金属——陶瓷封接应力分析及应用

电真空器件是由各种金属零部件和介质零 件组成的,它们必须按照一定的装配尺寸和位置 可靠地连接在一起。目前普遍采用了金属零件与 陶瓷零件端面与端面的封接工艺,由于种种原因, 极易造成器件的报废。本文针对典型金属—陶瓷 封接结构的应力及分布特征,并结合实际生产加 以运用、分析、讨论。

        一、金属—陶瓷封接应力分析

图1为典型的陶瓷圆筒端面与薄金属环封接 结构,当金属内的应力不超过它的屈服极限且金 属的热膨胀系数αm大于陶瓷的热膨胀系数αc,在 焊接凝固后继续冷却时,由于金属的收缩量大,在 封接面上金属将通过焊料迫使陶瓷作进一步收 缩,因此在封接区域产生内力。实际的封接结构往 往是比较复杂的,影响应力的因素很多,为突出主 要矛盾,在分析和计算前作了必要的假设:

(1)假设被分析和计算的封接件为简化的典型结构。如金属零件假设为翻边和台阶的环状结构。

(2)假设被分析和计算的陶瓷圆筒结构直径 与壁厚比大于7~10,即可运用薄壳理论进行分 析和计算,实际结构大多数在此范围内。

(3)分析和计算时忽略焊料影响。

图2是封接端面受力与力矩的作用图,剪力 P使陶瓷筒端面收缩,并发生转角。力矩M对P 引起的陶瓷圆筒的收缩与转角有抵消作用。根据 变形协调条件,封接处陶瓷与金属的位移和转角 方程可表示为:

其中:P———单位周长上的剪力;

c———陶瓷;

M———单位周长上的弯曲力矩;

m———金属。

根据薄壳理论知,分别为:

其中:

Ec、Em———陶瓷、金属的弹性模量;

tc———陶瓷圆角的壁厚;

μc、μm———陶瓷、金属的泊松比;

tm———金属环的厚度;

αc、αm———陶瓷、金属的热膨胀系数;

S———形状系数;

R———陶瓷圆筒的平均半径;

a、b———金属环的内、外半径。

Δ=α′TR (4)

其中:

α′—金属与陶瓷的热膨胀系数差;

T—封接温度与室温之差。

将式(3),(4)代入(1),(2)求解得到:

图3给出σx、σθ和τxr在陶瓷圆筒截面上的分 布,由于σθ呈压应力状态,而陶瓷的抗压强度为 抗拉强度的7~10倍,因此这个应力危害不大。 τxr通常很小,危害也不大。由于陶瓷的抗拉强度 较低,σx是造成封接件漏气和炸裂的最主要原 因,轴向应力σx的最大值由陶瓷圆筒的特性长度 β决定,由式(6)可以得出在离开封接面 处陶瓷圆筒的内外表面上轴向应力有最大值。