Research of the microstructure glass–metal boundary obtained under influence by ultrashort pulse lasers

Full Text

В современных устройствах широко используют такие материалы, как металл и стекло в различных конструктивах, например, в полупроводниках, автомобилестроении, медицине и МЭМС [1–4]. Для получения высокоточных и прочных соединений все большую популярность приобретает новая технология – лазерная микросварка [5–7]. В отличие от традиционных способов соединения стекла с металлом, таких как клеевые композиции, диффузионная сварка и механическое соединение, лазерная микросварка лишена основных недостатков данных способов – долговременная деградация клея, высокотемпературное воздействие и т.д. Однако при лазерной микросварке соединения стекло–металл из-за значительных различий в физических свойствах этих материалов, таких как коэффициенты термического расширения, температуры плавления и теплопроводности, возникает ряд проблем. Эти проблемы могут включать в себя образование трещин в стекле, возникновение больших напряжений и создание непрочного соединения двух материалов. Для решения данных проблем проводятся исследования в различных лабораториях Европы, Азии и США [2–9]. Лазерную микросварку соединений стекло–металл можно разделить на два вида:

1. Лазерная сварка с использованием наносекундных лазеров.
2. Лазерная сварка с использованием лазеров ультракоротких импульсов (УКИ).

В первом случае лазерный импульс, следуя линейному закону, нагревает металл, в результате чего образуется соединение стекло–металл. При воздействии УКИ высокой частоты происходит многофотонное поглощение лазерного излучения в стекле и линейное (однофотонное) – в металле. В результате оба материала подвергаются плавлению и происходит формирование соединения двух разнородных материалов. Многочисленные исследования, посвященные лазерной микросварке стекла и металла, сосредоточены на выявлении оптимальных технологических параметров данного процесса [2–6]. Однако существует недостаток информации относительно микроструктуры и химического состава, возникающей в зоне перехода двух разнородных материалов. В работе [7] проведен микроструктурный анализ микросварки соединения алюминий–стекло. В результате исследований было показано, что при воздействии УКИ лазеров образуются оксиды алюминия Al₂O₃ в двух фазах – β и γ. Дальнейших исследований микроструктуры соединений при воздействии УКИ на другие типы металлов со стеклом не проводилось. Проведение таких исследований об образовании различных фаз и структур в зоне перехода стекло–металл требуется для расширения понимания процесса сварки двух разнородных материалов. Это позволит улучшить эффективность данного технологического процесса и повысить качество сварных соединений.

Учитывая вышесказанное, целью данной работы является исследование микроструктуры сварных соединений боросиликатного стекла с хромоникелевой нержавеющей сталью AISI 321 и алюминиевым сплавом серии 6000 при воздействии УКИ.

Методика исследования

1.1. Оборудование и материалы

В исследовании использовался пикосекундный волоконный лазер YLPP-100-3-50-R (производства компании НТО “ИРЭ-Полюс”) с пиковой мощностью 30 МВт, длительность импульса 1–3 пс, параметр М² = 1.22, энергия в импульсе 100 мкДж, дискретная частота – 100, 200 и 500 кГц.

Для фокусирования лазерного излучения в работе использовался сканер плоского поля с фокусирующей линзой F = 100 мм. Расчетный размер пятна обработки составил значение 16 мкм в фокальной плоскости объектива.

Исходным материалом для проведения экспериментов были выбраны боросиликатное стекло, хромоникелевая нержавеющая сталь AISI 321, алюминиевый сплав серии 6000. Химические составы данных материалов представлены в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав материалов

На рис. 1 показан эскиз образца после проведения лазерной сварки и указаны области, которые вырезались для дальнейших исследований.

Рис. 1. Эскизы образцов с указанием размеров и мест для исследований: а – вид сверху на образец, б – вид с торца.

Образцы для проведения исследований на сканирующем электронном микроскопе подготавливались следующим образом: сначала осуществлялась резка дисковой пилой на низкой скорости с целью уменьшения растрескивания стекла, затем выполнялась шлифовка образца до получения зеркальной поверхности.

1.2. Исследование сварных соединений

Элементный анализ твердых веществ выполняли с помощью электронного микроскопа, в котором используется энергодисперсионный рентгеновский детектор (EDS-детектор). Аналитический метод, лежащий в основе принципа работы детектора, базируется на анализе возбуждаемого электронным пучком рентгеновского излучения, характерного для каждого химического элемента. Исследуя энергетический спектр такого излучения, можно сделать вывод как о качественном, так и о количественном составе образца. Глубина выхода рассеянного рентгеновского излучения, регистрируемого EDS-детектором, составляет от 1 до 3 мкм. Минимальное регистрируемое содержание химических элементов составляет 0.1 вес. %. Поэтому в случае исследования образцов содержание и присутствие некоторых элементов будет зависеть от энергии электронов. Изображения поверхности образца получены с помощью детектора обратно отраженных электронов (BSE-детектор) при ускоряющем напряжении 15 кВ.

Результаты экспериментов

2.1. Технологические результаты сварки соединения стекло–металл

Проведена серия экспериментов по подбору технологических режимов сварки соединения стекло–металл. В ходе эксперимента варьировались следующие параметры: скорость сварки и энергия в импульсе. Скорость сварки изменялась в диапазонах от 10–30, 120 и 500 мм/с. Энергия в импульсе изменялась в пределах от 20 до 60 мкДж. Стоит отметить, что при энергиях выше 40 мкДж наблюдались дефекты в виде трещин, вызванные высокими напряжениями в стекле после лазерного воздействия.

Сварные соединения нержавеющая сталь – стекло выполнялись на следующих технологических параметрах: скорость сварки 120 мм/с, энергия в импульсе от 30 до 40 мкДж; для соединения алюминий–стекло: скорость сварки составила 500 мм/с, энергия от 30 до 40 мкДж. Были подготовлены 2 образца для дальнейших исследований на электронном микроскопе.

2.2. Исследование сварных соединений алюминий–стекло

На рис. 2 представлено изображение участка поверхности соединения алюминий–стекло.

Рис. 2. Изображение поверхности сварки с наложением EDS-карты распределения элементов.

Результаты элементного анализа исследуемой области образца алюминий–стекло приведены в табл. 2 и на рис. 2, 3. На рис. 3 представлено электронное изображения сварного шва с схематично отображенным профилем сканирования элементного состава, а также график изменения концентрации химических элементов. Профиль состоит из 14 точек с шагом сканирования 0.5 мкм. Полученные данные свидетельствуют о различии сварного шва от состава материала стеклянной пластины (SiO₂) и металлической пластины (Al). В табл. 2 приведен элементный состав сварного шва алюминий–стекло.

Таблица 2. Элементный состав сварного шва образца алюминий–стекло

Рис. 3. Профиль сканирования элементного состава сварного шва алюминий–стекло и график изменения концентрации химических элементов.

Из рис. 3 видно, что переходная зона сварного шва составляет 3 мкм. Анализ данных из табл. 3 показывают, что в зоне перехода алюминий–стекло присутствуют элементы как из стеклянной пластины, так и алюминия, пропорция которых составляет 50 : 50% от каждого материала. Учитывая, что процесс лазерной сварки УКИ-лазерами происходит за короткие временные интервалы, стабильные формы соединения между элементами стекла и алюминия внутри зоны перехода не возникают. При традиционной импульсной лазерной сварке значения времени жизни сварочной ванны, при которых формируются прочные металлические связи, составляют значения ≈ 100 мс.

Таблица 3. Элементный состав сварного шва образца нержавеющая сталь – стекло

Известно, что алюминий и кремний способны образовывать металлические соединения, известные как силумины. Однако авторы [7] утверждают, что в зоне перехода алюминий–стекло образуются наноразмерные частицы алюминия и кремния, а также образуются оксиды алюминия Al₂O₃ в γ- и β-фазах. Согласно исследованиям [10, 11], в ходе равновесия алюминий способен освобождать кремний через реакцию (1):

3SiO₂+4Al → 3Si + 2Al₂O₃, (1)

где Al₂O₃ – оксид алюминия в α-фазе. Согласно авторам статьи [7], при воздействии УКИ возникают аморфные γ- и β-фазы. Учитывая, что α-фаза является стабильной формой оксида алюминия, а γ- и β-фазы являются метастабильными формами, которые образуются при быстром охлаждении плазмы, содержащей соединения Al–O [12, 13]. Если рассматривать процесс сварки УКИ-лазерами, то плазма локализована в малом объеме и из-за большого градиента температур возможно образование γ- и β-фазы Al₂O₃.

2.3. Исследование сварных соединений нержавеющая сталь – стекло

На рис. 4 представлено изображение участков поверхностей сварного шва хромоникелевой нержавеющей стали и стекла.

Рис. 4. Изображение поверхности сварки образца нержавеющая сталь – стекло в контрасте BSE-электронов при ширине поля обзора 20 мкм, изображение поверхности сварки с наложением EDS-карты распределения элементов.

Результаты элементного анализа исследуемой области хромоникелевой нержавеющей стали и стекла приведены в табл. 3 и на рис. 4, 5. На рис. 5 представлено электронное изображение сварного шва со схематично отображенным профилем сканирования элементного состава, а также график изменения концентрации химических элементов. Профиль включает 24 точки с шагом сканирования 0.5 мкм. Согласно полученным данным, в составе стеклянной пластины входят оксиды Si, Al; Na. Состав металлической пластины представляет из себя сплав различных металлов: Fe, Cr, Ni и Mn. В месте сварного шва сторонних включений не обнаружено. В табл. 3 приведен элементный состав сварного шва нержавеющей стали и стекла.

Рис. 5. Профиль сканирования элементного состава сварного шва нержавеющая сталь – стекло и график изменения концентрации химических элементов.

Величина зоны перехода между нержавеющей сталью – стекло составляет значения 3 мкм. Результаты элементного состава сварного соединения показали наличие диффузии элементов на границе раздела стекла и нержавеющей стали при лазерной сварке, где Fe, Cr и Si были основными элементами при формировании сварных швов. Предположительно, в результате сварки на границе раздела образуются связи Fe–O–Si.

Выводы

1. Проведенные исследования зоны перехода сварного шва стекло–металл при воздействии УКИ-лазера позволили получить ценные данные о процессе формирования сварного шва.
2. Исследование на сканирующем микроскопе показало, что величина зоны перехода стекло–металл составляет 3 мкм.
3. При анализе элементного состава зоны перехода алюминий–стекло и нержавеющая сталь – стекло выявлено, что вклад каждого материала в зону перехода составляет 50 : 50%.
4. В результате воздействия УКИ-лазера на соединение алюминий–стекло образуются γ- и β-фазы Al₂O₃, которые представляют собой аморфные фазы, возникающие при большом градиенте температур.
5. В зоне сварного шва нержавеющей стали – стекло были обнаружены связи Fe–O–Si.

Благодарности

Авторы благодарят вице-президента РАН академика РАН Ю.Н. Кульчина за положительную оценку данной работы.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

About the authors

M. А. Murzakov

Author for correspondence.
Email: clericfull@gmail.com
Russian Federation, Fryazino, Moscow Region

N. N. Evtikhiev

Email: clericfull@gmail.com
Russian Federation, Fryazino, Moscow Region; Moscow

D. V. Myasnikov

Email: clericfull@gmail.com
Russian Federation, Fryazino, Moscow Region

N. V. Grezev

Email: clericfull@gmail.com
Russian Federation, Fryazino, Moscow Region

D. A. Antipov

Email: clericfull@gmail.com
Russian Federation, Fryazino, Moscow Region; Moscow

D. M. Kataev

Email: clericfull@gmail.com
Russian Federation, Fryazino, Moscow Region

Е. D. Shevelkina

Email: clericfull@gmail.com
Russian Federation, Fryazino, Moscow Region

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Sketches of samples indicating the sizes and places for research: a – top view of the sample, b – view from the end.

Download (91KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Image of the welding surface with an overlay of an EDS map of the distribution of elements.

Download (457KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Scanning profile of the elemental composition of the aluminum–glass weld and a graph of changes in the concentration of chemical elements.

Download (567KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Image of the welding surface of the stainless steel – glass sample in contrast of BSE electrons with a field of view width of 20 microns, image of the welding surface with an overlay of the EDS map of the distribution of elements.

Download (390KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. Scanning profile of the elemental composition of the stainless steel – glass weld and a graph of changes in the concentration of chemical elements.

Download (689KB)

Indexing metadata

Presented by Academician of the RAS Yu. N. Kulchin