НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

Прибитько Ірина Олександрівна

УДК 621.791:666.1.037.4

Розробка методів оцінки та зниження

залишкових напружень в датчиках тиску

Спеціальність 05.03.06

Зварювання та споріднені процеси і технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі зварювального виробництва Чернігівського державного технологічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: академік НАН України, доктор технічних наук, професор Махненко Володимир Іванович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

НАН України, завідувач відділом

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Кир’ян Валерій Іванович

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

НАН України, завідувач відділом

кандидат технічних наук

Квасницький Віктор В’ячеславович

НТУУ «КПІ», кафедра відновлення деталей машин,

доцент

Захист відбудеться “11” червня 2008 р. о 12-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11

Автореферат розісланий “07” травня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Киреєв Л.С.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У теперішніх умовах пріоритетного розвитку таких галузей промисловості, як машинобудування, ракетобудування, літакобудування, автомобілебудування неможливо обійтися без використання надійних систем управління, контролю та діагностування. Основним елементом подібних систем є первинний перетворювач неелектричних величин (датчик). Датчики реагують на зовнішні подразники, зокрема температуру, тиск, світло, звук, електричний струм, магнетизм, радіацію, хвильове випромінювання, прискорення, переміщення тощо, перетворюючи їх в електричні сигнали.

До сучасних датчиків висувають різноманітні вимоги, які визначаються, перш за все, умовами їх застосування: відсутність дії на функціонування організму людини, необхідні чутливість і точність, висока перевантажувальна здатність, стійкість до хімічних і біологічних впливів вимірювального та навколишнього середовища, уніфікованість, мала маса і габаритні розміри, економічність і технологічність виготовлення тощо.

Забезпечення низки необхідних характеристик визначається не тільки матеріалом чутливого елементу, але й технологією його кріплення до корпусу з діелектричного матеріалу, при цьому в багатьох випадках використовується боросилікатне скло „Пірекс”.

Застосування мембран з монокристалічного кремнію у якості чутливих елементів датчиків тиску дозволило підвищити рівень корисного сигналу та діапазон чутливості приладів.

Однак, практика виробництва напівпровідникових приладів показує, що намагання досягнути високих механічних властивостей з’єднань не гарантує високу якість та необхідну надійність приладів. Як правило, при з’єднанні конструкційних матеріалів висувають тільки одну вимогу – високі механічні властивості, а під час з’єднання електротехнічних матеріалів вузол повинен володіти додатковим комплексом електрофізичних параметрів. До теперішнього часу процес виготовлення являє собою найбільш вразливе місце в технології створення напівпровідникових приладів – більше 50% відмов пояснюється наявністю залишкових внутрішніх напружень, що виникають та накопичуються у вузлі датчика під час технологічного циклу виготовлення і спричиняють відхилення електричних параметрів та утворення тріщин у кристалі під час експлуатації вузла.

Незважаючи на численні дослідження, присвячені визначенню та аналізу напружено-деформованого стану з’єднань з різнорідних матеріалів, велика кількість наукових та прикладних задач дотепер маловивчені і потребують розв’язання. Зокрема, існує обмежена кількість робіт, пов’язаних із дослідженнями впливу фізико-механічних параметрів матеріалів та геометричних характеристик елементів вузлів на розподіл власних напружень і деформацій у вузлах датчиків тиску. На сьогодні відсутні експериментально підтверджені методики розрахунку, які б дозволяли на етапі проектування напівпровідникових вузлів моделювати напружено-деформований стан різнорідних з’єднань як під час виготовлення, так і під час експлуатації. Таким чином розробка методики визначення полів внутрішніх напружень у зварно-паяних конструкціях з різнорідних матеріалів з урахуванням фізико-механічних параметрів, геометричних характеристик вузлів і технологічного процесу виготовлення та експлуатації вузлів датчиків тиску є актуальною. Наявність такої методики дозволила б розробити рекомендації щодо раціонального проектування подібних конструкцій, розширити діапазон вимірюваних датчиком тисків, підвищивши таким чином метрологічні характеристики перетворювачів.

Зв’язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в рамках держбюджетної теми 56/00 „Дослідження, розробка конструкцій та технології виготовлення вузлів датчиків неелектричних величин” Міністерства освіти і науки України (2000-2002 рр.), держбюджетної теми 66/06 „Створення новітніх технологій зварювання виробів електронної техніки із різнорідних матеріалів” (2006-2008 рр.) та теми № Ф25.4/155 „Дослідження та розробка засобів модифікації поверхонь при зварюванні в твердій фазі”(2007 р.).

Мета та задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка методів оцінювання та зниження залишкових напружень під час проектування датчиків тиску з урахуванням взаємозв’язку конструктивних форм, технології виготовлення і матеріалів.

Для досягнення цієї мети вирішувались такі задачі:–

визначити оптимальні характеристики чутливості кремнієвої мембрани, виходячи з умови забезпечення заданих метрологічних характеристик вузлів датчиків тиску;–

визначити критерії оцінювання рівня напруженого стану у вузлах датчиків тиску на етапі виготовлення та експлуатації вузлів;–

визначити вплив конструктивних параметрів вузла, фізико-механічних властивостей матеріалів та параметрів технологічного процесу на величину і характер внутрішніх напружень та деформацій метало-скло-кремнієвих вузлів датчиків;–

розробити методику розрахунку полів внутрішніх напружень у зварно-паяних конструкціях з різнорідних матеріалів з урахуванням фізико-механічних, геометричних характеристик вузлів і технологічного процесу виготовлення та експлуатації вузлів датчиків тиску;–

розробити принципи раціонального проектування метало-скло-кремнієвих вузлів датчиків неелектричних величин.

Об’єкт дослідження – метало-скло-кремнієві зварно-паяні з’єднання.

Предмет дослідження – складові напружено-деформованого стану (НДС) багатокомпонентних з’єднань різного типу (торцевого, охоплюючого, комбінованого) та їх залежність від геометричних і фізико-механічних параметрів на різних стадіях виготовлення та експлуатації.

Методи досліджень. Міцність зварних з’єднань оцінювалась за результатами механічних випробувань методом відриву кремнієвої мембрани від скла, методом продавлювання кремнієвої мембрани.

Визначення характеру розподілу напружень у скло-кремнієвих з’єднаннях проводилося розрахунковими та експериментальними методами.

Аналіз напруженого стану в метало скло-кремнієвих вузлах проводився за допомогою скінченно-елементного пакета ANSYS 9.0, створеного фірмою “Westinghouse Electric” та сертифікованого відповідно до серії стандартів ISO 9000, 9001.

Експериментальне визначення якісної і кількісної картини розподілу полів напружень у скло-кремнієвих вузлах датчиків виконувалося за допомогою поляризаційно-оптичного методу на полярископі-поляриметрі ПКС-500. Зйомка зони з’єднання проводилась з бокової поверхні скло-кремнієвого вузла за допомогою цифрової камери OLYMPUSZOOM. Величина напружень визначалася методом кількісного оцінювання напруженого стану скла за відтінками кольорів, що спостерігаються у полярископі-поляриметрі за кольоро-номограмами.

При обробці даних досліджень використовувались математичний апарат, фізичні властивості металів та сплавів.

Наукова новизна. Розроблено математичні моделі формування залишкових напружень у метало-скло-кремнієвих вузлах датчиків тиску на різних стадіях виготовлення, за допомогою яких встановлено вплив геометричних параметрів на величину та характер розподілу залишкових напружень багатокомпонентних комбінованих з’єднань в умовах паяння та зварювання у твердій фазі в електростатичному полі.

Виконано дослідження напруженого стану при експлуатаційному навантаженні датчика з урахуванням технологічних напружень під час виготовлення. Експериментальним і розрахунковим методами встановлено, що зі збільшенням товщини скляного трубчастого елемента у межах від 1 до 2 мм та при збільшенні товщини чутливого елемента з 0,12 до 0,14 мм міцність зварних скло-кремнієвих з’єднань зменшується; встановлено, що збільшення висоти паяного з’єднання з 1 до 11 мм призводить до зниження міцності метало-скляних паяних з’єднань, що є наслідком особливостей деформування таких вузлів при зміні жорсткості окремих елементів.

Вперше з використанням підходів сучасної механіки руйнування твердих тіл з тріщинами для подібних конструкцій досліджено вплив дефектів, пов’язаних із недосконалістю обробки скляних деталей під зварювання. Показано, що для забезпечення низької вірогідності розповсюдження тріщини у вузлі датчика тиску, довжина дефекту тріщиноподібної форми в зоні з’єднання трубчастої скляної деталі з кремнієвою мембраною не повинна перевищувати певних розмірів відповідно до умов крихкого руйнування.

Достовірність результатів забезпечується строгістю та коректністю постановки крайових задач і математичними методами, які застосовані для знаходження розв’язків; порівнянням чисельних розв’язків, отриманих різними підходами; фізичною інтерпретацією отриманих чисельних результатів; застосуванням методів, що забезпечують необхідну точність; застосуванням апробованих пакетів програм для математичних розрахунків.

Практичне значення. Розроблено нову методику визначення напруженого стану у метало-скло-кремнієвих вузлах датчиків тиску з урахуванням двостадійності процесу виготовлення та умов експлуатації вузлів. Розробки, запропоновані в роботі, дозволяють ще на етапі проектування забезпечити цілісність вузлів та розширити діапазон вимірюваних тисків. З використанням розробленої методики виготовлені партії вузлів напівпровідникових датчиків тиску типу кремній-скло та ковар-скло№1-скло№2-кремній, які успішно пройшли дослідно-промислові випробування в умовах ТОВ „НВП„ІнтерАктив” (м. Орджонікідзе) та ДП „НДІ ІП„Гелій” (м. Вінниця).

Результати досліджень використовуються у навчальному процесі ЧДТУ під час викладання дисциплін „Напруження і деформації при зварюванні” та „Спеціальні методи зварювання” студентам спеціальностей 6.092300, 7.092301 та 8.092301 „Технологія та устаткування зварювання”.

Особистий внесок здобувача. За участю здобувача були проведені:–

дослідження та аналіз напружено-деформованого стану багатокомпонентних зварно-паяних вузлів датчиків тиску різного конструктивного оформлення в процесі життєвого циклу виготовлення та експлуатації вузла;–

механічні випробування в зварно-паяних метало-скло-кремнієвих вузлах;–

експериментальні дослідження розподілу полів напружень у скло-кремнієвих вузлах датчиків за допомогою поляризаційно-оптичного методу.

Аналіз та узагальнення результатів проводилось як самостійно, так і за участю співавторів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на 2-й Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених та спеціалістів „Зварювання та суміжні технології” (Київ, 2003 р.), на міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів та молодих наукових працівників „Современные сварочные и родственные технологии и их роль в развитии производства” (Миколаїв, 2003 р.), на міжнародній конференції „Сучасні проблеми зварювання та ресурсу конструкцій” (Київ, 2003 р.), регіональній науково-практичній конференції „Сварочное производство и технический прогресс” (Миколаїв, 2004 р.), на 3-й Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених та спеціалістів „Зварювання та суміжні технології” (Київ, 2005 р.), на 4-й Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених та спеціалістів „Зварювання та суміжні технології” (Київ, 2007 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 5 статей в наукових журналах, які відповідають вимогам ВАК України, і тези 6-ти доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, трьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 120-и найменувань та одного додатку. Робота викладена на 160 сторінках машинописного тексту, включаючи 21 таблицю і 83 рисунка.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі, які необхідно вирішити в процесі досліджень, наведено наукові і практичні результати роботи.

Сучасний стан питання створення напівпровідникових датчиків тиску. У першому розділі розглянуто різні конструктивні рішення кріплення чутливого елемента вузла датчика тиску до металевого корпусу. На основі аналізу існуючих способів отримання з’єднання метал-діелектрик-напівпровідник обґрунтовано необхідність застосування двохстадійного процесу виготовлення багатокомпонентних елементів вузлів – паяння скло-металевої підложки та зварювання в твердій фазі в електростатичному полі (ЗТФЕП) монокристалічного кремнію зі склом. Застосування ЗТФЕП для з’єднання кремнію з діелектриком продиктовано необхідністю збереження початкових розмірів кожної з деталей, що зварюються, і вихідних фізико-хімічних та експлуатаційних властивостей легованого кремнію. На перспективність використання цього способу зварювання під час виготовлення напівпровідникових приладів вказують дослідження наведені в 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., Олексієнка С.В. та інших дослідників.

Під час виготовлення та експлуатації багатокомпонентних вузлів датчиків тиску внаслідок термомеханічної дії і дії навантаження в різнорідних елементах датчика виникають власні напруження та деформації, що зменшують вихід придатних вузлів та метрологічні характеристики напівпровідникових приладів.

У роботі розглянуто існуючі розрахункові методи визначення власних напружень у зварних та паяних з’єднаннях різнорідних матеріалів. Показано, що для моделювання полів власних напружень та деформацій на різних стадіях виготовлення та експлуатації вузлів датчиків тиску доцільним є застосування чисельних методів, зокрема, методу скінченних елементів (МСЕ).

Одним з методів експериментального визначення власних напружень у подібних з’єднаннях, що задовольняє вимогам неруйнівності конструкції та сумісності з технологічними процесами виготовлення, є поляризаційно-оптичний метод визначення напружень в оптично-прозорих моделях.

Для отримання надійного з’єднання необхідно забезпечити не тільки заданий рівень електрофізичних параметрів, але й мінімальний рівень власних напружень у вузлах датчика тиску.

Серед основних факторів, що впливають на величину та характер розподілу власних напружень і деформацій в літературі найбільшого поширення дістали такі: коефіцієнт температурного розширення (КТР), модулі пружності матеріалів, що з’єднуються, геометрично-конструктивне оформлення вузла. Однак вплив різних факторів у літературі оцінюється неоднозначно.

На основі огляду літератури обґрунтовано доцільність досліджень, визначено мету роботи та сформульовано основні задачі досліджень.

Матеріали та апаратура. Матеріалами для досліджень були обрані мембрани з кремнію марки КЭФ-4,5/0,1, вирізаного в кристалографічній площині (100) діаметром 6 мм та різної товщини, а також трубчасті деталі із скла “Пірекс”, скла С48-1 та ковару 29НК, які мали різні висоти, зовнішні та внутрішні діаметри. Комплексну методику виготовлення багатокомпонентних вузлів наведено на рис. 1.

На першому етапі проводять паяння охоплюючого з’єднання при температурах 1173-1273 К. Оскільки температура розм’якшення скла складає 773-823 К, елементи датчика збираються на графітовому стержні (на рис. 1 не наведено), з метою запобігання витікання, викривлення скляних елементів вузла.

На другому етапі виконують зварювання в твердій фазі з використанням електростатичного поля високої напруги при температурі близько 673 К та мінімальному стискаючому зусиллі. Для зварювання в твердій фазі використовували модернізовану промислову установку УСЭПВН-4Н. Схему ЗТФЕП представлено на рис. 2.

Відомо, що кремній та скло відносяться до крихких матеріалів, для яких спостерігається суттєва різниця між потенціальною та реальною міцністю. Серед основних причин цієї розбіжності є механічні ушкодження поверхні зразків, що утворюються під час виготовлення напівфабрикатів кремнію та скла. Причиною подальшого зменшення міцності крихких матеріалів можна вважати термічну дію внаслідок технологічних процесів виготовлення вузлів з різнорідних матеріалів, яка призводить до появи залишкових напружень і деформацій у конструкціях вузлів.

Розробка методики розрахунку полів власних напружень метало-скло-кремнієвого вузла датчика неелектричних величин. В даній роботі деформаційні процеси при зварюванні та паянні і подальшому навантаженні зовнішніми зусиллями розглянуто з позицій феноменологічних теорій деформування, згідно до яких, характеристиками напружено-деформованого стану у кожній внутрішній точці деформованого тіла є тензор напружень, тензор деформацій та вектор переміщень. Зв’язок між компонентами тензора деформацій визначається рівняннями сумісності деформацій, а зв’язок між компонентами тензора напружень – рівняннями руху Коші.

У загальному випадку деформування феноменологічні підходи передбачують, що тензор деформації можна представити у вигляді суми:

еij = еijпр+ еijпласт+ еijповз, (1)

де еij – тензор повної деформації; індекси пр, пласт та повз позначають його складові: пружну деформацію, деформацію миттєвої пластичності та деформацію дифузійної пластичності відповідно.

У даній роботі залежність між характеристиками деформованого стану та напруженнями (фізична модель) базується на таких припущеннях. Деформоване середовище являє собою пружний континуум, деформація у будь-якій точці якого представлена у вигляді:

еij = еijпр. (2)

Зв’язок між тензором пружних деформацій та тензором напружень оснований на класичних уявленнях щодо пружного лінійно-деформованого тіла. У цьому випадку залежність між напруженнями та деформаціями визначається законом Гука:

{ уij} = [D] ·{ еijпр } , (3)

де { уij } = Т – вектор напружень;

[D] – матриця пружності;

{ еijпр } =·{ е } – { еijтемп } – вихідний масив ;

{ еij } = Т – вектор повної деформації;

{ еijтемп } – вектор температурної деформації.

Застосування тільки пружної моделі обумовлено особливостями застосованих матеріалів та спостереженнями, що базуються на експериментальних дослідженнях. Виникнення пластичних деформацій у матеріалах, що складають вузол датчика, зокрема, коварі та кремнії, спостерігається при температурах, які не досягаються під час технологічного процесу виготовлення елементів перетворювача. З іншого боку, скло, являє собою переохолоджену рідину досить високої в’язкості, причому суттєвою виявляється залежність в’язкості скла від температури.

Аналізуючи літературні дані щодо в’язкості скла, можна зробити висновок відносно поведінки скляних елементів під час термічних циклів виготовлення вузла датчика. По-перше, за температуру утворення з’єднання приймаємо температуру розм’якшення скляних елементів, а за температуру початку виникнення у склі напружень – температуру релаксації напружень. Таким чином, вважаємо, що процеси зняття власних напружень спостерігаються при температурах, вищих за температуру релаксації. При цьому при проведенні числового експерименту прийнято, що всі напруження, які з’являються при підвищенні температури вище за температуру релаксації, знімаються, а ті напруження, що утворюються при температурах нижчих за вказану, залишаються у вузлі.

По-друге, ідеалізація збуджуючих факторів проводилася на підставі таких припущень: внаслідок мініатюрності розмірів досліджуваних об’єктів та особливостей процесів паяння і зварювання, температурне поле у вузлі вважалося сталим, впливом різної теплопровідності матеріалів нехтували. Процес навантаження полягав у розгляданні охолодження збірок від температури релаксації напружень скляного елемента для випадку паяння скло-металевих трубчастих елементів та від температури зварювання – для другого етапу з’єднання скло-металевої збірки із кремнієвою мембраною – зварюванні.

Аналіз математичної моделі визначення напружено-деформованого стану багатокомпонентних збірок виконувалася за допомогою методу скінченних елементів.

Методичний підхід. При використанні методу скінчених елементів, розв’язання крайової задачі для заданої області потребує пошуку певного набору функцій, який є визначеним на деяких підобластях (скінченних елементах).

Залежність між вузловими переміщеннями та вузловими навантаженнями скінченого елементу у матричній формі має вигляд:

, (4)

де – глобальна матриця жорсткості конструкції;

– вектор переміщень вузлів конструкції;

– вектор вузлових навантажень конструкції.

Розв’язуючи цю систему рівнянь, отримують значення переміщень конструкції. Визначивши переміщення конструкції, можна визначити деформації та напруження у будь-якій точці конструкції:

, , (5)

де , – матриці, елементи яких залежать від форми та розмірів скінченних елементів, пружних властивостей матеріалу в межах скінченого елемента.

Моделювання НДС у вузлах датчиків тиску. Для реалізації математичної моделі був обраний універсальний пакет скінченно-елементного аналізу ANSYS 9.0, який дозволяє моделювати напружено-деформований стан багатокомпонентних збірок довільної геометричної форми на різних стадіях виготовлення та експлуатації.

Було розроблено розрахункові схеми вузлів, алгоритм розрахунку та складено пакет програм для проведення числового експерименту для визначення НДС багатокомпонентних вузлів датчиків тиску на різних стадіях виготовлення та експлуатації.

Конструктивно вузол датчика та навантаження, які до неї прикладаються носять циклічний характер, тому обирали осесиметричний скінчений елемент PLANE83 для визначення НДС. Напружений стан елемента описується чотирма складовими тензора напружень: осьовим , радіальним , окружним та дотичним . Схеми напрямків дії напружень наведено на рис. 3.

Моделювання утворення з’єднання виконувалося за допомогою зв’язування переміщень вузлів скінченно-елементної моделі конструкції, які розташовані в зоні контакту різнорідних елементів. Ця модель дозволила зімітувати твердофазне з’єднання різнорідних матеріалів з урахуванням різних фізико-механічних властивостей.

В даній роботі оцінювання рівня напруженого стану проводили за головним напруженням у1. Критерієм були максимальні напруження розтягу, що виникають у чутливому елементі вузла датчику – кремнієвій мембрані на етапі зварювання та у діелектрику – на етапі паяння.

Визначення оптимальних параметрів геометрії чутливого елемента вузла датчика. Аналіз сучасного стану проблеми проектування малогабаритних та мініатюрних датчиків фізичних величин показує, що основними умовами, які забезпечують безвідмовну роботу пристроїв, є фіксована величина гістерезису робочих характеристик перетворювача, заданий діапазон чутливості кремнієвої мембрани, а також обмеження за максимальними напруженнями розтягу в мембрані.

Дотримання задовільних умов працездатності чутливого елемента вузла датчика тиску забезпечується певними геометричними параметрами, зокрема величинами відношень прогину мембрани та радіуса робочого вікна до товщини мембрани. Для вказаних величин залежність напруження в кремнієвій мембрані від діючого розподіленого тиску має лінійний вигляд. При цьому мембрана працює тільки на згин, і нелінійність характеристик (гістерезис) пружної плоскої мембрани не перевищує 1,5%.

З урахуванням вказаних співвідношень був визначений робочий діапазон геометричних параметрів вузла датчика, який відповідає заданим умовам працездатності чутливого елемента, який для діаметра мембрани 6 мм склав за товщиною мембрани – 0,12....0,14 мм; за радіусом робочого вікна – 1,8...2,2 мм.

Дослідження залежності напруженого стану вузла датчика, який виникає під час виготовлення, від геометрії зварного скло-кремнієвого вузла. Користуючись отриманим робочим діапазоном геометричних параметрів чутливого елемента, було проведено числовий експеримент з метою дослідження впливу геометрії вузла на поля власних напружень, що виникають під час виготовлення зварних скло-кремнієвих вузлів. Аналіз напруженого стану проводили за небезпечними для таких матеріалів напруженнями розтягу. Геометричну модель та схему заміщення скло-кремнієвого зварного вузла датчика тиску наведено на рис. 4.

Результати розрахунків головного напруження вздовж зони зварного з’єднання кремнію зі склом наведено на рис. 5.

Аналіз результатів числового експерименту показав, що при варіюванні геометричних параметрів зварного скло-кремнієвого вузла датчика місцями зосередження максимального значення напружень є внутрішня та зовнішня поверхні скляного ізолятора. Причому для радіальних, осьових, окружних, дотичних напружень ця відстань складає 5-10% від загальної довжини зони з’єднання, для головного – 10-15%. Встановлено зміщення максимумів розтягуючих напружень у бік зовнішньої поверхні скла.

Як видно з рис. 5, серед геометричних параметрів скло-кремнієвого вузла датчика найбільший вплив на напружено-деформований стан має товщина чутливого елемента і, у меншій мірі, товщина скляного ізолятора. Вплив висоти ізолятора виявився незначним.

Таким чином, небезпечним для міцності зварного з’єднання може виявитися зменшення товщини мембрани при одночасному зростанні товщини скляного елемента.

Дослідження залежності напруженого стану вузла датчика, який виникає під час виготовлення, від геометрії паяного скло-металевого вузла. Дослідження впливу геометричних параметрів паяного вузла (рис. 6) на виникаючий НДС різнорідних вузлів датчика тиску проводили за умови створення високих значень напружень стиску з боку коварового та проміжного скляного елементів. З цією метою у конструкції застосовували товстостінні проміжний та зовнішній елементи таким чином, щоб забезпечувати необхідне співвідношення між зовнішнім та внутрішнім радіусами:

, (6)

де , – модуль пружності коварового та скляного елементів;

– коефіцієнт Пуассона ().

З метою визначення впливу геометрії трьохкомпонентного паяного вузла на виникаючий при виготовленні напружений стан було проведено числовий експеримент. Параметрами варіації геометрії приймалися: товщина проміжного скла та металевого корпусу, а також висота спаю. Результати розрахунків головного напруження вздовж зони зварного з’єднання кремнію зі склом наведено на рис. 7. Вплив геометрії оцінювали за максимальними розтягуючими напруженнями у склі „Пірекс”.

Таким чином, аналіз напруженого стану паяного скло-коварового з’єднання показав, що при варіюванні товщини та висоти елементів спаю максимальні розтягуючі напруження зосереджуються в коварі вздовж зони з’єднання металевого корпусу з проміжним склом та у склі „Пірекс” на верхній та нижній кромці скляної шайби на відстані порядку 0,025-0,05 від товщини скла „Пірекс”. Найбільший вплив на зниження рівня НДС мають радіальні та окружні напруження при зміні товщини елементів спаю, та окружні – при зміні висоти спаю.

Визначено, що збільшення висоти спаю призводить до суттєвого ускладнення напруженого стану у паяному вузлі через зростання впливу крайових ефектів. При цьому спостерігається зростання пікових значень напружень на торцевих поверхнях спаю та на відстані порядку 5-10% від висоти спаю.

Проведені дослідження показали, що зменшувати рівень напруженого стану у паяному вузлі можна за рахунок збільшення товщини і проміжного скла, і металевого корпусу та зменшення висоти спаю в межах конструктивної необхідності.

Дослідження впливу модуля пружності проміжного скла вивчали за відношенням модулів Юнга проміжного скла до скла „Пірекс” в межах 0,5...2. Аналіз епюр компонентів напруженого стану в зоні спаю скла „Пірекс” з проміжним скляним елементом та поблизу верхньої поверхні скло-металевого спаю показав малий вплив модуля пружності на характер розподілу напружень у спаї.

Дослідження умов експлуатації вузлів датчиків. В ході досліджень якість зварних скло-кремнієвих вузлів оцінювали за результатами механічних випробувань методом відриву кремнієвої мембрани від скла, а також продавлюванням мембрани. Результати механічних випробувань показали, що, незважаючи на вимоги щодо підготовки поверхонь під зварювання, під час виготовлення скло-кремнієвих вузлів виникають локальні дефекти форми, так звані „завали кромки”. Середній розмір дефекту (рис. 8) за результатами аналізу фотографій зон руйнування скло-кремнієвих зразків складав 1-1,1% від товщини скляного ізолятора біля внутрішньої кромки скляного елемента та 0,1-0,2% – біля зовнішньої.

З метою дослідження впливу подібних дефектів форми був проведений порівняльний аналіз напруженого стану, що виникає під час виготовлення та експлуатації вузлів з наявністю геометричної неоднорідності та без неї. Оцінювання впливу геометричної неоднорідності форми зварного з’єднання на виникаючий під час виготовлення та експлуатації НДС вузла на відрив та продавлювання мембрани проводили за наявності внутрішнього дефекту.

Аналіз напруженого стану зварного скло-кремнієвого з’єднання під час виготовлення та експлуатації показав незначний вплив наявності дефектів на етапі виготовлення скло-кремнієвих вузлів. У той же час, наявність дефекту на етапі експлуатації кремнієвої мембрани на продавлювання та відрив показала зростання рівня напружень для більшості компонентів напруженого стану. При цьому, максимальний вплив дефект має в напрямку дії робочого навантаження: збільшення величини осьового напруження складає близько 50% при відриві та 80 % – при продавлюванні кремнієвої мембрани.

Встановлено, що неврахування впливу дефектів форми зварних з’єднань призводить до заниження рівня напружень скло-кремнієвих вузлів на 15-35% як за головним напруженнями, так і за окремими складовими тензора напружень.

Розрахунок на міцність скло-кремнієвого вузла датчика тиску з позицій крихкого руйнування. Небезпечною з точки зору НДС виявилася робота кремнієвої мембрани на відрив при наявності дефекту. З метою оцінки вірогідності руйнування скло-кремнієвого вузла при роботі мембрани на відрив, а також для визначення максимально допустимих розмірів геометричної неоднорідності зварного з’єднання, було проведено дослідження міцності з позицій крихкого руйнування.

Згідно з фундаментальними положеннями механіки руйнування, а також припущенням, що номінальні напруження у зварних з’єднаннях не перевищують границі текучості, були визначені коефіцієнти інтенсивності напружень, які виникають під час виготовлення та експлуатації вузлів. Згідно з умовою забезпечення рівноваги тіла з тріщиною для випадків крихкого руйнування сумарна величина коефіцієнтів інтенсивності напружень (КІН) під час виготовлення та експлуатації порівнюється з критичним значенням величини КІН для матеріалу в осередку тріщини (дефекту). Характерний розмір тріщини обирався згідно із середнім розміром геометричної неоднорідності поблизу внутрішньої поверхні скляного ізолятора та складав 10 та 20% від товщини скла (0,1 та 0,2 мм при товщині скляної трубочки 1 мм).

Оцінювання вірогідності руйнування проводили з позиції міцності матеріалу з меншою міцністю – боросилікатного скла „Пірекс” для двох варіантів моделювання зварного з’єднання: моделі крайової тріщини у напустковому зварному з’єднанні та моделі крайової тріщини на границі розподілу двох різнорідних пластин з урахуванням відмінності властивостей матеріалів пластин (табл. 1).

Таблиця 1

Коефіцієнти інтенсивності напружень

Модель тріщини | Геометрія

тріщини | Коефіцієнти інтенсивності

напружень | , Н/мм3/2 |

Н/мм3/2

Виготовлення

КІН , Н/мм3/2 | Експлуатація

КІН , Н/мм3/2

1. Модель напусткового зварного з’єднання | l=0.1 мм

h=0.9 мм | 0.74 | 5,01 | 5,75 | 6,8...8,5

2 Модель з урахуванням різнорідності матеріалів | 0,64 | 2,32 | 2,96

1. Модель напусткового зварного з’єднання | l=0.2 мм

h=0.8 мм | 1,23 | 5,62 | 6,85

2 Модель з урахуванням різнорідності матеріалів | 0,87 | 3,71 | 4,58

Дослідженнями встановлено, що наявність дефекту внаслідок недосконалості процесу обробки скляного елемента, більше впливає на працездатність вузла датчика, ніж на технологічну міцність. Результати розрахунків показують, що при збільшенні розміру дефекту в 2 рази зростає сума КІНів в 1,2 та 1,6 разів для першої моделі напусткового зварного з’єднання та моделі з урахуванням різнорідності властивостей скляного та кремнієвого елементів відповідно. Аналіз отриманих результатів свідчить про високу вірогідність виникнення крихкого руйнування (розповсюдження тріщини) від сумарної дії технологічного та експлуатаційного навантаження при глибині дефекту 0,2 мм.

Дослідження впливу геометрії вузла на величину та характер розподілу залишкових напружень у скло-кремнієвому вузлі датчика тиску за допомогою поляризаційно-оптичного методу. Вимоги до зменшення розмірів вузлів датчиків, їх конструктивне оформлення та властивості матеріалів, що використовуються у вузлах перетворювачів, обмежують застосування експериментальних методів визначення напруженого стану. Поляризаційно-оптичний метод та особливості конструктивного оформлення вузла датчика дозволяють дослідити характер розподілу власних напружень та величину тільки для торцевого зварного скло-кремнієвого з’єднання.

Результати експериментальних досліджень підтверджують загальні висновки щодо характеру впливу геометрії зварного скло-кремнієвого з’єднання вузла датчика тиску, отримані в результаті проведення розрахунків.

Кількісна оцінка рівня максимальних напружень поблизу зони з’єднання скла з кремнієвою мембраною показала хорошу кореляцію результатів експериментальних досліджень напружень за кольоро-номограмами із розрахунковими результатами (рис. 9). Відмінності у результатах складають 12-18%.

Оцінка міцності зварних скло-кремнієвих з’єднань. Підтвердження результатів оцінки НДС отримано при механічних випробуваннях зварних скло-кремнієвих вузлів (робота мембрани на відрив), у яких товщина мембрани дорівнювала 0,13 мм. При збільшенні товщини скляного ізолятора руйнування кремнієвих мембран супроводжувалося зростанням розшарування вздовж площини мембрани.

На основі отриманих в роботі закономірностей щодо впливу геометрії на напружений стан скло-кремнієвого вузла датчика тиску було виготовлено партію напівпровідникових вузлів та виконано їх перевірка на міцність методом відриву чутливого елемента – кремнієвої мембрани від скляної трубчастої деталі. Результати механічних випробувань вузлів за літературними даними та вузлів з удосконаленою геометрією у вигляді гістограми розподілу міцності зварних скло-кремнієвих вузлів датчика тиску наведено на рис. 10.

З використанням розроблених рекомендацій були виготовлені вузли напівпровідникових датчиків, які успішно пройшли дослідно-промислові випробування.

Загальні висновки

1. За допомогою МСЕ розроблена методика розрахунку НДС багатокомпонентних вузлів датчиків тиску, яка дозволяє моделювати НДС у зварно-паяних конструкціях різної конфігурації на етапі виготовлення та експлуатації.

2. На основі чисельного моделювання НДС встановлено, що розподіл напружень в зварно-паяних багатокомпонентних вузлах має складний характер. Напруження зосереджуються по границях та поблизу торців з'єднання. Встановлено, що зниження рівня максимальних напружень розтягу в кремнієвій мембрані та ізоляторі досягається варіюванням геометрії кремній-скло-коварових з'єднань.

3. Встановлено, що для збереження заданої чутливості кремнієвої мембрани і гістерезису робочих характеристик перетворювача в діапазоні 1,5% та обмеження максимальних напружень у мембрані необхідно вузол датчика тиску проектувати таким чином, щоб товщина чутливого елементу та товщина та висота ізолятора були мінімальними, а товщини проміжного скляного елемента та металевого корпусу максимальними. При діаметрі кремнієвої мембрани 6 мм товщина чутливого елемента повинна знаходитися в діапазоні 0,12…0,14 мм, радіус робочого вікна – в діапазоні 1,8...2 мм.

4. Встановлено, що зміна модуля пружності проміжного скляного елемента не впливає на рівень максимальних напружень у трьохкомпонетному паяному вузлі датчика тиску.

5. Напружено-деформований стан багатокомпонентних зварних вузлів визначається не тільки характером розподілу власних напружень, отриманих під час процесу виготовлення, а й характером прикладеного навантаження та геометричною неоднорідністю в зоні зварних з’єднань. Встановлено вплив умов експлуатації на виникаючий напружений стан та виявлено, що небезпечною з точки зору міцності зварних скло-кремнієвих з’єднань є робота мембрани на відрив.

6. На підставі критеріїв крихкого руйнування досліджено вплив геометричної неоднорідності у вигляді дефекту тріщиноподібної форми в зоні з’єднання кремнію зі склом, порівняно КІН від процесів виготовлення та експлуатації скло-кремнієвого вузла на відрив з допустимим значенням КІН для кремнію. Показано, що для забезпечення низької вірогідності розповсюдження тріщини у вузлі датчика тиску, довжина дефекту тріщиноподібної форми в зоні з’єднання трубчастої скляної деталі з кремнієвою мембраною не повинна перевищувати певних розмірів відповідно до умов крихкого руйнування.

7. За допомогою поляризаційно-оптичного метода виконано експериментальне дослідження НС скло-кремнієвого зварного вузла. Порівняння отриманих експериментальних даних з результатами моделювання за допомогою розробленого алгоритму та пакета програм на базі скінченно-елементного пакета ANSYS показало, що максимальне розходження складає 12-18%.

8. На основі досліджень НДС зварно-паяних з'єднань запропоновано основні принципи раціонального конструктивного оформлення вузлів датчиків тиску.

9. Проведений аналіз НДС кремній-скло-коварового вузла дозволив збільшити вихід придатних до експлуатації вузлів з 60% до 85%.

Основний зміст роботи відображено в публікаціях:

1. Прибитько І.О. Залишкові напруження у зварних з’єднаннях різнорідних матеріалів // Вісн. Черніг. держ. технол. ун–ту. – 2001. – №13. – С.94–99.

Автором встановлений вплив проміжного елемента на напружений стан, що виникає при зварюванні конструкцій типу пластин з різнорідних матеріалів.

2. Прибитько І.О., Олексієнко С.В., Ніколаєнко С.В. Методика розрахунку напруженого стану в паяних металоскляних вузлах датчиків неелектричних величин // Вісн. Черніг. держ. технол. ун–ту. – 2002. – №15. – С.108-112.

Автору належить розробка програмного забезпечення для визначення напруженого стану в метало-скляних спаях.

3. Николаенко С.В., Прибитько И.А. Определение напряженного состояния в сварных узлах датчиков давления // ІІ Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих учених та спеціалістів “Зварювання та суміжні технології”: Тези доповідей. – Київ. – 2003. – С.32.

Автором встановлений вплив геометричних параметрів на поля залишкових напружень та визначення умов отримання зварного вузла датчика тиску, що має мінімальні внутрішні напруження.

4. Прибитько І.О., Руденко М.М. Використання пакету ANSYS 5.7.1/ED для розрахунків напруженого стану в зварних різнорідних з’єднаннях // Материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых научных работников “Современные сварочные и родственные технологии и их роль в развитии производства”. – Николаев. – 2003. – С.66-67.

Автору належить методика визначення залишкових напружень у метало-скляних вузлах датчикової апаратури різної конфігурації за допомогою скінченно-елементного пакета ANSYS 5.7.1/ED.

5. Олексеенко С.В., Николаенко С.В., Прибитько И.А. Применение электрохимической сварки при производстве узлов датчиков давления // Международная конференция “Современные проблемы сварки и ресурса конструкций”: Сборник тезисов стендовых докладов. – Киев. – 2003. – С.50-51.

Автору належать результати механічних випробувань скло-кремнієвих вузлів та їх обробка.

6. Прибитько І.О., Доценко В.Б. Використання пакета ANSYS 5.7.1/ED для розрахунків напруженого стану в зварних скло-кремнієвих вузлах датчиків тиску // Вісн. Черніг. держ. технол. ун–ту. – 2004. – №21. – С.201–207.

Автору належать розрахункові схеми зварних двохкомпонентних систем для визначення напруженого стану та визначення небезпечних напрямів складових напружень в зоні з’єднання скло-кремній.

7. Прибитько І.О., Яковенко О.О. Вплив геометричних параметрів на напружений стан вузлів датчиків неелектричних величин // Вісн. Черніг. держ. технол. ун–ту. – 2005. – №22. – С. 119–122.

Автору належать рекомендації щодо раціонального проектування паяних метало-скляних з’єднання вузлів виходячи із забезпечення необхідних метрологічних характеристик датчиків тиску.

8. Прибитько І.О., Яковенко О.О. Напружений стан зварно-паяних вузлів перетворювачів неелектричних величин // Региональная научно-практическая конференция “Сварочное производство и технический прогресс”: Материалы конференции. – Николаев. – 2004. – С.60.

Автору належать розрахункові схеми зварних та паяних багатокомпонентних систем для визначення напруженого стану вузлів перетворювачів неелектричних величин.

9. Прибытько И.А., Олексиенко С.В. Проектирование сварных узлов датчиков давления // Международная конференция “Современные проблемы сварки и ресурса конструкций”: Сборник тезисов стендовых докладов. – Киев. – 2005. – С.37.

Автору належить аналіз напруженого стану, що виникає у скло-кремнієвих вузлах при зварюванні в твердій фазі в електростатичному полі та виявлено вплив товщини скляної деталі на рівень залишкових напружень в скло-кремнієвих з’єднаннях.

10. Прибитько І.О., Олексієнко С.В. Використання методу фотопружності для визначення напружень у скляних елементах датчикової апаратури // Вісн. Черніг. держ. технол. ун–ту. – 2006. – №26. – С.95-98.

Автору належить експериментальні дослідження внутрішніх напружень в скляному елементі скло-кремнієвого вузла датчика тиску, отриманого зварюванням в твердій фазі в електростатичному полі.

11. Прибитько І.О., Олексієнко С.В. Локальні напруження зварних скло-кремнієвих вузлів датчиків, обумовлені місцевою геометричною неоднорідністю // Международная конференция “Современные проблемы сварки и ресурса конструкций”: Сборник тезисов стендовых докладов. – Киев. – 2007. – С.55.

Автором досліджено вплив геометричної неоднорідності у вигляді гострого концентратора в зоні зварного з’єднання на вірогідність розповсюдження тріщини в процесі виготовлення та експлуатації скло-кремнієвого вузла.

АНОТАЦІЯ

Прибитько І.О. Розробка методів оцінки та зниження залишкових напружень в датчиках тиску. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 – “Зварювання та споріднені процеси і технології”. – Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2008.

Дисертація присвячена зниженню рівня внутрішніх напружень в метало-скло-кремнієвих вузлах датчиків неелектричних величин з метою підвищення рівня експлуатаційних показників. За допомогою розробленої методики розрахунку напружено-деформованого стану багатокомпонентних вузлів датчиків тиску проведено моделювання напружено-деформованого стану у зварно-паяних конструкціях різної конфігурації на етапі виготовлення та експлуатації та встановлено, що зниження рівня максимальних напружень розтягу в кремнієвій мембрані та ізоляторі досягається варіюванням геометрії кремній-скло-коварових з'єднань.

Установлено, що для забезпечення заданих метрологічних характеристик перетворювачів вузол датчика необхідно проектувати таким чином, щоб товщина чутливого елементу та товщина та висота скляного ізолятора були мінімальними, а товщини проміжного скляного елемента та металевого корпусу максимальними.

Характер прикладеного навантаження та геометрична неоднорідність в зоні зварних з’єднань у вигляді дефектів тріщиноподібного вигляду має вплив на виникаючий напружений стан під час експлуатації та може виявитися небезпечною з точки зору міцності зварних скло-кремнієвих з’єднань при роботі кремнієвої мембрани на відрив. З використанням підходів сучасної механіки руйнування досліджено вплив дефектів, пов’язаних із недосконалістю обробки скляних деталей під зварювання.

На основі досліджень напружено-деформованого стану зварно-паяних з'єднань запропоновано основні принципи раціонального конструктивного оформлення вузлів датчиків тиску

Ключові слова: зварювання в твердій фазі в електростатичному полі, паяння, напівпровідниковий датчик тиску, кремній, скло, ковар, багатокомпонентний вузол, власні напруження, комп’ютерне моделювання,