Аналіз впливу провідності скляних деталей на формування зварних скло-кремнієвих з’єднань. Специфічні особливості розвитку електростатичних сил стиснення при зварюванні. Методика зменшення товщини приповерхневого шару скла зі структурними змінами.
Аннотация к работе
Останнім часом перспективним способом поєднання кремнію зі склом є спосіб зварювання в твердій фазі, який може здійснюватись в атмосфері повітря, при невисоких температурах, з використанням незначних зовнішніх зусиль стиснення та з прикладенням електростатичного поля високої напруги, дослідження якого проводилось у роботах Казакова Н.Ф., Шліфера С.Е., Косогорова В.М., Євдокімова Ю.М., Хоменка М.М., Березіна Л.Я., Померанца Д.І., Ковшикова Є.К., Варенцова В.А. та інших дослідників. Широке використання способу зварювання в твердій фазі в електростатичному полі (ЗТФЕП) обмежує суттєвий недолік - нестабільність якісних показників зварних зєднань, основним з яких є механічна міцність, що повязано, насамперед, з недосконалістю методик визначення часу зварювання, протягом якого забезпечується отримання зварних зєднань із заданим рівнем службових властивостей. На основі літературних даних кількісною характеристикою процесу ЗТФЕП кремнію марки КЭФ-4,5/0,1 зі склом “Пірекс” була обрана питома кількість електрики Qпит, що проходила через зєднання при зварюванні (411 МККЛ на 1 мм2 номінальної площі контакту деталей) та визначалась за допомогою кулонометра. При використанні в експериментах скляних деталей із різних партій плавки скла при умові, що в усіх випадках зварювання через зєднання пропускали однакову кількість електрики, площа зон зєднання відрізнялась та спостерігався різний характер зміни струму зварювання у часі. Процент спадання струму зварювання - додатковий параметр, який визначається із виразу: , (1) де Іпік - пікове значення струму зварювання; Ікін - значення струму зварювання в момент, який передує вимиканню електричної напруги.Розроблено нову методику визначення оптимального часу зварювання в твердій фазі в електростатичному полі кремнію зі склом, яка дозволяє підвищити стабільність якості зварних скло-кремнієвих зєднань шляхом врахування можливої зміни електричного опору скляних деталей різних партій плавки скла та контактного опору, геометричних параметрів скляних деталей та наявності у них поверхневої провідності. При зменшенні відношення номінальної площі контакту деталей до сумарного периметра бокових поверхонь трубчатої скляної деталі при постійній величині електричної зварювальної напруги та висоті скляних деталей величина пікового значення густини струму зварювання збільшується. Напруженість електричного поля в повітряному зазорі між поверхнями, що зварюються, від якої залежить величина електростатичних сил стиснення, визначається як відношення падіння зварювальної напруги на контактному опорі до величини зазору в початковий момент прикладення зварювальної напруги. Товщина шару скла зі структурними змінами при визначеному часі зварювання, необхідного для формування зварного зєднання по всій площині контакту деталей, зростає зі збільшенням відношення номінальної площі контакту деталей до сумарного периметра бокових поверхонь трубчатої скляної деталі або зі збільшенням шорсткості поверхонь, що зварюються, в рекомендованих межах від 14 класу (Rz = 0,025 мкм) до 13 класу (Rz = 0,1 мкм).
Вывод
скляний електростатичний зварний приповерхневий
Розроблено нову методику визначення оптимального часу зварювання в твердій фазі в електростатичному полі кремнію зі склом, яка дозволяє підвищити стабільність якості зварних скло-кремнієвих зєднань шляхом врахування можливої зміни електричного опору скляних деталей різних партій плавки скла та контактного опору, геометричних параметрів скляних деталей та наявності у них поверхневої провідності.
Встановлено, що чим більша величина пікового значення густини струму зварювання, тим більша швидкість зварювання та повнота формування зєднання. При зменшенні відношення номінальної площі контакту деталей до сумарного периметра бокових поверхонь трубчатої скляної деталі при постійній величині електричної зварювальної напруги та висоті скляних деталей величина пікового значення густини струму зварювання збільшується.
Час встановлення фізичного контакту визначається часом формування електростатичних сил стиснення між матеріалами, що зварюються. Напруженість електричного поля в повітряному зазорі між поверхнями, що зварюються, від якої залежить величина електростатичних сил стиснення, визначається як відношення падіння зварювальної напруги на контактному опорі до величини зазору в початковий момент прикладення зварювальної напруги.
Зменшення міцності скла в скло-кремнієвих вузлах після зварювання є наслідком збільшення товщини приповерхневого шару скла зі структурними змінами, контактуючого з кремнієм, що є наслідком міграції іонів натрію до катоду в процесі зварювання. Міцність шару зменшується зі збільшенням його товщини.
Товщина шару скла зі структурними змінами при визначеному часі зварювання, необхідного для формування зварного зєднання по всій площині контакту деталей, зростає зі збільшенням відношення номінальної площі контакту деталей до сумарного периметра бокових поверхонь трубчатої скляної деталі або зі збільшенням шорсткості поверхонь, що зварюються, в рекомендованих межах від 14 класу (Rz = 0,025 мкм) до 13 класу (Rz = 0,1 мкм).
Для зменшення товщини шару скла зі структурними змінами процес зварювання необхідно проводити з прикладенням максимально можливого рівня електричної зварювальної напруги, обмеженого величиною напруги перекриття скла, при якій відбуваються електроерозійні процеси на поверхні скла. Для запобігання виникнення непроварів та пропалів у контактній зоні внаслідок розвитку електророзрядних процесів у повітряному зазорі та для забезпечення міцності скла в зєднанні не нижче 12 МПА густина струму зварювання повинна бути в межах від 10 до 50 МКА/мм2.
Для підвищення експлуатаційних показників зварних скло-кремнієвих вузлів за рахунок зниження рівня залишкових напружень їх необхідно проектувати так, щоб відношення номінальної площі контакту деталей до сумарного периметра бокових поверхонь трубчатої скляної деталі мало мінімальне значення.
На основі проведених досліджень розроблено нову технологію зварювання в твердій фазі в електростатичному полі багатошарових вузлів типу кремній-скло-кремній за один цикл зварювання із забезпеченням рівноміцності двох зварних зєднань у вузлі.
Впровадження розроблених технологій виготовлення вузлів напівпровідникових датчиків, методики визначення оптимального часу зварювання, рекомендацій та оснащення дозволило підвищити випуск придатних до експлуатації пристроїв з 60% до 88%.
Список литературы
Хоменко Н.Н., Балакирева Е.В., Олексеенко С.В. Внутренние электростатические поля и их роль при электрохимической сварке материалов в твердой фазе // Автоматическая сварка. - 2001. - №8. - С.49-51.
Хоменко М.М., Олексієнко С.В., Ніколаєнко С.В., Становий В.П. Напівпровідникові датчики - основа національного прогресу в науці і техніці // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. - 2001. - №13. - С.82-86.
Хоменко М.М., Олексієнко С.В. Вплив поверхневої провідності скла на величину електростатичних сил стиснення при електрохімічному зварюванні кремнію зі склом // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. - 2001. - №13. - С.92-93.
Прибитько І.О., Олексієнко С.В., Ніколаєнко С.В. Методика розрахунку напруженого стану в паяних металоскляних вузлах датчиків неелектричних величин // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. - 2002. - №15. - С.108-112.
Хоменко М.М., Олексієнко С.В. Дослідження міцності скло-кремнієвих вузлів, отриманих електрохімічним зварюванням // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. - 2002. - №18. - С.64-67.
Березін Л.Я., Олексієнко С.В., Недєй Т.М. Вплив хімічного очищення поверхні ситалу на якість зєднання з алюмінієм зварюванням в електростатичному полі // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. - 2004. - №21. - С.130-135.
Хоменко Н.Н., Олексеенко С.В. Топологические особенности контактирования поверхностей при электрохимической сварке кремния со стеклом // І Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих учених та спеціалістів “Зварювання та суміжні технології”: Тези доповідей. - Київ. - 2001. - С.44.