Исследование процессов теплопереноса при реализации прогрессивных ресурсосберегающих технологий обработки материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

рг ь од

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕПЛОФИЗИКИ

На правах рукописи

ФИАЛКО Наталья Михайловна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРЕССИВНЫХ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Специальности: 01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Киев - 1994

Диссертация является рукописью Работа выполнена в Институте технической теплофизики Академии Наук Украины

Официальные опоненты: доктор технических наук,

профессор НИКИТЕНКОН.И.

доктор технических наук,

профессор КОЛЕСНИЧЕНКО А.Ф.

доктор технических наук,

профессор КУНИЦКИЙ Ю. А.

Ведущая организация •- ЦКБ "Арсенал"

Защита состоятся " Шь/Ну 19д4 в I 7 т!асов ::а заседании специализированного совета Д 016.43.01 в Институте технической теплофизики АН Украины (252057, Киев, ул. Желябова,2а)

с диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТТФ АН Украины

Автореферат разослан

Ученый секретаре специализированного совета кандидат технических наук

Костенко Н.В,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы, В современных условиях технический прогресс в значительной мера определяется совокупностью используемых в промышленности технологий,' среди которых в последний период все более ванное значение приобретают ресурсосберегающие технологии, широко применяемые з различных отраслях техники - машиностроении, радиоэлектронике, приборостроении 'и пр. Среди Таких технологий особое место занимают прогрессивные технологии обработки материалов типа упрочнения деталей лучом лазера, газотермического, нанесения покрытий. ■ автозакуумкого плакирования, поверхностного монтажа электронных компонентов и т.п. Потребности развития и совершенствования этих'технологий обусловливают необходимость их всестороннего. углубленного анализа, базирующегося как на экспериментальных исследованиях, так и на применений современных методов математического моделирования.

Одна из характерных особенностей, общая для всех указанных технологий, состоит в том. что ведущая роль в них принадлежит теп-мозым процессам. Последние оказываются первопричиной различных со--путствующих тепловым физико-химических- явлений, таких как структурные и обьемныз превращения в материалах, изменение термонапряженного состояния-изделий и т.д. Указанные технологии, как объект теплсфизических исследований, представляют собой комплекс сложных задпч переноса, характеризующихся во многих ситуациях наличием фазовых к структурных превращений, высокими уровнями температур и скоростей их изменения, физической неоднородностью сред, сложностью конфигурации исследуемых объектов и пр.

Имеющиеся в литературе публикации, посвященные теплофизичес- ' ким исследованиям рассматриваемых техно-логических процессов, далеко не исчерпывают растущие потребности технологической практики. Так, для сравнительно новых технологий (например, автовакуумного плакирования, поверхностного монтажа электронных компонентов и пр.) такие исследования либо практически отсутствуют, либр весьма, малочислены. Но и для тех технологий, теплофизические аспекты которых считаются в настоящее время в той или иной мере разработанными (упрочнение лучом лазера, газотермическое напыление и т.д.), существует проблема создания основ теплофизики этих технологий применительно к усложненным физическим ситуациям, новым объектам приложения , различным модификациям известных технологий и пр.

'Лель работы. Исследование тепловых и сопутствующих им язлзкий при реализаций прогрессивных ресурсосберегающих' технологий обработки материалов (типа газотермического напыления, упрочнения лучок лазера, 'автовакуумного плакирования, поверхностного монтажа электронных компонентов и т.п.) и получение на этой основе информации, необходимой для совершенствования существующих технологических процессов, осуществления, новых технических решений, проектирования эффективных технологий и управления ими.

Задачи исследования.

1. Разработка.специального класса методов, эффективных специализированных методик и соответствующего программного обеспечения, ориентированных на исследование процессов теплопереноса при реализации рассматриваемых технологий обработки материалов.

2. Установление для группы изучаемых технологических процессов обвдх физических закЬномерностей. .связанных с проявлением эффектов регионального влияния условий однозначности.

3. Исследование на' этой основе' (пункты 1 и 2) теплофизических аспектов рассматриваемых технологий с целью обеспечения их рациональной организации и получения.эффективного окончательного технологического результата. - При этом для каждой из указанных технологий данные задачи конкретизируются следующим образом:

а) для .автовакуумного плакирования - разработка основных положений теплофизики этой технологии и формулировка на данной базе рекомендаций по эффективной организации- технологических процессов применительно к условиям производства крупногабаритных деталей пар тгения типа изготавливаемых на ПО "Уралмаш";'

б) для газотермического напыления - исследование закономерностей, протекания тепловых и связанных с ними явлений, б процессе формирования газотермических покрытий на основе; при этом для ситуации термического взаимодействия одиночной частицы с основой .изучение особенностей взаимодействия на стадии импульсного давления, анализ температурных эффектов, обусловленных кристаллизацией расплавленной частицы 'и т.д.; для ситуации термического взаимодействия с основой интегральной совокупности частиц (покрытия в целом) -.'изучение закономерностей процессов теплопереноса в системах "покрытие в целом - основа" применительно к напылению двух классов покрытий, а именно,, покрытий из [лакированных композиционных порошков, содержащих твердые смазки, и металлополимерных покрытий;

в) для лазерной закалки - исследование теплое-ых и сопутствую-

тих им процессов (структурных превращений в материале и т-~рмонап-ряженкых состояний) применительно к условиям упрочнения р'ачузцего инструмента; определение на этой" основе пороговых значений .технологических параметров, разграничивающих области эффективной и нерациональной организации, технологических процессов;

г) для1поверхностного монтажа электронных компонентов - разработка общих подходов к гатематическоку1 моделированию теп.'-;офизи-ческил процессов при двух вариантах реализации, данной технологии, а именно, с использованием комбинированного нагрева (резистивного и инфракрасного) и нагрева струей газа;

д) для сварки - разработка основных положений методики и ,тс-следо.вание.тепловых явлений применительно к классу сварных оболо-чечных конструкций, состоящих из двух произвольных конических ободочек вращения, включая их предельные формы'(цилиндрические оболочки. круглые' и кольцевнз пластины) ;

е) для объемной закалки в .падких средах - установление закономерностей протекания процессов тешюпереноса в условиях интенсификации теплообмена в области мгртенситных превращений и при закалке в жидких средах под избыточным регулипуемым давлением; определение охлаждающих свойств различных новых закалочных сред/

Достоверность полученных результатов определяется сопоставлением данных вычислительных и натурных экспериментов, решением большого количества тестовых задач применительно к каждой из рассматриваемых технологий, проведением контрольных расчетов с использованием различных методов решения одной'-и-той же задачи, индуктивными оценками сходимости и точности используемых математических методов, а также фактической высокой зффектчнюстьл применения в технологической практике предложенных в работе рекомендация. ,

Научная новизна.

1. Предлояен новый класс методов тт. называемых комблниро-ванных итерационгых'методов (КИМ), адаптированных к решению комплекса теплофизических задач, которые характерны для рассматриваемых технологий. Разработана общая методика построений конкретных модификаций данных методов. Установлена область эффективного применения КИМ и их достоинства в.сравнении с классическими разностными схемами.

2. Разработаны методические основа построения положений о региональном влиянии, открывающие возможности охвата основных проявлений эффектов регионального влияния для-всех условий однозначности. Предложена общая методика использования эффектов регионального

влияния и на ее основе для групп" рассматриваемых технологий выполнены исследования тепловых -явлений в контексте проявления данных эффектов.

3. Для изучаем:!>: технологических процессов выполнены следующие разработки:

а) создали основы теплофизики технологическог • процесса азто-вакуумного пла:^рованип: при этом получены новые результаты в части рациональной организации данной технологии путем ■ применения простейших опосредованных способоз терминедого воздействия на процесс формирования плпиирущего -;лоя и управления этим, процессом за счет реализация требуемого теплового состояния конструкции в целом;

б) разработан ряд новых положений теплофизики газотермического напыления покрытий; при этом в плане анализа термического взаимодействия одиночной частицы с основоГ; впервые' получено реаение контактной задачи теплопереноса ка базе гиперболического уравнения теплопроводности с учетом температурной зависимости времен релаксации и выполнена оценка релаксационных эффектов для различных широко используемых сочетаний материалов покрытия и основы: проведены такие "систематические количественные оценки температурных эффектов, обусловленных кристаллизацией расплавленной частицы, для всево;-молмых практически важных ситуаций напыления; в части развитая подхода, касающегося изучения термического взаимодействия с основой интегральной совокупности частиц, получены оригинальные данные для условий напыления двух классов газотермических покрытий - композиционных покрытий, • содержащих графит, и металлополимерных . покрытий;

в) выполнено комплексное исследование тепловых явлений и сопутствующих им. эффектов (таких как структурные превращения в материале, . термонапрянекное состояние и механические свойства зоны нагрева) при упрочнении режущего инструмента лучом лазера для широкого практ!. юскогс диапазона изменения геометрических, теплофи-зических и технологических параметров; сформулирована постановка задачи и найдено ее решение, касающееся определения пороговых зна-чени1. технологических параметров применительно к возможным отрицательным критическим ситуациям;

г) разработаны основы математического моделирования теплофи-зических процессов длт технологии поверхностного монтажа электронных компонентов применительно к различным способам ее реализации -при комбинированном нагреве (резистивном и инфракрасном) и нагреве

струей.газа; при этом предложена инженерная методика регионального моделирования теплового состояния критических компонентов поверхностного монтажа; получека новые результаты о влиянии на температурные реаимы печатных узлов всевозможшх факторов - плотности монтажа, типов монтируемых компонентов монтажа, условий ,.х прижима к печатной плате, различных схем кагрэва струей газа и пр.;

д)'предложен общий методический подход к расчету температурных режимов широкого класса сварных конструкций, включающих в себя пары элементов различней конфигурации' - конические и цилиндричес-

. кие оболочки, круговые и кольцевые пластины - при разном их сочетании: впервые проведен систематический сравнительный анализ теплового состояния конструкций данного класса и установлены области применимости различных моделей теплового контакта между свариваемыми деталями;

е) изучен ряд теплодазических аспектов технологии закалки деталей в жидких- средах при интенсификации, теплопереноса в области мартенситных превращений и регулировании давления закаленной жидкости; при этом установлены закономерности влияния на процесс теплопереноса различного рода нелинейностей: выполнен сравнительный анализ температурных режимов закаливаемых деталей разной формы.

, представляющих собой характерные элементы технических устройств; получены данные о закалочных свойствах перспективных охлаждающих сред - водных растворов солей и полимеров. ■

Практическая значимость. Выполненный комплекс исследований непосредственно ориентирован на широкое внедрение в технологическую практику. Рассматриваемая в работе проблематика и постановка соответствующих задач определялась, главным образом, прямыми заказами промышленных предприятий и научно-исследовательских организаций. На основе предложенных методических разработок, результатов теплофизических исследований и научно-технических решений внедрен ряд оригинальных базовых технологических процессов и соответстеую-щего оборудования для их реализации. Результаты выполненных разработок нашли следующие внедрения: а) для автовакуумного плакирования - на ПО "Уралмаш"; б) для газотермического напыления - на Пинском экскаватороремонтном заводе. Черниговском ПО "Химволокно". ПО "Киевтрактородеталь", Иванофранковском ПУ "Оргоинтез"; в) для упрочнения деталей лучом лазера - на ПО "Большевик", шахте "Самарская" ПО "Павлоград/голь".в Киевском политехническом институте; г) для поверхностного монтажа электронных компонентов - на НПО "Сатурн", заводе "Радиоизмеритель", в НИИ "Пульсар"; д) для сварки

- g -

- на ПО "Уралмаш", институте электросварки Ali Украина мм. Е. 0. Патока; е) для закалки з вддких средах.-.на ПО "Инорский завод". ПО "Атоммга" и пр. ' ■

/шробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

международных конференциях - по. высокотемпературным запыленный струям (Новосибирск, 1988 г,); по тепло- и массообмеку в технологии и оксш.уатацик электронных и микроэл^ктроншх систем (Минск, 1989 г.): по плазменным струям в технологиях обработки материалов (йоунзе,. 1990 г. ):

всесоюзных конференциях -.по закалочным средам (Волгоград, 1962 г.): по теплофизике :: гидродинамике процессов'кипения и конденсации (Рига, 1982 г.); по применению лазеров в технологии и системах обработки информации (Ленинград. 1984 г. ) ; по проблемам повыгента изкосо.сто'Лкости деталей, обрабатываемых концентрированными потоками пке'рпш (Звенигород, 1985 г. ) ; пс лазерным технологиям в приборостроении (Рига, 1985 г.): по лазерному и оптическому приборостроению (Минск. 1985 г.): 'по газотермическому, напылению и ' плазменной наплавке (Тула, 1989 г.): по дифференциальном уравнениям (Лрогобыч, 1989 г.); по математическим методам и САПР в сва-' речном производстве (Свердловск, 1990 г.); по газотер.мическому на-носеникз покрытий (Димитров. 1992 г. ) :

республиканских конференциях - "Теплопроводность и диффузия в технологических процессах" (Рига, 1976 г. ). по методам пешепия краевых задач (Рига. 1S78 г.); по теплофизике термической обработки (Киев, 1979, 1381, 1983, 1986, 1987 г.г. ): по динамике технологических процессов в энергетике (Киев. 1984. 1988, 1988 г.г.); по прикладным методам расчета физических полей (Кацивзли, 1984 г. ); по применения лазеров в науке и технике (Омск. 1284 г.); 4.<j созданию к использованию лазерной тгхники и технологии (Киев, 1985 г. ) ; по проблемам наплавки деталей в машиностроении (Свердловск, 1987 . г. ) ; по высокопроизводительному металлорежущему инструменту (Киев, 1987 г. ); по применению методов математического моделирования в научных исследования/ (Донецк. 1988 г.); по динамической голографии и нелинейной оптике (Славское, 1988 г.): по лучевой обработке композиционных материалов (Тернополь. 1990 г.) и др.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано .130 научных работ. Основное содержание диссертации изложено е 15 публикациях. •

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит и? введения. восьми глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 468 источников. Диссертация изложен ка 323 страницах машинописного текста, содержит 187 рис и 34 табл.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации. Сформулированы цели и задачи работы, кптко изложены ее основные результаты, приводится информация о практической значимости и внедрении выполненных разработок.

Первая глава диссертации посвящена изложению основ построения развиваемого в настоящей работе специального класса сеточных мето-доз - комоинированных итерационных методов. Основная идея методов состоит» с одной стороны, в объединении важнейших достоинств явных и неявных схем, с другой - в использовании физического зффепа регионального влияния, наблюдаемого в устойчивых процессах переноса, который отражен в приводимом ниже положении о пространственно-временном региональном влиянии местных значений обобщенных потенциалов. В качестве характерных особенностей данных методов отмечаются следующие: (1) комбинирование .три построег и методов элементов явных и неявных разностных схем; (2) применение процедур последовательного переопределения искомой функции по типу одношаговых итерационных схем; (3) наличие в разностных схемах только алгебраических уравнений, разрешаёмых явно; (4) абсолютная устойчивость методов; (5) сходимость решения по завершении итерационного процесса к данным соответствующей классической неявной схемы.

Что касается указанного выше объединения в КИМ д стоинств явных и неявных схем, то эти методы обладают алгоритмической простотой, свойственной явным, схемам, и абсолютной устойчивостью, характерной для неявных схем. Алгоритмическая простота КИМ, выражающаяся в простоте записи разностных схем и легкостг их программироьа-ния на ЭВМ, обусловлена тем обстоятельством, что они (КИМ) относятся к классу явных методов. Здесь отсутствует необходимость в решении систем алгебраических уравнений, свойственная неявным схемам. Важнейшая же характеристика схем - их безусловная устойчивость - достигается для КИМ. в конечном итоге, за чет итерационного процесса.

Относительно второго ..омента. лежащего в основе идеи построе-иия КИМ,- положения о региональном влиянии местных значений обоб-

щыных потенциалов. то оно формулируется следующим образом. В устойчивых нестационарны'• процессах переноса, протекающих в сплошных средах, характер распределения и уровни местных значений обобщенных потенциалов и (где и-и(п). П€<1>1 - подобласть, принадлежащая рассматриваемой области ы, ь^Сы) по истечении достаточно малыу инт-овалов времени Ат' оказывают существенное-влияние на протекание процесса лишь в некоторой ограниченной зоне, непосредственно прилежащей к подобласти (»1; за пределами этой зоны их воздействие пренебрежимо мало. В плане сформулированного положения явным, неявным схемам к кокаинированным итерационным методам может Слть дана следующая интерпретация. Классическая явная схема может трактоваться как схема, базирующаяся на учете явления регионального влияния локальных значений искомой функции. Действительно, согласно основной идее построения явной схемы искомая функция и' в 1-тол узловой точке последующего временного слоя непосредственно связывается с ее значением на предыдущем слое толькс в смежных с ней узловых точках, например, в случае одномерной задачи в 1-том, (1+1)-ом и (1-1)-ом узлах. Однако такое нахождение величины и' правомерно, как известно, лишь в тех ситуациях, когда временной шаг разбивки Дт достаточно мал, так «то шаги пространственной сетки не превышают размеров зоны регионального влияния значений искомой Функции в 1-той точке. Это требование формально, выражается известными соотношениями, определяющими условия устойчивости разностных схем.

Что же касается неявной схемы, то эффекты регионального влияния здесь не учитываются; значения искомой функции во всех узлпых точках последующего и предыдущего временных слоев являются в этой ситуации взаимосвязанными. Формально это выражается в необходимости решения системы алгебраических уравнений.

Очевидно; в определенных ситуациях ввиду эффектов регионального влияния классическая неявная схема отвечает избыточному увязыванию искомых функций предыдущего и последующего временных слоев. В комбинированных итерационных методах такая избыточная взаимосвязь отсутствует; здесь, благодаря итерационному процессу, реализуется лишь необходимая степень указанной взаимосвязи, которая диктуется эффектами региональное™.

Сущность.основных моментов реализации КИМ схематически может "ыть представлена следующим образом. На нулевой итерации расчеты проводятся с использованием любой из явных разностных схем. На всех последующих итерациях вычисления ведутся ул-> на основе тех

или иных неявных сеточных уравнения. Причем, что особенно важно подчеркнуть, последние решаются явным образом, поскольку значения искомой функции на.последующем временном шаге являются известными в результате расчетов предшествующей итерации.

В целях иллюстрации специфики ре. лизации КИМ рассмотрим особенности построения одной т модификаций данных методов, а именно: КИМ на основе шахматной схемы с шахматным переопределенном без чередования "квазиявных" и "квазинеявных" точек. Приведем в качестве примера сеточные уравнения для нестационарной нелинейной одномерной задачи теплопроводности . -

а ао эе

7-(Л-—) - С,-— . (1)

ох Эх о/о

9|«-о -в.^о), 6|х.| - в,<Го\ е|гв.с " 1. (2)

Здесь 9 - ^Ьда,,.

Аппроксимация уравнения (П на сетке

х1-(1-1) -Л. 1-1.2.3.....1; '(1-1)-11-1:

Го„-(т-1) -ДГо. ш-1,2.3.....М; (М-1)-ЛГо-Го,,,,

для нулевой итерации отаечает шахматной разностной схеме.

На каждой из последующих итераций реализация КИМ с шахматным переопределением искомой функции осуществляется в два этапа. Вначале переопределение производится для всех 1-2п или 2п+1, т.е. на подмножестве узлов сотки, называемых "кваяиявными", далее - для всех 1-2п+1 или 2п, что отвечает подмножеству узлов сетки, называемых "квазинеявными". При этом аппроксимация оператора Е. представлявшего собой левуо часть сравнения (1), . осуществляется для первого этапа на предшествующей итерации, для второго - на последующей. Соответственно этому разностный аналог урявнечия (1) представим в виде:

для подмножества "квазиявных" точек

01.«.1 ■ Мьт + АгОГ'м + А30^1 „., + А4е![11.тМ. (3) для подмножества "квазинеявных" точек

01.тм " 0101.111 + В201 . Ш*1 + 0301- -.Я*».

где а,-1; а2 —(Ро^) ,,,^^"',!); а3-Ёо![1},и,■: а4-Ёо? ¿,м:

- К-1 АГо- (Дмм^.!,,,!) АГО- 'Л1М-дч+Л1.„ч)

г°1-га*1" с-' +с : с*"1 + С

VI V V

1.т»1 1. т 1.т*1 1.т

_ к _ к „ 1 „ РО, РО!. к к

В»- вг--—-Г-; В3---—; С - 1 + Уо1м<вм + ГО!.^,;

ь О О

к ДГо-) к АГо- (Л1 _ Я1*1 + _ т+,)

—■ ТГ сК -,-с

V V V V

» . X * 1 1.8! 1 •. ¡4 *1 1 . ГГ.

Здесь надстрочный индекс отвечает номе; у итерацш.

Большое внимание ь работе уделяется исследованию особенностей КИМ и сопоставлений их с классическими разностным:- схемами. Анализ показал, что область наиболее эффективно!и использования КИМ занимает некоторое.промежуточное положение по отношению к соответствующим областям для классической явкой и неявной схемы. А именно, если тгвдейение классической явной схема является целесообразным при исследовании вьсокоинтенсивнкх процессов, а классической неявной схемы - процессов чалой интенсивности, то КИМ наиболее рационально использовать в промежуточной области, т.е. для процессов достаточно гысокой, т не чрезмерной интенсивности. При этом в плане сравнения з неявными схемами эффективность КИМ существенно возрастает при решении нелинейных задач, поскольку в этом случае з отлич з от неявных схем итерационный учет нелинейности- фактически совпадает с собственно итерационным процессом решения задачи к ввиду этого не оказывается дополнительным элементом решения.. К тому яё одной из важнейших особенностей КИМ, как и чисто неявной схемы является их монотонность, что наряду с отмеченным выше обусловливает рациональность ' применения КИМ при реализации решения именно нелинейных задач.

В контексте сопоставления КИМ с другими разностными схемами приведем характерные результаты исследований, касающиеся индуктивных оценок точности различных схем - явной, чисто неявной, шахматной и КИМ на основе шахматной схемы с шахматным переопределением без чередования "квазиявных" и "квазинеявных" точек (см. рис.1). Здесь в качестве иллюстративного примера представлены данные решения простейшей тестовой нестационарной линейкой задачи теплопроводности для стзржня длиной 1, с-постоянной начальной температурой б3, на одной из гр-.ниц котороп задаются граничные условия' II рода при неизменной во времени плотности подводимого теплового потока, другая является адиабатичной. Расчетная сетка для всех рассматриваемых схем принималась одинаковой. Как видно, наименьшие величины погрешностей численных решений Д9 обеспечиваются в случае чисто

Рис.1. Зависимость ДЭ=Г(Го) в точках х-1,0 (линии 1) и х-о,б (линии 2) при -еализа-цик различных разностных схем на одинаковых расчетных сетках, отвечающих ДГо-0,02:

—о--чисто неявная схема;

—х— - КИМ; —Д--шахматная ^ схема; —п--классическая явная схема.

неявной г;емы и КИМ (Данные, отвечающие ыим схемам совпадают), заметно большие - при использовании шахматной схемы и наибольшие -для классичзской явной схемы (Д8 - (вт - в^/в^х, где ег, етах -безразмерные текущая и максимальная температуры, отвечающие точному решению тестовой задачи, а, - безразмерная те^лцая температура, соответствующая численному решению).'

Во второй придппнтла материал. касающийся закономерностей проявления и использования эффектов регионального влияния условий однозначности (УО). Сущность явления регионального влияния (или локализации влияния) УО состоит в том. что-влияние'на процэсс того или иного УО либо отдельных его особенностей в определенных условиях имеет тенденцию к асимптотическому убыванию по мере удаления от области задания данного УО и практически ограничивается некоторой зоной (регионом), так что за ее пределами этим влиянием можно пренебречь. Данное явление может наблюдаться во всевозмо: 1ых устойчивых многомерных процессах переноса, протекающих в сплошных средах. Как показывает анализ, целый ряд теоретиче ких постпоений базируется на отмеченном явлении регионального влияния'. Характерными примерами т;.ких пс троений могут служить: в теплофизике тех-

нологических процессов - принцип местного влияния источников теплоты Н. Н. Рыкалина, в теории теплопроводности - прикдип стабильности теплозого потока А.И.Вейника. теория регулярного режима Г.М.Кондратьева. в гидромеханике - теория пограничного слоя Л.Прандтля, понятие гидродинамической стабилизации течения в каналах. в теории упругости - принцип В.Сен-Зенана, з теории теплообмена в радисэлектргчных устройствах - метод поэтапного моделирования Г.М.Дульнева и т.д. Однако. . все отмеченные построения имеют лишь частный характер, поскольку любое из них касается только какого-либо одного из условий однозначности и к тому же отражает зф-фак. регионального влиян:.?; лишь какого-либо одного типа. При этом существенным недостатком здесь кзляется то обстоятельство, что для целого ряда типйв регионального влг ния различных условий однозначности соответствующие построения вообще отсутствуют., В связи с такте состоянием вопроса представляется целесообразной попытка устранения отмеченного пробела. Решение этой проблемы может быть ' реализовано посредство,N.. разработки общего алгоритма построения различных положений, отражающих эффекты регионального влияния применительно к любому из условий однозначности и к тому же д..л каждого из • типов регионального влияния. Иначе говоря, общая идея здесь состоит в создании алгоритма, при помощи которого может быть сформулирована система положений, описывающих закономерности проявления эффектов регионального влияния во всевозможных физических ситуациях. Очевидно, в рамках этой системы в.качестве ез частных положений могут рассматриваться различные известные в литературе принципы и утверждения, основывающиеся на эффектах регионального влияния. Сущность предлагаемого алгоритма может быть выражена следующим образом. На перзом этапе для каждого условия однозначности анализируются различные принципиально возможные варианты ограниченности его области задания относительно всей исследуемой области. На второе 1тапе для каждого из вариантов ограниченности области задания условия однозначности проводится анализ возможных проявлений эффектов регионального влияния и соответственно составляется перечень различных типов регионального влияния. Третий, завершающий! этап состоит в том, что на основе проведенного анализа для каждого из указанных типов регионального влияния формулируется отдельное положение о региональном влиянии данного условия однозначности. Схема построения положения о региональном влиянии для многомерных процессоз переноса представляет собой логическую конструкцию. содержащую информацию о необходимых и достаточных услови-

IX реализации конкретного типа регионального влияния данного условия однозначности и констатацию факта осуществления этого типа регионального влияния. Что касается необходимых и достаточных усло-зий реализации конкретного эффекта регионального влияния, то они зо всех ситуациях обязательно включают в себя следующие два момента: во-первмх, наличие условия однозначности, ограниченного яо об-тасти задания относительно- всей рассматриваемой области • Е, и зо-вторых, наличие достаточно большого размера области в соответс-' гвующем направлении. Эти условия классифицируются как основные. 1аряду с ними в зависимости от конкретной ситуации «огут иметь !есто также те или иные дополнительные условия. В работе приводят-:я конкретные примеры реализации•описанного алгоритма построения юложенйй о региональном влиянии. Кроме того показано, что для <аждого положения о региональном влиянии может быть сформулировано соответствующее следствие, представляющее собой утверждение о возможности определенного замещения данного условия однозначное™.

Особое внимание в работе /делено освещению общих положений методики использования эффектов регионального влияния при изучении процессов, характеризующихся. наличием данных эффектов.' Представление о важнейших элементах предлагаемо-" методики дает рис.2. (Здесь Ер„ - зона регионального влияния особенностей условия однозначности, пределами которой практически ограничивается влияние на процесс той или иной особенности условия однозначности; Еов - зона отсутствия влияния особенностей условий однозначности. в которой воздействие на процесс этой особенности условия однозначности пренебрежимо мало; Еи - наиболее важная для целей данного исследования зона, выделя-

АЛГОРИТМ МЕТОДИКИ ИСПОЛЬЗСЗ • ЧИЙ ЭФФЕКТОЭ РВ

Зис.2. Схематическое изображение алгоритма методики использования эффектов регионального влияния.

емая в пределах рассматриваемой области, Ек -=с„' Ши".) На рисунке прямоугольниками обозначены основные этапы методик'!, шестиугольниками - отдельные 'шаги в рамках кандого из этапов. Характеризуя предлагаемую методику в целом, в ..ервую очередь отметим, что она касается различных стадий исследования рассматриваемого процесса, а именно, стаг:ш постановки исследования, стадии собственно проведения исследования, а также завершающей стадии - анализа получаемых результатов. Данная методика, призвана существенно• упростить, благодаря учету эффектов регионального влияния, исследование процессов теплопереноса, наблюдаемых при реализации изучаемых ресурсосберегающих технолог; Л. ■ В рамках данн.ой главы освещаются общие моменты использования эффектов регионального влияния применительно к каждому из рассматриваемых технологических процессов.

Разработки, выполненные.в части регионального влияния, наряду с предложенным классом комбинированных итерационных методов'составили методическую'основу настоящей диссертации в целом.

В "третьей главе рассматриваются, главным образом, вопросы, касающиеся теплофизики прогрессивной ресурсосберегающей технологии автовакуумногс плакирования антифр; ;ционными сплавами. Наряду с этим анализируются такие закономерности протекания сопутствующих тепловая явлений, таких как структурные превращения в материалах, изменения термонапряженного состояния изделий и т.д. В прикладном плане данная глава посвящена проблеме совершенствования рассматриваемой технологии посредством применения простейших опосредованных способов термического воздействия на процесс формирования плакирующего слоя .и управления этим процессом за счет организации требуемого теплового состояния конструкции а целом. Главные моменты теоретического аспекта данной глава связаны, во-первых, с созданием подходов к математическому моделированию тепловых и сопутствующих им явлений в условиях печного автовакуумного плакирования, и во-вторых, с анализом проявления и использования в исследуемой ситуации эффектов регионального влияния условий однозначности.

Рассматриваемый способ плакирования (наплавки) базируется на использовании автовакуумного эффекта, сущность которого заключается в поглощении газов поверхностями и самопроизвольной очистке последних от оксидных и нитридных пленок при нагреве в замкнутом пространстве герметичной полоски. Практическая реализация данного способа плакирования осуществляется в газотермических печах общего назначения, где происходит нагрев собственно основы, технологической оснастки и плакирующего материала, в процессе которого послед-

ний расплавляется, заполняет герметичную наплавочную полость и затем при дальнейшем охлаждении образует диффузионное соединение с основой. Данная технология предстазляет собой один из наиболее эффективных и высокой дозволительных способов изготовления крупногабаритных биметаллических изделий (ее производительность, достигающая 125 кг/час примерно на порядок превышает таковую для электродуговой наплавки). Автовакуумное плакирование является относительно новой технологчей и в литературе практически отсутствуют данные. посвященные рассмотрению ее теплоФизических аспектов: В нас. тоящей работе в результате проведенных исследований созваны основы теплофизики данной технологии. Показано, что принципиальная возможность получения надежных биметаллических соединений на- основе явтовакуукного плакирования может быть реализована только в условиях. когда имеет место рациональная организация технологического процесса в плане создание определенного теплового состояния конструкции в целом (стальная основа-плакирующий слой-оснастка), обеспечивающего эффективное протекание процесса формирования плакирующего материала. В связи с этим в работе сформулированы важнейшие требования к собственно процессу затвердевания наплавляемых слоев, регламентирующие механизм' затг: эрдевания и "аправленность движения . фронтов кристаллизации, В плане выполнения указанных требовании один из важнейших результатов исследования состоит в установлении возможности эффективного управления процессом формирования плакирующего материала с помощью-простейших способов термического воздействия таких, как применение специальной теплоизоляции различной толщины с разными теплофизическими характеристиками, наносимой на отдельные участки поверхности конструкции (локальной теплоизоляции), и варьирование в допустимых пределах геометрических характеристик отдельных элементов технологической оснастки.

Приводимые ниже данные, подтверждающие эту возможность, были получены в контексте разработки и внедрения на ПО "Уралмащ" технологии автовакуумного плакирования крупногабаритных деталей тяжелого машиностроения антифрикционными сплавами типа бронз. В этой связи в качестве типичных примеров рассматривались теплофизические ситуации для изготавливаемых с использованием данной технологам наиболее характерных видов биметаллических деталей " рабочими поверхностями различной формы - скользящей опоры шагающего экскаватора с плоскими рабочими поверхностями, детали типа втулка с цилиндрическими рабочими поверхностями и подпятника конусных дробилок со сферическими рабочими поверхностями. При этом проводились

широкие параметрические исследования, базирующиеся на решении соответствующих нелинейных многомерных задач Стефан; дня ооластей сложной конфигурации', характеризующихся физической неоднородностью сред.

В результате этих исследований для каждого из рассматриваемых типов деталей г'ыли предложены рациональные варианты местной теплоизоляции конструкции и соответствующие изменения геометрических характеристик технологической оснастки. На рис.3 в качестве примера представлен предлагаемый вариант теплоизоляции с определенным видоизменением технологической оснастки для скользящей опоры шагающего экскава.ора ЭШ.65.100. Рис.4 иллюстрирует характерное температурное поле данной конструкции, отвечающее требуемым условиям затвердевания плакирующего материала.

В работе приводятся также результат!' выполненных на ПО "Урал-маш" исследований, касающихся структуры и механических свойств биметаллических соединений. полученных при предложенной эффективной

Рис.3. Общий вид скользящей опоры шагающего экскаватора с предлагаемой технологической оснасткой под плакирование: 1 стальная основа изделия; 2 - наплавочные полости; 3 - коробчатый бункер; 4 - промежуточный питатель; 5 - питатель-газосборник; 6 -контрдетали; 7 - шестислойная изоляция из асбокартона; 8 - изоляция из асбокрошки; 9 - изоляция из асбокартона.

Рис.4. Температурное поле скользящей опоры шагающего экскава-. тора в момент времени, отвечающий Го=0.438 при наличии варианта теплоизоляции, предлагаемого для использования.

организации Техноло;ического процесса. Эти данные свидетельствуют, что образующееся в результат автовакуумного плакирования соединение бронзы со сталью носит диффузионный характер по всем сопрягаемым поверхностям. При исследовании прочности соединения бронзы со сталью разрыв всегда происходил по собственно иронзе. То есть прочность биметаллического соединения оказывалась выше прочности наиболее слабого элемента пары - бронзы БрОС8-12. Что касается предела прочности на разрыв для собственно наплавленной бронзы, то, как показали проведенные исследования, он оказался • нескол' ко выше, чем у бронзы в литом (исходном) состоянии. Так, если для литой бронзы он равен 16,2-107 Па, то есть для наплавленной составил 21.1-Ю7 Па в случае лабораторных образцов и 18,1-Ю7 Па в случае производственных биметаллических изделий.

Четвертая глава посвящена исследованию тепловых и сопутствующих им явлений при реализации технологии газотермического напыления. Главное внимание здесь уделяется изучению пропссов теплопе-реноса. реализующихся в условиях формирования газотермических покрытий на основе. При э^ом проводимые исследования базировались на

различных подходах к анализу наблюдаемых тепло: г/, явлении; первый из них связан с рассмотрением термического взаимодействия с основой одиночной частицы ; второй - интегральной совокупности частиц как единого слоя.

В работе в рамках первого подхода выделялись следующие аспекты исследований: а) изучение специфики процессов теплопереноса на стадии действия ударного (импульсного) давления; б) анализ термических эффектов, обусловленных кристаллизацией расплавленной частицы: в) изучение закономерностей влпг.ния различных теплофизичес-ких, технологических и геометрических факторов на тепловое состо-як э системы "частица-основа" в условиях газотерм: ческого ' напыления сплавов, склонных к аморфизации. Важной особенностью математического мод лирования для стадии импульсного давления являлось использование обобщенного нелинейного уравнения теплопроводности, что связано с необходимостью учета на данной стадии ограниченности скорости распрс гтранения теплоты \Ч и зависимости от температуры всех теплофизических характеристик материалов. Соответствующие исследования проводились на базе следующей матемгтической модели процесса теппопереноса з системе "ч?",тица-основа"

ац ач,

1-1,2. 31,

Зхр

Хр-0

Зтг

(0 < Хр < б3).

- —1 "С охр хр-53

д Г 01,-,

(5)

(6)

I

91,

'2 1 . ьг о > т-0 ох

Ъх,г т-0 от

т-0

0. (7)

Г 31, Эч, 1 г 012 бсь-,

Эт ■'Хр-б!

(8)

I " ^ !

|Хр.б, I Хр. 5,

(9)

где тр - время релаксации: Ь и бг - толщины частицы и основы; 53 - суммарная толщина частицы и основы: индексы "1" и "2" относят величины соответственно к частице и основе.

Проведенные исследования показали, во-первых, что обычно при-

меняемые- в литературе способы линеаризации (когда в качестве определяющей температуры принимается температура . основы в начальный момент времени Ьго) могут приводить не'только к существенным количественным погрешностям, но и .к качественно ошибочной картине изменения во времени температуры поверхности контакта "частица-основа" Н во-вторых, все же возможен удовлетворительный способ линеаризации, если ввести в рассмотрение в качестве определяющей не одну, а две температуры, а именно:' для расплавленной частицы. -температуру, равную ее начальной температуре в момент удара об основу для основы - начальную температуру 1го. Практически важным результатом исследования являются также выполненные оценки релаксационных эффектов для широкого класса сочетаний материалов частицы и основы. Согласно полученным данным разница температур Л1К в начальны? момент времени (при т-0)-и по окончании релаксационных процессов на поверхности контакта "частица-основа", характеризующая величину релаксационного эффекта, может быть весьма. существенной. (Например, для. ситуации напыления ниобия на медную основу она достигает 1036,6°С. железа на основу из меди - 801,1°С, железа на основу из алюминия - 604,5°С.) Причем для большинства рассмотренных случаев величина Л С, оказывалась положительной и тем большей, чем более теплопроводным являлся ..¡атериал основы.

Определенное внимание уделено.освещению теплофизических условий для двух характерных ситуаций, отвечающих образованию покрытий принципиально разного типа - с кристаллической и аморфной структурой.

Важным результатом выполненных исследований, полученным на базе широких вычислительных экспериментов, является также вывод о том, что вопреки принятым представлениям при математическом моделировании рассматриваемых практически -важных ситуаций напыления необходим учет теплоты кристаллизации расплавленной частицы.

Специальные исследования были проведены в целях изучения закономерностей влияния на тепловое состояние системы "частица-основа" различных технологических, геометрических и теплофизических 'параметров в условиях напыления покрытий из материалов, склонных к аморфизации. Данные исследования выполнялись в контексте совместного рассмотрения температурных режимов и обусловливаемых ими фазовых превращений в покрытии. Проведенный анализ механических свойств газотермических аморфных покрытий из сплавов на основе железа. никеля, кобальта, содержащих бор. фосфор, углерод и легированных различными элементами (системы Ге-В. Ге-Л1-В. Ге-ГЛ-Р-З.

Ре-Сг-Р-С, Ге-Сг-Мо-В, Н1-Р, Ш-Мэ, Н1-Мо-Сг-В. И-Ре-Сг-В-БЬС и др.). позволил получить обширную информацию о. наличии у. этих покрытий сочетания повышенных эксплаутационных характеристик - прочности сцепления с основой, износостойкости, коррозионной стойкости и т.д.

В данной главе отдельно выделены результаты, исследований,полученные в. рамках второго из указанных выше подходов, который базируется на рассмотрении термического взаимодействия с основой не единичной частицы, а их интегральной совокупности, т.е. покрытия в целом как единого слоя, формирующегося в процессе напыления. Теп-лофизический анализ этой ситуации проводился на основе решения ■ объемной нелинейной кчазистационарной задачи теплопроводности для слоисто-неоднородной системы "многослойное покрытие-подслой-основа"

а г зе •, 9 г ае

'Эх

Эу

эг Зе •. . Эе

♦ — . Л (у, в) ■ - Ре-С„(у, в) ■—• - 0. 'Л. П7. 1 62

Эг»--

(Ю)

О < х < х,,

О < у < у, (п), у,(п)

б2, при п-0. б3 при п=1,

б„*г при

Л (у.в)

Эе Зх

Х-0

г Эе -,

X (11); л- (у,в) + В1х е = о, (12) 1 ох ' ■|х=х,

Эе

г 00 1

А^е)-— - В1„ -е = -ехр [ -(хг + гг)1, (13) I Зу 0 м-0

у=0

с

1=2 при п=0. 1-3 при п=1. 2,3.....м;

г 90 Г

Л! (9)-—+В1у -9 -0. 1 Эу 1 -"у-у,

г т

Л(у.О)'—-В1. -е

1 02

(15)

5о

[л<у.е)-г-♦ В1. -в] ■ 0.

(16)

О

А (У.О)

Ла при (у, - б,) < у < У!, Л2 при (у, - б2) < У < (У, - 5,), Л3 при 0 < у < (у, - б2),

С, (у. 6)

С,, при (У! " б, ) < У < У».

Ч при (У. " б2 ) < У < (У. - 5,).

Суз при 0 < У < (У1 - 62 ).

где в =

и - 1С.)-Х0

Чтах ' Г

Ре - число Пекле, Ре

У-г0 ао

В1,-

В1,

В1„

В12 - числа Био на соответствующих поверхностях; п - номер

напыляемого слоя покрытия; М - общее количество напыляемых слоев покрытия; 5,, 5г, б3, бц,2 - безразмерные'толщины'соответственно основы, основы и предварительно нанесег того подслоя, основы с подслоем и одного слоя покрытия, основы'с подслоем и N слоями покрытия; с^вх - максимальное значение эпюры теплоподвода: гс -

температура окружающей среды; г0- - радиус пятна нагрева, используемый в качестве характерного размера; индексы "1". "2", "3" при Л и Су относят.последние соответственно к основе, подслою и покрытию.

На база этой математической модели был проведен комплекс исследований для- двух классов газотермических покрытий - антифрикционных покрытий из композиционных порошков. . содержащих твердые смазки, и металлополимерных покрытий. Данные исследования выполнялись в контексте определения условий, обеспечивающих эффективную организацию технологического процесса напыления.■ В этой связи для каждого из классов покрытий изучались закономерности ■ влияния на температурные режимы рассматриваемых систем различных Факторов: для антифрикционных покрытий - скорости движения плазмотрона. его мощности, дистанции напыления,, разных плазмообразую-щх газов, предварителЬйого нанесения подслоев, пористости покрытия. условий охлаждения свободных поверхностей покрытия и основы-и т.д.; для металлополимерных покрытий - типа полимерной и металлической компоненты, конструкции покрытия (слоистое или наполненное). разных методов напыления .(плазменнодуговой и газопламенный) и пр.

Для рассматриваемых классов покрытий в. процессе • комплексных теоретических и экспериментальных исследований проводился совместный анализ тепловых, структурных и термонапряженных состояний систем "покрытие в целом-основа", а также их механических характеристик. В результате выполненных исследований разработаны, во-первых, покрытия типа-"металл-графит", обладающие улучшенными антифрикционными характеристиками и весьма низким уровнем внутренних напряжений. и во-вторых, металлополимерные покрытия, характеризующиеся сочетанием высоких антикоррозионных свойств с повышенной износостойкостью. • Например, скорость коррозии для металлополимерного покрытия, состоящего из сплава К60Х30ВС и полиэтилена низкой плотности, составляет 0,225-10"7кг/(мг :с) в 30% растворе НЖ)3 и 6.86-10"7кг/(мг-с) в 50% растворе Н3Р04, что соответственно примерно в 3 и 42 раза меньше, чем для покрытия из указанного нержавеющего .сплава.

В пятой главе приводятся основные результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерностей протекания процессов теплопереноса и важнейших обусловленных ими явлений, таких как структурные превращения в материалах, изменение термонапряженного состояния деталей и пр., которые наблюдаются при реализации тчхно-

логии. лазерного упрочнения. Наряду с этим определенное .внимание уделяется -также' экспериментальному изучению ваянейших механических свойств материалов в зоне лазерного нагрева, в значительной мере определяющих эффективность окончательного технологического результата.

.Основными объектами исследования здесь являлись разновидности режущего инструмента, упрочняемого непрерывным излучением С0г-ла-зера. Исследования проводились з контекста решения задачи проектирования рациональных технологических режккоз упрочнения, при которых обеспечивается эффективное протекание требуемых структурных изменений з материале. В этой связи анализировались., возможности использования различных способов воздействия на тепловое состояние упрочняемого инструмента таких, как скорость перемещения лазерного луча V. расстояние а° между рзжущей кромкой и центром луча, величина радиуса пятна нагрева г0 и т.д. В процессе исследования важнейшим параметром, варьируемым в широком практически важном диапазоне изменения, являлся также угол заточки инструмента фа. Математическое моделирование процесса теплопереноса в рассматриваемой физической обстановке осуществлялось на базе нелинейной объемной задачи теплопроводности при наличии з основном операторном уравнении кснзективного члена, отражающего эффект движения источника нагрева - лазерного луча. В целях полноты анализа я оценки достоверности результатов математического моделирования проводились детальные сопоставления данных вычислительных и натурных Экспериментов. Типичные результаты. таких сопоставлений применительно к определения конфигурации упрочненной зоны представлены' на рис. 5..

Особое внимание уделялось постановке и решению задачи об определении пороговых значений технологических парамет-

Рис.5. Конфигурация упрочненной зоны

при ф,=я/3,

■1.0. Ре-5,3;

-о-- данные натурного эксперимента;

-*— - результаты численного решения.

роь, разграничивающих .области их допустимых и недопустимых вели- ' чин. Применительно к практике закалки режущего инструмента эта задача связана с необходимость» нахождения условий возникновения следующих трех отрицательных ситуаций: 1) проплавления собственно режущей кромки; 2) .проплавления некоторой зоны, прилежащей к обрабатываемой поверхности и расположенной на удалении от кромки; 3) отрыва упрочненной зоны от режущей кромки. Рис.6 иллюстрирует результаты решения данной задачи, полученные на базе математического

моделирования . для типичной ситуации упрочнения. При окончательном определении- качества инструмента, упрочненного лучом лазера, анализу подлежа--ли такие характеристики, . как ' микроструктура и фазовый состав'зоны нагреза, микротвердость, напряженное состояние к. износостойкость получаемых структур. На рис." 7 приводится пример реализации требуемой структуры в случае упрочнения режущего инструмента с углом заточки я/3 из быстрорежущей стали Р6М5. Наряду с необходимой структурой упрочненной зоны остаточные напряжения в рассматриваемых ситуациях имеют также благоприятные характеристики. Наблюдается и существенное повышение износостойкости сформированных лазерным облучением структур по сравнению с таковой для объемной закалки. Так, для стали У8 оно составляет- 1,6+2 раза, .для'.стали Р6М5 - 2,1+3 раза.

Шестая глава посвящена в основном освещению результатов иссле дований теплофизического аспекта проблемы проектирования эффективных технологий монтажа элект ронных компонентов на поверх ность печатных плат. При этом наряду с изучением тепловых явлений определенное внимание уделяется также анализу термонапряженного состояния узлов на печатных платах. Рассматриваются, теплофизические си-

Рис. 6. Зависимость Ре„-Иа*). при г0=1, ф^Я/З.

- 27 -

туации, отвечающие .различным способам пайки - комбинированной ' пайке (пезистизкой и иг'фракрас-пгйке . струей нагретого Применительно к данным пайки сформулированы зтвувщие математические процессов тзплопереноса. ¡лагаются основные положения разработанной методики ' регио-льного моделирования теплового гсяния'компонентов поверх? V г,-^ костного монтажа, которая бази-

рузтся на учотэ набладаемых в

рассматриваемых условиях зффек-Рис.7. Микроструктура упроч- тов регионального влияния. При-ненного слоя после лазерной водятся характерные результата закалки стали Р6М5:Р-300 Зт: натурных экспериментов и матека-г0=2,5-10"3 м; 7=0,0133 м/с: тичесхого моделирования процес-ар* 10"3 м; ^1-я/З. . ссз теплопереноса для типичных

ситуации пайки БИС и СГИС в ме-таллокерамических и пластмассовых микроксрпусах на поверхность низко- и высокотеплопрозоляых плат. Освещаются данные выполненного параметрического анализа; при этом рассматриваются закономерности влияния на температурные режимы печатных узлов' при пайке таких факторов, как плотность монтажа, тип монтируемых компонентов, их местоположение, на печаткой плате, условия прижима к плате и пр. Особое вникание уделяется анализу эффективности различных схем нагрева пайки .струей газа - круглой -струёй или плоскими струями, профилированными по периметру микрокорпуса. В результате проведенных теплофизических исследований разработаны рекомендации по созданию базовых технологий комбинированной резистивной и ИК-пайки». а также пайки струей нагретого газа, обеспечивающих формирование надежных паяных соединений микрокорпусов с платой. ■

В седьмой главе приводятся данные "атематического моделирования температурных режимов деталей при сварке. При этой основное внимание уделяется рассмотрению широкого класса сварных оболочеч-ных конструкций, состоящих из двух произвольных конических оболочек вращения, включая их предельные формы - цилиндрические оболочки. круглые и кольцевые пластины (см. рис. . 8). Одной из наиболее

» е-* УК щ 1М ^

п-г „_ ф

р4

"Ш

"за

■фг. у.

характерных особенностей исследования является то обстоятельство, что его различные аспекты освещаются в. контексте учета эффектов регионального влияния. Так, на использовании этих эффектов ' ' базируются различные элементы предлагаемой специализированной методики численного решения задач рассматриваемого класса, такие как схема сдвига, расчетная пассивная граница области и

т.д. Учет таких эффектов лежит также в основе обобщений, полученных в результате анализа данных выполненного комплекса вычислительных экспериментов. В рамках этого анализа проведено сопоставление температурных режимов разлитых групп конструкций из данного класса. Показана возможность приближённой оценки температурного режима целой" группы конструкций, исходя из анализа теплового состояния некоторых характерных конструкций. • входящих в данную группу.

В контексте рассмотрения эффектов регионального влияния условий теплового контакта между свариваемыми деталями особое внимание уделено сопоставлению различных математических моделей, соответствующих заданию разныу условий теплового взаимодействия между составными элементами конструкции: (1) - модели переменного контакта, изменяющегося во времени вдоль поверхности сопряжения деталей в соответствии с движением источника сварочного нагрева; (2) - модели отсутствия теплового контакта; (3) - модели постоянного термического контакта по всей поверхности сопряжения деталей.

Разработанное программное обеспечение было включено в пакет

Рис.8. Варианты конфигураций сварных обо--лочечных конструкций.

прикладных программ Института электросварки АН Украины и. внедрено в технодогиче-чув практику'ведущих машиностроительных заводов.

Восьмая глава посвяшена в основном исследованию процессов, теплоперенсса при объемной закалке деталей в жидких ' средах. При анализе температурных режимов упрочняемы;: деталей особое внимание уделялось сасскстренив следующих эффективных условий реализации рассматриваемой технологии: зс-нёрзых, закалке под избыточным регулируемым дазлзнйем я. зс'-вторых,' упрочнению яри интенсификации -теплообмена в области мартенс^тньгх превращений.

Применительно к данным условиям реализации технологии закалки на базе математического моделирования проведен комплекс исследований температурных режимов деталей различной формы, представляющих ссбсй характерные элемента всевозможных технических устройств; а именно, деталей канонической формы (пластины, цилиндра, йара) -л толстостенных пластик при различной геометрии среза кромок. При ' этом в плане анализа возможностей управления фазовыми превращениям в материале при закалке .большое вникание уделялось изучению особенностей теплопереноса на стадии пузырькозого кипения я, з первую очередь, установлению закококерностей влияния на величину продолжительности данной стадии различных факторв - размеров детали, давления закалочной нидкостй, интенсивности теплопереноса на стадии конвективного теплообмена и т.д. Для указанных толстостенных пластин решена актуальная прикладная задача о зыборе рациональной последовательности технологических операций их обработки в части обеспечения минимального уровня иктенсивностей напряжений, возникающих в закаливаемых деталях.

Специальные исследования проведены также с целью ' выявления роли нелинейности I и II рода в процессах теплоперенсса при закалке.

В контексте эффективного управления процессом закалки посредством использования тех или иных закалочных аидкостей выполнен комплекс исследований по определению охландающих свойств ряда относительно новых закалочных сред, представляющих собой' водные растворы солей и полимеров (типа бишофита и полимера. ПК-2)',

ОБЩИЕ ВЬ'-ВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Для ряда прогрессивных ресурсосберегающих технологий обработки материалов (типа автовакуумного плакирования, газотермического напыления покрытий, упрочнения деталей лучом лазера, поверх-

монтажа электронных компонентов и-пр.) выполнен анализ тепловых и' сопутствующих им явлений в контексте обеспс- ;ения их рациональной организации и получения эффективного окончательного технологического результата.

2. Разработан,специальный класс сеточных методов - комбинированных итерационных методов, ориентированный на математическое моделирование процессов теплопереноса, наблюдаемых при реализации рассматриваемых технологий. Основная идея методов состоит, с одной стороны, в объединении важнейших достоинств явных и неявных схем, с другой - в использовании эффекта регионального влияния, характерного для исследуемых физических ситуаций. Показано, что использование данного класса методов наиболее целесообразно в той области, где применение классических явных 1. неявных схем наименее эффективной

3. Установлены общие физические, закономерности протекания многомерных процессов теплопереноса. связанные с проявлением эффектов регионального влияния условий однозначности. . применительно к реализации исследуемых ресурсосберегающих технологий. Сформулированы основы построения положений о- региональном влиянии, позволяющие охватить важнейшие проявления эффектов регионального влияния для ьсех условий однозначности. Предложена специальная, методика использования эффектов регионального влияния, открывающая возможность существенного упрощения исследований на различных стадиях, а именно, на Стадии постановки задачи, в процессе ее решения, а также на завершающей стадии - анализа получаемых результатов.

4. Разработаны основы теплофизики технологического процесса автовакуумного плакирования крупногабаритных деталей тяжелого машиностроения. На базе математического моделирования и натурных экспериментов даны методические рекомендации по совершенствованию рассматриваемо"-технологии посредством применения простейших опосредованных способов термического воздействия на процесс формирования -плакирующего слоя и управления этим процессом за счет организации требуемого теплового состояния конструкции в целом. Эффек-тивнос-ь" предлагаемых мероприятий подтверждается результатами исследований структуры и механических свойств биме Фаллических соединений, полученных при разработанной рациональной организации технологического процесса.

5. В контексте проектирования эффективных ~эхнологических режимов газотермического напыления разработан ряд новых -положений

теплофизики дайной технологии, по пученных на базе совместного анализа процессов теплопереноса и обусловливаемых ими структурных превращений и термонапряженных состояний покр::тия и основы. Для ряда специальных. ситуаций установлены особенности 'термического взаимодействия с основой одиночной частицы и интегральной совокупности частиц (покрытия в целом). При этом применительно к условиям взаимодействия одиночной частицы с основой методами математического моделирования изучены закономерности теплопереноса на стадии импульсного (ударного) давления л дана оценка величины релаксационных эффектов для широко используемых сочетаний материалов покрытия и основы; для ситуации напыления сплавов, склонных к аморфиза-ц:ш. выполнен совместный анализ температурных режимов, связанных с ними фазовых превращений в покрытии, и комплекса механических свойств получаемых аморфизьрованных слоев. В рамках изучения термического взаимодействия с основой интегральной совокупности частиц для двух классов газотермич^ских покрытий - композиционных покрытий, содержащих графит, и металлополимерных покрытий на базе решения объемной задачи теплопереноса установлены закономерности влияния на тепловое состояние рассматриваемых систем различных . факторов. Получены данные о механических характеристиках, структурных и термонапряженных состояниях, подтверждагцие' эффективность разработанных технологических рекомендаций для указанных классов покрытий.

6. Выполнен комплексный анализ тепловых и сопутствующих им явлений в условиях реализации технологии упрочнения непрерывным излучением СОг-лазера разновидностей режущего инструмента. В ":елях проектирования рациональных технологических режимов упрочнения, методами математического моделирования изучены возможности использования различных способов воздрйствия .на тепловое состояние ¿ака-ливаемого инструмента, таких как скорость перемещения лазерного луча, расстояние между режущей кромкой и центром луча, величин^ пятна нагрева и т.д. Сформулирована постановка задачи об-определении пороговых значений технологических параметров .1 получено ее. решение для рассматриваемой ситуации упрочнения. На. базе совместных теоретических и экспериментальных исследований теплового состояния режущего инструмента и различных характеристик образующихся в результате лазерного воздействия структур разрабо-аны рекомендации по проектированию рациональных технологических режимов лазерной закалки.

7. Разработаны основы математического моделирования теплового

и терионапзяЕеняого состояния печатных узлоз при реализации техно-' логик ионтада электронных компонентов - БИС и СБИС в металлокера-мичаских и 'пластмассовых микрокорпусах - на поверхность низке- и высокотеплопрозодньк плат. Предложена методика регионального.моделирования температурных решкоз критических компонентов монтажа. Установлены закономерности процессов тешзопереноса.в печатных узлах для различных способов пайки - резистизной и. ИК-'пайки, а такве пайки струей нагретого газа. На основа проведенных исследований теплозого н тернокапряаенного состояния печатных узлов разработаны базовые технологические процессы резистизной- ь ИК-пайки, а также пайки струей нагретого гас.а, обеспечивающие получение надежных паяных соединений и отсутствие перегрева полупроводниковых кристаллов. '

8. Предложен общий методический подход нематематическому моделированию процессов теплолереноса пр^ сварке применительно к широкому классу оболочечных конструкций, состоящих из двух произвольных конических обрлочек вращения, включая их предельные формы - цилиндрические оболочки, круглые и кольцевые пластины.' Выполнен ■ сравнительный анализ температурных режимов указанного класса оболочек вращения и на его основе показана- возможность' оценки теплового состояния целой группы конструкций, исходя из данных о .температурных полях некоторых характерных конструкций, входящих в эту группу.

9. Для конкретных условий закалки деталей в жидких средах -при интенсификации теплообмена в области мартенситных превращений И регулировании давления закалочной жидкости - на базе математического моделирования и натурных, экспериментов выполнен анализ теплофизических аспектов данной технологии. . Применительно к этим условиям изучены закономерности изменения температурных режимов закаливаемых деталей различной конфигурации; в результате совместного рассмотрения теплового и термонапряженного состояния изделий получено решение актуальной прикладной задачи о выборе рациональной последовательности технологических операций - размерной обработки и объемной закалки. В плане анализа возможностей управления фазовыми, превращениями в материале при закалке получены данные об охлаждающих свойствах ряда перспективных закалочных сред, представляющих собой водные растворы солей и полимеров.

- 33 -

.ОСНОВНЫЕ ПОЛОКШИ ДИССЕРТАЦИИ ОПУЕЖКОВАШ В РАБОТАХ:

1. Фиалко H.М. Особенности резений задачи теплопроводности с подвижными концентрированными источниками тепла// Тэпл&арозод-ность и диффузия в технологических процессах.- Рига, 1977.-С. 18S-J91.

2. Фиалка H.М.. Меранова Н.О. Исследование продолжительности пузырькового кипения в процессе прерывистой закалки// Прикладные вопросы теплообмена и гидродинамики,- Киев: Наук, дукка. 1S32. -С. 83-85.

3. i-лалко Ü.M.. Гомжьна Л.Д.. Юрчук В Л. Температурный режим сваркой конструкции труба-пластина// Пром. теплотехника,- 1983.-НЗ.- С. 45-50.

4. Фиалко Н.М., Лущик. Л.В. Численное исследование влияния формы образца на прододкаIелыюоть пузырькового кипения в процессе закалки// Теплопередача и прикладная гидродинамика. - Киев: Наук, думка. 1983. -С. 94-98. .. ...

5. Фчалко Н.М., Гомяяша Л.Д., Юрчук В. Л. Приближенный анализ теплового состояния, сварной конструкции труба-пластина// Пром. теплотехника.- 1S84.- ¡11.- С. 14-17.

6. Фиалко Н.М.. Лущик Я. В, Особенности численного решения задачи теплопроводности при заяалке// Теплообмен -и ' теплофизические свойства веществ.- Киев: Наук, думка, 1984,- С.31-35.

7. Kobasko II. I., Flalko N.M.. Meranova N.0. Numerical Determination of the Nucleare-Bolling Phase In the Course of Steel-Plate Hardening//Heat-Transfer Soviet Research.- 1934.-¡12 - P. 130-135. ■

8. Фиалке H.K., Меранова H. 0., Шеренковская Г.П. Приближенный метод решения задач теплопереноса при упрочнении материалов кон-центрирозгкными источниками энергии// Конвективный теплообмен и гидродинамика.-Киев: Наук, думка. 1985. С.8-12.

9. Koöacko H.H., ¡ЙЗецВ.И. ; Фиалко Н.М.. Меранова Н. 0.. Николаев Е. Д. Охлаждавшая способность водного раствора полимера ПК-2 при различных температурах// Металловедение и термическая обработка материалов. - 1985.- N9.- С. 2-5.

10. Кобаско МЛ..' «МалхоН.М., Лущик Л.В, Тривал1сть процесу бульбашхозого киШння при гартуванн! деталей р1зно1 форми// Б1сник АК УРСР.- 1986,- Ml. - С. 79-84.

11. Швец Ю.И., Фиалке H.М., Головко Л. Ф. Оценка теплового состояния изделий при упрочнении материала подвижшм концеитриро-

ванны?.! источником энергии// Прэа. теплотехника. - 1986,- 116.-' С.60-63. '

• 12. Швец В.И., Фиалке К.К.. Шеренковскал Г.П. и др. Основные направления исследований нелинейных проузееоз теплопереноса при воздействий концентрированных потоков энергии на материалы// Физико-химическая механика материалов. - 1986,- N6.- С.34-38.

13. Шзец Ю.И.. Фиалкой. И., Чебаноэа'В.Н. к др. Исследование теплового состояния тонких металлических пленок при импульсном нагреве// Электронная обработка материалов,- 1987.- HI. - С.42-46.

14. Прокопов В. Г., Шзец Ю. И.. Фиалко Н. М. и др. Тепловое состояние биметаллических деталей пар трения при печной автовакуумной наплавке// Сварочное производство,- 1988.- N3.- С.33-34.

15. Прокопов В.Г., Швец U.K.. Фиалко Н.М. и др. Особенности процессов теплопереноса при плакировании крупногабаритных стальных деталей' антифрикционным сплавами// Физ. и химия обраб. материалов.-1988,- N5.- С. 29-33.

16. Borlsov Yu.g..' Korglk V. N. „ Flalko N. Н. etc. Thermal and physico-chemical' conditions for • formation of thermal sprayed coatings with metastable-structure// High Temperature Dust-Laden jets in Plasma- Tecnology:. Proceedings of the International Workshop, 6-8 September 1988, Novosibirsk, USSR/ . eds. O.P.Solonenkp and A. I.Fedorchenko.- Lelst: VSP-III. Utrecht, The. Nrtherlands Tokyo. Japan.- P.315-328.

17. Фиалко Н.М.,' Прокопов В.Г., Сариогло В.Г.', Грачев А. А. Математическое моделирование процессов теплопереноса в печатных платах применительно к технологии поверхностного монтажа электронных узлов с использованием ИК-пайки// Тепло- и массообмен в технологии и эксплуатации электронных и микроэлектронных систем: Материалы Международной шК|-семинара. г.Минск. 19-24 сент. 1989 . г. - Минск. 1990. - ч. 2. - С. 30-39.

18. Flalko- N.M., Prokopov V.G., Meranova N.O., Borlsov Yu.S., Korzhyk V.N. Mathematlc simulation of Heat-transfer processes under the •coating ' formation conditions In thermal spraylg of alloys susceptible to amorfous transformation// Plasma Jets in the Development of Hew Materials Technology: Proceedings of the International Workshop, 3-9 Sept. 1990, France, USSR/ eds. 0.P.Solonenko, A.J.Fedorchenko.- Lelst: VSP-III, Utrecht. The Netherlands Tokyo, Japan.-. P.383-391.

19. Ф1алко Н.М., Прокопов В.Г.. СарЮгло В.Г. та 1н. Досл1дження процес1в теплопереносу при поверхневому монтаж!'м1кро-

KcpnyciB 1нтзгральннх схем// Допсзш № урср.- tfSl.-- гл.-С.59-64. ■ , .

.-20. Дожшсхйй A.A.. Швэц .0.й.. ' Фкалхо K.M. и др. Влияние размеров зат?ердзза»2;его слоя на тепловоз состояние системы "пок-рчтке-осиова" в .условиях- газотэркического напыления// .»этохат. озерка. - 1S91.- N2,- С. .»,3-45.

21. Ф1алкс К.к.. Прохоров 3.Г.,. Сатсглс В.Г. та 1к. Матечатичкз кэделв-зання теплового стану начатии;: вузл!в стссозно до технологи поверхневого • монтгау ' елек?рон:-жх чокпонент1в// До-П0В1Д1 АН УРС?.- ÎS31." N5.- С.83-91. '

22. Прокопоз В.г.. Фиалко ü.M.. Сариогло 3.Г....Грачев A.A. Математическое моделирование процессов теплсперзяоса при монтаже электронных компонентов на поверхность печатных плат// йкч.-физический нурнал.- 1-391,- 5t, '12.- С.204-210.

23. Прокопоз 3.Г., Оиалко Н.М.', Сариогло в.Г. и др.. Особенности процессов теплопереноса при пайке изделий электронной техники с пленарными вьводами//. Игоестия ВУЗов СССР. Приборостроение. -1S9L- Н7. - С. 94-101.

.24. Фиалдс K.M., Прокопов 3. Г., Шеренкозскяй ¡0. В. и др. Особенности процессов теплопереноса в условиях формирования газотер-мичесгкх покрытий из композиционных поровков// Дохл. АН УССР.-1991,- N10.- С. 87-91.

25. Фиалко H. М., Прокопоз В. Г. ., Сариогло В. Г., Грачев А. А., Рыбкин £.М. Исследование теплового состояния печатных узлов з ус-, лозиях технологии газовой пайки// Докл. АН УССР,- 1991.- N12.-С. 50-56.

26. Фиалко H.H.. Прокопоз В.Г., ШеренкоЕсхий D.B. и др. Влияние скорости движения плазмотрона ка температурный режим системы покрктие-подслой-основа в условиях газотермического напыления// . Физика и химия обраб.. материалов.- 1992,- N2.- С. 77-82.

27. Прокопов В.Г., Фиалко Н.М.. Шеренковская Г.П. и др. Влияние пористости покрытия на процессы теплопереноса при газотермическом .напылении// Порошковая металлургия.- 1992,- N12.- С!47-51.

28. Фиалко H. М., Сариогло В. Г., Чебанова в.Н: и др. Тепловое состояние монолитного танталового конденсатора в условиях пайки инфракрасным излучением// Автомат, сварка..- 1992,- N3.- С.26-30.

29. Прокопов В.Г.. Фиалко H.H., Сариогло З.Г. и др. Анализ схем струйного нагрева при пайке корпусов ИС// Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - N4,1992.-111,1993.- С. 43-44. '

30. Фиалко Н.М., Прокопов В. Г., Меранова Н.О. и др. Теплофи-

зика процессов формирования газотермичес.-.их покрытий. -Состояние исследований// Физ и химия обраб. материалов. - 1993.- N4.--С.83-93. о

31. Фиалко H.H., Прокопов В.Г., Меранова И.О. и. др. Термическое взаимодействие.одиночной частицы с основой при получении газотермических покрытий// Физ. и химгя обраб. "материалов,- 19Э4.-N1,- С. 70-78.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

9 - безразмерная температура; Fo - число Фурье. Fo » а0-т/1г; В1 -число Био,. Bi " а-1Д0; А» С„ - безразмерный коэффициент теплопроводности и удельная объемная теплоемкость. А » 1Да'.' С, cv /с? с; у, у; z т безразмерные координаты декартовой системы координат, х - Хр/1, 'у- Ур/1, г - Zp/'l;'t - текущая температура; t - время; q - плотность теплового1 потока; а - коэффициент теплоотдачи; ?„, с, - коэффициент теплопроводности и удельная объемная теплоемкость; а - коэффициент температуропроводности; - V - скорость движения; Хр. ур. 2р - размерные пространственные координаты; 1 - характерный размер; индекс "О" при X," cv и-а отвечает характерным значениям данных -теплофязических характеристик; индекс "шах" соответствует максимальному значении величины; ИК-пайка - инфракрасная лайка; БИС и. СБИС большая и сверхбольшая интегральная схема; РВ - региональное влияние.

Подписано к печати /2,.о£М99Чг»... формат 60^84/16 Бумага офсетная ' Усл.-печ.лист.х.оУЧо-изДоПис? 2,0, Тираж 100. Заказ zso. ' Бесплатно

Полиграф, уч-к Института гнектрьдинамики АН Украины, .252057, Киев-57, проспект Победи, 56.