陶瓷封接合金的匹配性研究

D0I:10.13374/i.issn1001一053x.1980.01.007 北京钢铁学院学报 1980年第1期 陶瓷封接合金的匹配性研究 北京钢铁半院精密合金教研室李松茂葵秀凌 北京电子管厂三分厂技术组 陈树坤 摘 要 本文介绍了热膨胀示差法测量金属与陶瓷的封接应力的装置，参考陶瓷电子管 的制管工艺要求，用这种救备测定了两种Fe-Ni-Co膨胀合金、 无氧铜等与95%A1203陶瓷制成的封接件，在室温之800°C之问瓷件应变量随温度 的变化曲线，实验表明，对具有“因瓦反常”效应的4J29、4J33合金，室温封接应 力不是决定于在焊接温度时两种材料的膨胀差，而是决定于在合金居里温度的膨胀差值，在此温度，合金的平均线膨胀系数越低于陶瓷，室温封接应 力越低，这一结果和用电阻应变仪法测量的相一致，封接过程中的应力松弛作用表 明了产生这种现象的原因。实验还表明，在高温下的焊料变形和无氧铜的塑性变形 ”·均对封接应力有显著影响。 随着陶瓷电子管及器件的发展，陶瓷封接合金的种类不断增加；但是，现在还没有一种 合金，在封接要求的温度范围内的膨胀系数与一种真空陶瓷完全一致，这种差别必然产生电 子管的宏观封接内应力。室松(1)等根据薄壳结构理论，计算出了单面平封时金属弯曲刚性 为∞、0情形下瓷环内的最大轴向弯曲应力。而瓷环轴向弯曲应力¤M、径向应力·，及园周 应力o。的分布状态如图1，Sandford ScoLe〔2)用电阻应变仪测量了封接瓷环的室温 图1封接瓷环的室温应力(a金属>a陶瓷) 应力，BaTHrHI B、H〔3)〔4)用这种方法测定了封接金属的室温应力，与他的理论计算 结果相一致，他还计算了夹封结构的高温应力，如图2所示，图2给出了用Ag-C“焊料 把无氧铜和陶瓷高温焊接后，在封接降温及重新加热时的应力一温度关系曲 线，计算说明封接降温过程中，金属变形量超过了弹性极限，重新加热时出现张应力状态， 但是没有高温封接应力实际测量结果。他的著作还给出了焊料的高温松弛曲线，这些曲线是 用模拟实验测定的。BaTHrN B、H等人的工作说明，必须综合考虑材料的膨胀性能，力 学性能及焊料的松弛作用等对封接应力的影响，需通过实际测定制管过程中的封接应力，才 能更好地确定封接金属的匹配性。 59

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 9 8 1 1 0 陶瓷封接合金的匹配性研究 北 京钢铁 学院精 密合 金 教研 室 李松茂 婆 秀凌 北京 电子 管厂 三 分厂 技 术组 陈树坤 摘 要 本文介绍 了 热膨胀 示 差法 测量 金属 与陶瓷的封 接应 力 的装置 , 参考陶 资电子 管 的 制 管工 艺 要 求 , 用 这种视备 测 定 了 两种 F e 一 N 卜 C 。 膨胀合 金 、 无 氧铜等 与9 5 % A I : 0 3 陶瓷制成 的封接件 , 在 室温之8 0 0 O C 之 间瓷件应 变量 随温 度 的变化 曲线 , 实验 表明 , 对具 有 “ 因互 反常 ” 效 应 的4 J 2 9 、 4J 3 合 金 , 室温 封接应 力不 是 决定 于在 焊 接温 度 时 两 种材 料 的膨 胀差 , 而 是 决定于 在合 金 居 里 温 度 的膨胀 差值 , 在此温度 , 合 金 的平 均 线 膨胀 系数 越低于陶 瓷 , 室温 封接 应 力越低 , 这 一 结 果和 用 电 阻应 变仪 法 测量 的相一 致 , 封接过程 中的应 力松 弛作用表 明 , 了产生这 种现 象 的原 因 。 实验 还表明 , 在 高温下 的焊 料变形 和 无 氧铜 的塑性变形 、 均对封接应 力有 显著影 响 。 随 着陶 瓷 电子 管 及 器件的发展 , 陶 瓷封接 合金 的种 类不断 增加 , 但是 , 现在还 没有一种 合金 , 在 封接 要求 的温 度范围内的膨胀 系数 与一 种真空 陶瓷完全一 致 , 这种差 别 必然产生 电 子管 的宏 观封 接内 应 力 。 室 松〔1 〕等根 据 薄 壳结 构 理论 , 计 算出 了单面 平封时 金属 弯曲刚性 为 o0 、 仓清形下 瓷环 内的最 大轴 向弯 曲应 力 。 而 瓷环轴 向弯曲应 力 o M 、 径 向应 力 a r 及 园周 应力。 。的分布状 态如图 1 , S a n d f o r d S 。 。 L e 〔幻 用 电阻 应 变仪测 量 了 封接瓷环 的室温 口认 入 只 入 入 入 例 x 又 义 油山 穿 丫 丫 丫 甘、 了 甘 丫 一 l丫 K 入 洲 义 洲 乙 交 l 除 丫 丫 丫 丫 丫 丫 丫 杰、 l 曰 图 l 封接瓷环 的 室温 应 力( a 金 属> a 陶瓷 ) 应 力 , B aT o r IH ; B 、 H 〔3〕〔4〕用 这 种方 法 测定 了 封 接金 属的 室温 应 力 , 与他 的 理 论计算 结果 相一 致 , 他 还 计 算了夹封结构 的 高 温应 力 , 如 图 2 所示 , 图 2 给出了 用 A g 一 C u 焊料 把无 氧铜 和 陶瓷 高温 焊接后 , 在 封接降 温及 重 新加热时的应 力一温度关系曲 线 , 计算说 明封 接 降温过程 中 , 金 属变 形量 超过 了弹性 极限 , 重新 加热 时出 现张 应 力状 态 , 但是没有 高温 封接应 力 实际 测量 结 果 。 他 的著作还 给 出 了焊 料的高温松 弛曲 线 , 这些 曲线是 用 模 拟实验 测 定 的 。 B aT 、 r 二 H B 、 H 等 人 的工 作 说 明 , 必 须综 合考虑材 料 的膨 胀性能 , 力 学性能 及焊料的松 弛作用等对封接应 力的影响 , 需通过 实际 测定 制管过 程 中的封 接应 力 , 才 能更 好地 确定 封接金 属 的匹 配性 。 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1980. 01. 007

电子管的封接温度取决于所用焊料的熔点，一般在 800°C~950°C之间，目前，用电阻应变方法不能满足 2 这样的高温测量要求。 15 根据热膨胀示差原理，我们设计和装置了测量高温 (米 封接应力的双千分表膨胀仪，测量变形量的精确度和热 膨胀测量精确度相当，和电阻应变仪比较，可以测出 30个微应变的微小变形量，但测量的相对误差比大应变 60 ☒ 测量时大，测量温度最高到920°C。用此设备测量了 4J33、4J29及无氧铜等和95%A1,0s陶瓷封接降温， 及封接件重新加热过程的应变一温度曲线，和焊料的高 50 温松弛作用，本文结合应变仪测量的室温应力(5)，讨 温度（℃） 论了这几种材料的封接特性，影响封接应力的一些因 图2 夹封状态的封接应力一 素，及关于改善匹配性的一些问题。 温度关系曲线 ，高温应力测量原理 在封接陶瓷电子管装配加热时，金属件和瓷件均保持了自由膨胀状态，当焊料熔化并沿 着封接面充分流散后，降温时焊料凝固把金属件和瓷件焊接起来一钎焊，这样，在低于焊 料熔点降温，由被焊接的另件的收缩差而产生应力，图3为另件尺寸及形状在封接前后改变 的示意图，当考虑连续状态时，变化量可以用图4的曲线示意表示，图中曲线I、I为不封 接时瓷件和金属件降温收缩曲线，当把它们焊接在一起并假定焊料能“完全固定”时，接近 X X b d 图3封接前后另件尺寸变化示意图 a一封接前， b一在封接温度c一封接后， d一重新加热至某温度。 封接面处瓷环和金属件有共同收缩曲线I,而远离封接面处因不受封接应力的影响，瓷环收 缩曲线仍然为曲线I。这样，曲线I、I纵座标差为一个在封接面上沿瓷环园周均匀分布的 力P的作用而产生的直径压缩量，即它的绝对变形，曲线【、【的纵座标差值为被封接金属 圈的直径伸长量，相当于沿园周均匀分布的力P的拉伸变形量，如果在P力作用下焊料发生 变形，曲线I将分开成两条曲线，其中有一条是封接金属的收缩 60

”任歹,o , 书-哺,o ( 二兴姗七à只也\.1 , 其 中有一条是封 接金属的收 缩 6Q

曲线，另一条为封接面处瓷环的收缩曲线，这 两条曲线的纵座标差值为焊缝变形量，实际 室温 冷却温度 上，图4曲线I、I、【都是温度一收缩量曲 线，可用膨胀仪分别测出，若用双点或多点热 膨胀测量方法，可一次测出任意两个或全部曲 线。 因为陶瓷在任何温度和应力作用下都保持 弹性性质，当外力去掉后瓷件仍然恢复到原始 形状，如果用封接件装在双千分表 膨胀仪上，一个千分表支撑在瓷环受力部位， 图4封接降温过程中另件变形示意图 另一个千分表支撑在瓷环不受力部位，当从室温加热到焊料熔化时，瓷环的变形立即恢复， 降温时相当重新封接，从降温时两个千分表指示的收缩量，得到图4曲线【、【，即测量出 了封接降温时，由封接内应力引起的瓷环直径的绝对变形，以上只讨论了封接降温过程，而 没有讨论封接件重新加热过程的应变测量原理，实际上瓷环受力部位和不受力部位的热膨胀 曲线的相对关系较降温时复杂，现在根据图3.c和d作如下讨论。 封接件在双千分表膨胀仪上加热时，瓷环不受力部位膨胀曲线应和收缩曲线重合，瓷环 受力部位的膨胀受封接金属的牵制，金属给它的力增加，它的变形量增加，作用力减少时变 形量跟着恢复，加热中变形的增加量称为应变恢复量。 假定：h一加热时瓷环不受分部位膨胀量， h'一加热时瓷环受力部位膨胀量， ǒ一封接瓷环的室温残余变形， 8'一在加热至某一温度时的实际变形。 h'-h为应变恢复量，从图3d得出： h+8=h'+8' 8'=8-… (1) 式(1)表示：封接件在加热时的实际高温变形，等于它的室温残余变形减去 它在加热过程中的应变恢复量。 将(1式对温度求导数得'=-，为商克的真实膨张系数，不受改交封接 封接金属理论线膨胀系数的影响，因此，高 量表示>随温度的变化趋势只决定于封接金属的理论膨胀系数α算。如果我们考虑的是一个 温度范围时， 若h-h>0,则8>8高温应力>室温残余应力， h-h'<08'<8高温应力<室温残余应力 h-h'=08'=8高温应力=室温殊余应力 8'=0h-h'=~8表示当试样加热到焊料熔化时，此时封接应力等于零，两个千分 表差值为瓷环的室温绝对变形量。得到室温变形8和应变恢复值h'-h,根据(1)式可以算出 各个加热温度封接瓷环的绝对变形，又因为瓷环是弹性体，也可以直接用绝对变形量8'来 表示封接应力大小。 这样，一次循环测量便得到了封接件重新加热和封接降温时的高温应力，并包括了在加 61

曲线 , 另一 条为封接面处瓷环的收缩 曲线 , 这 两 条曲线的 纵 座 标差 值 为焊缝 变形量 , 实际 上 , 图 4 曲线 I 、 I 、 I 都是温度一 收缩量 曲 线 , 可用膨胀仪分 别 测 出 , 若用 双 点或多点 热 膨胀测量 方 法 , 可一 次 测 出任意两 个或全 部曲 线 。 因为陶瓷 在任 何温 度和应力作 用 下都保持 弹性性质 , 当外 力去掉后笼件仍然 恢复到原始 形状 , 如果 用封接件 装 在双 千 分 表 冷却温度 怡理位烈姗娜伙 分 膨胀 仪上 , 一个千分表 支撑在瓷环受 力 部位 , 图 4 封接降温过 程 中另件变形 示 意图 另一 个千分表 支撑在 瓷环不受 力部位 , 当从室 温加热到焊料熔化时 , 瓷环的变 形立 即恢复 , 降温时相 当重新 封接 , 从降温时两个千分 表指 示的收缩量 , 得到图 4曲线 I 、 I , 即测量 出 了封接降温 时 , 由封 接内应 力引起的瓷环直 径的绝对 变 形 , 以 上只讨论 了封接降温过 程 , 而 没 有讨论 )封接件重 新 加热过程 的应 变 测量 原理 , 实际上瓷环受力部位和不受 力部位 的热膨 胀 曲线 的 相对关 系 较 降温 时复杂 , 现在根 据图 3 . c 和 d 作如 下讨论 。 封接 件在双 千分表 膨胀 仪 上 加热 时 , 瓷环 不受 力部位膨胀曲线 应 和收 缩曲线承 合 , 瓷环 受 力 部位 的膨胀 受 封接 金 属 的牵 制 , 金 属 给 它的 力增 加 , 它的变形里增 加 , 作 用 力减少 时变 形 量跟 着恢 复 , 加 热 中变 形 的增加量 称为应 变恢复量 。 假定 : h 一加热 时瓷环不 受分 部位 膨胀量 , . h ’ 一加热 时瓷环受 力部位膨胀 量 , a 一封接 瓷环的室温残余变形 , 各 ’ 一 在加 热至 某一 温度时的实际变形 。 h ` 一 h 为应 变恢复量 , 从 图 3 d 得出 : h + 乙= h 尹 + 乙 护 a ` = 6 一 … … ( l ) 式 ( 1) 表 示 : 封接件在 加热 时 的实际高温变 形 , 等于 它 的室温残余变形 减去 它在加热过 程 中的 应变恢复量 。 将、 1 ,式 对温度 求导数得禁 = 朵 d h , d h 、 , ~ , “ ~ 、 . 。 。 , ~ 一 习 飞一 , 一 1 气万 . 刀 阿 况 四 具头膝脉 示 戴 , U t U L 不受 改变封接 人 ~ “ . , 一 一 d h 尹 , ~ 一 人 ~ _ 、 ` . _ ~ . , , ~ ~ 一 。 一 苏 履 倒 多 ,lj , 叨 二 U 了万 L 父阿债 策属 理化线邢 服示致刚 矛 啊 因 此 , 高温应 力 随 温 度的变 化趋势只 决定于封接金 属 的理论膨胀 系数 a 典 。 如 果 我们考虑的是一个 温度范围 时 , 若 h 一 h ` > 0 , 则 各` > 乙 高温 应力> 室温残余应 力 , h 一 h , < 。 各 ` < 各 高温应力 < 室 温 残余应 力 h 一 h ` = 0 乙 ` = 5 高温 应力 二 室 温 殊余 应力 剐 = o h 一 h ` = 一 各 表 示当试样加 热 到焊料熔化 时 , 此 时封接应力 等于零 , 两个千分 表 差 值为瓷环 的室温 绝 对变 形量 。 得到室 温变形 各和应 变恢复 值 h ’ 一 h , 根 据 ( 1) 式 可 以 算出 各个加热温 度封 接瓷环的绝 对变 形 , 又因 为瓷 环是 弹 性体 , 也可以 直 接 用绝 对 变形 t 各 尸来 表示封接应 力大小 。 这样 , 一 次循环 测最便得到了封接件 重新 加热 和封接 降温时 的高温应 力 , 并 包括 了在 加

热至焊料熔化时释放出的室温残余应力，和封接降温时得到的室温应力。由于室温应力大小 是封接匹配性的重要指标，我们用电阻应变仪测定了多种金属、合金的室温应变，以与膨胀 法测量结果相对比。 二、双千分表膨胀仪及实验步骤 膨胀仪示意图如图5，上、下两个活动千分表支架可以水平和垂直移动，移动时千分表 不发生转动，以防止带动石英顶杆旋转而改变测量位置，石英支撑管与支架连接处用水套通 水冷却，放试样的石英垫板有四个支撑点，两点支撑瓷环受力部 位，另外两点支撑瓷环自由端，图5中6、9、10、15、17组成密封系统，·通保护气防止试 样氧化，试样用装在活动小车上的开关电炉加热。 2 图5双千分表示差膨胀仪 1.3一千分表2.4一石英顶杆、5一千分表支架6一玻璃钟罩 7一接线柱 8-实验台9一法兰盘10一加热瓷管，11一石英支撑管 12一试样 13一石英垫板 14一加热电炉15一支撑管 16一电炉支撑架 17一密封板 62

热至焊料熔 化时释 放出的室 温残余应 力 , 和封接降温时得到的室 温 应力 。 由于室 温 应力大小 是封接 匹 配性的重 要指 标 , 我们用 电阻应变 仪测定 了多种金属 、 合金 的室 温应 变 , 以 与膨胀 法测量结果 相对 比 。 二 、 双 千分 表膨胀仪 及 实验步 骤 膨胀 仪示意图奴图 5 , 上 、 下两个活 动 千分表 支架可以 水平和 垂直移动 , 移动 时千分表 不发生转动 , 以 防止 带动石英顶杆旋转 而 改变测量位 置 , 石英支撑管 与支架 连接处用水套通 水冷却 , 放试样的 石英 垫 板 有四 个 支撑点 , 两点 支撑瓷环受 力部 位 , 另外两 点支撑瓷环 自由端 , 图 5 中 6 、 9 、 10 、 15 、 17 组成密封系统 , 通保 护 气防止试 样氧化 , 试 样用装 在活 动小车上 的开关电沪加热 。 / 七 厂t 一. 三 , ù : 1 . 3一 千 分表 8一实 验 台 13 一石 英垫 板 17 一 密封 板 2 . 4一石 9一法 兰 盘 双 千 分表示 差膨胀 仪 5一 千分表支 架 6一 玻璃 钟翠 7一接线 柱 10 一加 热资 管 n 一石 英支撑 管 1 4一加 热 电炉 巧一 丈撑管 1 2一试样 1 6一 电炉支撑架

当移开活动电炉后，旋转并降下另件17和10，便可以装卸试样，把石英顶杆分别支撑到 距封接面0.5毫米和11毫米处，调整千分表并给它们以予压紧，进行密封并装上电炉，开始 升温测量，每升高20°C记录一次，一直到焊料熔化，接着进行降温测量。 用不封接金属的瓷环作试样对设备进行了校正，从室温至800°C两袭最大相差3μ，从 800°C降到100°C相差2μ，这样两个表测量出的膨胀量一温度曲线基本重合，而测量封接试 样时，受力部位的膨胀曲线具有封接金属的膨胀特征，两表间最大差可达23~25μ。实际测 量误差大于校正结果，表现在有些试样重复性较差，有时在焊料熔化时不能完全恢复到无应 力状态，对测量误差大小及产生的原因还需要作进一步实验研究。实际测量中发现下列因素 对实验结果有直接影响： 1)试样本身的影响，如试样焊偏，瓷环不园，焊料层的厚度及重复测量时焊料流失格 况等。 （2)测量操作：例如试样安放不正，支撑不稳时会引起一一些误差。 为了减少焊料流失测量温度不超过焊料熔点20°C。 表1列出了实验用金属及合金膨胀系数，4J33、4J29、无氧铜等为生产用料，每批料性 能有一定差别，表中给出的非所用料的实际测量性能。 表1实验陶瓷和金属、合金膨胀系数 平均线膨胀系数a(×10/℃) 名称 居里点 100℃~200℃ ~300℃~400℃ -500℃ ~600℃ ~700℃ ~800℃ 陶瓷 (95%A1z03) 6.14 6.28 6.54 6.86 7.11 7.29 7.60 7.70 Nb 7.1 7.21 7.32 7.53 7.62 7.64 7.76 7.85 Mo 6.0 Cu 17.7 Ni 16.1 4J33 7.5 7.08 6.50 6.23 6.83 8.24 9.74 10.62 430 4J29 6.59 5.76 5.24 5.04 6.33 7.92 9.30 10.49 420 242 5.36 5.15 5.55 7.42 74813 4.4 4.7 6.6 除24274813为实际测量，其余都是生产料， a只供参考。 三、 实验结果及討龄 1.用电阻应变仪测量的几种金属及合金的室温封接应力〔5) 将电阻应变片粘贴在接近封接面的耄环上，当撕掉封接的金属时，瓷环恢复到不受力时 的形状，便可以从应变仪测出应变恢复值，它和瓷环的实际变形大小相等符号相反，表2是 测量结果，表中以瓷环的微应变数表示不同金属的封接应力。从表2看出： ①因为钼的膨胀系数比陶瓷纸，用钼封接时瓷环的变形为受张状态，其余金属及合金 封接时，瓷环为压缩状态。 63

弩移开活 动 电炉后 , 旋转并降下 另件 17 和 10 , 便 可 以装卸 试样 , 把 石 英顶 杆分 别 支撑到 距封接面0 . 5毫米和 1 毫米处 , 调 整千分表 并给它 们 以 予压 紧 , 进 行密 封并装上 电炉 , 开 始 升温 测量 , 每升 高 20 O C 记 录一 次 , 一直 到焊料熔 化 , 接着进 行 降温测量 。 用 不封接 金属 的 瓷环作试样对设备进行 了校正 , 从 室温 至 8 0 0 0 C 两表最 大 相差 3 林 , 从 8 0。 “ c 降到 10 0 O c 相差 2 林 , 这 样两个表 测 量 出的膨 胀 量一温度 曲线基 本重 合 , 而 测量 封接试 样时 , 受力部位 的膨胀 曲线具有封接金属 的膨胀特征 , 两表 间最 大差 可达 23 ~ 25 林。 实际 测 t 误差 大于校正结 果 , 表 现在有些试 样重复性较差 , 有时在焊料熔化时不 能完全恢复到 无应 力状态 , 对测 量误 差 大小及产 生的原因还 需要作 进一步 实验研究 。 实际铡量 中发 现下列 因 素 对实验结 果有直 接影响 : 1) 试样本 身的影响 , 如 试 样焊偏 , 瓷环不 园 , 焊料层 的厚度及重 复测 量 时焊料流 失情 况 等 。 ( 2) 测 量 操作 : 例 如试样安放不正 , 支撑不稳 时会引起一 些误 差 。 为了减少焊料 流失 测量温 度不 超过焊料熔 点 20 “ C 。 表 l 列 出 了实验 用金属 及合金 膨胀系数 , 4 J 3 3 、 4 J29 、 无 氧铜 等为生产 用料 , 每批料性 能 有一定差 别 , 表 中给 出的非所用料 的实际 测量 性能 。 表 1 实验 陶 瓷和 金 属 、 合 金膨 胀系 数 . 名称 平均 线膨胀 系数 a ( x 1 0一 。 / ℃ ) ~ 1 0 0 ℃… 一 2 。。 ℃ 1 一 3。。℃… 一 4 。。 ℃ } 一 5 。。 ℃ } 一 6 0 0 ℃】一 7 ” ” ℃ 1 一 8 0 0 ℃ 居 里点 陶笼 ! 。 ( 9 5 % A 1 2 0 : ) N b M o C u N i 4 J 3 3 4 J 2 9 2 4 2 7 4 8 13 6 . 2 8 7 . 2 1 6 . 5 4 7 . 3 2 6 . 8 6 7 . 5 3 7 . 1 1 7 . 6 2 7 . 2 9 7 . 6 4 7 . 6 0 7 . 7 6 6 . 0 7 . 7 0 7 . 8 5 1 7 . 7 7 . 0 8 5 . 7 6 5 . 3 6 6 . 5 0 5 . 2 4 5 . 1 5 4 . 4 6 . 8 3 6 . 3 3 7 . 4 2 6 . 6 8 . 2 4 7 . 9 2 1 6 . 1 9 . 7 4 9 . 3 0 1 0 . 6 2 1 0 . 4 9 4 3 0 4 2 0 6j 自移ō 口叹」三ù “lUb … 丹0工b 4 . 7 任J Olt ,几1. 行ōOI 阮口叹」1 t了内O 除2 4 2 7 4 8 13为实 际测 量 , 其 杀都 是 生产 料 , a 只 供 参考 。 三 、 实验 结果及 封拾 1 . 用 电阻应 变 仪测 量 的几种金 属及 合金 的室 温封 接 应力 〔5〕 将电阻 应变 片粘贴 在接近封接面 的充环 上 , 当撕掉封接 的金 属时 , 瓷环恢复 到不受 力时 的形状 , 便 可 以 从应 变仪 测 出应变恢 复值 , 它 和瓷 环的实际 变形大小相 等符号 相反 , 表 2 是 测量 结果 , 表 中以 瓷环的微应 变数表示不同金 属 的封接应 力 。 从表 2 看 出 : ① 因为钥 的膨胀系 数比陶瓷纸 , 用 钥封接时瓷环的变 形为受张状态 , 其余金 属及合 金 封接时 , 瓷环为压缩状态 , 母3

②4J29、242、74813及铌的封接应力纸，而陶瓷封接合金4J33的封接应力比它们高， 在封接温度242、74813的膨胀系数比4J29大，而封接应力却相反，4J29比铌的 膨胀系数大很多，而两者的应力相接近，4I33和4J29在封接温度时的膨胀系数相接近，而应 力相差很大，这些事实与封接应力决定于在封接温度时金属和陶瓷膨胀差大小的理论不符，而 这一理论是进行理论计算的主要依据，说明理论计算有很大近似性。因此只有通过封接全过 程的应力测定，才能找出对封接应力起决定性影响的因素。 表2 室温应变测量结果◆ 焊料 瓷环变形量 样 4J33 4J29 242H 74813 Nb Mo Cu Ni -72 -27 -20.5 -10 -18 -70 -30 -11.8 -8.5.1 -10 +142 -45 -94 2 -71 -40 -9 -17.5 -80 -100 -73.2 -7 +137 -35 -12 -20 -60 -105 Ag-Cu -55 3 -25 -14 -25 -100 -68 -33 -25 -15 -17 -60 -100 -41 4 -34 -8 -12.8 -14.2 纯Ag 2 -10.8 -24.1 3 =10.8 -5.8 表中每一数值是一个应变片所测结果。 ③使用纯银焊料的封接应力比用银一铜焊料低、银的熔点比银一铜焊料的熔点高，封 接温度越高，金属和陶瓷的膨胀差值越大，可是实验测定的应力反而低，表明焊料的滑移对 应力具有显著影响。 2.4J29、4J33、无氧铜的高温封接应力 按照前面介绍的实验步骤，用双千分表膨胀仪对每个封接试样进行了加热冷却循环测 量，实验表明封接工艺因素不改变应力变化趋势，用4J29和4J33封接的两批试样，测量出封 接降温时的最大变形量在18~21μ之间，而4J29封接试样的室温残余应力差别比较大，如第 一批试样的高温变形量为7~8μ，第二批试样为2~3μ，故然可以说是合金膨胀系数有差 别，但也可能与测量和封接工艺有关，本文未给出每种合金封接应力的波动范围，只给出了 这几种合金的典型实验结果，图6曲线1、2、3和曲线4.5为两个试样的重复测量，铜封 接试样重复时差别比较显著，在图6中画出了两个试样多次重复所得变形最大的一次。 若按照前述测量原理，以温度T为横座标，以两个部位的膨胀量h和h'为纵座标，画出的 图形很大，为了缩小图形，图6以瓷环不受力部位的膨胀量为横座标，以对应温度的两表差 为纵座标画出，图6中标出！了一些特征温度和变形量，为了叙述方便，以下称横 64

② 4 J 2。 、 : 4 2 、 : 4 8 13及泥 的封 接应 力纸 , 而陶 瓷封接 合金 4 J 3 3的封 接应 力比 它衬高 , 在封接温 度 2 4 2 、 7 4 8 1 3的膨胀系数比 4 J 2 9大 , 而封 接应 力却相反 , 4 J 2 9比泥 的 膨胀系数大很 多 , 而两者的应力相接近 , d I 3 和 4 JZg 在封接温度时的膨 胀系数相接 近 , 而应 力相差 很 大 , 这 些事实与封接应 力决定于 在封 接温 度时金 属 和 陶瓷膨 胀差 大小的理论不符 , 而 这一理论是进 行理 论计算 的主要 依据 , 说 明理 论计 算有很大近似 性 。 因 此只 有通过 封 接全 过 程 的应力测 定 , 才 能找出对封接 应 力起决定性影响 的因素 。 表 2 室温应 变测 量结果 . } 、小 ! ” 咨环恋形蛋 _ _ { _ _ 1 ? _ } _ ` J 3 3 . “ 2 ” } 2 ` 2 ` ! 7 “ 1 3 } N b { 哑 一 } 一 “ u 一 { U生 l , … , 。 一 2: ! 一 2 0 . 5 一 1 0 一 1 8 { . , J 。 } 月 , … 一 7。 } 1 一 “ 八 。 } 二 。 1 。 尸 , ` 。 l 宁 1 任 ` ’ 一 任 Q 1 o J 一 - 一土 — 一二竺 一 }二些侧 一 二竺二上二 一 竺二一一 - ~ 一 一 一一匕 一 里竺一 { 。 } 一 7 1 } 一 4 0 一 9 一 1 7 . 5 。 。 } . , 一 } 一 8 0 1 一 1 0 0 ) ` l ” 。 。 l 。 尸 , . , 。 l 一 乙 U I 个 1 舀 , } 。 。 } , 。 尸 _ }一口 . 二竺经} 二 “ ” 一 ` ! 一 主` 1 _ } _ _ _ } 一 些 二- 卫些 _ A g 一 C ul } 品 - 一 二 一下 一 一丁下而一 - 一 厂 二二 } - 一 }一 } 一 二又 _ 一 } 0 { e 0 0 一 乙 O : 一 1 4 } . , { 一 乙合 ! 1 。 。 ` 一 I U U } O { 。 。 . 。 : 。 , I 一 1 0 … { } 一 O U { , 。 。 — {一} 一二竺 ~ 一 ;二丝一 } 卫兰 l -一 止卫二止一 ~ 止一二兰立 } J } ! 一 4 1 ! 。 } } , 】 任 】 1 。 : ’ 一 石 } { } ! . } … { 一 。 级 { 二 } } { 牛{ 二 一 { 」 一 · ) { { 一 一 { { } } 1 一 一 表中每一 数值是一 个 应 变片所 测 结果 。 , ③ 使 用纯 银焊料 的封接应力比用 银一铜 焊料 低 , 银 的熔 点 比 银一铜 焊 料 的熔点 高 , 封 接温度越 高 , 金 属和 陶 瓷的膨 胀差 值越 大 , 可是实验测 定 的应 力反 而低 , 表 明焊 料 的滑 移 对 应力具有显著影响 。 2 . 4 J 2 9 、 4 J 3 3 、 无氧铜 的高温 封接应 力 按照 前面 介绍 的实验 步骤 , 用双 千分表 膨胀 仪对 每个封接试 样 进行 了 加热 冷却循环测 量 , 实验表 明封接工 艺 因素 不 改变 应力变化趋势 , 用 4 J 2 9和 4 J 3 3封接 的两 批试样 , 测量 出封 接 降温时 的最 大变 形量在 18 ~ 2 1林 之间 , 而4 J 2 9封 接试样 的室 温残余 应 力差别 比较大 , 如第 一批试样的高温变形量 为7 ~ 8 协 , 第 二批 试样为 2 ~ 3 卜, 故 然可 以 说 是 合金膨 胀 系数有差 别 , 但也 可能与测 量和 封接工 艺有关 , 本文 未给 出每 种合金封接应 力的波动范围 , 只 给出 了 这几种合金 的典型 实验 结 果 , 图 6 曲线 1 、 2 、 3 和 曲线 4 . 5为两个 试样 的 重复 测量 , 铜封 接试 样重复时差 别比 较显著 , 在图 6 中画 出 了两个试样多 次重 复所得变 形最 大的一次 。 若按照前述测量原理 , 以 温 度T 为横座标 , 以 两个部位 的膨 胀 量 h 和 h ’ 为纵 座 标 , 画出 的 图 形很大 , 为 了缩小图形 , 图 6 以 瓷环不受力部位 的膨胀 量为横座标 , 以 对应 温度 的两表 差 为纵座标画 出 , 图 6 中标 出了一些特征温度和变形量 , 为了叙述方便 , 以下称 横

轴为直线，对应差值连接成的曲线为曲线。图6左半边为加热曲线。分别以1、2、3… 表示，右半边为对应的降温曲线，分别以1'、2'、3'…表示，1、2、3为4J29封接的一个 试样的3次重复，4、5及4'5'为4J33封接试样的两次重复，6、7及6'、7分别为无氧铜封 接的两个试样的试验结果。 从加热曲线看出，曲线一瓷环受力部位的膨胀曲线具有封接金属的膨胀特征，在曲线拐 点顺序标为a、b、c、d点，终点标为e点，曲线与横轴交点为f、g(参看曲线3、5、T)。 左边图形曲线的纵座标为在加热至某温度的应变恢复量，即公式(1)中的h'-h,由式 8'=8-(h'-h)可以知道，封接瓷件在室温时的残余变形量为ee'。封接件在重新加热时其残余应力将要改变，在oa段加热 室温应力减小，ab段加热应力增加，b点相应于合金的居里点，过b点加热急剧释放应 力，至h点应力完全释放，此时封接应力等于零，h点为过终点e作横轴的平行线与曲线的交点，通过作出eh直线相当于8减的运算过程，由此得出eh与曲 线间的纵座标为各个加热温度的实际绝对变形量。过h点加热应力改变符号，瓷环从受压缩 状态改变为扩张状态，C点为最大张应变温度，过C点扩张变形逐渐减 小，到d点时张应变突然消除，d点发生在740°C，4J29封接试 样d点对应的不受力部位膨张量分别为253μ、254μ、255μ。说明发生的温度是确定的，实 验看到在d点附近，随温度升高不受力部位膨胀量增加，而此时受力部位千分表指针发生 “倒走”1~1.5μ，反映出瓷环在很快收缩，证明了张应变状态的存在，这种现象应归结 于焊料的软化，d点称焊料软化点，过d点曲线相对变化比较小，基本上呈两平行直线，©点 纵座标为释放出的室温残余变形，交点「、g时高温应力等于室温应力，相应于金属和陶瓷阿 有膨胀曲线的交点。 用4J33封接的试样，加热时应力变化的几个阶段和4J29的一样，而绝 对变形量不同，4J29的bb'为12μ，4J33的为3μ，4J33的ee'为14μ，4J29为2μ。 无氧铜的膨胀曲线接近于一直线，和具有因瓦效应的4J33、4J29合金在居里点以上的膨 胀情况相同，所以，铜封接试样加热曲线没有a点，且b点和o点重合，从曲线 7看出，从室温加热即开始释放应力，在约100℃残余应力己全部释放，达到等应力状态， 超过~l00°C应力变化符号，同样C点为最大张应力温度，过e点作水平直线eh, ©h线与曲线的纵座标差为各对应温度下瓷环的绝对变形，从图上看出铜封接试样的最大压 缩变形和扩张变形基本相等，大约为10μ。 曲线1'、2'、3'为分别与1、2、3相对应的降温曲线，开始降温时由于焊料很软应力 增加缓慢，在~740°C以下，每降低20°C变形量增加约1.5μ，·（相应于σm增加~140公斤/ 厘米)接近合金居里温度，变形积累速度减慢，到合金居里温度时应力达到最大值 ，在居里点以下降温，发生应力降低过程，4J29合金的这种作用比其它金属强 烈，在~140°C左右几乎能完全抵消高温所积累的应力，140°C以下应力又重新升高，显然 发生应力降低的原因是在此温度区间，合金的真实膨胀系数比陶瓷低，和在合金居里点以上 的情况正好相反，因而发生应力抵消过程，但是应力没有改变符号。 4J33合金在居里点以下的膨胀系数与陶瓷接近，从曲线4'、5'看出抵消高温应力的作 用比4J29小，虽然它的居里点温度比4J29,高10°C,居里点以上的膨胀量也比4J29小，但由 于高温下焊料的松弛作用，在居里温度两者的最大高温应力基本相当，居里点以下两者抵消量 不同，导致室温应力相差很大，这与电阻应变仪测量的定性结果相一致，数值的差别可能是合 65

轴 为直 线 , 对 应差值 连接成的曲线为曲线 。 图 6 左 半边 为加热 曲线 , 分 别 以 l 、 2 、 3 … … 表 示 , 右半边 为对应 的降温 曲线 , 分 别以 1 产 、 2, 、 3 ` … 表 示 , 1 、 2 、 3 为4 J 2 9封 接 的一 个 试样的 3 次重 复 , 4 、 5 及’4 5, 为 4 J3 3封接试 样的两 次重 复 , 6 、 7及 ’6 、 7 , 分 别 为无 氧铜 封 接的两 个试样 的试验 结果 。 从加热 曲线看 出 , 曲线一瓷环 受 力部位 的膨胀 曲线具 有封接金 属 的膨胀特 征 , 在曲 线拐 点顺序标为 a 、 b 、 c 、 d 点 , 终点标为 e 点 , 曲线 与横轴 交点 为 f 、 g ( 参 看 曲线 3 、 5 、 7) 。 资 左边图形曲线的纵座 标为在加 热至 某温度的应 变恢 复量 , 即公 式 ( 1 ) 中的 ’h 一 h , 由式 乃 ` = 各一 ( h ` 一 h ) 可以 知 道 , 封接瓷 件在室 温 时 的残余变形 量 为 e e ’ 。 封接件 在 重新 加热 时其 残余应 力 将要改变 , 在 。 a 段 加热 室 温应 力减小 , a b 段 加 热应 力 增 加 , b 点:相应 于 合金 的居里 点 , 过 b 点 加热 急剧 释放应 力 , 至 h 点应 力完全释放 , 此 时封接应 力等于零 , h 点 为过 终点 e 作 横轴 的 平行 线 与曲线的交点 , 通 过作 出 e h 直线相当于 乙减 的 运算过 程 , 由此 得 出 e h 与曲 线 间 的纵座标为各个加热 温度的实际 绝 对变形量 。 过 h 点加热应 力改变符 号 . 瓷环从受 压 缩 状态 改 变 为扩 张状态 , C 点为最 大张应 变 温 度 , 过 C 点扩 张 变形 逐渐 减 小 , 到 d 点 时张应 变 突然 消除 , d 点发生 在 7 4 。 。 c , 4 J 2 9封接 试 样 d 点 对应 的不受 力部位 膨胀 量 分别 为2 5 3 林 、 25 4 协 、 2 5 5 卜二 说 明发 生的温 度是 确定 的 , 实 验 看到 在 d 点 附 近 , 随 温 度升高不受 力部位 膨 胀 量增 加 , 而 此 时受力 部位 千分 表 指 针发生 “ 倒 走 ” 1 ~ 1 . 5 协 , 反 映出瓷环在很 快收缩 , 证明 了张应 变状态 的存在 , 这种 现象 应 归结 于焊 料的软 化 , d 点称 焊料软化点 , 过 d 点曲线相对 变 化比 较小 , 基本上呈 两 平行直 线 , e 点 纵座 标为释放 出的室 温 残余变形 , 交点 f 、 g 时 高温 应力等于室 温应 力 , 相应 于金 属和 陶瓷固 有膨胀 曲线 的 交点 。 用 4 J 3 3封接的试 样 , 加热 时应 力变化的几个阶段 和 4 J 2 9的一样 , 而绝 对变 形量 不 同 , 4 J 2 9的 b b ` 为 12 林 , 4 J 3 3的为3 卜 , 4 J 3 3的 e e ` 为 1 4 林 , 4 J 2 9为 2 卜 。 无 氧铜 的膨 胀 曲线接近 于一直 线 , 和具有因瓦效 应 的 4 J 3 3 、 4 J 2 9合 金在居 里点以 _ _ 匕的膨 胀情况 相同 , 所以 , 铜封接 试样 加热 曲线没有 a 点 , _ 巳 b 点 和 。 点重合 , 从曲线 户污音出 , 从 室温加 热 即 开 始释放应 力 . 在约 1。。 。 c 残 余应 力 己 奈 部释竹 . 伏 颧霉 俞 力 壮 杰 . 通过 ~ 1卯 。 C 应 力变 化符 号 , 同样c 点为最 大张 应 力温 度 , 过 e 点作 水 平直 线 e h , e h 线与曲线的纵座 标差为各对 应温 度下瓷环 的绝 对 变形 , 从 图 上 看出铜封接 试 样的最 大压 缩变形和 扩张变 形 基本相 等 , 大约 为10 卜 。 曲线l, 、 ’2 、 ’3 为分 别与 1 、 2 、 3 相对应 的降温 曲 线 , 开 始降温 时 由于焊料很 软应 力 增加缓 慢 , 在~ 7 4 0 0 C 以 下 , 每降低 Z r C 变 形量 增加 约 1 . 5 卜 , , ( 相应 于 o m 增加~ 1 40 公 斤 / 厘米 2 ) 接 近 合金 居 里 温度 , 变形 积 累 速度 减慢 , 到 合 金居 里 温度 时 应 力 达 到 最 大值 , 在居 里点以 下降温 , 发生应 力降低过 程 , 4 J 2 9 合金 的 这种 作用 比 其 它金属 强 烈 , 在~ 1 4 0 O C 左右 几乎能完 全 抵消高温 所积 累 的应 力 , 14 。 。 C 以 下应 力又重 新 升高 , 显然 发生应 力降低 的原因是在 此温 度 区间 , 合金 的真实膨 胀系数比 陶瓷低 , 和 在合金 居里 点以 上 的情 况 正好相反 , 因而 发生应 力抵消过程 , 但是应 力没 有改变符号 。 4 J 3 3合 金在 居 里点 以 下的膨 胀 系数与陶 笼接近 , 从 曲线 4 , 、 ’5 看雌 抵消 高温 应 力 的作 用 比 4 J 2 9小 , 虽然 它 的居里 点温 度 比 4 J 2 9 , 高 z 0 O C , 居 里 点 以 上 的膨胀 t 也 比 4 J 2 9小 , 但 由 于高温 下焊料的 松弛 作用 , 在居 里温度两 者 的最 大高温应 力基 本相 当 , 居 里点 以 下 两 者抵消 量 不同 , 导致 室温 应 力相差 很大 , 这与电阻应 变仪测量的定性结果相一致 , 数值 的差 别 可能 是 合

7 5 940* IRe'C h(4g2 ,◆20 图6 金本身膨胀性能波动引起，用具有4J29膨胀特性的低膨胀系数低居里点合金测 量结果，室温应力都比4J33低，由此可看出室温残余应力的大小主要决定于居里点以下抵消 作用的大小，即合金膨胀系数小，室温应力小，但是有最低界线，若合金居 里点~370°C,封接试样bb'>15μ时，会导致封接件重新加热时，在居里温度附近产生开 裂。这一结果同样可以解释242、74813等合金的室温应力“反常”现象。 当在高温把金属件和瓷件焊接一起，由于金属收缩量比陶瓷收缩量大而产生应力，这 样，两者收缩差值越大应力应当越大，封接应力的理论计算也是根据这一原理，实验结果 与此不一致的原因，是在高温时由于焊料的松弛作用，减小了收缩量不同对应力的影响，居 里点以下的抵消作用和焊料的松弛一样，是一个应力松弛过程，4J29的这种松弛作用比4J33 大，以焊料凝固点至室温间4J33和4J29这两种合金收缩量相接近，但由 于总的抵消量不同，使低封接应力的4J29合金本身的变形比4J33的变形小， 因此，虽然在焊接温度膨胀差。基本相等而室温应力仍然有很大差别。 封接降温时的应力松弛是封接件重新加热时产生扩张变形的原因，松弛 作用大小在重新加热至焊料软化温度时由张应变恢复量的大小表现出来。 66

三二幸一一一 二 二才尸下一 图 6 金 本身膨胀性能波 动 引起 , 用具有4 J 2 9膨 胀特性 的低膨胀系数低居 里点 合金 测 里 结 果 , 室温应 力都比 4 J 3 3低 , 由此可 看 出室温残余应 力的大小主 要决定 于居 里点以下抵 消 作用 的大小 , 即 合金膨胀系 数小 , 室 温应 力小 , 但 是有最低 界 线 , 若合金 居 里点~ 3 7 0 0 C , 封接试样 b b ` > 15 卜 时 , 会导 致封接件 重新加热 时 , 在居里温 度附近产生开 裂 。 这一结果 同样可 以 解释 2 4 2 、 7 4 8 1 3等合 金 的室温 应 力 “ 反常 ” 现象 。 当 在高温 把金 属件和 瓷件焊 接一起 , 由于金 属收缩量 比陶 瓷 收缩量 大 而产生 应 力 , 这 样 , 两者收缩差 值 越 大应 力应 当越 大 , 封接应力的 理 论计算也 是根据 这 一原理 , 实验结 果 与 此不 一 致 的原 因 , 是 在高温 时 由于焊料的 松弛 作用 , 减小 了收缩 量不 同对应 力的影响 , 居 里点以 下 的抵消作 用 和焊料的松 弛一 样 , 是一个应 力松 弛过程 , 4 J 2 9的这 种松 弛作用比 4 J 3 3 大 , 以 焊料凝 固点 至室 温 间 4 J 3 3和 4 J 2 9这两 种 合金 收缩量 相接 近 , 但 由 于总 的抵消里 不 同 , 使 低封接应力的 4 J 2 9合金本 身的变形 比 4 J 3 3的变形 小 , 因此 , 虽然在焊接温 度膨胀差 。 基本相 等而 室 温应 力仍然 有很大差 别 。 封接降温时 的应 力松弛 是封接 件重新加 热 时产生扩 张变 形 的原 因 , 松 弛 作用大小在 重新加 热至焊料软化温度时 由张应 变恢复量 的大小表 现出来 。 睁夸

在测量中看到，当焊料脱焊时，封接瓷环不发生变形，两表差值不随温度变化，因封接应 力引起的瓷环开裂，无论是加热或降温过程都发生在合金的居里 温度附近，因此，在考虑选材时，对于难封接器件及低膨胀系数的陶瓷，为防止开裂，应选 用居里点比较高的合金，或无氧铜、纯铌作封接金属材料，而一般情况下，应适当选用低膨 胀系数的合金，以尽可能降低室温应力。 无氧铜封接降温时一曲线6”、7，应力不是均匀增长，在曲线上出现水平线段，甚至 曾出现随着降温在高温时便产生应力减小现象，其变形量一温度关系曲线比较平缓，没有 4J29等合金的明显的应变峰值，并且其最大变形值比F-Ni-Co合金低40%，铜的弹性极限 比Ag~Cu焊料低，其低应力的原因主要是它本身塑性变形的结果，焊缝的变形量可能比较 小，从应力角度看，这对于封接气密性是有利的。 表3综合列出了用热膨胀法测量的瓷环的高温变形和室温变形，根据这些数值计算出了 应力值。计算过程如下。 从实验原理知道，测量出的瓷环变形量是应力引起的瓷环直径变化，除以瓷环在对应温 度的直径一原始直径加上不受力部位的膨胀量，为瓷环的园周应变ε，应变方向与园周应 力口。方向一致，适用虎克定律：口g=一E,“-”号表示为压缩应力，以σ。表示瓷环园 周均匀分布的外力p〔4)为p=g。8k,由p可得弯曲应力0M,径向应力·，得瓷环的三个 kR 主应力表达式为： Ga=-Eeo Go 0r=kR…（2) 30g OM=8KkR 式中：6x-瓷环厚度 R一瓷环外半径 k一一瓷环形状系数 k=31-μ2)~0.153 √8kR μ一一泊松比 上述计算公式假定了封接金属刚性为∞，适于4J29和4J33合金封接试样，无氧铜的弯曲 刚性在0和∞之间，忽略瓷环转角对瓷环封接面位移的影响，可近似地利用公式(2)，由园周 应力算出最大的主应力0M。设陶瓷的μ=0.2，E室巡=25000公斤/毫米2，E400°c=24000公 斤/毫米2，所计算出的瓷环外表面的弯曲应力σM如表3。 图7是封接瓷环受力部位和封接金属膨胀曲线比较，是用同一试样两次测量结果，该试 样用4J33合金封接，图7中曲线2、及2'相应于图6中的曲线5及5'，曲线1及1'可看作 温度座标，再把试样封接金属和瓷环自由端支撑在石英垫板上，并用一个干分表支撑在金属 上进行测量，可得到封接金属和瓷环不受力部位的膨胀和收缩差值，因为不受力部位的膨胀 受封接金属的影响，所得差值偏低，因此，以曲线1及1'的各点温度为两次测量的自变 量，对应差值为因变量，作出曲线1、2、3及1、2'、3'。 67

在测 量 中看 到 , 当焊料脱焊时 , 封接 瓷环不发生变 形 , 两 表 差值 不 随温 度变化 , 因 封接应 力引起 的 瓷环开 裂 , 无 论是加 热 或降 温过 程都发生 在合金 的居 里 温度附 近 , 因 此 , 在考虑选材 时 , 对于难封接 器件及低 膨胀 系数 的陶 瓷 , 为防止 开裂 , 应 选 用居 里 点 比较高 的合 金 , 或无 氧铜 、 纯 锯作封接金 属材料, 而一般情况下 , 应 适 当选 用低彬 胀系数 的合 金 , 以 尽可 能降低 室温应 力 。 无氧铜 封接降温时一曲}线 6 ’ 、 ’7 , 应 力不 是均 匀增长 , 在曲线 上 出现水平 线段 , 甚至 曾出现随着 降温 在高 温 时 便产 生应 力减小 现象 , 其变 形最 一温度 关系曲线 比较 平 缓 , 没有 4 J 2 9等合金 的 明显的应 变峰值 , 并且其 最 大变 形 值 比 F e 一 N 卜C 。 合 金低 40 % , 铜 的弹性极限 比 A g一 C u 焊料低 , 其低 应 力的 原因主要 是它本 身塑性变形 的结 果 , 焊缝的变形最 可 能 比较 小 , 从应 力角度 看 , 这 对于封接气 密性是 有利的 。 表 3 综 合列 出了用 热膨 胀 法测 量 的瓷环 的高温变 形和 室温变 形 , 根据这些数值 计算出了 应 力值 。 计 算过程如下 。 从实验 原理 知道 , 测 量 出的瓷环 变形量是应 力引起的瓷环直 径变化 , 除 以 瓷环 在对应温 度的直 径 — 原始 直径加 上不受力部位 的膨胀量 , 为瓷环的园周应变 。 , , 应 变方向与园周 应 力 a 。 方 向一 致 , 适用虎克定律 : a , 二 一 E : 0 , “ 一 ” 号表 示为压缩应力 , 以 。 , 表示瓷环 园 周 均匀分布 的外 力 p 〔4〕为 p = 主 应力表 达式 为 : 旦卫鱼互 , 由 p 可得弯曲应 力。 、 , 径向 应 力 。 : , 得瓷环 的三个 k R 0 。 = 一 E o e 。 【 = 器 ” 一 ( 2 ) 3 a e O M = 乙K 一 k 1 R 式 中 : 6 K 一瓷 环 厚 度 R — 瓷环外半径 k - 一 瓷环形状 系数 k 另二旦互牛卿一。 . ; 5 3 亿 6 K R 卜 — 泊松 比 上述计 算公 式假定 了封接 金属 刚 性为 o , 适 于 4 J 2 9和 4 J 3 3合 金封接试样 , 无氧铜 的弯曲 刚性 在 0和 o0 之 间 , 忽 略瓷 环 转角对 瓷环封接面 位 移 的影响 , 可近似 地利 用 公式 ( 2 ) , 由园周 应 力算出最 大的主应 力 u M 。 设陶 瓷 的 协 = 。 . 2 , E 室温 二 2 5 0。。公 斤 /毫米 : , E ` 。 。 。 C = 2 4 0。。公 斤 / 毫米 2 , 所 计 算出 的瓷环外表面 的弯 曲应 力。 M如表 3 。 图 7 是封接 瓷 环受 力部位 和封 接 金 属膨胀 曲线 比较 , 是 用同一 试样两 次测 t 结果 , 该 试 样 用 4 J 3 3 合金封 接 , 图 7 中 曲线 2 、 及 2 ’ 相应 于 图 6 中的曲线 5 及 5 ` , 曲 线 1 及 1产 可 看作 温 度座 标 , 再把试 样封 接 金 属和 瓷环 自由端 支撑 在石 英垫 板上 , 并用一个千 分表 支排在 金属 上 进行 测 量 , ’ 可得到封接 金 属和 瓷环不 受 力部位 的膨 胀 和收缩差 值 , 因为不受 力部位 的 膨胀 受 封接 金属 的影 响 , 所得 差值 偏 低 , 因此 , 以 曲线 1 及 1 ` 的 各点温度 为两 次测 最 的 自变 量 , 对 应 差值 为 因变 量 , 作 出曲线 1 、 2 、 3 及 1 、 2 护、 3 `

表3 封接应力计算结果 瓷环绝对变形（μ） 弯曲应力σM(公斤/厘米2) 封接 最大压缩变形 金属 室温 室温 加热 冷却 加热 降温 4J29 2 14 19 186 1245 1690 4J33 14 17 19 1327 1538 1690 无氧铜 10 10 12 930 =室温 1067 从加热过程曲线看出，在h点以下,曲线2及3上各点纵座 标相差一定值，其随温度变化趋势一致，h点对应零应力温度，过h点瓷环由压缩状态变为 扩张状态，封接金属从受外力P的拉伸变成受P力的压缩，金属的受热膨胀减缓，在焊料软 化温度d点附近，曲线2下降的同时，曲线3开始明显上升，在730°C,瓷环张 应变消除，此时封接金属急剧膨胀，进一步肯定了瓷环的张应变状态和焊料软化温度的存 在。· (57℃) 图7加热和降温过程中、焊缝区变形一温度关系曲线 封接降温时（图7下图），从790°C至690°C之间，每降20°C封接金属收缩~15μ，接 近金属的自由收缩状态15μ，690°C以下封接金属收缩逐渐减慢，但一直到510°C封接金属 收缩量一直大于瓷环受力部位的收缩量,一直大于瓷环受 力部位的收缩量，,说明在封接应力作用下焊缝区一直在变化，在接近居 里温度时焊缝变形量最大，在430°C时曲线3与2'的纵座标差为~40μ，即降温过程中焊 68

表 3 封接应 力计算结果 瓷环绝对 变形 (卜 ) 弯曲应 力。 。 (公 斤 /厘米 名 ) 封接 金属 最 大压 缩变形 室 温 室 温 … 加热 } 加热 降温 冷却 4 J 2 9 1 8 6 1 2 4 5 1 6 9 0 4 J 3 3 15 3 8 16 9 0 无氧 铜 } 1。 1 3 2 7 9 3 0 = 室 温 1 0 6 7 从加热过 程 曲线 看 出 , 在h 点以下 , 曲线 2 及 3 上 各点纵座 标相差 一 定值 , 其 随 温度变化趋势一致 , h 点对应 零应 力温度 , 过 h 点瓷环 由 压缩状态变 为 扩张状 态 , 封接金 属 从受外力 p 的拉伸变成受 p 力的压缩 , 金属 的受 热膨胀 减缓 , 在焊料 软 化温度 d 点 附近 , 曲线 2 下降的同时 , 曲 线 3 开 始明显 上 升 , 在7 3 o0 C , 瓷环张 应变消除 , 此 时封接金 属急剧膨胀 , 进一 步肯定了瓷环 的张应 变 状态 和 焊料软化 温度的存 在 。 丁 毛 ! . 丫| 爪、 引州且八 , 4 , o t l 亡~ 一一今曰“ 一一~ 一~ 一一一 祥 补产~ 一一、 一 。 ! ` 一、 、 份一 ’尸丫 图 7 加热和 降温过 程 中 、 焊缝 区变形一温 度关 系 曲线 封接降温 时 ( 图 7 下图 ) , 从 7 9 0 0 C 至 6 9 0 0 C 之间 , 每降Z o O C 封接金属 收 缩~ 25 林 , 接 近金属的 自由收缩状 态 巧 林 , 6 9 0 0 C 以 下封接 金 属收缩逐渐 减慢 , 但一直 到 s l 0 O C 封接金 属 收缩 量 一 直 大于 瓷环受 力部位 的收缩量 , 一 直 大于瓷环受 力部位 的收缩 量 , 说 明在封接应力作 用 下焊缝区一直 在 变 化 , 在接 近居 里温 度时焊缝 变 形量 最 大 , 在 4 3 0 O C 时 曲线 3 尹与 2 ` 的纵座标差为~ 40 卜 , 即降温 过程 中焊