Finite Element Analysis and Sealing Improvement Research on Laser Sealing Welding of Crystal Cover Relay

WEI Mingzhang; CHEN Junfeng; WANG Mingwen; LAI Yefang

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2025.09.14

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Finite Element Analysis and Sealing Improvement Research on Laser Sealing Welding of Crystal Cover Relay
Vol. 55, Issue 9, Pages: 134-144(2025)
Received：31 May 2024，

Revised：2024-11-20，

Published：20 September 2025
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.09.14
稿件说明：

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韦明彰，陈俊峰，王明文，等.晶体罩继电器激光密封焊有限元分析与密封性提升研究［J］.电焊机，2025，55（9）：134-144. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.09.14.

WEI Mingzhang, CHEN Junfeng, WANG Mingwen, et al.Finite Element Analysis and Sealing Improvement Research on Laser Sealing Welding of Crystal Cover Relay[J].Electric Welding Machine, 2025, 55(9): 134-144. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.09.14.

摘要

晶体罩继电器在激光密封焊生产过程中存在玻璃绝缘子与底板封接界面的泄漏问题，严重影响继电器密封性能及长期可靠性。本文建立了继电器激光密封焊三维有限元模型，采用高斯面热源与三维倒锥体热源组合模式模拟焊缝形貌，并通过热成像实验验证模型的准确性。仿真结果表明：原激光密封焊工艺（平均功率200 W，频率80 Hz）导致玻璃绝缘子封接界面峰值拉应力（73~107 MPa）超过玻璃抗拉强度（80 MPa），且部分区域峰值温度（最高724.9 ℃）超过玻璃软化点（575 ℃），引发界面裂纹导致泄漏。针对这个问题提出优化方案：首先，优化激光参数（平均功率150 W，频率50 Hz），维持峰值功率（1.5 kW）确保熔深，热输入降低25%；其次，在继电器四周增设紫铜导热块（厚度9.5 mm，顶紧力30 N）。优化后的有限元分析表明，封接界面峰值拉应力降至52~60 MPa（低于玻璃强度），峰值温度降至322~448 ℃（低于软化点）。工艺试验证实，优化方案使泄漏率降至≤8.3×10

-10

Pa·m

/s，满足≤1×10

-9

Pa·m

/s的优质密封标准，较原工艺提升两个数量级。

Abstract

During the laser hermetic sealing production process of crystal can relays

leakage issues exist at the sealing interface between the glass insulator and the base plate

severely impacting the relay's sealing performance and long-term reliability. This paper established a three-dimensional finite element model for the relay's laser hermetic sealing. A combined heat source model

utilizing a Gaussian surface heat source and a 3D inverted cone heat source

was employed to simulate the weld morphology. The model's accuracy was validated through thermal imaging experiments. Simulation results revealed that the original laser sealing process (average power 200 W

frequency 80 Hz) caused peak tensile stresses at the glass insulator sealing interface (73-107 MPa) to exceed the glass's tensile strength (80 MPa). Furthermore

peak temperatures in some regions (up to 724.9 ℃) surpassed the glass softening point (575 ℃)

inducing interfacial cracks and leading to leakage. To address this issue

an optimized solution was proposed: Optimized laser parameters (average power 150 W

frequency 50 Hz) were implemented

maintaining the peak power (1.5 kW) to ensure penetration depth while reducing heat input by 25%. Copper heat-conducting blocks (thickness 9.5 mm) were added around the relay and applied with a force of 30 N. Finite element analysis of the optimized solution showed that the peak tensile stress at the sealing interface decreased to 52-60 MPa (below the glass strength)

and the peak temperature dropped to 322-448 ℃ (below the softening point). Process trials confirmed that the optimized solution reduced the leakage rate to ≤ 8.3×10⁻¹⁰ Pa·m³/s

meeting the high-quality sealing standard of ≤1×10⁻⁹ Pa·m³/s and representing an improvement of two orders of magnitude compared to the original process. This solution has been successfully implemented in formal production

significantly enhancing product sealing reliability.

关键词

Keywords

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