автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка методов интенсификации процесса диффузионной сварки и повышения прочности металл-керамических соединений

Па правах рукописи

ЛЯМИН ЯКОВ ВАСИЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ И ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛ-КЕРАМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

05. 03. 06 -Технология и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 /

Пермь - 1998

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор МУСИН Р. А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор СОКОЛКИН Ю. В., кандидат технических наук, доцент ЛАДО Л. Н.

Ведущее предприятие: ОАО "Пермская Научно-Производственная

Приборостроительная Компания"

Защита состоится " 16 " апреля 1998 г. в 14 час. на заседании Диссертационного Совета Д 063. 66. 04 в Пермском государственном техническом университете в ауд. 423 главного корпуса ПГТУ по адресу: 614600, г. Пермь, Комсомольский пр. 29а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета

Автореферат разослан " ^ " марта 1998 г.

Ученый секретарь Диссерт^ийнного^Совета доктор физ.-мат. наук /¿ь-——А. Ташкинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные отрасли промышленности, прежде ¡сего приборостроение, электронная и радиотехническая, авиационная, дви-ателестроение и др., характеризуются все более интенсивным внедрением в ;феру своего производства керамических (оксидных, нитридных, карбидных) материалов. Поэтому эти отрасли испытывают потребность в надежных спо-юбах соединения керамических материалов между собой и с различными соиструкционными металлами.

Наиболее перспективным способом, позволяющем получать сварные ;оединения разнородных материалов в твердой фазе, является диффузионная ;варка в вакууме (ДСВ). Целесообразность и преимущества использования :пособа ДСВ при изготовлении металл-керамических узлов (МКУ), например в электронной и радиотехнической промышленности, достаточно широ-со известны.

Однако, несмотря на очевидную целесообразность применения способа ДСВ, широта и обьемы его использования часто ограничиваются из-за зпа-штелыюй длительности и сложности собственно процесса образования сое-шнения и относительно невысоких значений прочности и трещиностойкости :оединений, эксплуатируемых в более жестких условиях.

Сложность процесса сварки керамик с металлами обусловливается рез-;им несоответствием физико-химических и механических свойств керамики I металлов. Это несоответствие накладывает существенное ограничение на ;овместную пластическую деформацию, активацию контактируемых поверх-юстен соединяемых материалов и соответственно на кинетику процесса об-тзования соединения. Значительная разница коэффициентов термического гинейного расширения (ТКЛР) керамики и металла обусловливает возникно-ение в сварном соединении остаточных напряжений, которые могут вызы-ать разрушение соединения в послесварочпый период или резко снижать ксплуатациопную надежность. В лей связи проблема интенсификации про-есса образования соединения и повышения прочностных характеристик варных металл-керамических соединений (МКС) остается актуальной.

Целью работы является разработка методов и способов интенсификации роцесса образования и повышения прочностных характеристик, в том числе рещиностойкости, диффузионносварных МКС.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следую-[ие задачи:

- разработать алгоритм и компьютерную программу для решения задач

по исследованию напряженно-деформированного состояния (НДС) диффузионно-сварных соединений;

- на основе анализа НДС и экспериментально исследовать деформируемость прокладок сплошного и несплошного сечений в условиях диффузионной сварки;

- исследовать влияние параметров процесса сварки, соотношений геометрических размеров и физико-механических свойств свариваемых материалов на НДС металл-керамических соединений различных типов;

- исследовать влияние характера распределения остаточных напряжений на прочность и трещиностойкость диффузионно-сварных соединений и разработать методы повышения трещиностойкости;

- разработать технологические процессы диффузионной сварки узлов из разнородных материалов для приборов и устройств различного назначения.

Методы исследования. Теоретической и экспериментальной основой проводимых исследований являлись разработки отечественных и зарубежных ученых в области: сварки материалов в твердом состоянии, материаловедения, конструирования композиционных, в том числе керамических, материалов, физике и механике деформирования и разрушения конструкций и сгрук-турнонеоднородных материалов.

Решаемые в работе задачи предопределили многоплановость инструментальных методов исследования. Был использован комплекс физико-механических методов исследования: численный метод механики деформируемого твердого тела - метод конечных элементов (МКЭ); поляризационно-оптический метод; методы линейной механики разрушения; металлографические методы - оптическая и растровая электронная микроскопия, микрорент-геноспектральный анализ; методы механических испытания сварных соединений; математическое моделирование, планирование эксперимента.

Научная новизна работы

1. На основе анализа характера распределения контактных напряжений и деформаций и прямыми экспериментальными исследованиями установлено, что интенсивность пластической деформации относительно тонких прокладок в условиях сварки существенно возрастает при их деформировании по схеме "давление + сдвиг". Такая схема реализуется при деформировании несплошных, в частности перфорированных, прокладок. Показано, что с увеличением коэффициента перфорации Кр деформируемость прокладок существенно возрастает по сравнению со сплошными. Скорость пластической деформации перфорированных прокладок в 15...30 раз выше, чем сплошных, а степень деформации в первые минуты сварки достигает 28...50 % в зависи

мости от коэффициента КР. Получены обобщенные выражения кинетики процесса деформации перфорированных прокладок.

- 2. Установлена закономерность'характера распределения остаточных напряжений, влияния физико-механических свойств и соотношений геометрических размеров соединяемых материалов на уровень и характер распределения остаточных напряжений в осесимметричных металл-керамических соединениях компенсированного и некомпенсированного типов.

3. Впервые для диффузионно-сварных соединений, с позиций линейной механики разрушения, проведено исследование влияния остаточных напряжений на параметр трещиностойкости - коэффициент интенсивности напряжений (КИН) К; соединений компенсированного и некомпенсированного типов и установлено, что трещиностойкость соединений некомпенсированного типа существенно ниже трещиностойкости компенсированных, если последние выполнены с относительной толщиной прокладки или металлического элемента в зоне контакта % < 0.10. Трещиностойкость компенсированного соединения резко снижается в сравнении с некомпенсированным при наличии нспроваров, несплотностсй в центральной зоне контакта (х/Я < 0.90) и с увеличением х > 0.10.

4. Установлено, что в композитном слое приконтакгного объема керамического материала, вокруг армирующих волокон возникают области оста-1 очных сжимающих напряжений, являющиеся основным фактором повышения трещиностойкости и прочности соединения. Получено выражение, определяющее связь между параметрами композитного слоя, свойствами свариваемых материалов и параметром трещиностойкости Кх.

Практическая цепкость выполненной работы

Разработана компьютерная программа расчета полей напряжений и деформаций, возникающих в свариваемых материалах на стадии формирования физического контакта и в сварном соединении на стадии его охлаждения. Программа позволяет в диалоговом режиме формировать реальные форму и размеры исследуемой области (сварного узла), назначать и присваивать элементам узла материалы и их свойства, визуализировать результаты расчета в виде базы данных и 1рафичсских иллюстраций.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны способы диффузионной сварки МКС позволяющие:

- получать более прочные (в 1.5...2.0 раза) соединения при меньших гемпературно-временных воздействиях, по сравнению с необходимыми при варке со сплошными прокладками, вследствие применения перфорирован-ых прокладок;

- повысить характеристики прочности и трещиностойкости сварных МКС путем формирования, непосредственно в процессе сварки, в прикон-тактной зоне керамики композитного слоя, состоящего из хрупкой матрицы и пластичных волокон из того же металла, что и промежуточная прокладка.

Разработаны и внедрены технологические процессы ДСВ применительно к изготовлению:

гг многослойного, на основе алюмооксидной керамики ВК94-1 и ковара 29НК, МКУ, содержащего компенсированное и некомпенсированное соединения;

, - пьезоэлектрического преобразователя прецезионного перемещения на основе пьезокерамического материала - ЦТС-19;

- ситалл-металлического узла (С0115М + АД1), являющегося элементом гироскопического прибора.

- биметаллического (ВК20М + 5ХНМ) вырубного штампа, что позволяет экономить дорогостоящий вольфрамокобальтовый сплав ВК20М.

Апробация работы и публикации. Результаты проведенных исследований докладывались: на Всесоюзной научно-технической конференции "100-летие изобретения сварки по способу Н. Г. Славянова и современные проблемы развития сварочного производства", Пермь, 1988 г.; на Научно-технической конференции "Достижения и перспективы развития диффузионной сварки", Москва, 1990 г.; на Всесоюзной научно-технической конференции "Прогрессивные процессы сварки в машиностроении", Красноярск, 1991 г.; на Международной научно-технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники", Ростов-на-Дону, 1993 г.; на Научно-технической конференции стран СНГ "Производство и надежность сварных конструкций", Калининград (Московской обл.), 1993 г.; на Международной научно-технической конференции "Высокие технологии в машино- и приборостроении", Саратов, 1993 г.; на Российской научно-технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка-95"", Пермь, 1995 г.;

. По теме диссертации опубликовано 11 научно-технических статей, 16 тезисов докладов, получено 2 авторских свидетельства на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов по работе и приложения. Изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков, 10 таблиц и 129 наименований использованных литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и необходимость проведения данной работы. Важной технологической задачей работы являегся разработка процессов диффузионной сварки применительно к изготовлению МКУ для приборов различного назначения.

Глава 1 посвящена анализу современных представлений о механизме образования соединений разнородных материалов в твердой фазе. Рассмотрены и проанализированы существующие методы интенсификации процесса образования соединений при диффузионной сварке различных материалов, в том числе и керамических, с металлами. Дана оценка эффективности различных методов с точки зрения их универсальности и технологической простоты использования.

Рассмотрены методы исследования напряженно-деформированного состояния диффузионно-сварных МКС, влияние остаточных напряжений на характеристики прочности и трещиностойкости этих соединений и существующие способы снижения остаточных напряжений. Критический анализ литературных данных по этим проблемам позволил определить цель и сформулировать основные задачи исследования.

Во второй главе приведены химический состав и основные физико-механические характеристики используемых материалов: ашомооксидных (ВК94-1, 102, УФ-46), стекло-керамических (СОП5М) и металлических (медь МО, алюминий АД1, АДОО, I0X18H9T, титановый сплав ВТ14). Даны основные характеристики используемого оборудования и приборов (установка диффузионной сварки А306.04, установка лазерной сварки и резки "Кваит-15", голографическая установка УГМ-1). Приведена методика и алгоритм расчета полей напряжений, возникающих в свариваемых материалах на стадии формирования физического контакта и в сварном соединении на стадии его охлаждения. Описаны устройство и специально разработанные методики для проведения экспериментальных исследований ползучести прокладок в реальных условиях сварки, а также методика формирования композитного слоя в приконтактном объеме керамики. Приведены формы образцов сварных соединений и методики их испытаний на изгибнуго прочность и трещи-ностойкость.

Глава 3 посвящена теоретическому, на основе анализа контактных напряжений, исследованию деформируемости промежуточных прокладок в условиях сварки, НДС осесимметричных модельных соединений компенсиро-анного и некомпенсированного типов и реальных узлов, влияния остаточ-ых напряжений на трещностойкость соединений и возможности повышения

прочностных характеристик соединений путем формирования композитного слоя в приконтактном объеме керамики.

На основе анализа современных представлений о природе активных центров, их роли в образовании, в частности, МКС, механизмах активации свариваемых поверхностей теоретически обосновывается положение о том, что высокая степень активации контактной поверхности металла (прокладки или конструктивного элемента) может быть достигнута при его деформировании по схеме "давление + сдвиг". В этом случае, согласно результатам последних достижений в области материаловедения, в кристаллической структуре металла возникают области атом-вакансионного состояния (ABC), характеризуемые высокой концентрацией дефектов (вакансий, дислокаций), и

являющиеся источниками интенсивных потоков этих дефектов. Интенсивные

«

потоки дефектов существенно изменяют поведение металла: наблюдаются аномально высокие скорости массопереноса недиффузионной природы, высокая химическая активность, возрастает скорость химических реакций.

С помощью разработанной компьютерной программы проведены исследования по влиянию относительной толщины и типа (сплошная, перфорированная) прокладки, давления и температуры на величину и характер распределения по площади сварки контактных нормальных (az), сдвиговых (х„) напряжений и деформаций у, возникающих в прокладке на стадии формирования физического контакта. Исследования проводились на примере сварки керамики ВК94-1 через прокладку из АДОО. В процессе решения температура принималась постоянной (600 °С), давление и относительная толщина прокладки варьировались. Результаты исследований показали (рис.1), что перфорированные прокладки, в отличие от сплошных, деформируются по схеме "давление + сдвиг" на всей контактной поверхности при значительно меньших давлениях и одинаковой общей относительной толщине. При этом величина сдвиговых деформаций перфорированных прокладок (рис.2), при одинаковых давлениях, возрастает более чем в десятки раз. Это дает основание утверж- i дать. что применение перфорированных прокладок при сварке позволит повысить скорость и полноту образования физического контакта, активизировать физико-химические процессы взаимодействия между соединяемыми материалами за счет-интенсивной деформации металла прокладки.

• Предложена математическая модель эволюции перфорированной прокладки в сплошную и определено условие, при котором происходит ее трансформация, в виде выражения: е> 1.103-Кр, где Кр = (тг/(2л/3))-(л0 /тп )2 , т0 -начальный радиус перфорационного отверстия, гп - радиус нейтральной поверхности, равный половине межцентрового расстояния между отверстиями.

п, т, MTÏa

3

-9 -IS -21

-27-

о, т, МПа

3 .

Л

1' = 10 ЛШа, х = О. оз .

/

-3

-9

-15.

-21.

-27.

rJ J

л

/

/

N'

/

жж

Р= 7. 5 МПа, х = 0. 03 (0.3)

—к—%гг » —•— СУг

4_

о - ^ » 8 К, мм 0.5 0.9 1.3 2.7 3.1 3.5 4.0 4.4 4.8 Л, мм

а б

Рис. 1. Распределение контактных нормальных а2 и касательных тп напряжений в сплошной (а) и перфорированной (б) прокладках (в скобках указана локальная относительная толщина X = И/а прокладки с учетом перфорации)

7,%

0.5 0.9 1.3 2.7 3.1 3.5 4.0 4.4 4.8 Л, мм

Рис. 2. Распределение сдвиговых деформаций в перфорированной и сплошной прокладках (давление 10 МПа для сплошной прокладки, в скобках указана ушосительная толщина X. - h/a прокладки с учетом перфорации)

Проведено численное исследование влияния физико-механических ;войств, соотношения размеров соединяемых материалов на величину и характер распределения остаточных напряжений в металл-керамических мо-гельных соединениях, выполненных через прокладки из М06 и АД1, АД00, а -акже в реальных узлах, состоящих из С0115М + АДОО + ВТ 14, ВК94-1 +

АДОО + 10Х18Н9Т. Установлено, что в соединениях при их охлаждении формируется НДС, характеризуемое высокой степенью локализации напряжений в краевых зонах - вблизи границы раздела и свободной поверхности (рис. 3). С увеличением относительной толщины металла или прокладки уровень напряжений повышается. Опасными, с точки зрения снижения прочностных характеристик соединения, являются напряжения, направленные по нормали к поверхности раздела металл-керамика и действующие в хрупком керамическом материале в непосредственной близости от границе раздела. Наибольшую опасность эти напряжения представляют для соединений некомпенсированного или компенсированного типа, если последние выполнены с относительной толщиной прокладки х > 0.1, поскольку в краевой зоне, где наиболее вероятно наличие исходных трещиноподобных дефектов, нормальные напряжения в соединениях некомпенсированного типа являются растягивающими, а для компенсированных соединений уровень напряжений возрастает и они являются растягивающими в центральной зоне.

Сравнение результатов теоретического и экспериментального определения характера распределения напряжений в ситалл-металлическом узле показало хорошее совпадение, что свидетельствует о достоверности результатов, получаемых расчетным методом, а разработанная программа может с успехом использоваться для решения задач подобного рода.

Рис.3. Распределение остаточных напряжений а2 в радиальном сечении осе симметричного компенсированного (а) и некомпенсированного (б) соедине пиях (х = 0.10, значения напряжений в МПа)_

Проведена оценка влияния полей остаточных напряжений на трещине стойкость металл-керамических соединений. Оценка проводилась на основ анализа поведения величины коэффициента интенсивности напряжени

(КИН) Ki. Предполагалось, что исходная трещина определенной длины находится в краевой и центральной зоне сварного соединения в поле действия остаточных напряжений и при их суперпозиции с внешним напряжением. КИН в поле действия остаточных напряжений определяли по выражению:

9 rmax f • С (г) 9 гтах (<£\

*Ia.(r)=7™' I ---1=' i arccos[-\-r -^z(r)dr, {1)

zW л/я -а a _ a2 a-^jn-a Ja \rJ

a КИН, соответствующий суперпозиции остаточных и приложенного напряжений по выражению: Ат0о = Ки - Kiaz(t), где <тz(r) - остаточные напряжения, определяемые расчетным методом, а = (rmax- U) - внутренний радиус внешней круговой трещины, гтах - максимальный радиус осесимметричного соединения, /к - длина трещины, где Ки - критический КИН керамического материала, свободного от остаточных напряжений и для ВК94-1 равен ~ 5.8 МПа м"2. Для каждого типа соединений и размеров трещины (в пределах 0 < 1К < 4L, L - длина участка от края соединения, где происходит смена знака напряжений) решение (1) выполнялось численным интегрированием с помощью прикладной программы MathCad PLUS 5.0.

Результаты расчета показали, что сжимающие остаточные напряжения приводят к повышению параметра трещиностойкости, а растягивающие к его понижению. Таким образом КИН для трещины, распространяющейся в сварном соединении под действием постоянной внешней на1рузки. будег осциллировать в соответствии с изменением остаточных напряжений - в зоне действия сжимающих остаточных напряжений сопротивление распространению трещины (трещиностойкость) будет увеличиваться, а в зоне растягивающих напряжений уменьшаться.

Показано, что соединения компенсированного типа обладают повышенной трещиностойкостью в сравнении с некомпенсированными при наличии исходного трещиноподобного дефекта в краевой зоне и одинаковой схеме внешнего нагружения. В то же время трещиностойкость компенсированного соединения резко снижается при наличии дефектов в виде цепочки пор, не-проваров в центральной зоне, что обычно наблюдается при сварке через тонкие прокладки. На трещиностойкость соединений некомпенсированного типа такие дефекты, при их малых размерах, практически не оказывают влияния.

Результаты данных исследований явились" основой разработки метода повышения прочностных характеристик, в том числе и трещиностойкости МКС, путем формирования в приконтактном объеме керамического материала композиционного слоя, состоящего из хрупкой матрицы и пластичных волокон.

Анализ НДС такого соединения показал, что в краевой, наиболее опасной для некомпенсированных соединений, и в приконтактной зоне формируются области действия сжимающих остаточных напряжений, нормальных к основной границе раздела металл-керамика и к образующей армирующих волокон. На торцевой части волокна уровень растягивающих напряжений незначителен. Очевидно, что области сжатия будут препятствовать зарождению трещины или искривлять фронт движения в случае ее распространения, в итоге увеличивать трещиностойкость соединения.

Кроме положительного влияния областей сжатия на трещиностойкость, наличие армирующих волокон в вероятной плоскости разрушения будет также способствовать повышению прочности и трещиностойкости соединения вследствие действия "смыкающих" напряжений (ас) этих волокон, которые необходимо преодолеть для развития и распространения трещины. Выполненный анализ позволил определить зависимость критического КИН для распространения трещины по основной границе металл-керамика сварного соединения с армированным приконтактным объемом с учетом смыкающего напряжения ас неразрушенных волокон, от параметров армирования и физико-механических свойств соединяемых материалов. В результате получено выражение:

#1ар = 0.5 • р + р2 + 8 • л • и(1, ес ) • £эф • ат / (1 + £>/^в)2] , (2)

где Кггр - критический КИН для распространения трещины по границе соединения, выполненного без армирования, ат - предел текучести металла волокна (прокладки), Еэф = Ев-ув + Ем( 1 - уй), где Ев, Ем - модуль Юнга металла волокна и матрицы (керамики), соответственно; \>в = л/{4-(1 +Б/с1е)2}- объемная доля волокна; Д с!е - расстояние между волокнами и диаметр волокна. Расхождение в оценке параметра Кпр по уравнению (2) и экспериментальным данным составляют не более 10... 15%.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям влияния параметров процесса сварки и коэффициента перфорации на деформируемость перфорированных прокладок и на механические характеристики соединений. Исследования по деформируемости для прокладок из меди МОб проведали в диапазоне температур 860...1030 °С (с шагом 40 °С), Кр = 0.12. 0.21 и 0.27, давление - 11, 13 и 15.5 МПа и различном времени - 0.5...20 мин. Исследование деформируемости перфорированных прокладок из АД1 проводили одновременно при получении сварных соединений при Г = 620 °С, Кр= 0.3, 0.44 и 0.54, давлении 7, 10 и 13 МПа и времени 2...10 мин.

Результаты показали что, наиболее интенсивное изменение (умень-

шение) толщины, особенно в первые 6...8 мин для прокладок из меди и 0.7...2.0 мин из АД1, характерно для перфорированных прокладок, причем наблюдается нелинейная зависимость h=h(t~); изменение толщины сплошных прокладок в исследованном временном интервале является линейной функцией времени и это уменьшение существенно меньше, чем для перфорированных прокладок. Степень деформации (г) для перфорированных прокладок из меди в первые 6...S мин равна 28...30%, что составляет 80% накопленной за полное время испытания деформации (36%). В то же время для сплошных прокладок величина г при аналогичных параметрах испытания равна 6% и только в течение последующих 12 мин достигает величины 10... 12%. Увеличение температуры и давления приводит к повышению степени и скорости деформации прокладки, однако это влияние сказывается в меньшей степени, чем увеличение коэффициента перфорации.

Для исследованного диапазона значений параметров процесса величина накопленной деформации прокладок из АД1 имеет следующую зависимость эт параметров процесса г = 86.5 • Кр + 5.64 • Рев - 0.23 • Р}в - 21.7 и достигает в течение 1...4 мин 30...60 %. Эксперименты показали, что полное формирование физического контакта и заполнение перфорационных отверстий гроисходит в полном соответствии с расчетом - прокладка трансформируется 1 сплошную при достижении накопленной деформацией величины : > 1.103 Л>. Например прокладки из АД1 с Кр = 0.3 при температуре 600 °С. хавлениях 7, 10 и 13 МПа за время 4 мин полностью трансформировались в ¡плотные при величине накопленной деформации 0.326, 0.38 и 0.39, соответ-ггвенно. Установлено, что для кривых ползучести перфорированных прокла-хок, в отличие от сплошных, характерно наличие двух стадий: нсустано-ишшейся и установившейся ползучести. Для прокладок из меди первая стадия цштся 6...8 мин, а затем переходит в стадию установившейся ползучести. При (сформировании прокладок из АД1 длительность стадии активной деформа-1ии и неустановившейся ползучести значительно меньше, чем для медных, и >авна 0.7...2.0 мин, в зависимости от КР и давления.

Установлено, что соединения, выполненные через перфорированные 1едные прокладки и при пониженных значениях температурного и временно-о параметра, имеют более высокую прочность (26...55 МПа), чем соединения о сплошной прокладкой (9...24 МПа). Температурные и временные зависи-юсти прочности соединений с перфорированными прокладками показы-ают, что с увеличением температуры прочность достает максимума при 40...980 °С, а затем падает и при 1030 °С становится равна прочности соединений со сплошной прокладкой, причем такая зависимость соблюдается для

всех КР. Влияние времени сварки на прочность соединений аналогично влиянию температуры - при времени выдержки более 8 мин наблюдается падение прочности и при 20 мин прочность соединений с перфорированными и сплошными прокладками отличаются незначительно.

Прочность соединений ВК94-1, выполненных через прокладки из АД1, подчиняется следующей зависимости от исследуемых факторов:

аиз =2.1 -Ръ+ЗТ.б-Кр - 0.317 • t^ +3.81--11.188

. Для получения соединений, обладающих прочностью не ниже 40...50 МПа можно рекомендовать следующие параметры режима сварки:

- для соединений с медной прокладкой Тсв = 940...980 °С, tce = 20 мин, Рсв = 15 МПа, КР = 0.12...0.27 (х, = 0.25...0.37) или Тсв = 1030 °С, tce = 2...4 мин, Рсв = 15 МПа, Кр = 0.21, 0.27 (& = 0.31, 0.37);

- для соединений с прокладкой из АД1 Тсв - 620 °С, 1св = 6 мин, Рсв = 15 МПа, КР = 0.43, 0.54 (&,= 1, 1.375).

Наряду с повышением прочностных характеристик, применение перфорированных прокладок при диффузионной сварке позволяет повысить стабильность качества изготовляемых узлов, устраняются различные погрешности сборки: некоторая несоосность, неплоскостность, неравномерное приложение давления.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям по получению МКС повышенной трещиностойкости и прочности путем формирования композитного слоя в приконтактном объеме керамики.

Установлено, что характер заполнения каналов определяется распределением нормального контактного напряжения по плоскости контакта. Сравнение кривых глубины заполнения каналов с кривыми распределения нормального контактного напряжения в зоне контакта при деформации сплошной прокладки свидетельствует о их качественном сходстве.

Влияние параметра композитного слоя D/de или объемной доли пластичной фазы ve на характеристику прочности (oj и трещиносгойкость (йаР) соединений исследовали на модельных соединениях керамики ВК94-1, сваренных через медные и алюминиевые прокладки, соответственно, по режимам Тсв - 1030 °С, Рсв = 15 МПа и Тсв = 620 °С, Рсв = 10 МПа и одинаковом времени выдержки - 20 мин. Глубина армируемых отверстий равнялась 1.5 мм, отношение D/de варьировалось в диапазоне 0.5...2.5. Определялся также КИН керамики и соединений, выполненных без армированного приконтактного объема. Величина Ки для керамики в среднем равна 5.97+0.5 МПа-м1/2, что хорошо согласуется с литературными данными. Для соединений, выполнен-

их без армирования приконгактного объема, средняя величина критическо-о КИН равна 3.8 ±0.4 и 3.1 ±0.6 МПа-м172, соответственно для ВК94-+М0б+ВК94-Ги ВК94-1 + АД1 + ВК94-1, при относительной толщине про-ладок « 0.03.

Мегалл-ксрамичсскис соединения, выполненные с армированным прн-оитактным объемом керамического материала, обладают повышенной тре-цииостойкостьто. Величина критического КИН Kuv в исследованном диапа-оне D/de для соединений ВК94-1 + МОб + ВК94-1, при распространении тре-цины как по границе раздела, так и на расстоянии 0.5he от границы, в средам равна 6.0+1 МПа-м,/2. Для соединений с алюминиевыми прокладкой так-<е соблюдается аналогичное соотношение - армирование контактной зоны юпышаст трещиностойкость в 1.3... 1.5 раза. Сравнение средних величин кри-ических КИН сварных соединений с медной прокладкой и керамики показы-ает, что они равны. Для соединений с алюминиевой прокладкой отношение СиР/К,с составляет 77 %. Полученная в ходе экспериментов зависимость Лтар т D/de свидетельствует о удовлетворительном согласии с расчетом уменьшение отношения D/d„ или увеличение объемной доли волокна ve в композит-:ом слое приводит к повышению сопротивления распространению трещины, .е. увеличению характеристики трещиностойкости Клар. Оптимальным диа-азоном отношения D/dr, при котором рассмотренные сварные соединения меют максимальную трещиностойкость, можно считать диапазон 0.9... 1.5 и .7... 1.0, соответственно для соединений с медной и алюминиевой прокладка-

1И.

Результаты испытания на изгиб свидетельствуют, что прочность повы-тается с увеличением объемной доли пластичных волокон в композитном лое, причем интенсивный рост прочности наблюдается при объемной доле в > 0.148. В диапазоне ve = 0.072....0.148 средняя величина прочности равна 7±5 МПа (что незначительно выше максимальной прочности (50...55 МПа) оединений, выполненных через перфорированные прокладки на оптималь-:ом режиме), а при ve ' 0.168....0.233 прочность возрастает в 2 раза - до 10±10 МПа.

Таким образом экспериментально подтверждена эффективность и пра-омерность положений и подходов, используемых при разработке метода по-ышения прочностных характеристик, в том числе трещиностойкости, МКС утем армирования приконтактной зоны керамического материала пластич-:ыми волокнами. Трещиностойкость и прочность сварных соединений, вы-олненных с армированием приконтактной зоны, повышается с уменьшением /dg (увеличением \<е ) и может достигать соответствующих прочностных ха-

рактеристик самой керамики при определенном отношении БМ в или ув для данной пары свариваемых материалов.

Выражение (2) можно использовать для удовлетворительного количественного. описания повышения трещиностойкости соединений с композиционным слоем, что позволяет выбрать значения параметров армирования йе и В при соединении заданных материалов или же выбрать материал прокладки для получения соединений с наибольшей прочностью и трещиностойкостью.

Шестая глава посвящена разработке технологий по получению диффузионно-сварных соединений различных материалов применительно к изготовлению натурных узлов опытных приборов, устройств и инструмента. Успешные результаты, полученные в ходе проведения этих работ, обеспечены использованием теоретических и экспериментальных исследований, проводимых на моделях, и изложенных в предыдущих главах настоящей работы.

Разработана технология изготовления многослойных пьезоблоков, используемых в приборах, предназначенных для создания прецезионных перемещений. Активным пьезоэлектрическим элементом была керамика системы цирконат-титанат свинца - ЦТС-19, количество элементов в блоке варьировалось от 5 до 15. В качестве прокладок-электродов применялся технически чистый алюминий марки АД00, что позволило снизить температуру сварки и тем самым предотвратить изменение стехиометрического состава ЦТС-19 из-за значительной сублимации свинца при температурах выше 700 °С.

Определены оптимальные значения параметров режима сварки и толщины, прокладки, при которых полученные пьезоблоки обладают прочностью на уровне 4...7 МПа, приведенный модуль упругости равен 99...140 ГПа, в зоне контакта отсутствуют непровары и несплошности. Показано, что определение приведенного модуля упругости узла может быть методом контроля качества сварки.

Разработана технология изготовлен™ многоэлементнного металл-керамического узла (МКУ), содержащего компенсированное и некомпенсированное соединения материалов разных толщин. Материалом конструктивных элементов узла являлись керамика ВК94-1 и ковар 29НК. Предложенная технология позволила заменить многооперационный процесс пайки узла одно-операционным процессом - изготовлением его способом ДСВ. Особенность узла - 4-х уровневое (по высоте узла) расположение свариваемых поверхностей и их различная площадь. Для сборки и сварки узла разработан специальный сборочно-сварочный кондуктор, обеспечивающий равномерность нагрева и прикладываемого давления в плоскостях контакта, быструю установку всех свариваемых элементов в кондуктор и извлечение сварного узла после

фоведения процесса сварки. Сварку элементов узла осуществляли с исполь-юванием промежуточных медных (МОб) прокладок различной абсолютной 0.095...0.270 мм), по одинаковой "относительной (■/ и 0.05...0.06) толщиной, поскольку площади свариваемых поверхностей были различны. МКУ, сваленные по разработанной технологии, испытаны в составе изделия на вибро-ipoHiiocTb в диапазоне частот 1...2000 Гц (с ускорением 10 g), на многократ-ше длительностью 2...20 мс (при 15 g) и одиночные удары (до 150 g).

Разработана технология изготовления ситалл-металлического узла оптического прибора из ситалла СОП5М и алюминиевого (АД1) колпачка-iar лушки с обеспечением герметичное!и, устойчивости к перепадам температур в диапазоне 250...20 °С при нагреве и охлаждении узла со скоростью 20...35 °С/мин не менее 6...8 раз и к термоударам (2...3 раза) по режиму 20...-195...20 °С без потери герметичности; неизменности оптических свойств си-галла в ходе температурно-деформационного режима сварки.

Изготовленные по предложенным режимам пьезоблоки, многослойные МКУ и ситалл-металлические узлы оптических приборов успешно прошли испытания в составе соответствующих приборов и изделий.

Разработана технология изготовления способом ДСВ биметаллических (ВК20М + 5ХНМ) вырубных штампов,конструкция которых соответствовала соединению некомпенсированного типа. Технологический процесс изготовления штампов включает процесс сварки с использованием перфорированной прокладки из той же стали 5ХНМ и процесс охлаждения соединения, состоящий из двух этапов: 1 этап - охлаждение от Тсв до 750 °С со скоростью w 35...40 °С/мин, Иэтап-от 750 до 150 °С со скоростью » 75... 80 °С/мин, что обеспечивает получение минимального уровня остаточных напряжений в сварном соединении, твердоегь стали 5ХНМ 50...52 HRC и полное соответствие эксплуатационным требованиям.

По разработанной технологии изготовлены рабочие штампы, которые используются на предприятии АО "Пермская научно-производственная приборостроительная компания".

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан алгоритм и, на его основе, компьютерная программа расчета полей напряжений и деформаций соединяемых материалов на стадии формирования физического контакта и в сварном узле реальной конструкции, при числе соединяемых разнородных материалов до четырех. При расчете учитываются температурно-деформационные зависимости физико-механичес-

их характеристик свариваемых материалов.

2. Проведено численное, с использованием разработанной компьютер-

ной программы, и экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния осесимметричных модельных соединений и реальных узлов. Выявлена закономерность влияния физико-механических свойств, соотношений геометрических размеров соединяемых материалов на уровень и характер распределения остаточных напряжений в металло-керамических соединениях компенсированного и некомпенсированного типов.

Увеличение относительной толщины прокладки в соединениях компенсированного и некомпенсированного типа приводит к увеличению уровня остаточных, в частности нормальных к плоскости контакта, напряжений. Установлено, что соединение с относительной толщиной прокладки х > 0.10 или с отношением толщины металла к толщине керамики более 0.20 и выполненное конструктивно как компенсированное, по характеру НДС подобно некомпенсированному - в краевой зоне на свободной поверхности действуют нормальные растягивающие напряжения.

3. Разработан метод интенсификации процесса сварки путем существенного повышения деформируемости тонких прокладок вследствие их перфорирования, что обеспечивает возможность получения сварных соединений при меньших темепратурно-временных воздействиях по сравнению с необходимыми при сварке со сплошными прокладками. Показано, что скорость пластической деформации таких прокладок в условиях сварки в 15...30 раз выше, чем сплошных, а степень деформации в первые минуты достигает 28...50 % с повышением коэффициента перфорации. Получены выражения, описывающие кинетику процесса деформации. Установлено, что прочность сварных соединений с перфорированными прокладками в 1.5...2 раза больше, чем при использовании сплошных прокладок.

4. На основе модели эволюции перфорированной прокладки в сплошную в процессе сварки установлена зависимость между коэффициентом перфорации и степенью деформации, при которой перфорированная прокладка трансформируется в сплошную. Зависимость имеет вид: е = 1.103- Кр.

5. Впервые для диффузионно-сварных соединений, с позиций линейной механики разрушения, проведена оценка влияния остаточных напряжений на параметр трещиностойкости Кг для соединений компенсированного и некомпенсированного типов. Для исследованных сочетаний свариваемых материалов, соотношений геометрических размеров соединяемых элементов, при данных уровнях и характере распределения нормальных напряжений выявлены закономерности поведения КИН в поле действия остаточных напряжений и при их суперпозиции с приложенной нагрузкой.

6. Трещшгостойкость соединений некомпенсированного типа опреде-яется в основном величиной растягивающих напряжений, концентрирую-тхсА в зонах!; вероятным наличием исходных трещиноподобных дефектов, .е. в краевых зонах сварного соединения, и существенно ниже трещиностой-ости компенсированных, если последние выполнены с относительной тол-шной прокладки х < 0.10.

7. На трещиностойкость соединений компенсированног о типа влияет не олько уровень нормальных напряжений, определяемых, при прочих равных словиях, относительной толщиной прокладки, но местоположение трещино-одобпых дефектов по плоскости сварки. Трещиностойкость компенсирован-ого соединения резко снижается, по сравнению с соединением некомпенси-ованного типа, при наличии непроваров в центральной зоне и с увеличением тносительной толщины прокладки. Эффективным препятствием зарождения

развития имеющихся трещиноподобных дефектов являются зоны остаточ-ых сжимающих напряжений.

В. Впервые разработан метод и па его основе способ (А. С. № 1463415) овышения трещиностойкости и прочности диффузионно-сварных сосдине-ий разнородных материалов путем армирования непосредственно в процессе варки приконтактного объема хрупкого материала волокнами металла про-ладки.

Расчетно-зкспериментальными исследованиями установлено, что в ком-озитном слое формируется область сжимающих остаточных напряжений, шмющаяся основным фактором повышения трещиностойкости и прочности оединения. Получено выражение, определяющее взаимосвязь между пара-утрами композитного слоя, свойствами свариваемых материалов и трещи-оетойкостью соединения Кг.

9. Разработаны технологические процессы диффузионной сварки МКУ ля приборов различного назначения, а также биметаллических вырубных тгампоп. Изготовленные узлы и штампы успешно прошли лабораторные, роизводственные испытания и эксплуатируются в составе приборов и в ка-естве инструментов.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Лямин Я. В., Мусин Р. А., Иванов В. Н. О напряженном состоянии варных соединений разнородных материалов, полученных диффузионной варкой И Автоматическая сварка. 1986. №9. С. 13-17.

2. Мусин Р. А., Лямин Я. В., Иванов В. Н. Анализ остаточных напряже-й в некомпенсированных металлокерамических сварных соединениях II

варочное производство. 1986. №4. С. 11-13.

3. Лямин Я. В., Каракозов Э. С., Мусин Р. А. Способ сварки давление с подогревом. А. С. 1454615, кл. В 23 К 20/16. Бюл.№4, 1989.

4. Лямин Я. В., Каракозов Э. С., Мусин Р. А., Кабаев Н. В. Спосс диффузионной сварки. А. С. 1463415, кл. В 23 К 20/14. Бюл.№9, 1989.

5. Лямин Я. В. О повышении трещиностойкости диффузионно-сварнь металл-керамических соединений // Достижения и перспективы развит! диффузионной сварки. Материалы конференции. М.: Об-во "Знание". 199 С. 33 - 37.

6. Мусин Р. А., Лямин Я. В., Бузмаков И. Н. Применение перфорир* ванных прокладок при диффузионной сварке //Сварочное производство. 199 № 2. С. 2-3.

7. Мусин Р. А., Лямин Я. В., Бузмаков И. Н. Интенсификация пласт] ческой деформации прокладок при диффузионной сварке // Автоматическг сварка. 1991. №8. С. 26-29.

8. Лямин Я. В., Ашихмин В. Н. Программный комплекс для расчет остаточных напряжений в диффузионно-сварных соединениях // Прогро сивные процессы сварки в машиностроении. Тезисы докладов всесоюзной н: учно-технической конференции. Красноярск.: КИКТ, КПИ. 1991. С. 198-203.

9. Лямин Я. В., Мусин Р. А. Компьютерное моделирование процесс диффузионной сварки на стадии охлаждения // Современные проблемы евг рочной науки и техники. Материалы Российской научно-технической конф< ренции 23-25 мая 1995 г. Ч. И. Пермь. С. 60-63.

10. Лямин Я. В. Эффективность использования перфорированных прс кладок при сварке металл-керамических узлов // Высокие технологии в мают но- и приборостроении. Материалы конференции. М.: ЦРДЗ, 1993. С. 132-13/

11. Лямин Я. В., Мусин Р. А. Деформируемость перфорированных прс кладок при диффузионной сварке П Сварочное производство. 1994. № 6. С. 2 -26.

12. Ya. V. LYAMIN and R. A. MUSIN. Deformability of perforate interlayers in diffusion bonding // Welding International. 1995. Vol № 9. p. 228 230. -

13. Мусин P. А., Лямин Я. В. Изготовление металлокерамических узло с некомпенсированными соединениями // Сварочное производство. 1986. J\ 12. С. 14-15.

14. Мусин Р. А., Лямин Я. В. Проявление процессов самоорганизаци: при сварке пластическим деформированием //¡Сварочное производство. 1991 № 3. С. 7- 8.

Сдано в печать 27.02.98 г. Формат 60x84/16. Oiveu 1,25 п.л. Тираж 100. Заказ 1016. Ротапринт ПГТУ.