玻璃燒結密封插座玻璃絕緣體脫出原因分析

楊賀 馬歆 侯強

摘 要：介紹了燒結密封插座的產(chǎn)品結構，通過對宏觀尺寸分析、理論計算等對造成玻璃絕緣體脫出的原因進行分析，確定了玻璃絕緣體脫出的原因。通過對密封插座的封接過程進行分析，并進行模擬分析，分析了過盈量不足的原因。著重論證了封接過程降溫速率對過盈量的影響。

關鍵詞：玻璃；燒結；脫出

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

玻璃燒結密封插座因具有較好的機械強度、耐高溫性、良好的密封性等普通密封插座無法替代的優(yōu)勢廣泛應用于航空航天領域。玻璃燒結密封插座采用金屬-玻璃的封接結構[1]。接觸體一般采用鐵鈷鎳合金，外殼則為鐵鈷鎳合金、不銹鋼或碳鋼等材料，并配有橡膠件增加密封性。所用的封接玻璃多為鉬組類電子封接玻璃DM305和DM308等。

玻璃燒結密封插座結構相對簡單，但由于其生產(chǎn)工藝需經(jīng)過高溫燒結和表面處理等特殊過程，導致故障頻現(xiàn)，其中玻璃絕緣體脫出就是故障之一。

1 故障現(xiàn)象

燒結密封電連接器在進行鑒定試驗過程中，完成36小時180℃高溫振動試驗后，檢查發(fā)現(xiàn)玻璃絕緣體從非插配端脫出，如圖1所示。

2 宏觀分析

對故障件進行了初步分析。此時，玻璃絕緣體已無法放入插座殼體中，測量玻璃絕緣體外徑尺寸為φ11.32mm，對應插座殼體內(nèi)徑尺寸為φ11.30mm。測量同型號其他插座玻璃絕緣體外徑尺寸為φ13.34mm～φ13.36mm。

3 機理分析

3.1 封接過程

玻璃燒結產(chǎn)品殼體與玻璃絕緣體間為壓力封接。封接過程中，隨著溫度的不斷上升，插座殼體內(nèi)徑開始逐漸膨脹。玻璃絕緣體為非晶體，無固定熔點，在溫度升至玻璃軟化點溫度后，玻璃絕緣體內(nèi)部的固相開始向液相轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)變軟和粘滯流動特性，同時在玻璃自身重力和上石墨工裝的綜合作用下，液相狀態(tài)下的玻璃絕緣體逐漸向殼體封接直徑四周運動，填滿插針與殼體之間的間隙。在降溫過程中，插座殼體隨溫度的下降內(nèi)徑尺寸持續(xù)收縮，玻璃絕緣體的外徑與殼體內(nèi)徑同時收縮，但當溫度降至玻璃絕緣體軟化點時，玻璃絕緣體開始由液相向固相轉(zhuǎn)變，由于非晶體的特性，相的轉(zhuǎn)變與溫度的降低同時進行，而其完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嘈枰欢ǖ臅r間，在其完全轉(zhuǎn)變成固相這段時間內(nèi)，其外徑尺寸依舊隨殼體內(nèi)徑變化，直至其完全固化，此時，玻璃絕緣體的外徑不再隨殼體尺寸縮小而縮小，反而對殼體施加向外的阻力，阻止殼體內(nèi)徑的縮小，直至降到室溫，形成過盈配合[2]。因此玻璃絕緣體與殼體的過盈量為玻璃絕緣體完全固化時的殼體內(nèi)徑尺寸與殼體室溫下的尺寸之差。每個殼體室溫下的尺寸是定值，而玻璃絕緣體完全固化時的殼體內(nèi)徑尺寸與當時的溫度有關。因玻璃絕緣體固化過程為液相向固相的轉(zhuǎn)變過程，需要持續(xù)一定時間，在這段時間里溫度的變化與溫度的變化速率有關，當溫度變化速率較大時，玻璃絕緣體完全固化的溫度相對較低，此時殼體內(nèi)徑尺寸較小，其二者的過盈量較小，反之，其二者過盈量較大。從而可以推斷封接過程的降溫速率是決定玻璃絕緣體和殼體過盈量的關鍵因素。

3.2 試驗溫度影響

經(jīng)查閱《航空材料手冊》，可以得到不銹鋼材料膨脹系數(shù)大于玻璃膨脹系數(shù)，詳見表1，故不同溫度下不銹鋼膨脹尺寸大于玻璃膨脹尺寸。

計算可得插座殼體與玻璃絕緣體封接處尺寸的變化量約為0.02mm。高溫下由于插座殼體與玻璃絕緣體封接處尺寸膨脹不同，導致二者封接處出現(xiàn)相對分離的趨勢，封接處應力減小。故障產(chǎn)品插座殼體與玻璃絕緣體過盈量為0.02mm。產(chǎn)品的試驗溫度為180℃，在該溫度下殼體相對于玻璃絕緣體多膨脹約0.02mm，二者之間的過盈量消失，封接處應力減小，存在脫出的趨勢。

3.3 應力分析

采用有限元軟件（ANSYS）對封接處應力進行仿真，按照常規(guī)玻璃燒結插座正常過盈量設置玻璃絕緣體外徑尺寸為φ11.35mm，殼體內(nèi)徑尺寸為φ11.30mm，二者雙邊盈量為0.05mm，仿真得到二者接合面的應力為803.13MPa。

180℃高溫下，按雙邊過盈減小0.02mm～0.03mm計算，將二者雙邊過盈量設置為0.03mm、0.02mm，分別進行仿真，得到二者接合面應力。雙邊過盈量0.03mm時應力為481.54MPa，雙邊過盈量0.02mm時應力為320.83 MPa。由此可知，180℃的高溫條件下，由于插座殼體與玻璃絕緣體尺寸膨脹不同，使二者配合處過盈量減小、封接處壓應力降低，但正常情況下即使二者過盈量減小，但依舊存在約320MPa～482MPa的應力，可以有效阻止二者的分離。

4 故障原因確定

通過對宏觀分析和機理的分析可以確定，封接過程中該插座降溫速率較大導致玻璃絕緣體與殼體的常溫過盈量不足，高溫下過盈量消失為玻璃絕緣體脫出的主要原因，試驗過程中的高溫及振動加劇了玻璃絕緣體的脫出，該故障的發(fā)生為多因素共同作用的結果。

5 結論

（1）玻璃燒結插座玻璃絕緣體與殼體的封接為壓力封接，封接力由過盈量決定。

（2）封接過程降溫速率對過盈量起決定作用，封接過程降溫速率必須嚴格控制。

（3）使用溫度越高過盈量越小，分離的趨勢越明顯。

參考文獻：

[1]葉迎華.火工品技術[M].北京： 北京理工大學出版社，2007.

[2]王勻，陳萬榮，王雪鵬等.溫度對玻璃-金屬封接性能的影響研究[J].電子元件與材料，2014，33（08）：49-52.

作者簡介：楊賀（1985-），男，遼寧鞍山人，研究生，工程師，研究方向：玻璃燒結。