автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Влияние основных конструктино-технологических параметров на напряженное состояние при диффузионной сварке пластин из металла и керамики на основе Al2O3

сшт-1штервургския госдарственный технический универшег

На правах рукописи

раевска сне^ана ивашеа

ВИШЕ ОСЕЮИВХ ШЯТЩИЖ-ТЕЭШОЛОГШОШ ПАРАМЕТРОВ НА НАПРШЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИ ДШУЗИОНЮЙ СВАЙ® ШОХИН . ИЗ МЕТАЛЛА И КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ А!^

05.03.06 - Технология и машины сварочного производства

Автореферат

дкесерт&цьа за соисканию учетой степени кандгдпта техня'гикгг. нпук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Техническом Университете г.русе Болгария.

Научный руководитель: Доктор технических наук,' профессор В.А.КАРХИН. |

Официальные оппоненты: Д.т.н., проф. Н.Н.ПАШЮЗ |

К.т.н., доц. Ю.Г.ДЬЯКОВ. ■ |

-' {'

Ведущая организация: Институт сварки России.

Защита состоится " 4 » Марта 1994 г, в 4£ часов на заседании специализированного Совета Д 063,38.17 Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета по адресу: 195251, С.-Петербург, Политехническая ул.»29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета.

Автореферат разослан " ^ » 1994 г.

Ученый секретарь ■ специализированного Совета, доктор технических наук

В.А.КАРЛШ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность ре бо г г :: Распространенном методом получении метал-лскерамичесних соединений является диффузионная сварка (II,С). Большой вклад е теория а пракгику Ц.С снесли работы Ь.А.Еачина, Э.С. Каракозова, Г.В.Коншхова, И.Н.Метелкина, Р.А.Мусина, А.П.Тернсьского, М.Г. Николаса, Е .Р.У аллаха, Т.З.Эндко, К.Нишзгучи и других исследователей.

Эксплуатационная и технологическая прочность соединения разнородны?: материалов в значительной степени зависит от сварочных напряжений. Напряженное состояние мсталлокерамичзских изделий рассматривалось в работах И.Н.Метелкина, Р.А.Муеина, РЛизона, К.Сугаиумы, К.Хамады и других. Однако вопросы влияния основных конструкт ивно--технологических параметров на напряженное состоите при Ц.С пл-зспш из металла и керамики изучены недостаточно полно, что затрудняет оптимизацию технологии изготовления и проектирование конструкции сварных изделий. Поэтому совершенствование методов расчета и изучения кинетики напряжений при ДС остается актуальной проблемой.

Цель и задачи работы: Целью работы является определение влияния основных конструктивно-технологических параметров на напряженное состояние в соединениях типа тонких пластин из керамики на основе АГ^Од с мег&плом.

На ос::ояа?сп ак&зяэа состояния исследований по теме сформулированы следующие зтдачи:

1. Обосиопагь к пределе вить принципиальное физическое описаккз комплекса воздействий, ощ^дйляяпкх гсикетаку напряжений е процессе ¿С»

2. Обосновать и протереть физические «одели «заряженного еос~ ютак при ДО керамики с металлом в процесса формировании хентакта V. охлаждения соединения.

3. Разработать расчетные методы определения напряженного состояния на стадии охлаждения соединения с учетом основных фаздороя.

4. Исследовать влияние гехнелогических фаэтороя (температуря, даадекие к толщина ири ¡сладки) нь напрккеккя в соединениях типа тон -них пластин из керамики на основе А^Од с коваром.

5. Исследовать влияние конструктивных факторов (отношение толщин материалов, сикмэтричкость соединения, гид конструкции композите) но напряжение ч соединениях указанного типа.,

Научная новичка:

1. Разработан вариант метода расчленения тела (МРТ), позволяющий рассчитывать напряжения при охлаждении сварных соединений тонких пластин из разнородных материалов с учетом температурных зависимостей их свойств.

2. На базе метода конечных элементов (ЫКЭ) разработана физико-механическая модель для расчета временных и остаточных сварочных напряжений, учитывающая давление пуансонов по поверхности охлаждаемых пластин из разнородных материалов.

3. Конструктивно-технологические параметры диффузионной сварки играют существенную роль при формировании напряженного состояния в соединении пластин из керамики на основе Al^Oy и ковара.

Влияние отношения толщин материалов неоднозначное: при отношении толщин керамики к металлу меньше двух, напряжения в керамике по абсолютной величине увеличиваются по мере увеличения отношения, а при отношении больше двух - уменьшаются.

Еременные сварочные напряжения при 773 К максимальны.

Наличие давления пуансонов при охлаждении пластины повышает технологическую прочность, так как уменьшаются продольные растягивающие напряжения на свободной поверхности керамики и уменьшаются поперечные растягивающие напряжения на контактной поверхности у края пластины.

Практическая ценность;

1. Предложен инженерный метод и разработана вычислительная программа для определения напряжений в тонких пластинах из разнородных материалов с учетом зависимости их свойств от температуры.

2. Получены количественные зависимости напряжений в соединениях тонких пластин керамики на основе Al^Og и металла от основных конструктивно-технологических параметров ftC, которые могут быть использованы в расчетах на прочность.

Апробация работы; Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях;

I. Молодежная научно-техническая конференция с международным участием "Заваряване" 09-БС "Елените", октябрь I9B9, Болгария. '¿. Юбилейная научная конференция "Современные технологии и индустриальное переструктурирование", 29-31 октября 1992, ШЭИ - Варна, Болгария.

. Научная конференция "Передо;»;« технологии и носыо материслы I мазиностроении", ¿5-27 ноября, 1992, Б:ЗЛ - Габропо, Болгария. :. Научная конференция с международном участием "Прогрессивнее •ехнологки в «танкостроении'', Технически;*. Унигерситог - Русе, >олгария, 1993.

). 1У Международная конференция "Соединение керамик:;, стекла и «еталла", май 1993, Кенигсвинтор, Германия.

Структура и объем диссертанта:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, оОдих всеодов ю работе, списка литературы, включающего 94 наименования и при-покения, содержащего экспериментальное результаты, блок-схелу, программу и результаты расчета ¿ТТ.'схеш разбивки и результата расчета МКЭ. Работа изложена на 144 страницах текста с 44 рисунками и 5 таблицами, а приложение - на 78 страницах с 18 таблицами.

ОСНОВНОЕ ССЦЕОДНКЗ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность тема.

В первой главе приведен анализ подходов и исследований по проблеме.

В первом параграфе анализируются технология и «ехзшт диффузионной сварки как основные дикторы формирования напряженного состояния. Устаноачено, что напряжения определяются кс.'/.плекссм воздействий, которое изменяются в процессе Ь,С и характеризуете* как основными, так и дополнительном параметрами. Влияние последних изучено недостаточно. Обсуждается механизм ДС керамики с металлом и делается вывод, что физические описания основных этапов сварки неполны, часто противоречивы, что не позволяет выяснить кинетику напряжений. '

Во втором параграфе проводится анализ современного состояния исследований по проблеме. Отмечается, что в основном методы исследования расчетные и касаются стадии охлаждения и, в некоторой степени, образования контакта. Модели, относящиеся к этапу образования контакта, противоречивы и требуют экспериментальной проверки. Модели, относящиеся к этапу охлаждения, не учитывают градиент температур и сварочное давление. Соединение керамики на основе А-Е^О^ и ковара исследованы только в диапазон? отношения толщин керамики и кеталла ¿,67 * 0.

В третьем параграфе приводятся выводи критического анализа к ставятся задачи исследования.

Во второй главе обосновывается и описывается общая методика исследования. • •

В переем параграфа обосновывается общий подход. 11 ля стого оценивается комплекс воздействий при формировании напряжений ка Есех этапах технологического процесса в разных объемах соединений. По причине сложности процесса и отсутствия' физических .моделей от- • дельных этапов, рассматривается этапы образования контакта и ох-лаядения. Сравнение результатов, полученных применение;.', инженерных методов, применяемых при обработке металлов-давлением, с экспери-' книгами и литературными данными показало, что известные инженерные методы приводят к большой погрешности в определении сварочного давления и применимы только к соединениям с прокладкой. Поэтому с настоящей работе,как и б других исследованиях напряженное состояние рассматривается только при..охлаждении.

' Во втором параграфе обосновываемся модель напряженного состоя ния при охлаждении соединения, полученного Ь,С. Аналитическими и-зкепериментальными методами показано, что температурное поле соединения, ширина которого на порядок меньше диаметра радиационного нагревателя, близко к равномерному при средних мощностях нагрева (10 - 30 кВт) и, следовательно, можно пренебречь напряжениями, еыэ ванными температурным градиентом.

Предлагаются три модели механического воздействия, включая известную модель свободного деформирования и модель ограниченного деформирования. '

¡з,ля решения термомеханической задачи используется усовершенствованный метод расчленения тела (МРТ) и метод конечных элементов. При этом учитывается зависимость характеристик свойств материалов от температуры.

Точность МРГ проверена на примерах тонких пластин типа'Ьь-к 51С путем сравнения с известными теоретическими и экспериментальными результатами Г.Г.Гнесина.

В третьей главе проводится расчетное исследование конструк-тиЕко-технологичесиос параметров ДС на напряжения в квадратных пластинах из керамики на основе А^О^, соединенной с коЕаром.

В первом параграфе описывается-методика исследования, вклю-

чающая объект исследования, допущения и описание модели и метода расчета (КЕТ), приводятся данные о характеристиках сеойств материалов, а также рекомендации о дискретизации (разбивке) пластины слоями для получения заданной сочности ресенкл я.-дочй.

Бо втором параграфе приводятся результата хссяодоэаккя влияния конструктивных факторов, таких кок откошеииэ ::атер;:а~ лов керамики и ковара, вида соединения (симкетричное или несикмет-ричное) и числа слоев в композите. Установлено, чго тел^па влияет на напряжения неоднозначно (рис.1): при сшшеии:! гохфшз керамики к металлу меньше двух, напряжения в керамике по обсо;-дтноЯ величине увеличиваются по мере увеличения отделения, а ¡".г:: • сношении больше двух - уменьшаются. Применение симнетрнчюлс и/или многослойных композитов из кераьйка и кгтаяяа приведет к угнетенна расгягиваю-дих напряжений по сравнеикэ с двухслой!!««! при всех отношениях толщин керамики и металла в диапазоне 0,£Ь *• В.

Рис.1. Влияние отношения толщин материалов керамики и металла, на продольные остаточные напряжения в квадратных пластиках.

дел текучести)

Рис.2. Кинетика напряжений при упруго- и упруго-пластической деформации ( Ц - пре-

Исследовано влияние технологических факторов, таких как температура 1\С и толщина прокладки. Повышение температуры сварки на 100 К вызывает рост остаточных продольных напряжений С^ на . 9,335. Увеличение тслщкны прокладки из меди приводит к повышению напряжен;::': в керамики, что подтверждается экспериментальными результатами Р.АЛ.'.ус.ша,

Исследования кинетики напряжений при упругом и" упругопласти-ческом деформировании ковара показало, что напряжения с температурой изменяются нелинейно и временные напряжения максимальны при температуре 7/3 К (рис.2). Это объясняется изменением соотношения коэффициентов линейного расширения материалов при этой температуре. Из рисунка видно, что влияние пластической деформации на кинетику напряжений невелико. Она приводит к снижению максимальных напряжений в керамике на 7 * 10 %.

В четвертой главе исследуется влияние основных конструктивно-технологических параметров ДС на напряженное состояние в пластинах большой длины. В первом параграф* приводится обоснование принятых схем разбивки на конечные элементы при решении упругих задач.

Во втором параграфе описываются результаты исследований напряжений при температуре 773 К на трех моделях: М1 - модель свободного деформирования (внешние усилия отсутствуют); М2 - модель при приложении равномерного давления нормально к изогнутой поверхности; МЗ - модель ограниченного деформирования (поверхности соединения, контактирующие с пуансонами остаатся плоскими).

Исследовано влияние относительной толщины материалов {модели М1, ЦЗ) и среднего сварочного давления (модель МЗ) на напряженное состояние. Результаты расчетов по модели М1 удовлетворительно согласуются с результатами расчета ЫРТ и литературными данными.

Распределение напряжений по толщине пластины в ее средней части (х = 0 мм) существенно различается в моделях Ш и МЗ (рис.3,'

Видно, что при ограниченном деформирований (модель МЗ) продольные напряжения С* на свободной поверхности керамики и поперечные напряжения (Ту в краевой зоне контактной поверхности соединения сжимающие, в отличии от свободного деформирования (модель М1), что способствует повышению технологической прочности. Краевая область повышенных поперечных 6"* и касательных "Гад нал-'

б.

Ркс.З. Распределение напряжений в трех моделях по толщине (а) и по ширине контакта (б) при температуре 773 К.

, 30 SI

1 teil !

1

— ¡-nartouro ^ та пол — есть, коню '1 1 uf

Ч- за ю 12 la ¡46 ÍB

SO

Ркс.4. Распределение давления и контактной площади при 773 К.

s

ряжений распространяется менее, чек на одну толщину соединения. {На рис.3 значение / 0 на кромке является погреаногтьу чис-

ленного мзтсда. Условия возтягого разруаения соединения по модели КЗ определяется касательно« напряжениями в кроема зоне Сх = = 48 мм).

По результатам расчета (МЗ) определено распределзние давления ДО при охламдзнии, расположение и площадь поверхностей контакта моаду изделием и пуансоном (рис.4).

Общие вкводь. По диссертационной работе .-.южно сделать следующие быводы:

1. Предлгжзна и использована- схема комплекса воздействий, определяющая cchobhis этапы кинетики напряженного состояли сварных соединений керамики с металлом.

2. Показано, что при ЦС изделий, сирина которых на порядок меньше диаметра нагревателя,, влиянием температурного градиента в изделии на поле напряжений можно пренебречь.

3. Для определения напряжений при охлаждении соединения разнородных материалов предложен вариант метода расчленения тела, позволяющий учитывать зависимость характеристик свойств материалов от температуры. Точность, ме-года проверена срсвнекхсм с регуль-татаки экспериментов и расчетов MHO.

4. Предложена расчетная модель, учитывающая давлрнке пуансонов на поверхность пластин при охлаждении з процессе ДС. Модс-лъ ограниченного деформирования реализована с помощью ЖЗ.

5. Напряженное состояние 1'очк,г,: пластин при свободном деформировании плоское, за исключением краевых участков, где оно объемное, и где напряжения, нормальные к контактной поверхности, растягивающие. При ограниченном деформировании эти напряжения сжимзю-щие, что способствует повышению технологической прочности.

о» Определено влияние основных конструктивных факторов на напряженное состояние э пластинах из керамики на основе и

¿товара:

- влияние отношения толщин материалов неоднозначнее: при от-ноаениа толщины керамики к ховару меньше двух напряжения з керамике по абсолютной величине увеличиваются по мер« увеличения отношения, а при отношении больше двух - уменьшается,

- применение симметричных и/или многослойных композитов из керамики и металла приводит к уменьшения растягивающих напряжений в керамике по сравнению с двухслойными.

7. Определено влияние основных технологических факторов на напряженное состояние композитов:

- повышение температуры сварки на 100 К приводит к росту остаточных напряжений на 9,Ъ%. . '

- напряжения с температурой изменяются нелинейно и временные напряжения при 773 К максимальны. - -

- при применяемых средних давлениях сварки контакт между пуансоном и соединением тонких пластин происходит не по всей площади -и ота площадь тем больше, чем толще керамика. Локальное давление' у края пластины на порядок больше, средней величины. Наличие давления пуансонов" при охлаждении пластины повышает технологическую прочность, так как уменьшаются продольные растягивающие напряжения на свободной поверхности керамики и уменьшаются поперечные растягивающие напряжения на контактной поверхности у края пластины. ' - . " ' ■

ф

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: • '

1. Мл.Трифонов, Сн.Раевска. Относительно возможности о применении МКЭ для определения температурного поля при диффузионной сварке. Молодежная научно-техническая конференция "Заваряване" 89 ("Сварка" 8S) - ЕС "Елените", октябрь 1989 (болг.);

2. Сн. Раевска. Аналитические, исследования напряженного состояния в соединениях тонких пластин разнородных материалов, полученного в ходе охлаждения". Юбилейная научная конференция "Современные технологии и индустриальное переструктурирование" ШЭИ Варна, I9S2 (болг.). .

3. Сн. Раевска. Относительно моделирования образования контакта при диффузионной сварке керамики металлической прокладкой. Научная конференция Ь"ЗИ - Габрово. 1992 (болг.).

4. Сн. Раевска. Диффузионная сварка корувдовой керамики через прокладку из алюминия. Научная конференция ШЭИ - Габрово. 1992 (болг.). .

* 5. Sn. iJaevst« , Ml. IKfonov . Effect, of technological and design parameters cn. the. stress distribution at d.f/uven fiond.'ng of

сегдт«' с to msuL.

Международная конференция йтЬесИ ♦ 93. Прогрессивные технологии в машиностроении. Технический Университет - Русе, май, 1993.