Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические основы пайки металла с керамикой 8
1.1. Получение металлокерамических соединений 8
1.1.1. Молибдено-марганцевая технология 8
1.1.2. Диффузионная сварка 12
1.1.3. Применение активных металлов 14
1.1.4. Использование высококонцентрированных потоков энергии 17
1.2. Лазерная пайка керамики с металлом 19
1.3. Особенности процессов поглощения лазерного излучения соединяемыми материалами 23
1.4. Моделирование тешюфизических задач 30
1.4.1. Аналитические методы расчета тепловых полей в материалах 31
1.4.2. Численные методы решения тепловых задач 32
1.4.3. Процессы излучения и конвекции 35
1.4.4. Модельные представления неидеального контакта многослойных соединений 36
1.5. Выводы и постановка задачи исследования 41
ГЛАВА 2 Объекты и методы исследований 44
2.1. Материалы, применяемые для соединения керамики с металлами 44
2.2. Методы исследований 47
2.2.1. Микрорентгеноспектральный анализ и растровая электронная микроскопия 47
2.2.2. Установка для исследования тепловых полей 48
з 2.3. Экспериментальный лазерный технологический комплекс 48
ГЛАВА 3. Моделирование тепловых процессов лазерной пайки керамики с металлом 52
3.1. Тепловая модель плоского многослойного металлокерамического соединения с нелинейными краевыми условиями III-го и IV-ro рода 52
3.2. Моделирование тепловых полей в конусном охватывающем металлокерамическом соединении 67
3.3. Адекватность модели 79
3.4. Выводы по главе 81
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование тепловых полей при лазерной пайке конусного охватывающего металлокерамического узла 83
4.1. Методика экспериментального определения температур металлокерамического соединения 83
4.2. Формирование тепловых полей при лазерной пайке 87
4.3. Выводы по главе 94
ГЛАВА 5. Практическое применение результатов исследований 96
5.1. Исследование переходной зоны металлокерамического соединения методами микрорентгеноспектрального анализа и растровой электронной микроскопии 96
5.2. Исследование прочностных характеристик соединений ИПН-200 99
5.3. Выводы по главе 101
Заключение 101
Литература 102
- Особенности процессов поглощения лазерного излучения соединяемыми материалами
- Микрорентгеноспектральный анализ и растровая электронная микроскопия
- Моделирование тепловых полей в конусном охватывающем металлокерамическом соединении
- Формирование тепловых полей при лазерной пайке
Особенности процессов поглощения лазерного излучения соединяемыми материалами
Применение лазерного излучения для пайки материалов стало возможным благодаря высокой плотности мощности, узкой направленности, монохроматичности и когерентности излучения. Локальность нагрева ограничивает зону термического влияния и позволяет получить малую ширину сварного и паяного шва. При воздействии лазерного излучения на поверхность образца часть потока энергии частично отражается от поверхности, а остальная часть поглощается в тонком поверхностном слое материала, вызывая его нагрев, плавление и испарение [113, 125] Поглощение энергии в металлах было описано тепловыми моделями [120, 121, 37, 38, 40, 119, 120, 136]. На первой стадии поглощенная энергия изменяет кинетическую энергию свободного электрона в металле и перераспределяется между другими электронами [54]. Время межэлектронных столкновений составляет 10 13-10 14 с. [120]. За счет злектрон-фононного взаимодействия происходит выравнивание температур электронного газа и решетки за времена 10_10-10-11 с. Начиная со времени, большего 10 9-10"10 с. для металлов справедливо понятие источника теплоты [125]. Для описания действия источников теплоты в непрозрачных материалах для данной длины волны необходимо знать коэффициенты отражения, что позволяет оценить долю поглощенной энергии. Распространение излучения в материале описывается законом Буггера-Ламберта [40]: поглощения; R - коэффициент отражения, E(z) - энергия излучения, проникшего в материал на глубину Z. Коэффициент отражения R для плотностей потока, меньших 106 Вт/см2, может быть оценен с помощью формул Френеля [136]. В [4 0] отражены количественные соотношения между плотностью мощности (Q) , поглощательной способностью материала (А) и предельной температурой в зоне воздействия лазерного пучка (рис. 1.6). Коэффициент А является эффективной поглощательной способностью, в которой уже учтено состояние поверхности материала (степень механических и других видов обработки), а не только оптические характеристики. Одной из определяющих характеристик поглощения лазерного излучения является коэффициент черноты.
Степени черноты є различных металлов на длинах волн излучения лазеров представлены в таблице 1.1 [25]. Анализ данных таблицы (1.1) показывает, что поглощение лазерного излучения поверхностями металлов при 20 С в видимом диапазоне длин волн почти на порядок величины больше, чем в ИК-области. Однако приведенные значения є относятся только к чистым металлическим поверхностям, нагретым в вакууме. В условиях лазерного нагрева в всЩ$; душной атмосфере на поверхности металлов образуются оксидные пленки [25, 38, 121, 122]. Поэтому в этих случаях в ИК-области степень черноты существенно возрастает [57], что приводит к увеличению поглощательной способности. Керамические материалы являются полупрозрачными для лазерного излучения с длиной волны 1,0 6 мкм [20]. Поэтому выделение тепла в них при лазерном нагреве носит объемный характер. В случае металлизированных керамических материалов тепловыделение при лазерном нагреве носит поверхностный характер, но при высоких плотностях мощности излучения, когда наблюдается интенсивное испарение металлизированной пленки, имеет место переход от поверхностного тепловыделения к объемному [75]. Процессы взаимодействия мощного лазерного излучения с диэлектрическими материалами сложны и сопровождаются различными тепловыми, оптическими и термохимическими эффектами, которые необходимо учитывать в процессе соединения керамики с металлом. В [134] были определены коэффициенты отражения лазерного излучения различных типов промышленных керамических материалов (табл. 1.3). Для более точной оценки, в процессе лазерного нагрева в [14 5] получены нелинейные зависимости коэффициента отражения керамических материалов от температуры (рис. 1.7) .
Таким образом, процессы при лазерном воздействии на соединяемые материалы можно рассматривать в рамках обычных тепловых моделей с точечным источником. КПД лазерных источников невысок, следовательно, необходимо обеспечить максимальное поглощение и минимальное отражение лазерного излучения при пайке для оптимизации процесса в целом. Расчет тепловых полей и градиентов температур, возникающих в соединяемых материалах, позволяет определять с большой точностью технологические режимы воздействия на металлокерамический узел. Стационарный процесс распространения тепла в изотропной среде при отсутствии внутренних источников описывается уравнением Фурье [63, 69, 68]: ) где a - коэффициент температуропроводности, X - коэффициент теплопроводности, с - теплоемкость, р - плотность вещества. Для неограниченной пластины толщиной л уравнение (1.1) имеет вид:
Микрорентгеноспектральный анализ и растровая электронная микроскопия
Качество получаемых МКС оценивалось по переходной зоне методами растровой электронной микроскопии и элек-тронно-зондовым микроанализом. Исследование переходной зоны керамика-металл осуществлялось на изготовленных аншлифах в три этапа. Первоначально, при помощи растрового электронного микроскопа (РЭМ) JSM-50 А произвольным образом выбиралась зона МКС. Изображение в РЭМ получали в режиме вторичной электронной эмиссии. После чего определяли при помощи энергетических спектров химический состав исследуемых образцов на растровом электронном микроскопе AN-10000 "Link Analytical", оснащенном рентгеновским спектрометром S-570 фирмы "Hitachi" с дисперсией по энергии. Микроскопическую картину совмещали с изображениями анализируемых элементов в рентгеновских лучах и концентрационными кривыми распределения элементов по линии сканирования. На последнем этапе производили съемку распределения основных элементов в зоне керамика - металл при помощи рентгеновского микроанализатора "Саме-са" MS-4 6 для выявления разрывов, трещин и пустот в соединении . После испытаний образцов на разрыв исследовались поверхности разрыва. Измерение действительных значений температуры при постоянно меняющейся излучательной способности нагреваемых материалов является частью проблемы оптимизации лазерных технологических процессов. Неполнота данных по коэффициентам излучательной, отражательной и поглощательной способностей, табулированных в справочной литературе, изменение свойств излучающей поверхности вследствие окисления, в процессе измерений создают методические погрешности, превышающие инструментальные в десятки раз. Скорость нагрева поверхностей материалов при лазерном воздействии может достигать 104 град/сек [52]. В связи с этим применение термопар, характеризующихся своей инерционностью, крайне затруднительно. Передача единицы градуса Кельвина рабочим средствам измерений при высоких температурах осуществляется с большей погрешностью, чем в диапазонах измерений малых температур. При увеличении температуры увеличивается и соотношение величины сигнал / шум измерительного пирометрического сигнала, определяющее инструментальную погрешность при измерениях реальных температур, что сильно снижает высокую точность самых прецизионных пирометрических систем [132] .
Для получения металлокерамических соединений был разработан и изготовлен многофункциональный комплекс на основе лазера ЛТН-103 на алюмоиттриевом гранате, (длина волны 1,06 мкм; мощность лазерного излучения, 250+25 Вт; нестабильность мощности лазерного излучения в течение 8 часов непрерывной работы, 0,2 % - энергетическая расходимость лазерного излучения по уровню 0,5 мощности, мрад, не более 14) . Общая схема и внешний вид экспериментального лазерного технологического комплекса представлены на рис. Для фиксации металлических и керамических деталей было разработано приспособление, позволяющее плавно изменять частоту вращения металлокерамического узла путем изменения напряжения на обмотке электродвигателя РД-09 и подпрессовывать металлическую часть металлокерамического узла во время пайки. Усилие подпрессовывания оценивалось по динамометру системы Токаря Р-497. Приспособление располагалось на подвижном микрометрическом столе с шагом винта 0,01 мм. Для измерения мощности лазерного излучения между системой оптического контроля и лазерной установкой размещалось отклоняющее зеркало, позволяющее в некоторый момент времени направлять через ослабитель лазерное излучение на измеритель мощности и энергии ИМО-2Н. Визуальное наблюдение поверхности металлокерамического соединения и процесса пайки осуществлялось через систему оптического контроля.
Предварительные исследования показали, что для получения качественных МКС требуется тщательный подбор режимов нагрева и траектории движения лазерного луча. В [119, 120, 127, 126, 142, 1, 2, 121] были проанализированы возможности сварки различных материалов с помощью лазера и проведены расчеты, основанные на анализе температурных полей, возникающих при нагреве материалов. В [120] приведено аналитическое решение задачи о температурном поле при воздействии источника теплоты с постоянной плотностью потока энергии при идеальном тепловом контакте между слоями. Для малых значений времен воздействия t было получено .аналитическое решение задачи с учетом теплового сопротивления Ri,i+i между слоями і и (і+1) [12 6]. Расчеты температуры для двух- и трехслойной систем в условиях неидеального теплового контакта между материалами для малых t приведены в [126, 142].
Пространственная постановка задачи без учета влияния теплового сопротивления между слоями для двухслойной системы рассмотрена [1, 2]. Как правило, предложение о равенстве Ki/i+i = 0 справедливо в ограниченном числе случаев, так как на границе раздела сред величина теплового сопротивления зависит от чистоты обработки поверхностей, толщиной окисной пленки, нормального давления между соединяемыми материалами, их пластических и других свойств. Вследствие того, что электроннозондовый анализ ме-таллокерамических аншлифов в пределах разрешения метода не выявил диффузии на границах соединяемых материалов, построение модели можно ограничить рамками тепловой задачи. В частном, но достаточно распространенном случае, удельная теплота плавления материалов, по сравнению с общими теплопотерями, мала и, следовательно, ей можно пренебречь, а положение фронта плавления определять по изотерме плавления материалов. Тогда математическая постановка задачи для плоских многослойных образцов МКС с учетом конвективных теплопотерь и потерь на излучение, имеет следующий вид [43] : температура; q0 - тепловой поток на поверхности; с І - объемная теплоемкость 1-го слоя; Яі -теплопроводность; а - постоянная Стефана-Больцмана; є - излучательная способность поверхностей; р, - плот
Моделирование тепловых полей в конусном охватывающем металлокерамическом соединении
Если диаметр лазерного пятна dn много меньше диаметра обрабатываемого изделия Д,зд, т.е. dn « 0ИЗД и зона термического влияния теплового источника hT много меньше длины 1, пройденного им пути, т.е. hT « 1, то в рамках этих допущений можно рассматривать задачу о распространении тепловых полей в плоском четырехслойном образце с учетом теплового сопротивления между слоями. Однако, для получения точных результатов, адекватных условиям эксперимента, математическая модель процесса пайки конусных образцов имеет вид: где Tfx, г, # , t,) - температура; q0 - тепловой поток на поверхности; СІ - объемная теплоемкость 1-го слоя; А± -теплопроводность; а - постоянная Стефана-Больцмана; є -излучательная способность поверхностей; р± - плотность 1-го слоя; а І - коэффициент конвективных теплопотерь; Ri,i+i тепловое сопротивление, г2 - толщина і слоя. Для учета прибыли конусности образца и разной толщины слоев строилась неравномерная сетка. Шаг по каждой из координат для каждого узла сетки вычислялся исходя из геометрии образца (рис. 3.11) . Сравнение путей движения лазерного луча по образующей и по радиусу металлокерамического соединения выявило, что при малых скоростях движения источника тепла {V 1-3 мм/с и q = 4-6 Вт/мм2) принципиальной разницы для нагрева материалов между траекториями движения нет. Было определено, что при v 5 мм/с и q = 2-Ю1 Вт/м2 на поверхности достигается температура испарения кова-ра. Поэтому скорость движения лазерного источника v в этом случае должна составлять 6-10 мм/с, при уменьшении плотности мощности лазерного излучения до 4-Г-6-10 Вт/м , скорость v = 0,5-2 мм/с. За счет кривизны поверхности конусного образца, интенсивность лазерного воздействия будет концентрироваться вдоль образующей в направлении малых углов ср и малых R. Распределение температуры на поверхности кова-ра представлено на рис. 3.12.
При больших R {R 50 мм.) и малых диаметрах пятна (d « 0,5-2 мм.) распределение теплового потока на поверхности соединения можно рассматривать в рамках плоской модели [14, 15]. Из зависимостей температур на границах контакта материалов (рис. 3.13-3.14) следует, что при данных скоростях нагрева образца в зонах соединения припой (рис. 3.14, кривая 2) успевает разогреваться до температуры плавления (Т=1360 К) , а титановое покрытие на керамике (кривая 3) из-за малых температур (Т=1350 К) сохраняет свои физико-химические свойства. Из рис. 3.15 видно, что кривая распределения температуры по толщине МКС значительно положе, чем у плоских образцов рис. 3.4. Это объясняется радиальной концентрацией тепла в образце, причем, отношение максимальной температуры поверхности к температуре соответствующей точки внутренней поверхности керамики уменьшается с уменьшением внешнего и внутреннего радиуса конуса, что позволяет проводить пайку в более быстром режиме и с большей плотностью мощности излучения. Толщина титанового слоя составляет 2-10"" мм и является тонкой пленкой, обладающей своим тепловым сопротивлением на границе с медью и керамикой. Распределение тепла внутри медного припоя происходит значительно быстрее, чем в остальных материалах (рис. 3.16) . Благодаря этому, медный припой вторичным источником тепла для соседних слоев, что несколько увеличивает ширину линии распределения температуры (рис. 3.17) . Резким переходам на границах с медью соответствуют периоды разностной сетки, отражающие термическое сопротивление между слоями.
Изменение температуры в глубину образца на пути луча имеет отрицательную полуволну, характеризующую остывание материала. Увеличение скорости пайки при однопроходном режиме ведет к необходимости увеличения потока лазерного излучения на поверхности, что, в свою очередь, приводит к росту градиентов температур в слое керамики и росту температуры поверхности, которая имеет свой предел -точка плавления ковара. Из рис. 3.18, 3.19 следует, что положительная полуволна скорости нагрева в зоне соединения керамики с титаном значительно превышает полуволну охлаждения. Причем, при проникновении температурного фронта вглубь керамического слоя происходит его быстрое сглаживание, что ведет к более равномерному нагреву внутренней части керамики. Слои керамики, прилегающие к титановому покрытию испытывают максимальные термодеформации в фазу нагрева (рис. 3.19). При пайке МКС по охватывающей (спирали) дает ряд преимуществ: позволяет увеличить скорость движения лазерного луча, уменьшить разницу температур между слоями ковара и меди, уменьшить градиенты, возникающие в слое керамики. Так, параметры источника для траектории по образующей составили: скорость - 1,5 мм/с, поглощаемая плот-ность мощности - 12 Вт/мм ; для движения источника по спирали скорость составила 4,5 мм/с при той же плотности мощности. Перекрытие пятна источника при повторном витке при этом не происходило, однако весь слой меди был расплавлен благодаря горизонтальному распространению тепла внутри металлических слоев МКС. Распределение температуры на границах слоев приведено на рис. 3.20. Как видно из графика, оптимальный режим пайки достигается на скорости в трое превышающей
Формирование тепловых полей при лазерной пайке
Исследование характера распределения теплового фронта в охватывающем металлокерамическом соединении пока-зало, что при движущемся лазерном источнике (g 10 Вт/см2) со скоростью v 4ч-6 мм/с слой ковара полностью прогревается до 1460 ± 50 С (рис. 4.3) . Сравнивая с фотографиями, полученными с фотоаппарата ZENIT (рис. 4.4), можно увидеть, что видеокамера захватывает более низкий спектр излучения (начиная с 300С) . Фотоаппарат же фиксирует температуру, начиная с 500-600С. Медный припой успевает достичь своей температуры плавления и в силу своей высокой теплопроводности, передать часть энергии керамике. На рисунке 4.5 представлены тепловые поля при лазерном нагреве, полученные в ИК-излучении методом скоростной тепловизионной съемки в момент остывания металлоке-рамического соединения. Установлено, что при остывании тепловая волна проходя через ковар (1) и медь (2), в течение 1-7-3 секунд разогревает керамику (3) до 850-7-900 С (рис. 4.5а). Полная релаксация теплового потока устанавливается посредством излучения с поверхностей и нагрева внутреннего объема образца (рис. 4.56). Скорость остывания соединения составила 350 ± 2 0 С.
По расчетам, представленным в математической модели лазерной пайки керамики с металлом [42] скорость остывания металлокерамического соединения может составлять 400 ± 50 С, что хорошо согласуется с полученными экспериментальными значениями. При исследовании температурных полей методом тепловизионной съемки было установлено, что при достаточно больших плотностях мощности (q 15-Г-17 Вт/мм2) и малых скоростях вращения образца (l-f-З мм/с) на поверхности образуется факел (рис. 4.6) вследствие оптического пробоя парогазовой среды в зоне максимальной плотности мощности. Поверхность металла начинает плавиться и испаряться. Поэтому следует различать области факела и образца, обладающие разной поглощательной способностью. В соответствии с [125, 113] механизм поглощения лазерного излучения в паро-плазменной среде описывается законом Бугера-Ламберта. Кроме того, факел рассеивает энергию, переизлучает ее в окружающее пространство и действует на образец как дополнительный поверхностный источник с плотностью мощности [52] : где Р - мощность падающего излучения; Р0 - мощность на поверхности (z=0); z и д.ф - высота и диаметр факела соответственно . Зависимость плотности мощности, передаваемая от факела в поверхностный слой материала, отображена на рис. 4.7. Из графика видно, что факел диаметром и высотой больше 2 мм. практически не вносит вклада в процесс поглощения тепла средой. Для исключения факела съемка и измерение температурных полей проводились в коротких промежутках времени при включении заслонки. Тепловой след на поверхности металлокерамического узла от движущегося лазерного источника в близи зоны нагрева соответствует 1520 С. Автоматическое усиление входного сигнала видеокамеры было при этом отключено. Большинство оптических стекол прозрачны в диапазоне длин волн 0,8-г1,1 мкм, поэтому при использовании дополнительной оптики в большинстве случаев необходимо учитывать только потери на Френелевское отражение (около 2% на грани) . Во время пайки высокоглиноземистой керамики ГБ-7 и УФ-4б с коваром (сплав 2 9НК) и нержавеющей сталью 1Х18Н10Т непрерывное лазерное излучение должно фокусироваться на металлическую поверхность конусного охватывающего соединения. Температура на поверхности ковара не должна превышать линии солидуса (1450 С), на границе титан-медь - быть меньше температуры плавления титана (1660 С), и на границе медь-ковар - достигать температуры плавления меди (1083 С) .
При толщине ковара 0,5 мм, медного припоя - 0,3 мм, титанового покрытия - 0,002 мм и высокоглиноземистой керамики ГБ-7 - 2,4 мм пайка металлокерамических соединений должна осуществляться при разогреве металлической части изделия около 40 секунд, а требуемая температура - при интенсивности лазерного воздействия (2н-10)-102 Вт/см2 и скорости движения лазерного источника 5н-7 мм/с. Проведенная съемка в ИК-диапазоне с фильтром ИКС-1 установила, что в момент отключения лазерного излучения температура на поверхности образца достигает 1470 -г 1500 С, а скорость остывания соединения - 300+370 град/сек. При нагреве керамической детали сфокусированным лазерным излучением в керамике возникают значительные термические напряжения и высокие градиенты температур, приводящие к растрескиванию в месте обработки [146]. Математические модели лазерной пайки для плоских [42] и конусных охватывающих металлокерамических соединений [43], максимально приближены к условиям эксперимента и согласуются с полученными результатами на 70 -80 %. Основную погрешность вносят средства измерения, а
