Proceso de sellado optimizado y monitoreo en tiempo real de estructuras de sello de vidrio a metal
Summary
Los procedimientos clave para optimizar el proceso de sellado y lograr la monitorización en tiempo real de la estructura de sellado de metal a vidrio (MTGS) se describen en detalle. El sensor de rejilla Bragg de fibra integrada (FBG) está diseñado para lograr la monitorización en línea de la temperatura y la tensión residual de alto nivel en el MTGS con monitoreo simultáneo de la presión ambiental.
Abstract
El estrés residual es un factor esencial para mantener la hermetencia y robustez de una estructura de sello de vidrio a metal. El propósito de este informe es demostrar un protocolo novedoso para caracterizar y medir el estrés residual en una estructura de sello de vidrio a metal sin destruir el aislamiento y la hermetencia de los materiales de sellado. En esta investigación, se utiliza un sensor de rejilla Bragg de fibra inscrita con láser femto. La estructura de sello de vidrio a metal que se mide consiste en una cáscara de metal, vidrio de sellado y conductor de Kovar. Para que las mediciones valga la pena, se explora el tratamiento térmico específico de la estructura de sellado de metal a vidrio (MTGS) para obtener el modelo con la mejor hermetidad. A continuación, el sensor FBG se incrusta en el camino del vidrio de sellado y se fusiona bien con el vidrio a medida que la temperatura se enfría a RT. La longitud de onda Bragg de FBG cambia con la tensión residual generada en el sellado del vidrio. Para calcular la tensión residual, se aplica la relación entre el desplazamiento de la longitud de onda de Bragg y la deformación unitaria, y el método de elemento finito también se utiliza para hacer que los resultados sean fiables. Los experimentos de monitoreo en línea de tensión residual en vidrio de sellado se llevan a cabo a diferentes cargas, tales como alta temperatura y alta presión, para ampliar las funciones de este protocolo en entornos hostiles.
Introduction
El sellado de metal a vidrio es una tecnología sofisticada que combina conocimientos interdisciplinarios (es decir, mecánica, materiales e ingeniería eléctrica) y se aplica ampliamente en aplicaciones aeroespaciales1,energía nuclear2y biomédicas 3.Tiene ventajas únicas como mayor resistencia a la temperatura y a la presión en comparación con las estructuras de sellado de material orgánico. De acuerdo con la diferencia de coeficiente de expansión térmica (CTE), MTGS se puede dividir en dos tipos: sello emparejado y sello no coincidente4. En cuanto al sello emparejado, el CTEde metal (metal) y el vidrio de sellado (vidrio) son casi los mismos para reducir la tensión térmica en los materiales de sellado. Sin embargo, para mantener una buena hermetencia y robustez mecánica de la estructura del sello en entornos hostiles (es decir, alta temperatura y alta presión), el sello no coincidente muestra un mejor rendimiento que el sello emparejado. Debido a la diferencia entre elmetal y elvidrio,la tensión residual genera en el sellado del vidrio después del proceso de recocido de la estructura MTGS. Si la tensión residual es demasiado grande (incluso superando el valor umbral), el vidrio de sellado muestra pequeños defectos, como grietas. Si la tensión residual es demasiado pequeña, el vidrio de sellado pierde su hermeticidad. Como resultado, el valor de la tensión residual es una medida importante.
El análisis del estrés residual en las estructuras de MTGS ha despertado los intereses de investigación de muchos grupos de todo el mundo. El modelo numérico de tensión axial y radial se construyó sobre la base de la teoría de vaciado delgado5. El método de elementos finitos se aplicó para obtener la distribución de tensión global de una estructura MTGS después del proceso de recocido, que fue consistente con los resultados experimentales6,7. Sin embargo, debido a las limitaciones que implican un tamaño pequeño y interferencia electromagnética, muchos sensores avanzados no son adecuados para estas circunstancias. El método de longitud de grieta de sangría se informó para medir la tensión residual en el material de sellado de MTG; sin embargo, este método era destructivo y no podía lograr un monitoreo en línea en tiempo real de los cambios de tensión en el vidrio.
Los sensores de rejilla de fibra bragg (FBG) son de tamaño pequeño (100 m) y son resistentes a interferencias electromagnéticas y entornos hostiles8. Además, los componentes de la fibra sonsimilares a los del vidrio de sellado (SiO 2), por lo que los sensores FBG no tienen efectos en la hermética y el aislamiento del material de sellado. Los sensores FBG se han aplicado ala medición de tensión residual en estructuras compuestas 9,10,11,y los resultados mostraron una buena precisión de medición y respuesta de la señal. Las mediciones simultáneas de temperatura y tensión pueden lograrse mediante matrices de rejilla Bragg de fibra en una fibra óptica12,13.
En este estudio se muestra un protocolo novedoso basado en un sensor FBG. La preparación adecuada para la estructura especial de MTGS se ha explorado ajustando la temperatura máxima de calor para garantizar la buena hermetencia de la estructura MTGS. El sensor FBG está integrado en la ruta preparada del vidrio de sellado para fusionar el FBG y el vidrio después del tratamiento térmico. A continuación, la tensión residual se puede obtener mediante el desplazamiento de longitud de onda Bragg del FBG. La estructura MTGS con el sensor FBG se coloca bajo ambientes de alta temperatura y alta presión para lograr la supervisión en línea de la tensión residual bajo cargas cambiantes. En este estudio, se describen los pasos detallados para producir una estructura MTS con un sensor FBG. Los resultados muestran la viabilidad de este novedoso protocolo y sentan las bases para el diagnóstico de fallos de una estructura de MTGS.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los pasos críticos para la medición de la tensión del material de sellado de la estructura MTGS a alta temperatura y alta presión incluyen 1) la fabricación de los modelos MTGS con el sensor FBG, de los cuales la región de rejilla se encuentra en el medio del vidrio de sellado; 2) calentamiento de todo el modelo utilizando un proceso de tratamiento térmico estándar, y después de que el modelo se enfríe a RT, el sensor FBG se fusionará bien con el modelo MTGS, y la tensión residual se puede medir por el cambio…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo ha sido apoyado por el Proyecto Mayor Nacional de S&T de China (ZX069).
Materials
| ABAQUS | Dassault SIMULA | ABAQUS6.14-5 | The software to carry out numerical simulation. |
| Fiber Bragg grating sensors | Femto Fiber Tec | FFT.FBG.S.00.02 Single | apodized FBG |
| Fusion splicer | Furukawa Information Technologies and Telecommunications | S123M12 | FITEL's line of fusion splicers provides an excellent solution for both field and factory splicing applications。 |
| Glass powder | Shenzhen Sialom Advanced Materials Co.,Ltd | LC-1 | A kind of low melting-point glass powder (380℃). |
| Graphite mold | Machining workshop of Tsinghua University | Graphite | The mold to locate each part of the metal-to-glass structure. |
| Heating furnace | Tianjin Zhonghuan Electric Furnace Technology Co., Ltd | SK-G08123-L | vertical tubular furnace |
| Kovar conductor | Shenzhen Thaistone Technology Co., Ltd | 4J29 | A common material used for the electrical penetration in the metal-to-glass seal structure |
| Optical interrogator | Wuhan Gaussian Optics CO.,LTD | OPM-T400 | FBG spectrum analysis modules |
| Pro/Engineer | Parametric Technology Corporation | PROE5.0 | The software to establish the 3D geometry. |
| Steel shell | Beijing Xiongchuan Technology Co., Ltd | 316 stainless steel | A kind of austenitic stainless steel |
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