DSG系统板翅式太阳能接收器玻璃与金属封接的研究（可编辑）

DSG系统板翅式太阳能接收器玻璃与金属封接的研究（可编辑） ?? .. ? . :. 硕士学位论文 摘要 抛物面槽式太阳能真空集热管使用的吸热介质通常是导热油。然而导热油容易渗 漏,在高温下将引起火灾;同时,导热油还需要在换热子系统将热量传递给水,这会 大大降低系统效率。采用直接用水作吸热介质的 技 术,省去了中间换热子系统中的换热设备,不仅能提高抛物面槽式太阳能热发电系统 效率,且能降低成本,提供系统的安全性。 针对采用技术的抛物面槽式太阳能热发电系统,本文 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了一种新型板翅 式高温真空太阳能接收器,该接收器工作在高温、高压下的聚光环境中,玻璃和金属 的封接处承受着较大拉应力和交变载荷。为了优化新型接收器结构,有效降低玻璃和 金属封接接头残余应力,本文主要的研究工作和结论如下: 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了玻璃、金属、钎料厚度,钎焊压力和钎焊温度等因素对玻璃与金属 真空钎焊平板接头残余应力的影响,还分析了新型接收器三维模型抽真空后,焊缝和 玻璃板上的残余应力分布。分析结果表明:金属厚度增加会增大残余应力,并且其对 残余应力影响最显著;钎焊压力和钎焊温度的增加可以降低残余应力;玻璃和钎料厚 度对残余应力的影响不大;钎缝的最大残余应力存于在路径上,其最大应力值盯 为,为.,而的应力值很小;硼硅玻璃板在三个主方向均受到 压应力作用,不会破裂。 设计并优化了新型接收器的结构和尺寸,同时,为了提高钎料对母材的润 湿性,改进了玻璃和金属真空钎焊前处理工艺:在可伐合金待焊接面镀铜;采用碱性 镀液在硼硅玻璃待焊接面镀镍,镍镀层的磷含量在.%.%范围内,然后再镀一层铜。 通过对接收器模型抽真空试验发现,当钎料厚度为?时,钎焊接头气 ~。 密性能最好,接收器真空度可达到.× 利用金相显微镜、扫描电子显微镜、射线能谱仪等仪器,观察和 分析了 钎料厚度为的钎缝微观组织结构和组成,研究了母材与钎缝之间 元素扩散规 律,结果表明:钎缝中主要生成物是固溶体和化合物;若元素向母 材扩散不充分, 则易在钎缝富集形成脆性化合物和。 显微组织 关键词:真空钎焊玻璃与金属封接非晶态钎料残余应力 ?. , ?;,,, , . ,, . , . 晰 , . , :, , ?。。 , . , ,;; ; , . ;. , , , , 硕士学位论文 : , ; ,.%%. ? . ,谢 , . ~.?,丽., ,; , , .: ;? ; ; ; 硕士学位论文 目 录 摘要?. 第一章绪论??.. . 引言. . 不同类型太阳能真空接收器的结构及特点? .玻璃和金属常用焊接方法及面临的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 .. 玻璃和金属的钎焊连接..玻璃和金属的扩散焊连接? ..玻璃和金属连接存在的问题 .玻璃与金属封接技术的国内外研究现状? .. 国外研究现状??. ..国内研究现状??. .本文主要研究内容?. .本文课题来源. 参考文献 第二章 玻璃与金属真空钎焊影响参数及板翅式接受器的有限元 分 析 . 引言 . 玻璃与金属真空钎焊残余应力热弹塑性有限元法 ..钎焊热弹塑性分析基本假设 ..钎焊热弹塑性分析基本理论 . 玻璃与金属真空钎焊残余应力的影响参数分析? .. 材料参数。 .. 网格划分。目录 .. 边界条件 .计算结果与讨论. .. 玻璃和金属厚度对钎焊接头残余应力的影响??. ..钎焊压力对钎焊接头残余应力的影响 ..钎焊温度对钎焊接头残余应力的影响..钎料厚度对钎焊接头 残余应力的影响. 系统板翅式太阳能接收器钎焊残余应力的数值模 拟 .. 网格的划分??. ..边界条件? .计算结果与讨论? .本章 小结 学校三防设施建设情况幼儿园教研工作小结高血压知识讲座小结防范电信网络诈骗宣传幼儿园师德小结 .. 参考文献??. 第三章系统板翅式接收器结构设计及母材真空钎焊前处理工艺 的 改进??. . 引言 . 系统板翅式太阳能接收器结构设计。 .. 封接玻璃材料的选择??. ..封接金属材料的选择??. .. 系统板翅式太阳能接收器结构尺寸设计.玻璃和金属真空钎焊实 验前处理工艺的改进..可伐合金的真空热处理..玻璃表面的粗化处 理??一 ..玻璃表面的化学镀镍处理。 ..玻璃和金属表面的化学镀铜处理? .本章小结?. 参考文献. 第四章系统板翅式接收器真空钎焊及其接头实验研究?.硕士学 位论文 .引言 .真空钎焊形成机理 ..钎料对母材的润湿性能?.. ..毛细作用??一 ..钎料与母材的相互作用. 系统板翅式太阳能接收器玻璃和金属真空钎焊试验 .. 试验用钎料的选取?. ..真空钎焊试验 。 系统板翅式太阳能接收器玻璃和金属钎焊接头的实验研究~ ..钎焊接头气密性能实验研究 ..钎焊接头的金相分析.. 钎焊接头界面微观形态和元素扩散情况分析 .本章小结?.. 参考文献 第五章结论与展望?.. . 结沧 .展望 在读期间参与的科研项目及发表的论文. 致谢硕士学位论文 第一章绪论 .引言 目前,地球上使用的燃料大多是化石燃料,它们正日趋减少,而且污染严重。因 此,开发新能源成为全球焦点。太阳能洁净无污染、来源广泛,开发太阳能对解决能 源危机具有重大意义。随着太阳能等可再生能源利用在全世界的蓬勃发展,以太阳能 热发电为代表的太阳能工业热利用技术逐步为人们所认识,要实现太阳能中高温集 热,达到工业用热要求,就不能离开抛物面槽式线聚焦装置,特别 是抛物面槽式太阳 能热发电,抛物面槽式太阳能热发电 ,系统代表了最成 熟的太阳能热发电技术,现在国外已实现了商业化【】,其它种主要的热发电技术: 太阳能塔式和碟式盘式还不成熟,尚处于示范阶段。抛物面槽式太阳能热发电主 要利用槽式抛物面聚光器聚光,通过线聚焦太阳能真空集热管集热,获取近。左 右的热量,然后借助高温导热油导热,通过常规换热技术获得蒸汽,或直接获取饱和 蒸汽推动汽轮发电机组发电。由于该电站所要求的集热器工况温度和压力相对较低, 可以利用较为成熟的换热设备和发电技术。与目前仅能用于小规模电力补充的太阳能 光伏发电技术相比,太阳能热发电可以适应于大规模工业化应用。因此,太阳能热发 电单位投资成本低,要比目前利用光伏技术发电成本低~倍,受到国内外广泛关 注和重视,该技术被认为最有可能跟风力发电一样产生能与化石燃料发电经济上相竞 争的电能,是除风电之外最有前途的可再生能源规模利用发电技术【。 图?是抛物面槽式太阳能热发电流程图,系统包括四个主要单元:聚焦器抛 物面槽式反射镜、接收器、热量的传输和存储、能量转换系统【。其中抛物面槽式 反射器和太阳光接收器与太阳位置传感器、机械跟踪机构、及输配管路一起组成抛物 槽太阳能集热器,如图.所示。抛物反射镜将阳光聚焦在一条直线上,安置在焦点 线上的接受器吸收被聚焦的太阳能辐射,接受器金属管内导热油的被加热。通过热交 换器,高温导热油将水加热变成蒸汽,最后蒸汽到汽轮机驱动发电机发电。第一章绪论 图?抛物面槽式太阳热发电流程图 .一 图抛物面槽式集热器 逸. .不同类型太阳能真空接收器的结构及特点 线聚焦太阳能真空接收器是实现和建立抛物面槽式中高温太阳能集热装置的 关键部件,代表着太阳能真空集热管和太阳能热利用的发展方向。线聚焦太阳能真空 接收器涉及多学科的高科技产品,其吸收太阳光效率和运行可靠性直接影响到抛物面 槽式太阳能热发电的成本。受到国内技术发展水平和现状的制约,目前存在的主要问 硕士学位论天 题是接收器使用寿命短和真空度保持时间不长仅两年左右,这些问题直接与接收 器的玻璃与金属封装接头的力学性能相关,因此,真正实现线聚 焦太阳能接收器的工 程化和产业化,还需要不断探索。 目前用于抛物面槽式太阳能热发电的真空接受器的结构如图.所示,同心玻璃 管内的金属圆管表面通过磁溅射涂有光谱选择性涂层,夹层内抽成真空以最大限度地 减少对流热损失。导热油循环通过接收器的吸收管时,被反射器会聚的太阳光加热到 以上,若采用合成油则可被加热到;因此长的金属管热膨胀很大, 需通过两个端部的膨胀节来吸收。两个膨胀节由科瓦铁镍钴合金过渡与玻 璃扩散封接,因此接受器的玻璃与金属扩散焊封装接头将受到较大拉应力和交变载荷 的作用白天与黑夜。 图太阳能接收器的结构 . 国外已经投产的太阳能热发电站大多采用如图卜所示的双回路系统:一回路 为吸热回路,工质为导热油;二回路为水一蒸汽回路,工质为水。工作过程为:高温 真空接收器将槽型抛物面聚光器收集到的太阳光由光能转化为热能,加热真空接收器 内流动的工质导热油;导热油一水/蒸汽换热子系统,有三台换热器组成,即预热器、 蒸汽发生器和过热器,导热油在该系统中将热量传递给水,产生过热蒸汽;过热蒸汽 汽轮发电子系统中将热能转化为动能,并产生电能,从汽轮发电机组出来的蒸汽经处 理后,重新回到换热子系统的换热器内循环使用。这种双回路系统结构复杂、效率低、 成本也较高,因此,世界许多科研机构致力于开发单回路槽新型式太阳能热发电系统, 系统,如图卜所示。与 即直接用水作吸热介质的 双回路系统相比,系统省去了换热环节。目前过热蒸汽的工作参数已经达到 第一章绪论 ?、。其中:、真空接收器部分;、蓄热部分;、辅助能源部分;、汽 轮发电部分;、导热油.水/蒸汽换热部分。 图?双回路系统 ? . 图 系统 . 系统的优点:效率高:效率提高的原因是减少了系统在产生蒸汽的过 程中的热损失。系统较双回路系统少了中间换热环节,从而提高了系统的转换 效率。费用低:直接由水产生蒸汽发电所需要的费用相对用油作为介质的电站来 讲费用大为降低,因为在用油作为介质的电站中为了在降低油.水转换环节产生的热 损失需要大量费用,还需要建立火灾防御系统、储油罐等都需要花费大量的资金。另 外省去了许多换热设备,节省了资金。 系统的缺点:为了应对系统所产生的高压以及低流速问题,需要 对系统作出很大的调整。控制系统会比较复杂,且在电站布置以及集热器倾斜角 度方面也会很复杂,而且储存热能会很困难。当沸水流入接收器时,或者接收器 的倾斜率达到边界状态时两相流产生的层流现象发生的机率便会增加,接收器会由于 压力问题发生变形并会引起永久性变形或者会造成玻璃和金属的焊缝破裂。 为了能开发出适用于系统的线聚焦太阳能真空接收器,本课题根 据系 硕士学位论文 统的特点,研究了一种新型太阳能真空接收器,其结构示意图如图和 所示。与直通管式太阳能真空接收器类似,这种应用于系统的新型太阳能接收 器在工作过程中同样由于受到较大拉应力和交变的变载荷作用,并且要保持较高的真 空度,这对接受器的玻璃与金属间的封装提出了很高的要求【】。目前,有关其制造工 艺以及使用后真空度保持时间以及疲劳寿命评价文献报道几乎是空白。因此,接受器 的关键技术就是玻璃与金属高质量封装。 可 料层 阳光入射方向 图 系统板翅式太阳能接收器 .? ? .玻璃和金属常用焊接方法及面临的问题 ..玻璃和金属的钎焊连接 间接钎焊法 间接钎焊法又称为两步法【,首先需要实现玻璃表面的金属化,本文主要是通过 化学镀的方法来实现玻璃表面的金属化,金属化的目的是为了改善非活性钎料对非金 第一章绪论 属的润湿性,另外预金属化还可以用于高温钎焊时保护非金属不发生分解而产生空 洞,然后再进行常规的钎焊,通过玻璃表面的化学镀层、钎料来完成玻璃和金属的钎 焊连接。玻璃表面金属化是其中较为关键的技术。 直接钎焊法 直接钎焊法是指在钎料粉中加入一些活性元素,利用活性元素与玻璃的反应将金 属与玻璃直接钎焊起来,这一方法也称为活性钎焊法。国内外诸多学者的研究结果表 明:利用活性钎料直接钎焊非金属与金属可以获得良好的接头。这种方法是在钎料中 加入过渡元素如、、、等,这些化学活泼性很强的过渡元素,很容易 与非金属产生反应表现出与金属相同的结构,因此可以被融化的金属润湿。活性钎料 可分为低温、中温、高温活性钎料【。 ..玻璃和金属的扩散焊连接 扩散焊连接是一种对同种或异种金属、合金和非全属材料进行连接的工艺过程, 它是在一定的时间范围内,通过加压和加热使接触面之间的原子处于高度激活状态并 相互扩散,在界面处形成金属键或化学键来实现连接的【】。需要连接的表面应该十分 平整和清洁。 高硼硅玻璃和合金.合金是近年来玻璃和金属焊接的常用材料, 其中合金与硼硅玻璃有较为接近的膨胀系数。在玻璃和金属扩散焊连接时,只 有在金属表面上有一层氧化膜与其表面牢固结合,才能形成牢固的接头。在此情况下, 在焊接过程中形成金属原子过渡层,过渡层含有金属离子共价键以及氧原子,它们部 分地与玻璃的组织相连。因此,金属合金预氧化处理并在其表面形成一定厚度的氧化 膜对于整个焊接过程显得尤为关键四。 ..玻璃和金属连接存在的问题 由于玻璃材料和金属原子之间存在本质上的差异,加上玻璃本身特殊的物理化学 性能,因此,玻璃和金属连接还存在不少问题: 玻璃和金属由于热膨胀系数差异很大和钎焊接头界面组织结构的不均匀性, 焊后在接头玻璃侧的边缘处会产生很大的残余应力,严重影响了 接头的强度‘】。如何 准确地测量和计算残余应力的大小和分布是玻璃和金属连接中的一个重要问题。 在玻璃和金属的焊接界面处,由于玻璃与金属在焊接结合界面间存在着原 硕士学位论文 子结构能级的差异,玻璃与金属之间是通过过渡层扩散层或反应层焊合的。两种 材料间的界面焊合反应对接头的形成和性能影响极大‘】。 玻璃材料主要由离子键和共价键结合,表现出非常稳定的电子配对,通过 熔焊使金属与玻璃产生接触通常是不可能,也很难被熔化的钎料所润湿【】,这就需要 根据母材属性和焊接工艺,选择合适的钎料和适当的钎料厚度来提高钎料对玻璃的润 湿性和钎焊接头的强度。 .玻璃与金属封接技术的国内外研究现状 早在十九世纪二十年代,人们就利用铂和软玻璃进行了封接试验【】。随着近代科 学技术的进展,玻璃的封接已经成为电子、仪器仪表、家电、医疗、照明、军工等行 业必不可少的技术,直到今天,玻璃与金属封接技术在太阳能热 力发电中也得到广泛 应用【】。同时,对封接制品的强度、可靠性、气密性要求也日益提高。 ..国外研究现状 二十世纪六十年代用以铁、钴、镍为主要成分的金属合金与玻璃进行封接, 并进行了脱碳试验研究【】。 等人也用以铁、钴、镍成分的合金与玻 璃进行封接,并通过氧化手段在金属表面形成氧化膜,然后与玻璃形成粘接性的熔焊 封接四。前苏联学者等人对玻璃与金属强度进行了初步的设计研究口。同 期问,对主要用在集成电路、电子晶体管等电子封装部件的玻璃.金属封接工艺方 玻璃与 合 法,意大利人和通过金相试验观察了 金的匹配封接接头微观区域,提出了在金属表面进行预氧化的建议【】。 八十年代初期等人通过系统性的研究,提出通过控制炉内气体成分组成的 方法可以提高玻璃与金属的封接性能‘。、和等人提出在氮气环境 中实现玻璃与金属的封接【。美国康奈提格州联合碳化物公司 的两位工作人员,,,成功地在氮气氛围对硼 硅玻璃与可发合金进行了封接,主要应用于电子微电路的封装。 等人通 过控制气体成分来实现金属表面氧化成膜,进而完成玻璃与金属的封接工艺‘。 和对应用在微电子产品条件下的玻璃与金属封装经受瞬间热应力,分别 在有盖和无盖两种情况下进行热力冲击试验,针对两种情况进行评价和比较口。 第一章绪论 等人对玻璃与金属焊接接头低温下的强度进行了理论模型分析‘。到了 、 、 姬等人对 九十年代末期,前苏联学者 玻璃与金属焊接强度又做了进一步研究,并对焊接接头进行了强度试验测试【。等离 子喷涂的方法对玻璃和不锈钢进行焊接,中间层为./..,焊接 温度为。并在空气氛围中进行焊接【】。等人在钼合金对玻璃与金属封 接中的作用作了深入研究,分别讨论了钼丝与硬玻璃匹配封接、钼丝带与石英玻璃进 行软金属封接,分析了含钼氧化物在不同比例下对封接质量的影响‘。.【】 等对陶瓷与铁素体和奥氏体不锈钢进行直接扩散焊接。由于材料之间的相互反 应和扩散,测试分析表明:与铁素体钢之间形成了韧性很好的界面,从而缓和 了与铁素体钢之间的热性能不匹配。而陶瓷与奥氏体不锈钢之间没有形 成韧性层,因而与铁素体不锈钢的连接比奥氏体不锈钢成功得多。为了提高玻 璃与金属封接在电子封装工艺中的密封性能,美国新墨西哥州国家 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 的 等针对玻璃与金属封接进行了有限元分析,并对材料的模型和设计进行了评估 。最后采用不锈钢与 玻璃以及型合金烧针进行焊接,针对在 焊接过程中材料的机械性能发生变化,提出了一些材料和设计方面的优化建议。并且 通过金相显微镜、电子扫面电镜,电子探测微量分析等手段对玻璃预氧化 面、金属断面、焊接界面等方面进行微观分析。 近年来,德国的和以色列的两大公司制造了应用于太阳能热力发电 中的太阳能真空吸收管,已经批量投入实际生产当中。两公司的玻璃与金属的焊接技 术也满足太阳能发电中太阳光真空吸收管的工作性能要求,但是其核心技术并没有对 外公开,文献中也鲜有相关报道【。 ..国内研究现状 上个世纪的九十年代初期,中国科学院上海硅酸盐研究所的马英仁先生对封接玻 璃的要求及适于封接的金属、玻璃封接的条件及金属的氧化、影响玻璃封接的因素等 方面做了多方面的阐述【】。汪建华等阳采用三维热弹塑性有限元法对焊接过程中的 动态应力应变及焊后残余应力和变形进行了数值模拟,探讨了影响三维焊接热弹塑性 有限元分析精度和收敛性的因素,同时对三维瞬态焊接温度场进行了有限元模拟与计 算,认为焊接温度场均属于典型的非线性瞬态热传导问题。 硕士学位论父 胡忠武等人发表学术论文介绍氧化膜对玻璃一合金封接的影响‘。他们认 为常规的玻璃与金属封接的机理就是依靠金属表面生成的金属氧化物在牢固地附着 在金属表面的同时,又能溶解到熔化的玻璃中,在金属氧化层与玻璃之间形成一个成 分渐变的过渡层,该过渡层把玻璃和金属氧化层紧紧地粘结在一起,实现玻璃和金属 的封接。对可发合金待焊接表面进行预氧化处理后,其表面氧化膜主要由铁的氧化物 组成‘引,从内到外依次是、、,其中和结构致密且与玻 璃和金属结合紧密,能使封接致密,而的结构疏松,粘附性差,封接后容易 漏气【,故而认为氧化膜的厚度、氧化膜中不同氧化物的比率等均对封接件质量 产生影响,特别是氧化膜的厚度对封接件的透气率、强度等有着至关重要的作用。当 氧化膜过薄时,封接时氧化层完全熔于玻璃,造成玻璃与金属基体表面的直接封接, 使封接强度下降;氧化膜过厚,造成金属表面残留较厚的氧化膜,封接件易发生漏气 现象,影响其气密性?。 孟庆森教授在玻璃与金属阳极键合技术做了相关研究,主要方向是金属与硼硅玻 璃场致扩散连接形成机理研究。利用金属导电性好,强度高等特点,通过阳极键合方 法对玻璃与金属进行连接己广泛应用于传感器的装配、密封及包装‘。陈铮和董师润 在玻璃与合金电场辅助阳极连接时紧密接触面积扩大过程的动力学方面作了 一定的研究【。他们的研究与孟庆森教授的研究皆属于同一类型,即场致扩散连接 . 。作为金属.陶瓷在静电场中固相热扩散连接 的一种特殊方法,具有温度低、压力低、快速和简便等工艺特点。沈卓身教授等人发 表文献,阐述了高温湿氢脱碳对玻璃.金属封接质量的影响、可伐合金在模拟现场 和二元气氛下的氧化行为,他们在金属.玻璃封接中可伐合金的氧化研究等 方面也做了初步的研究和探讨【。 中国科学院电工研究所的雷东强等人发表文献,阐述了利用解析法和有限元软件 分别计算和模拟分析了玻璃和金属搭接长度、玻璃和金属焊接接头形式、 母材厚度等影响因素对玻璃和金属焊接残余应力的影响。并运用光弹性法测量了焊接 试件内部的残余应力,其结果与解析法计算得到和有限元软件数 值模拟得 到的残余应力结果相吻合‘棚。 总结国内外研究现状和发表的相关文献报道可知,目前玻璃与金属封装研究是针 第一章绪论 对电子封装的,对接头抗拉强度和疲劳性能要求比太阳光真空接受器低。而且封接工 艺大多并没有在真空中进行,而是在空气和氮气中。在空气中,仅是对可伐合金铁镍 钴采用预氧化或等离子喷涂,在扩散界面上形成过渡层,这种界面含有金属化合物的 封接接头的抗拉强度比较低。因此,现有已报道的玻璃与金属封装技术无法满足抛物 面槽式太阳能热发电中太阳能接受器的要求。 总之,在真空中实现玻璃与金属焊接封装的相关技术文献鲜有报道,对封装接头 的抗拉强度、疲劳强度、寿命评价、真空度保持时间的研究几乎是空白,对焊接冷却 后接头残余应力的有限元模拟和测量研究也不深入,对焊接接头微观组织与焊接接头 宏观力学性能之间的联系研究也比较少。 .本文主要研究内容 本文设计一种新型高温真空接收器模型,其能够应用于采用了技术的槽式 热发电系统。与直通式高温真空集热管一样,这种新型接收器工作在聚光环境中,在 高温、高压下,玻璃和金属的封接处承受着较大拉应力和交变的变载荷作用,为了优 化新型接收器结构,有效降低玻璃和金属封接接头的残余应力,本文的具体研究工作 如下: 玻璃与金属真空钎焊影响参数及系统板翅式太阳能接受器钎焊残余应 力的有限元分析 运用有限元软件,以热弹塑性理论为基础,采用二维简化模型分析平 板玻璃和金属在真空钎焊条件下的残余应力分布,讨论玻璃、金属、钎料厚度,钎焊 压力和钎焊温度等因素对应力集中区域残余应力的影响。通过建立系统板翅式 太阳能接收器三维模型,进一步分析对模型抽真空处理后,焊缝和玻璃板上的残余应 力分布情况。 系统板翅式太阳能接收器结构设计及母材真空钎焊前处理工艺 的改进 根据系统太阳能真空接收器的结构形式,优化设计接收器的结构尺寸,特 别是在接收器内部增加翅片结构,可以提高接收器的吸热效率。对比以前的钎焊材料 前处理工艺,对钎焊材料前处理工艺进行适当的改进。 系统板翅式太阳能接收器真空钎焊及接头实验研究 硕士学位论文 进行系统板翅式太阳能接收器真空钎焊实验,通过对接收器模型抽真空试 验,检测不同钎料厚度所焊接形成的硼硅玻璃和可伐合金钎焊接头的气密性,利用金 相显微镜、扫描电子显微镜、射线能谱仪等仪器,观察钎料厚度为 的钎缝 微观组织形态结构,分析微观组织成分,研究母材与钎料之间对钎缝性能有重要影响 的元素的扩散规律。 .本文课题来源 本文课题来源于国家自然科学基金项目,项目名称:玻璃/金属真空扩散焊封装 接头力学性能及封装工艺参数优化,项目编号:。本文课题研究也 得到了江 苏省高新技术研究基金项目资助,项目名称:玻璃与金属真空扩 散焊接封装技术研究 及在抛物面槽式太阳能热发电中的应用,项目编号:。 参考文献 . , , , , 【/.://../.,. 】马重芳,底冰,吴玉庭.可再生能源应用的重要领域川.中国能 源,,: ,. .一 , , , 】 . , . ,, . , , 【】 . . ,: 】申希海.玻璃与金属钎焊工艺及其接头性能研究】:南京:南京 工业大学,. 【】王军,张耀明,刘德有等.槽式太阳能热发电技术【】.太阳能,,: ~. 】张文进,孙利国,刘晓晖等.太阳能热发电技术现状与前景【】.太阳能,,: . ., , 】 .,:. 【】邹家生.材料连接原理与工艺【】.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,. 【】赵越等.钎焊技术及应用】.北京:化学工业出版社出版,. 第一章绪论 】.由.卡扎柯夫前苏联】.材料的扩散焊接】.何康生,孙国俊.北京:国防工业 出版社,. . , ,:. . ., . .,,: 【】李亚江,王娟,刘鹏.异种难焊材料的焊接及应用】.北京:化学工业出版社, . 】张永清,赵彭生.利用化学镀实现陶瓷与金属的连接】.焊接技术,, :. 马英仁.封接玻璃一对玻璃的要求及适于封接的金属叨.玻璃与搪瓷,, :. 】沈长治.太阳‘匕全玻璃真空集热管用玻璃.太阳能学报,,:.. ? 【】,.. ..,,:. .?】 , ,:. . ,,. . ., ,:. .? 】 】. ,,: ,?. ? , , . ?. , , .:,?. , 】 , . ?? . ,,:. ? 】 , .,:. . ,.【】 阴. ,:. 【】,. . ,, :. 硕士学位论文】 . , ,:.. 【】 , , , ?? . , :., , 】 .. . ,: . 】. ? . ,,:. 】 , . :. . ,】 . ? .: , ,, . .. . 【】 , ? . ,, . : 【凌祥,朱跃钊.玻璃与金属真空扩散焊接封装技术研究及在抛 物面槽式太阳能 热发电中的应用】.,江苏南京:南京工业大学,. 马英仁.封接玻璃??对玻璃的要求及适于封接的金属【】.玻璃与 搪瓷,, :. 】汪建华.管板接头三维焊接变形的有限元模拟】.焊接学报,,:. 】胡忠武,王警卫,杨清海等.氧化膜对玻璃.合金封接的影响】. 稀有金属 材料与工程,,:. 】郑昌琼.草酸盐共沉淀法制备优质锰锌铁氧体微细粉末的热力学分析】.稀有 金属,,:. 【朱裕贞.工科无机化学第二版【】.上海:华东理工大学出版社,. 【】肖湘泉.软磁铁氧体纳米粉末的烧结特性【】.磁性材料及器件,, :~. 】胡忠武,王警卫,杨清海.玻璃一金属封接技术【】.电源技术,,: . 气第一章绪论 】孟庆森,俞萍,张丽娜.金属与硼硅玻璃场致扩散连接形成机理.焊接学报, ,:. 【】陈铮,董师润.玻璃与合金电场辅助阳极连接时紧密接触面积扩大过程的 动力学【】.金属学报,,:. 【】穆道斌,程辉等.金属.玻璃封接中可伐合金的氧化研究们.材料与表面处 理,,:.. ? 】 , . . .,:. 【】 , ?? . , . .;:.?. ,. .,:. 硕士学位论文 第二章玻璃与金属真空钎焊影响参数及板翅式接受器的有限 元分析 .引言 在玻璃和金属真空钎焊过程中,由于母材之间以及钎料与母材之问材料膨胀系数 的差异以及钎焊过程中夹具载荷的约束影响,在钎焊过程尤其是从钎焊温度到室温的 冷却过程,钎焊接头将不可避免产生残余应力,严重影响结构的强度,甚至造成钎焊 接头失效。因此,为了准确地了解玻璃和金属真空钎焊接头中残余应力的大小和分布 规律以便调控残余应力和减少变形已经成为保证钎焊结构可靠性的一个重要课题?。 玻璃和金属真空钎焊时,为了得到优良的钎焊接头,关键条件是使熔化后的液态 钎料能充分地流入并且致密地充满钎焊间隙,并且能够与母材很好地进行物理化学作 用,形成新的合金,在冷凝后得到合乎要求的钎焊接头。本章以热弹塑性理论为基础, 应用顺次耦合有限元热应力计算方法,通过有限元分析软件对平板玻璃和 金属在真空条件下的钎焊过程进行了数值模拟,分析了玻璃、金属、钎料厚度,钎焊 压力和钎焊温度等因素对应力集中区域残余应力的影响,并在以上钎焊工艺参数优化 的基础上,进一步模拟分析了系统板翅式太阳能接收器钎焊封接抽真空后,焊 缝和玻璃板上的残余应力分布情况,为后续章节中焊接试验的结构设计工作提供了理 论基础。 .玻璃与金属真空钎焊残余应力热弹塑性有限元法 本文应用顺次耦合有限元热应力计算方法,先进行钎焊传热分析,得到结构的瞬 态温度场,然后将各节点温度场计算结果作为载荷输出到结果文件,进行钎焊变形和 残余应力分析。热弹塑性本构模型的有限元法可以模拟整个钎焊过程中的动态应力和 变形,不仅可得到结构的焊接变形,而且可以分析焊后残余应力,同时还可以考虑各 种钎焊工艺参数、边界条件等因素的影响【,。 ..钎焊热弹塑性分析基本假设 在进行钎焊热弹塑性分析之前,做如下基本假设: 第二章玻璃与金属真空钎焊影响参数及板翅式接收器的有限元分析 材料的屈服服从.屈服准则; 塑性区内的行为服从塑性流动和强化准则; 弹性应变、塑性应变与温度是可分的; 与温度有关的力学性能和应力应变在微小的时间增量内线性变化。 不考虑液态钎料的毛细流动行为; 不考虑钎料与母材之间元素扩散行为的影响。因为钎料与母材之间所发生 的是多元扩散行为,元素扩散规律复杂,难以总结出其对残余应力的影响规律。 ..钎焊热弹塑性分析基本理论“ 材料处于弹性或塑性状态的应力应变关系为: 【】如一刀 式甲: 】为弹性或塑住矩阵;为满足相答条件向严生的应焚增量;为与温 度有关的向量。 在弹性区: 【】【】。 卜【】“小簪四 此时::驯。如【。缸堕等兰盯刀,式中:口为线膨胀系数;丁 』 为温度。 在塑性区,设材料的屈服条件为: /盯 式中:/为屈服函数;为与温度和塑性应变有关的屈服应力的函 数。 根据塑性流动法则,塑性应变增量如可表示为: 七允三 , 硕士学位论文 航?吐】帆六斟】/ 印【咄口簪渺。】。七五/ 盯【。】印旯岳。】印七骂笋四【吼,盟、盟、旧刀 式中:善例。善参’羔;塑性区的卸载由旯值判肌五。时为 卸载过程,五时为加载过程,旯时为中性过程。 考虑结构的某一单元,有如下平衡方程: 州四。【川州 . 式中:卵为单元节点力的增量:积。为温度引起的单元初应变等效 节点力增量: 【为单元刚度矩阵,可表示为; 汹为节点位移增量; 】。肌】 ? ? 搬』『别 ? 式中:刎为联系单元中应变向量与节点位移向量的矩阵。根据单元处于弹性或塑性 区,分别用】。、或】甲、】甲代替上式中的】、】,形成单元刚度矩阵和 等效节点载荷,然后集成总刚度矩阵【,总载荷向量订,求得整个构件平衡方程 组: 其中【】?卵积。 .玻璃与金属真空钎焊残余应力的影响参数分析 ..材料参数 为了减小玻璃与金属封接过程中所产生的残余应力,实验中所用的材料是可伐合 第二章玻璃与金属真空钎焊影响参数及板翅式接收器的有限元分析 金和高硼硅.玻璃,两者具有相近的热膨胀系数,是玻璃和金属封接的常用 材料。此外,选取非晶态铜基钎料.?作为真空焊接钎料,其内部的原子排 列基本上保留了液态金属的结构状态即长程无序、短程有序,使其具有优异的物理性 能和机械性能【。表给出了模拟过程中所用到的材料物理性质参数。 .. 网格划分 为了减少计算量,缩短计算时间,本章节利用有限元软件建立了玻璃 和金属真空钎焊平板接头的二维有限元模型,如图.所示。模型的几何尺寸分别为 可伐合金 ,高硼硅玻璃 ,搭接长度。考虑到焊接接头 处最大残余应力往往出现在焊缝和靠近焊缝的母材一侧,因此有限元模型在沿焊缝方 向网格划分均匀,在垂直于焊缝方向网格划分呈阶梯状,以提高计算效率。 表有限元模型计算中所用到的材料属性 硕士学位论文 图一玻璃/金属钎焊连接件结构二维有限?网格 . /..边界条件 施加在有限元模型上的边界条件有两种:位移边界条件,施加在硼硅玻璃的 下表面的各个节点上:,,其余各点:卜;载荷边界条件,均匀施加 在可伐合金的上表面上。 .计算结果与讨论 在冷却过程中,由于焊接材料的热膨胀系数和弹性模量的相差较大,玻璃又是脆 性材料,因此在靠近焊缝的玻璃一侧往往容易产生较大的残余应力,出现细微裂纹, 严重影响接头的强度。为了分析这一区域的应力状态,本文在靠近焊缝的玻璃一侧选 取参考路径进行应力分析,如图.所示,其中:横向应力盯表示沿轴 方向的应力;纵向应力表示沿】,轴方向的应力;剪切应力表示平 面的应力。 ..玻璃和金属厚度对钎焊接头残余应力的影响 母材厚度是影响焊接接头残余应力的重要因素之一,改变母材厚度会使接头处残 余应力的大小发生明显变化。在其它焊接条件不变的情况下,本文模拟了不同的金属 和玻璃厚度对接头残余应力的影响,其模拟结果如图.所示,路径 上的最大横 向应力盯缸值受玻璃厚度变化的影响不大,但是随金属厚度增加而明显增大,如图 所示。最大纵向应力缸值随玻璃和金属厚度增加而增大,但是随金属厚度增加, 其变化更显著,如图所示。最大剪切应力?戤值随玻璃厚度的增加而减小,随金 第二章玻璃与金属真空钎焊影响参数及板翅式接收器的有限元分析 属厚度的增加而明显增大,如图所示。总之,金属厚度对接头残余应力的影响比玻 璃的大得多,随金属的厚度的增加,焊接残余应力明显增大,因此在保证机械强度的 情况下,应尽量使焊接金属薄一些,金属越厚越不容易通过金属的变形来释放残余应 力【。 硕士学位论文图母材厚度对残余应力的影响 . ..钎焊压力对钎焊接头残余应力的影响 相关研究表明‘,在钎焊接头表面施加压力会降低残余应力。因此,模拟过程中 通过在有限元模型的可伐合金上表面施加均匀分布的压力,来讨 论压力对钎焊接头残 余应力的影响。在其它焊接条件不变的情况下,图.分别给出了在、、、 压力作用下沿路径的残余应力分布规律。由图可知,随着钎焊压力的增加,残余 应力的分布规律不变,纵向应力有明显降低,而横向应力盯和剪切应力变化 不明显。这是因为施加的压力与纵向应力的方向相反,抵消了部分纵向拉伸残余 应力,但压力对横向应力盯和剪切应力的影响不大。对钎焊接头施加均匀分布的 压力,不仅可以降低接头的残余应力,而且还可以避免钎焊元件的错位,促进钎料元 素的扩散,提高钎焊接头的强度【】。各个应力分量在距离点.处达到最大值, 这是由于母材之间以及母材与钎料之间线膨胀系数相差较大,在冷却过程中三者的变 形不一致,焊接残余应力不能充分释放,造成各应力分量值在此处达到最大。 第二章玻璃与金属真空钎焊影响参数及板翅式接收器的有限元分析 ? 正 乏 、, 母 也 至 、, 纣 正 乏 、, 图.钎焊压力对残余应力的影响.硕士学位论文 ..钎焊温度对钎焊接头残余应力的影响 钎焊温度是真空钎焊过程最重要的工艺参数之一。在钎焊温度下,钎料熔化后通 过毛细作用填满接头间隙,并且与母材相互作用。钎焊温度应适当的高于钎料熔点, 通常定为比钎料的液相线温度高~。。依据所选用的..钎料熔化温 度,再结合玻璃和金属的物理属性,钎焊温度存在一个能使钎焊接头性能达到最优的 最佳值。在达到最佳钎焊温度前,随着钎焊温度的逐渐提高,初期界面合金层对接头 强度的增强作用大于钎缝成分偏析或组织粗大对接头强度的削弱作用,使接头的强度 得到逐渐地提高;超过最佳钎焊温度后,随着钎焊温度的逐渐提高,界面合金对接头 强度的增大作用就小于钎缝成分偏析或组织粗大对接头强度的削弱作用,则使接头的 强度开始下降【 。在其它焊接条件不变的情况下,图.给出了在、、和 ?钎焊温度下钎焊接头残余应力分布,随着钎焊温度的升高,残余应力的分布规 律基本不变,路径上的横向应力盯明显减小,纵向应力和切向应力铀变化 不明显,这可能是由于随着钎焊温度的升高,改善了液态钎料的润湿和填缝作用,并 使钎料与母材的元素能充分相互扩散和作用,进而降低了焊接材料之间的不匹配性。 第二章玻璃与金属真空钎焊影响参数及板翅式接收器的有限元分析 ’ 图钎焊温度对残余应力的影响...钎料厚度对钎焊接头残余应力的影响 在其它焊接条件不变的情况下,图.给出了钎料厚度分别为、、 和.时路径的残余应力分布。从图中可以看出,随着钎料厚度的增 大,残余应力分布规律基本不变,应力大小变化也很小,钎料厚度对残余应力的影响 不大。 硕士学位论文 ? 兰 一? 茎 、一 搿? 乱 至 、,图.钎料厚度对残余应力的影响. 第二章玻璃与金属真空钎焊影响参数及板翅式接收器的有限元分析 . 系统板翅式太阳能接收器钎焊残余应力的数值模拟 为了进一步研究系统板翅式太阳能接收器玻璃与金属钎焊残余应力的大小 和分布状况,使模拟结果更接近实际情况,在上一节的研究基础之上,本节通过建立 的钎焊接头三维有限元模型,模拟了高硼硅.玻璃/../可伐合金在真 空条件下的焊接过程和对模型的抽真空处理,对特定路径上的计算结果进行了分析。 模拟过程中所用到的焊接材料的属性如表.所示,其中翅片材料为不锈钢。 ..网格的划分 系统板翅式太阳能接受器三维模型的建模和网格划分比较复杂,本文根据 其结构对称的特点,建立了四分之一的结构模型,如图所示,几何尺寸如图. 所示。由于钎焊接头区域存在较大的应力梯度,是有限元分析的重点,因此对此区域 的网格进行细分,而对远离此区域的大部分母材放大网格单元尺寸,以提高计算效率。 圃 图 系统太阳能接受器三维有限元模型 ? . 硕士学位论文 图.模型几何尺寸 . ..边界条件 本小节对系统板翅式太阳能接收器真空钎焊残余应力的模拟过程分为两个 阶段:模型钎焊阶段,模型抽真空阶段。因此在不同的模拟阶段,对模型所 施加的载荷也不同。施加在模型上的对称和位移边界条件有:施加在面各个节 点上们凇咖,施加在面各个节点上沈嗽獬,施加在 面各个节点上仍:;施加在模型上的载荷边界条件有:模型钎焊阶段, 施加在硼硅玻璃下表面的载荷为,模型抽真空阶段,施加在硼硅玻璃下 表面的载荷为.。模型中的翅片结构与硼硅玻璃是接触的,因此有必要在翅 片与硼硅玻璃相接触的部位创建接触条件,共创建个接触对。 .计算结果与讨论 对系统板翅式太阳能接收器三维有限元模型进行钎焊和抽真空模拟之后, 其应力分布云图如图.所示。通过观察可知,钎焊接头区域残余应力梯度变化较大, 为了更好的了解此区域的残余应力分布状况,作出如图所示的两条参考路径: 位于焊缝中心位置,贯穿于焊接母材和焊缝的中心位置。其中:表示沿 轴方向的应力;表示沿轴方向的应力;表示沿轴方向的应力。 第二章玻璃与金属真空钎焊影响参数及板翅式接收器的有限元分析 图. 系统太阳能接受器钎焊残余应力分布 .通过观察图各个应力分量的应力分布云图可知,瓜】,和轴方向的最大应 力值都出现在可伐合金封条的弯角处,这是因为该处的几何结构发生突变,容易引起 应力集中。同时考虑到计算模型是整个模型的四分之一对称结构,在可伐合金封条和 焊缝中部,轴方向的应力值也比较大,焊缝处在】,轴方向也存在较大的应力值,并 且】,轴方向的应力均是拉伸应力。当对模型抽真空模拟后,其下部的硼硅玻璃板 在瓜】,和轴三个方向均受到压应力的作用,可以判定模型内部处于真空状态时, 硼硅玻璃板不会破裂,这一结论也会通过下一章对接收器抽真空试验验证得到。 图和图.分别是参考路径和的钎焊残余应力分布情况。图所示 位于焊缝中心位置路径上瓜和轴三个方向的应力具有相似的分布规律,随 着距离的增大应力急剧增大,增大到一到范围后变化不再明显,这是由于硼硅玻璃、 可伐合金和钎料膨胀系数不匹配,在冷却阶段三者变形不一致引起的。瓜】,轴方向 硕士学位论文 的应力绝大部分都是拉伸应力,并且在焊缝中部达到最大值盯“为., 为.,轴方向的应力是压应力,对焊缝强度的影响很小。在路径上,瓜 】,方向的应力远大于轴方向的应力,接近钎料常温下的屈服强度, 对焊缝强度的影 响较大。 图路径的残余应力分布 . 羽 正 至 、, ‘ 疗 巴 ? 图.路径的残余应力分布 .? 轴方向的应 路径上的钎焊残余应力分布状况如图.所示,焊缝两侧 力梯度出现急剧变化,由靠近焊缝可伐合金一侧的拉伸应力变为 靠近焊缝硼硅玻璃一 第二章玻璃与金属真空钎焊影响参数及板翅式接收器的有限元 分析 侧的压应力,并且由图中可以看出钎缝对】,轴方向的应力有一定 的缓解释放作用, 焊缝中瓜】,轴方向的应力最大值分别为盯和眈.,大于路径 上的应力最大值,轴方向上的应力值很小,对焊缝强度的影响可以忽略。 .本章小结 本章运用有限元软件,以热弹塑性理论为基础,采用二维简化模型分 析了平板玻璃和金属在真空条件下的钎焊残余应力分布,讨论了玻璃、金属、钎料厚 度,钎焊压力和钎焊温度等因素对应力集中区域残余应力的影响。通过建立的 系统板翅式太阳能接收器三维模型,进一步分析了对模型抽真空处理后,焊缝和玻璃 板上的残余应力分布情况,得出以下结论: 残余应力随金属厚度增加而增大,随玻璃厚度变化不明显,金属厚度对残 余应力影响最大;钎焊压力和和钎焊温度的增加可以显著降低残余应力,但玻璃和钎 料厚度的变化对残余应力的影响不明显。 对系统板翅式太阳能接收器三维模型抽真空模拟发现,焊缝中心位置 的路径上,在瓜】,轴方向存在较大的拉伸应力,最大应力值:盯 为., 为., 轴方向的应力值很小可以忽略;贯穿于焊接母材和焊缝中心位置 的路径上,瓜】,轴方向的拉伸应力梯度出现急剧变化,最大应力值:盯为, 为.,大于路径上的应力最大值;硼硅玻璃板在瓜】,和轴三个方向 均受到压应力的作用,可以判定模型内部处于真空状态时,硼硅玻璃板不会破裂。 参考文献 . ...,,:. ,. ,,:. 吴昌忠,陈静,陈怀宁等.金属/陶瓷发热体直接钎焊接头的应力分析阴.焊接学 报,,:. . 】 写 硕士学位论文 。 . ,,?:. , 【 .. ,,:. 】董志波,魏艳红,刘仁培.不锈钢焊接温度场的三维数值模拟】. 焊接学报,, . : 】刘宏,郭荣新.非晶态铜基无银钎焊料的应用试验研究.山东轻 工业学院学报, ,:..【, ? . ,.;:.. 【】 , . ,: ?. 【】蒋文春.不锈钢板翅结构板翅式高温钎焊及其强度的研究】: 南京:南京工 业大学,. ./ 【 , ? . . ,,:. 】崔岩,邹家平,朱晓刚,等.钎焊工艺参数对钎缝组织性能影响的研究.装备 . 制造技术,,:? 第三章系统板翅式接收器结构设计及母材真空钎焊前处理工艺的改进 第三章系统板翅式接收器结构设计及母材真空钎焊前处 理工艺的改进 .引言 槽式发电是最早实现商业化的聚焦型太阳能热发电系统 ,简称。在槽式太阳能热发电系统中,直接用水作为吸热介质的 技术具有降低成本、提高效率等诸多优点,因而近年来引起许多 学者的关注,并做了大量的研究和实践,但在集热管中气、液两相流增加了系统的不 稳定性,因而此项技术目前仍处于试验阶段【】。结合系统板翅式太阳能接收器 特点及上一章玻璃和金属真空钎焊残余应力影响参数分析结果,本章节设计了一种运 用于系统的板翅式太阳能接收器,其结构形式不同于传统管状太阳能真空接收 器,并且选用了可伐合金、高硼硅.玻璃和型不锈钢翅片焊接制作 出了实物模型,为后续进一步实验研究做准备。 . 系统板翅式太阳能接收器结构设计 由于系统板翅式太阳能接收器工作在中高温工况,因此对材料选择就很关 键,特别是为适合现有设备加工制作,就成为选择相关材料的重要依据。 ..封接玻璃材料的选择 系统板翅式太阳能接收器对封接玻璃的主要要求是: 耐高温特性:系统板翅式太阳能接收器中的玻璃要承受来自两方面的 热辐射,一是来自聚焦装置的热辐射,当聚焦比和太阳辐射度都足够大时,经聚焦反 射的聚光热能首先集中到玻璃板上,其次是金属管产生的热辐射也将直接辐照到玻璃 板上,因此要求玻璃板必须能够承受不低于的高温。目前太阳能集热管使用的 高硼硅.玻璃的退火温度为。,软化温度为,因此能够满足要求。 有较低的线膨胀系数:系统板翅式太阳能接收器由于涉及玻璃与金属 封接,要求玻璃管的线膨胀系数应与金属尽可能一致或接近,高硼硅.玻璃在 至。的热温区间,线膨胀系数为.×。?,要选择与高硼硅.玻璃线 膨胀系