Теплофизические процессы при лазерной пайке керамики с металлом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПАЙКИ МЕТАЛЛА С КЕРАМИКОЙ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

1.1. Получение металлокерамических соединений

1.1.1. Молибдено-марганцевая технология

1.1.2. Диффузионная сварка

1.1.3. Применение активных металлов

1.1.4. Использование высококонцентрированных потоков энергии

1.2. Лазерная пайка керамики с металлом

1.3. Особенности процессов поглощения лазерного излучения соединяемыми материалами

1.4. Моделирование тешюфизических задач

1.4.1. Аналитические методы расчета тепловых полей в материалах.

1.4.2. Численные методы решения тепловых задач

1.4.3. Процессы излучения и конвекции

1.4.4. Модельные представления неидеального контакта многослойных соединений

1.5. Выводы и постановка задачи исследования

ГЛАВА 2 . ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Материалы, применяемые для соединения керамики с металлами.

2.2. Методы исследований

2.2.1. Микрорентгеноспектральный анализ и растровая электронная микроскопия

2.2.2. Установка для исследования тепловых полей.

2.3. Экспериментальный лазерный технологический комплекс

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ЛАЗЕРНОЙ ПАЙКИ КЕРАМИКИ С МЕТАЛЛОМ.

3.1. Тепловая модель плоского многослойного металлокерамического соединения с нелинейными краевыми условиями III-го и IV-ro рода

3.2. Моделирование тепловых полей в конусном охватывающем металлокерамическом соединении

3.3. Адекватность модели

3.4. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ПАЙКЕ КОНУСНОГО ОХВАТЫВАЮЩЕГО МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКОГО УЗЛА.

4.1. Методика экспериментального определения температур металлокерамического соединения

4.2. Формирование тепловых полей при лазерной пайке

4.3. Выводы по главе

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1. Исследование переходной зоны металлокерамического соединения методами микрорентгеноспектрального анализа и растровой электронной микроскопии

5.2. Исследование прочностных характеристик соединений ИПН

5.3. Выводы по главе

Соединения технической керамики на основе А1203 с металлическими материалами нашли широкое применение в электронике, электротехнике, атомной энергетике и других областях промышленности.

В зависимости от условий эксплуатации к получаемым изделиям предъявляются высокие требования по прочности, надежности, химической, тепловой и радиационной стойкости .

Современные технологии получения металлокерамических узлов (МКУ), как правило, основаны на многократном и длительном нагреве всего изделия в вакууме или инертных средах. Хрупкость, малая теплопроводность и неустойчивость к тепловым ударам керамических материалов создает необходимость увеличения времени пайки. Чрезвычайно трудоемким считается процесс приготовления металлизаци-онных суспензий, паст, а так же получения металлизаци-онных покрытий на керамике. Поэтому существующие традиционные способы соединения керамики с металлом многоступенчаты.

Применение лазерного излучения для производства металлокерамических соединений (МКС) позволяет значительно сократить процесс во времени и вести пайку на воздухе . Благодаря высокой концентрации больших энергий на малых поверхностях обеспечивается локальность процесса нагрева с минимальным нарушением исходной структуры материала в зоне термического влияния.

К преимуществам способа лазерной пайки. относится возможность фокусирования излучения простыми оптически5 ми системами. С помощью призм и зеркал его можно направлять в труднодоступные для пайки участки изделия и соединять детали, находящиеся в замкнутом объеме, например, внутри электронных ламп.

Качество получаемых МКС зависит от предварительной подготовки частей.соединения и контактирующих поверхностей, а также режимов воздействия лазерного излучения в процессе пайки.

Изучение тепЛофизических процессов, протекающих в зоне контакта керамики с металлом, позволяет определить оптимальные режимы лазерной пайки и создать устойчивую технологию получения качественных МКС для промышленного внедрения.

Методологической основой работы явился проведенный анализ научно-технической литературы по проблемам получения металлокерамических узлов (МКУ), а также теплофи-зические представления о процессах пайки, основанные на классической теории теплопроводности.

Соединения металла с высокоглиноземистой керамикой были выполнены на лазерном экспериментальном стенде, разработанном в процессе исследований для производства проходных изоляторов типа ИПН-200.

Методами растровой электронной микроскопии, рентгеновского микроанализа и численного моделирования получены основные результаты работы.

ЦЕЛЬЮ диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование теплофизических процессов в зоне контакта керамики с металлом при лазерной активной пайке с целью оптимизации технологии получения качественных металлокерамических соединений.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие научные и практические задачи:

- изучение переходной зоны соединений высокоглиноземистой керамики с металлами ' методами растровой электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа;

- построение физико-математической модели лазерной пайки с граничными условиями III и IV рода для многослойных плоских и конусных образцов;

- анализ теплофизических процессов, происходящих в зоне соединения керамики с металлом;

- исследование тепловых полей в металлокерамическом соединении в процессе лазерной пайки.

Научная новизна работы:

- предложены тепловые модели пайки лазерным излучением плоских металлокерамических образцов и конусного охватывающего соединения-, типа ИПН-2 00 с нелинейными граничными условиями III-го IV-ro рода;

- получены зависимости параметров лазерного излучения от скорости движения источника в оптимальном режиме пайки;

- разработана методика скоростной тепловизионной съемки тепловых полей в процессе пайки металлокерамических соединений.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Физико-математические модели пайки лазерным излучением плоских и конусных металлокерамических соединений с нелинейными граничными условиями III-го IV-ro рода . 7

2. Зависимость мощности лазерного излучения от скорости источника при однопроходной пайке плоских четы--рехслойных образцов и ее эмпирическая аппроксимация функцией Е = -ae~bv + ce~dv + fv + g .

3. Методика скоростной тепловизионной съемки тепловых полей в процессе пайки металлокерамических соединений и определение температуры на поверхности материала.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Предложенные математические модели могут использоваться при расчете режимов лазерной пайки металлокерамических соединений, разработанная методика исследования тепловых полей позволяет проводить оценки движения теплового фронта, и может быть рекомендована для использования в прикладных задачах теплотехники .

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике, (г. Владивосток, 2000 г.); на международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях", (г. Смоленск, 2001 г.); на международной научно-технической конференции "Лазерная техника и технологии" (г. Санкт-Петербург, 2001 г.). 8

ЗАКЛЮЧЕНИЕ