汗金銀也，今工匠皆用之。（汗即焊）。
宋代.宋應星撰《天工開物》：
中華小釬用白銅末，大釬則竭力揮錘而強合之，歷歲彌久，終不可堅。（小釬即釬焊，大釬為鍛焊）。
明朝.方以智撰《物理小識》：
焊藥以硼砂合銅為之，若以胡桐汁合銀，堅如石。今玉石刀柄之類焊藥，加銀一分其中，則永不脫。試以圓盆口點焊藥于其一隅，其藥自走，周而環之，亦一奇也。
異種焊接（連接）的應用
比較常見的例子是波音787飛機采用了復合材料作為其飛機殼體的基本材料，該材料由20%Al、15%Ti、10%鋼和5%的其他材料所組成。在現代汽車工業中，為了減重，其中有陶瓷與金屬的焊接（連接），橫梁采用了鋼、同時還有鋁合金制作了較多的零件，如鋁合金活塞和鋁合金發動機缸體。 EU-FP6項目中研發的小汽車則使用了Al、鋼、Mg、玻璃纖維等不同材料。
那么何為異種材料呢，可以簡單的定義為“材料或材料組合在一起時，比較難以實現焊接（連接），難以實現焊接（連接）的原因是他們的化學性能或物理性質不同而造成的” 。
由于異種材料在化學特性、熱性能和物力性能（如熱膨脹系數、韌性、疲勞、斷裂力學行為、彈性模量等）的差別，不僅會影響到焊接（連接）的工藝，同時會影響到組件服役時的性能。如服役時的電偶腐蝕、不同的熱膨脹系數以及其他效應均會影響到組件的服役性能。
為了解決以上問題，在產品設計和焊接（連接）工藝實踐中，必須充分考慮并盡可能的考慮如何解決這一挑戰。學者Messler則指出：“在異種焊接（連接）時必須充分的縮小兩者之間的差異，即通過選擇不同材料或其他途徑來縮小不同特性材料之間的差別。與此同時，這增加了操作者和設計者的難度。因為不同材料在本性上，如原子層面的結構、微觀組織、微觀組織和性能本來就不同。同時組合多種材料時，減低不同材料之間的差別就變得更為困難” 。
由于焊接（連接）的分類比較多，我們這里只是介紹玻璃與金屬的焊接（連接）的，所示同此不相關的，在這里就不做過多的介紹。
玻璃與金屬連接，目前常用的有四種主要形式：
1．機械連接：家中常用的陶瓷插座就是這種情況。
2.采用密封膠或者密封條：家中使用的門窗玻璃就是這種情況。
3.采用高溫燒結的辦法：我們使用電燈泡就是這種情況。
4.我們提到的激光焊接的辦法：這是一種新的、先進的焊接方法，在激光行業中，激光氣體放電管，使用壽命長的就是采用激光對玻璃與金屬進行焊接的。
在下一次的文章中我們將介紹如何實現玻璃與金屬的焊接。

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圖1 采用密封條進行玻璃與金屬封接的建筑門窗

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圖2 采用高溫燒結的辦法制作的電燈泡

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圖3 真空干燥箱中的高溫觀察窗（玻璃與金屬的密封（焊接））

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圖4 不同金屬（鋁合金和鋼）與陶瓷的連接（焊接），用于電子工業的部件