Использование представленной технологической оснастки позволило провести отработку режимов ДС ферритов с медью МБ [ ].
|
а) расположение технологической оснастки в камере установки УДС-2 |
б) ленточный нагреватель из Мо |
в) керамический корпус из керамики ВК-94 в сборе с нагревателем |
Рис.5. Малогабаритная технологическая оснастка.
Для ДС ферритов с металлами использовались и другие металлические материалы: сплавы на основе Ti, сплавы на основе Al, сплавы на основе Ni, сталь 08ЮЧ. Удовлетворительные результаты получены только для алюминиевого сплава АД0, что объясняется высокими пластическими свойствами последнего и активностью Al в топохимических реакциях.
Оборудование. В настоящее время не производится серийный выпуск оборудования ДС. Однако существует целый ряд фирм, которые осуществляют единичное производство установок ДС под заказ, например ОАО Электротерм-93(г. Саратов). Стоимость такого оборудования весьма высока, что приводит к практической невозможности реализации накопленного опыта по процессу ДС в промышленности.
В этой связи, представляет интерес реализации процесса ДС разнородных материалов с помощью специализированной технологической оснастки, в которой усилие сжатия свариваемых деталей осуществляется за счет разницы ТКЛР материалов оснастки, в вакуумных печах. Данный термокомпрессионный метод ДС известен [15, 16] и в общем случае сводится к тому, что стягивающие элементы технологической оснастки должны иметь меньший ТКЛР, чем приведённый ТКЛР сжимаемого пакета свариваемых деталей.
Для отработки термокомпрессионного метода ДС металлокерамических узлов в вакуумных печах была выбрана простая конструкция металлокерамического узла (рис.6).
1- керамика ВК 94-1;
2- прокладки из меди М0б;
3- сплав 36НХТЮ.
Рис.6. Конструкция металлокерамического узла.
Разработана конструкция технологической оснастки для ДС в высоковакуумной печи типа «Вега-3М» (рис.7).
В работе [16] предложена инженерная методика расчета параметров термокомпрессионной технологической оснастки для ДС металлокерамических узлов. Результаты расчетов рассматриваемой технологической оснастки приведены на рис.8, на котором приведены зависимости общей деформации ДС (м) и общего усилия сжатия Рт (Н) от линейного повышения температуры Т (К). Общая деформация = ДТ -ДУ -LZ, где ДТ- терми-ческая деформация, ДУ- упругая деформация, LZ- регулируемый зазор.
а) б)
1- корпус (титановый сплав ВТ-20); 2- система клиньев (12Х18Н10Т);
3- вкладыши (12Х18Н10Т); 4- набор свариваемых деталей.
Рис. 7. Конструкция термокомпрессионного приспособления.
Рис. 8. Зависимость ДС и Рт свариваемых деталей при повышении температуры (К).
Отрицательные значения ДС соответствуют интервалу нагрева с невыбранным зазором LZ. Нулевое значение ДС соответствует исчезновению зазора (точка А на кривой общей деформации) и началу возникновения сжимающего усилия на свариваемых деталях (точка Б на кривой общего усилия).
Предложенная методика расчета параметров термокомпресси-онной технологической оснастки для процесса ДС металлокерамических узлов в вакуумных печах позволяет моделировать этапы нагрева и подбирать необходимые размеры деталей и величины зазора LZ. Выбор величины зазора LZ позволяет исключить работу технологической оснастки при больших значениях общего усилия PT, которые приводят к разрушению керамических деталей (значения на кривой PT левее точки Б).
Получены опытные образцы рассматриваемого металлокерамического узла при использовании прокладок из меди М0б толщиной 0,1мм.
Контроль качества сварных соединений разнородных материалов в настоящее время не нашел достаточного освещения в приведенной выше литературе. В первую очередь это относится к оценке механических свойств сварных соединений. Если для металлических материалов возможно использование образцов и методик аналогичным приведенным в ГОСТ 6996-69, то для неметаллических материалов (керамика, стекло, ферриты и т.д.) оценка механических свойств сварных соединений связана с рядом особенностей, не предусмотренных известными ГОСТами. Прежде всего, возникает вопрос выбора геометрии и размеров контрольных сварных соединений для первоначальной отработки режимов ДС.
Как пример возможных подходов к решению указанных вопросов может быть рекомендован опыт разработки ДС ферритометалли-ческих узлов [4]. На рис.3 представлены возможные варианты контрольных сварных соединений для рассматриваемой композиции.
Образец, представленный на рис.3а оптимален с экономической точки зрения, когда количество КСС составляет десятки образцов, а также с точки зрения последующего изготовления микрошлифов и испытаний прочности на сдвиг.
Для образцов, представленных на рис.3а испытания прочности на сдвиг может проводиться с помощью приспособления представленного на рис.9. Сваренный образец помещается в квадратное отверстие втулки поз.4. Втулка с образцом поз.9 устанавливается в ползуне-тяге поз.1 и поворачивается таким образом, чтобы усилие сдвига передавалось сразу на две торцевых поверхности образца (45° к направлению сдвига), что предотвращает разрушение торцевых поверхностей, когда прочность на сдвиг сварного шва превышает объемную прочность на сжатие материала образца (например феррита). Испытания проводятся на разрывной машине Р-5 (шала А, диапазон 10000 Н).
1 - ползун; 2 - накладка; 3 - боковая планка;
4 - втулка с квадратным отверстием; 5 - прокладки из слюды;
6,7,8 - шпилька М6, гайка, шайба;
9 - набор свариваемых образцов (10Ч10Ч3,5мм).
Рис.9. Приспособление для испытания прочности на срез КСС.
Образцы, представленные на рис.3б и 3в, по своим геометрическим размерам являются аналогами промышленных изделий. Они имеют увеличенные размеры (большие значения масштабного фактора) и могут быть использованы для испытаний при эксплуатационных нагрузках. Наиболее критичными эксплуатационными нагрузками, с точки зрения механических свойств, сварных соединений для представленных образцов будут являться испытания на термоциклирование и динамические ударные нагрузки [4]:
- термоциклы (-60+150°С), не менее 10 циклов;
- многократные удары g=735 м/с2; t=2ч6 мс;
- одиночные удары g=4900 м/с2; t=1ч2 мс;
- вибропрочность f=2000 Гц; t=8 ч.
Для реализации процессов ДС в производстве, помимо внешнего визуального контроля сварных соединений, весьма важно использование неразрушающих методов контроля, гарантирующих качество изделий. В этой связи предложена методика [17] теневого ультразвукового контроля в иммерсионном варианте (рис.10). Данный метод позволяет оценить качество формирования сварного шва для изделий типа пластин (рис. 3б и 3в).
1 - приемник, 2,4 - изделие, 3 - фактический контакт,
5 - дефект (непровар), 6 - излучатель, 7 - ванна,
8 - вода, 9 - УЗ дефектоскоп.
Рис.10. Структурная схема установки для УЗ контроля качества сварных соединений
Дефектность соединения оценивается по формуле:
|
, |
где: Азат, Адет - значение затухания ультразвукового сигнала;
- площадь без дефектного соединения;
- площадь соединения с деффектом.
Установлено, что минимальный уровень затухания УЗ-сигнала
при контроле бездефектных соединений феррит-металл составляет 15 дБ. Затухание УЗ-сигнала при переходе от бездефектного соединения к дефектному изменяется примерно на 20 дБ. Допустимая дефектность соединения определяется в каждом конкретном случае, исходя из эксплуатационных требований к изделию. Для большинства изделий допустимая дефектность определяется соотношением (Sд /S) ? 5.
Данные виды испытаний наиболее характерны для изделий приборостроения, которые испытывают наибольшую потребность в разнородных сварных соединениях неметаллических материалов с металлами.
соединение феррит металл диффузионная сварка
Список литературы
1. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка в вакууме. М.: Машиностроение, 1968. 331 с.
2. Красулин Ю.Л. Взаимодействие металлов с полупроводником в твердой фазе. М.: Наука, 1971. 119 с.
3. Конюшков Г.В., Копылов Ю.Н. Диффузионная сварка в электронике. М.: Энергия, 1974. 168 с.
4. Конюшков Г.В., Зтов Б.М., Меркин Э.И. Ферриты и их соединения с металлами и керамикой. М.: Энергия, 1979. 232 с.
5. Бачин В.А. Диффузионная сварка стекла и керамики с металлами. М.: Машиностроение, 1986. 184 с.
6. Мусин Р.А., Конюшков Г.В. Соединение металлов с керамическими материалами. М.: Машиностроение, 1991. 224 с.
7. Каракозов Э.С. Соединение металлов в твердой фазе. М.: Металлургия, 1976. 264 с
8. Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции. М.: Химия, 1978. 360 с.
9. Браун М., Доллимор Д., Галвей А. Реакции твердых тел: Пер. с англ. М.: Мир, 1983. 360 с.
10.Конюшков Г.В., Мусин Р.А., Херольд Х., Жевалев О.Ю., Балакин А.Н. Физические и химические основы формирования сварных соединений металлов с неметаллическими изделиями // Сварка и диагностика, 2007. №4. С.6-8.
11. Люшинский А.В. Диффузионная сварка разнородных материалов: учеб. пособие для студ. высш. учеб. Заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2006. 208 с.
12. Диффузионная сварка материалов: Справочник / Под. ред. Н.Ф. Казакова. М.: Машиностроение, 1981. 271 с.
13. Жевалев О.Ю., Котина Н.М., Конюшков Г.В., Мусин Р.А. Диффузионная сварка ферритометаллических узлов // Сварочное производство. 1986. №4. С.3-5.
14. Универсальная технологическая оснастка для диффузионной сварки и пайки в вакуумных печах. Патент на полезную модель №166553. Российская Федерация: МПК В23К 20/26 / О.Ю. Жевалев, Л.Е. Куц, М.А. Приходько; заявитель и патентообладатель СГТУ имени Гагарина Ю.А. № 2015157220/02, заявлено 29.12.2015; опубл. 27.11.2016, Бюл.№33-3с.
15. Щербак В.Г., Кедров В.Г.Технология прецизионной диффузионной сварки в точном приборостроении. СПб: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 1997.166 с.
16. Зоркин А.Я., Жевалев О.Ю., Ермишкина Н.А., Куц К.В. Термокомпрессионная технологическая оснастка для диффузионной сварки и пайки в вакуумных печах // Сварка и диагностика: сб. докл. науч.-техн. конф. в рамках 13 междунар. специализир. выставки «Сварка. Контроль и диагностика», Екатеринбург, 2013. С.55-59.
17. Жевалев О.Ю., Конюшков Г.В., Котина Н.М., Куц Л.Е. Применение ультразвукового метода контроля для ферритометаллических узлов // Антенны. 2013. №7. С.25-27.