автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование механизма формирования сварного соединения и разработка технологии диффузионной сварки фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6

На правах рукописи

Семичева Лариса Георгиевна

Исследование механизма формирования сварного соединения и разработка технологии диффузионной сварки фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6

05.03.06 - технологии и машины сварочного производства

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Красноярск 2004 г.

Работа выполнена на кафедре «Сварка летательных аппаратов» Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнёва.

Научные руководители:

кандидат технических наук, профессор кандидат технических наук, доцент

Новиков В. Г. Козловский С Н

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, доктор технических наук, профессор,

Михеев Анатолий Анатольевич Советченко Борис Федорович

Ведущая организация -

Сибирский научно-исследовательский институт технологии машиностроения

Защита состоится «29 » июня 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К 212. 098. 01 при Красноярском Государственном техническом университете по адресу: 660074, г.Красноярск, ул. Киренского, 26, ауд.Г2-70

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные печатью организации, просим выслать по указанному адресу на имя секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан г.

Учёный секретарь

диссертационного совета К 212. 098. 01 кандидат технических наук, доцент

Е.А. Сорокин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Дальнейшее развитие приборостроения, электронной, авиационной, космической и других отраслей промышленности связано с применением полимерных материалов. Эти материалы обладают уникальными физико-химическими свойствами и в сочетании с металлическими материалами могут быть использованы в конструкциях ответственных узлов с различными эксплуатационными свойствами. Особый интерес среди них вызывает фторо-пласт-4, который может быть использован в качестве диэлектрика, антифрикционного, звукопрозрачного и коррозионно-стойкого материала. В связи с тем, что он обладает низкой диэлектрической проницаемостью, широким диапазоном рабочих температур и абсолютной химической стойкостью к агрессивным средам, перспективно его использование в качестве диэлектрика взамен стекла и керамики при изготовлении узлов СВЧ-трактов — СВЧ-окон, где требуется получение качественных неразъемных соединений фторопласта-4 с металлами, сохраняющих работоспособность и вакуумную плотность в условиях циклического изменения температур и повышенной влажности окружающей среды.

Однако в настоящее время в промышленности отсутствуют технологии надежного соединения его с металлами в связи с тем, что фторопласт-4 относится к трудно-склеиваемым и трудно-свариваемым полимерам.

Для соединения фторопласта-4 с металлами способы сварки плавлением не пригодны. Использование клеевых соединений также ограничено из-за низких прочности соединений и стойкости к термоударам, а также из-за усадки и пористости клеевой прослойки. Кроме того, склеивание требует достаточно сложной предварительной подготовки свариваемых поверхностей, применения токсичных клеев и отличается высокой трудоёмкостью. Изготовление таких узлов механическим креплением, папылением и ультразвуковой сваркой не представляется возможным по конструктивным соображениям.

Наиболее перспективным для решения этой проблемы представляется способ диффузионной сварки, разработанный д.т.н. профессором Казаковым Н. Ф., которая успешно применяется для соединения разнородных материалов. Значительные успехи в этом направлении достигнуты благодаря работам учёных и специалистов в области диффузионной сварки Э. С. Каракозова, Г. В. Конюшкова, Р. А. Мусина, В. А. Бачина, Н. И. Метёлкина, В.Г.Новикова и др.

Несмотря на то, что исследованиями по данному научному направлению занимается большой круг учёных, проблема настолько многообразна, что в настоящее время недостаточно раскрыты возможности диффузиошюй сварки для получения таких соединений как полимеры с металлами.

Это обусловливает актуальность и важность исследований механизма

формирования сварного соединения фторопласта-4 с металлами, в частности

позволяющих разработать и внедрить новую технологию изготовления СВЧ-

окон с заданными эксплуатационными хара работать

Рос. национальная

БИБЛИОТЕКА С.Петср§ург ( ^ ОЭ 30

*«р$ург 1/1/-жй г*д3(0_

в условиях циклического изменения температуры и повышенной влажности окружающей среды.

Целью диссертационной работы является разработка технолопш получения вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6 применительно к СВЧ-окнам и технических устройств для ее осуществления в производственных условиях на основе исследования механизма формирования неразъёмного соединения в процессе диффузионной сварки.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать возможность получения диффузионной сваркой неразъёмного соединения фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6;

- разработать способ интенсификации процесса диффузионной сварки фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6;

- исследовать физико-химические процессы на границе раздела соединяемых материалов;

- разработать математическую модель процесса нагрева внешним источником теплоты и ультразвуковыми колебаниями (УЗК), позволяющую анализировать распределение температуры по всей площади контакта;

- разработать математическую модель процесса образования физического контакта фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6, позволяющую учитывать комплексное влияние параметров диффузионной сварки и УЗК мегагерцевой частоты, а также прогнозировать оптимальные параметры режима сварки и ультразвуковой системы;

- установить зависимость прочности соединения от комплексного влияния параметров режима диффузионной сварки и перемещений фторопласта-4;

- провести испытания диффузионных соединений на стойкость к циклическому изменению температур и вакуумную плотность;

- разработать промышленную технологию и оборудование для изготовления СВЧ-окон с заданными эксплутационными характеристиками.

- Методы исследований. Применяемые в работе методы экспериментальных исследований включали: металлографические исследования с использованием оптических и электронного микроскопов; локальный микрорентгеноспек-тральньш, рентгеноструктурный и термографический анализы, исследование структуры фторпласта-4 методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Теоретические исследования основаны на математическом моделировании процесса сварки с применением численных методов решения уравнений математической физики.

Использование современных приборов, оборудования, методик исследований и анализа для решения поставленных в диссертационной работе задач позволило обеспечить достоверность полученных результатов.

Научная новизна работы.

1. Установлено, что наложение УЗК частотой 2 МГц в процессе диффузионной сварки фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6 увеличивает фактическую площадь контакта за счёт заполнения пор и дефектов металлической по-

верхности фторопластом-4 вследствие снижения вязкости расплава фторопла-ста-4 и ультразвукового капиллярного эффекта (эффекта Коновалова), что повышает прочность соединения более, чем на 20 %.

2. Установлено, что УЗК мегагерцевой частоты активизируют взаимодействие свариваемых материалов за счёт частичного отрыва атомов фтора от молекулы фторопласта-4 в приграничных слоях и диффузии углерода в сплав АМг6;

3. Установлено, что в основе физико-химических процессов взаимодействия фторопласта-4 со сплавом АМг6 лежат топохимические реакции, протекающие при температуре сварки на границе раздела фторопласт - металл, в результате которых образуется переходная зона, ширина которой для исследуемой области составляет 10... 60 мкм.

4. Установлены зависимости прочности соединений фторопласта-4 со сплавом АМг6 от параметров режима диффузионной сварки и ширины переходной зоны.

5. Разработаны:

• математическая модель нагрева сборки, позволяющая рассчитывать температурный режим процесса диффузионной сварки, которая учитывает нагрев от внешнего источника теплоты и наложения УЗК;

• математическая модель образования физического контакта свариваемых материалов, учитывающая комплексное влияние параметров режима диффузионной сварки и УЗК на величину перемещений фторопласта-4 при формировании соединения и позволяющая определять их оптимальные значения, которые обеспечивают получение качественных вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6.

• методика металлографических исследований соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6, полученных диффузионной сваркой, с применением травления в плазме безэлектродного высокочастотного разряда и ультратонких срезов;

Практическая значимость работы заключается в разработанном комплексе технологических и конструктивных решений, обеспечивающих получение соединения фторопласта-4 с металлами диффузионной сваркой.

Разработаны:

1. Производственный технологический процесс изготовления СВЧ-окон с получением вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6 диффузионной сваркой с наложением УЗК частотой 2 МГц, позволяющий создать новые конструкции СВЧ-окон и расширить диапазон частот СВЧ-трактов.

2. Производственный технологический процесс изготовления гермовводов СВЧ-трактов с получением вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6, коваром 29НК, латунью ЛС59.

3. Производственная технология изготовления пьезодатчика уровня с согла -сующим слоем из фторопласта-4, позволяющий обеспечить работоспособность

датчика в условиях термоциклирования, воздействия ударных нагрузок и агрессивной среды и повысить коэффициент передачи пьезодатчика.

4. Производственный технологический процесс изготовления корпуса микросхемы с получением вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АД 1.

5. Ультразвуковая головка и генератор УЗК частотой 2 МГц, совместимые с установкой СДВУ-50М, применение которых позволяет интенсифицировать процесс диффузионной сварки фторопласта-4 с металлами.

Практические результаты диссертационной работы внедрены на Горьков-ском научно-производственном объединении «Кварц», предприятии п/я А-3759 и ФУГП «Красмашзавод». Результаты исследований включены в учебное пособие «Сварка фторполимеров с металлами под действием ультразвукового луча», рекомендованное Министерством общего и профессионального образования РФ для студентов по специальности 12.05.00 «Оборудование и технология сварочного производства», а также использованы в учебном процессе СибГАУ, в частности в методических указаниях по курсовому и дипломному проектированию.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались на XI, XII, ХШ Всесоюзных конференциях по диффузионному соединению металлических и неметаллических материалов (г.Москва, 1984, 1987, 1991 гг.), Всесоюзной научно-технической конференции «Экономия материальных, эпергетических и трудовых ресурсов в сварочном производстве» (г. Челябинск, 1986 г.), Всесоюзной конференции «Сварка и склеивание полимеров» (г. Киев, 1987 г.), Международной научно-технической конференции «Ультразвук в технологии машиностроения 91» (г. Архангельск, 1991 г.), 2-ой Международной конференции «Сварка в космической промышленности и в условиях космоса» (г. Киев, 1994 г.), Всероссийской научно-технической конференции по перспективным путям развития сварки и контроля - «Сварка и контроль - 2001» (г. Воронеж, 2001 г.), Всероссийской научной конференции, посвященной памяти Генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева, проводимой в составе первого Международного Сибирского Авиакосмического салона «САКС-2001» (г.Красноярск, 2001), конференциях и семинарах в Сиб-ГАУ.

Работа демонстрировалась на Всероссийской выставке Минвуза РСФСР ВДНХ СССР «Машиностроительная технология-87» и была награждена дипломом первой степени.

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 15 научных работах, в том числе одной монографии, и 3 авторских свидетельствах СССР на изобретения.

Структура и объем.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов по работе, списка и приложения. Общий объем работы 185 машинописных страниц, в том

числе 53 рисунок, 4 таблиц. Список литературы включает 108 наименований использованных литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы цель и задачи, а также научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе приведены основные сведения о взаимодействии полимеров с металлами. Проведён анализ существующих способов соединения фторопласта-4 с металлами, который показал перспективность применения метода диффузионной сварки для получения качественных вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 с металлами. Обоснован выбор способа интенсификации процесса диффузионной сварки наложением УЗК мегагерцовой частоты, который позволяет активизировать физический контакт и взаимодействие свариваемых поверхностей в процессе сварки и ввиду малой амплитуды колебаний не допустить механодеструкции полимера.

Из анализа литературы следует, что однозначных представлений о механизме взаимодействия полимеров с металлами не существует. Одни исследователи считают превалирующим в формировании соединений металл-полимер их физическое взаимодействие, а другие — химическое связывание полимера с поверхностью металла. Между этим крайними представлениями существуют такие, которые допускают возможность взаимодействия обоих типов, причём соотношение числа химических и ван-дер-ваальсовых связей может влиять на изменение свойств полимерного материала.

При этом следует отметить, что современные представления о взаимодействии полимеров с металлами основывается на косвенных данных, полученных в основном при изучении адсорбции полимеров из растворов, при определении адгезии полимеров к гладким твёрдым поверхностям, а также при исследовании связывания полимеров наполнителями.

Сложность получения качественных диффузионных соединений фторо-пласта-4 с металлами заключается, в низкой химической активности фторопла-ста-4 и значительном различии их физико-химических и механических свойств. Низкая по сравнению со сплавом АМг6 теплопроводность фторопласта-4 и различие в 10 раз температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) могут привести к образованию трещин и разрушению соединения. При этом экспериментальный подбор температурного режима сварки очень трудоемок и не гарантирует его оптимальность. В теории диффузионной сварки отсутствуют математические модели, позволяющие расчетным путём определить оптимальный температурный режим в процессе нагрева сборки и прогнозировать прочность соединения в зависимости от режимов процесса сварки и параметров УЗ-системы.

Анализ научно-технической литературы позволил определить основную цель и задачи исследований.

Второй раздел посвящен выбору и разработке методик исследований и

испытаний, связанных с изучением зоны соединения фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к приборам, работающим в СВЧ- диапазоне, проведён выбор конструкционных материалов для разработки технологии диффузионной сварки СВЧ - окон вывода энергии. В качестве диэлектрика выбран фторопласт-4, который характеризуется низкой диэлектрической проницаемостью и широким диапазоном рабочих температур. Для изготовления корпуса выбран сплав алюминия АМг6.

Разработана методика проведения исследований. Для получения пористой пленки поверхность металлических образцов под сварку подвергали глубокому анодированию без последующего хроматирования, затем обе свариваемые поверхности обезжиривали бензином Б-70, обезвоживали спиртом-ректификатом. Сварку образцов для исследований проводили на модернизированной установке СДВУ-50М, оснащённой ультразвуковой системой. Свариваемые детали 1 и 2 толщиной соответственно 8Х и д2 устанавливали на наконечник волновода 3 и прижимали к нему усилием F прижимом 4 (рис.1). Нагрев образцов осуществляли радиационным нагревателем, питаемым от специального устройства для автоматического регулирования температурного режима процесса. При достижении температуры сварки в зону соединения вводили УЗК частотой 2 МГц, затем сборку охлаждали с заданной скоростью до нормальной температуры.

Из-за значительного различия ТКЛР свариваемых материалов и низкой теплопроводности фторопласта-4 температурный режим процесса (рис.2) оказывает большое влияние на качество соединения. Значительная разность температур на поверхности и в среднем сечении деталей при нагреве до температуры сварки Тсв является главной причиной снижения прочности соединения. Экспериментами установлено, что при разности температур АТ>30К прочность соединения

Рис. 1. Схема нагрева

В связи с тем, что эта разность зависит от скорости нагрева, размеров деталей и интенсивности УЗК, определение времени, необходимого для выравнивания температуры по сечению фторопласта-4, является важной задачей.

С целью сокращения трудоемкости экспериментального определения составляющих температурного режима при изменении вышеуказанных параметров проводилось математическое моделирование процесса нагрева деталей при диффузионной сварке на основе уравнения теплопроводности.

Рис. 2. Температурный режим

Уравнение теплопроводности для двумерного случая имеет вид:

¿7,

8Т_ 8( '

8 Т

0)

где Т— температура, ? - время, а^, - коэффициент температуропроводности материалов, i - индекс, соответствующий номеру детали на рис.2; ео{х,г,1) - приращение температуры от воздействия УЗК, определяемое согласно Бергману Л. по формуле:

-2а, г /

О)

М = /0,( 1-е" А)^1ср1,

(2)

где /„,,- интенсивность звука в исследуемой точке с координатой х; с — скорость звука; «,- коэффициент поглощения звука; S - площадь детали; ср1 -удельная теплоемкость.

Для решения уравнения (1) заданы начальные и граничные условия в соответствии с реальным технологическим процессом.

Т(0,хХ) =Т(х^) = 293К. (3)

Граница области решения (А Е Е'А'):

-Х^хйХ; где г = + (4)

Температура на поверхности деталей (границы АЕ, А' Е')

Т (± X, г) =д(/), ё (/) = Т0+ ух/,

В этих выражениях: v, - скорость нагрева, - скорость охлаждения.

Границы детали - вакуум справедливо считали адиабатическими стенками; для теплового поля граничными условиями на этих поверхностях будут условия 2-го рода, т. е. тепловой поток через эти границы постоянен и равен нулю.

Граничными условиями для действия внутренних источников тепла при О 0£t£t,

наложении УЗК будут: (o=a{t,x,z) , если f,<f</, + fj (6)

О fit,+f2

Предварительными экспериментами установлено, что температура волновода не превышает 393 К, поэтому на границе волновод - фторопласт (В-В'):

Т (/,*,£,)<; 393А- (7)

Решение уравнения на ЭВМ проводили методом конечных разностей с использованием явной схемы со стабилизацией.

Алгоритм расчёта включает определение распределения температуры на каждом временном шаге.

Для оценки адекватности математической модели определяли ошибку модели сопоставлением расчётных результатов с экспериментальными данными. Проводили нагрев образцов с наложением УЗК частотой 2 МГц, интенсивностью Ip, = 2-105 Вт/м2 из сплава алюминия АМг6 и фторопласта-4 размерами 18 х 18 мм, толщиной фторопласта-4 $г = 2 мм, толщиной металлического корпуса <Sj=3 мм со скоростью v„= 0,09 К /с. Запись температуры вели с помощью потенциометра КСП-4. Эксперименты повторяли 5 раз при неизменных параметрах режима сварки.

Различие расчетных и экспериментальных значений температуры не превышало 12 %. Значимость расхождения оценивали по критерию Фишера, значение которого соответствует вероятности Р > 0,95 того, что расхождение результатов расчетов с экспериментальными данными незначимо.

С помощью разработанной модели рассчитывали время выдержки, необходимое для выравнивания температуры по сечению фторопласта-4 размерами 18х 18 мм и толщиной 2 мм при скорости нагрева vK = (0,05...0,15) К/с и интенсивности УЗК I уз„ = (0...3)-105 Вт/м 2. Результаты расчетов представлены на рис.3. Как видно из графика, наложение УЗК вызывает заметное уменьшение времени выдержки. Полученные зависимости позволяют расчетным путем определять необходимое время выдержки при изменении геометрических размеров свариваемых деталей и параметров процесса.

Критериями оценки качества неразъемных соединений фторопласта-4 со сплавом АМг6 являлись механическая прочность, вакуумная плотность и стойкость к термоциклированию.

Испытания на растяжение проводили на устройстве испытания прочности FP10/1 (Heckert, Германия) по специальной методике Испытаниям на вакуумную плотность подвергали СВЧ-окна как непосредственно после сварки, так и после выдержки их в течение 4 суток в закрытом эксикаторе в условиях постоянной влажности 93%. Вакуумную плотность определяли масс - спектрометрическим методом способом вакуумирования с помощью гелиевого течеиска-теля ПТИ-10. Избыточное давление составляло 5* 104 Па.

Испытания на стойкость к термоциклированию проводили в термокамере ТК-0,05-70/80 при циклическом изменении температур в интервале 213...473К с последующим испытанием на вакуумную плотность. Процесс повторяли до потери узлом требуемой герметичности.

Исследование процессов, протекающих в зоне соединения, проводили с помощью металлографического анализа на оптических микроскопах МИМ-7, МБИ-15, электронной микроскопии - на электронном микроскопе УЕМ-100-ХП, микрорентгеноспектраль-ного анализа - на приборе «САМЕВАХ»; рентгеноструктурного анализа - на дериватографе «1050-1500» венгерской фирмы «Паулик». Структуру фторопла-ста-4 исследовали методом ядерного магнитного резонанса на спектрометре УNM-3H60 и рентгеноструктурного анализа на установке Дрон-2.0.

Известные методы травления жидкими растворителями и агрессивными жидкостями не могут быть использованы для выделения микроструктуры пе-

Рис. 3. Зависимость времени выдержки ^2) от интенсивности УЗК и скорости нагрева

реходной зоны соединения фторопласта-4 с металлами из-за абсолютной химической стойкости фторопласта-4 ко всем растворителям. Поэтому впервые для исследования переходной зоны соединения фторопласта-4 с металлом была разработана методика с применением травления в плазме безэлектродного высокочастотного разряда, которое осуществляли следующим образом.

Шлифы помещали в камеру, в которой создавалось разрежение 1,33 • 103 Па, которое контролировали вакуумметром ВИТ-2. Через игольчатый натекатель подавали газ (кислород) под давлением 0,1...0,2 МПа, которое контролировали манометром. Затем включали генератор электромагнитных колебаний частотой 5,8 МГц, представляющий собой блок высокой частоты радиостанции РСБ-7, который с помощью наружных электродов возбуждает электроны в разрядном промежутке, а они в свою очередь ионизируют рабочий газ. При этом появляется интенсивное свечение плазмы в рабочей камере. Цвет разряда колеблется от малинового (при 80... 10 Па) до светло - голубого при более низких давлениях.

Для исследования структуры соединения применяли ультратонкие срезы. Срезы толщиной 20 мкм получали специально изготовленным ножом из твёрдого сплава ВК8 на микротоме фирмы ШБ (Швеция) с фторопластовой подложки, покрытой окисной плёнкой, которая осталась после испытания образцов на растяжение, затем их накладывали на предметные стёкла и заливали бальзамом. Микроструктуру сварного соединения фторопласт-4 + сплав АМг6 изучали с помощью оптического микроскопа МБИ-15.

Третий раздел посвящен моделированию процесса образования физического контакта при диффузионной сварке с наложением УЗК фторопласта-4 с металлами.

Целью моделирования является теоретическое определение оптимальных параметров режима сварки и геометрических размеров акустической системы, которые обеспечивают формирование контакта по большей площади и получение требуемых герметичности и прочности соединения.

В соответствии с существующими представлениями процесс диффузионной сварки с определенной степенью условности разделяют на три стадии: образование физического контакта; активация контактных поверхностей; объемное развитие взаимодействия и протекание топохимических реакций.

При соединении полимеров с металлами их протекание имеет определенные особенности, поскольку физико-механические свойства и структура полимерных материалов имеют существенные отличия от металлов.

Особенностью первой стадии при сварке фторопласта-4 с металлами является то, что физический контакт между свариваемыми поверхностями создается перемещениями фторопласта-4 под совместным воздействием пагрева, сварочного и акустического давлепий, а также перемещениями полимера в акустических течениях. При нагреве до температуры сварки под действием УЗК в полимере формируются микровихри, которые, перемещаясь в акустических течениях, проникают в поры анодной пленки и микронеровности металлической поверхности, увеличивая тем самым фактическую площадь контакта.

В соответствии с изложенными представлениями процесса сварки математическая модель представлена в виде системы. уравнений, описывающих процесс теплообразования от внешнего источника (радиационного нагревателя) и УЗК; необратимых перемещений в ультразвуковом поле согласно теории медленных течений; папряженное состояние от совместного действия сварочного давления и акустических давлений. Эти фундаментальные зависимости дополнены специальными уравнениями, учитывающими изменение свойств свариваемых материалов с изменением температуры и давления.

Процесс теплообразования описывается полным уравнением теплопроводности. Влияние УЗК на процесс теплообразования определяется из совместного решения уравнений задачи распространения звука в отрезке трубы конечной длины, позволяющей определить величины акустических давлений по толщине пакета, с уравнением волновой функции распределения акустических давлений по торцу волновода. По полученным значениям акустических давлений вычисляли поле интенсивностей УЗК в плоскости ZX (рис. 4). Умножая эти интенсивности на коэффициент поглощения звука и коэффициент тепловых потерь, находили часть ультразвуковой энергии, необратимо теряемой на процесс сварки, и часть энергии, затраченной на теплообразование. Разность между поглощенной энергией и энергией теплообразования представляет собой энергию механических потерь. Она затрачивается на акустические перемещения: микровихри и линии тока. Известно, что эти перемещения описываются уравнениями механики сплошных сред.

Уравнение, выражающее закон сохранения массы, обычно называемое уравнением непрерывности, в эйлеровых координатах имеет следующий вид

|^+У(/ОР)=0, (8)

где - плотность; - вектор скорости. Уравнение движения

(9)

где у)-- средняя по времени объемная сила, 77,77'

- сдвиговая и объемная вязкость полимера, р - давление, V? =<йуу , Уху=го/у

Уравнение (9) с помощью (8) может быть преобразовано к виду

(10)

Представим плотность, давление и скорость в виде разложения в ряд:

где индексы 1,2 указывают порядок малости соответствующей переменной. В разложении (11) величины 1-го порядка малости зависят периодически от времени и представляют звуковое поле в линейном приближении. Величины 2-го

Р (¡V) *} =р{§ + - [у х(Ух V)]

б?

порядка малости, наряду с членами, периодически зависящими от времени и меняющимися с удвоенной частотой звука, могут иметь постоянные составляющие. Подставляя уравнение (11) в (8) и (9) и группируя члены одного порядка малости, получим уравнения первого приближения

и уравнения второго приближения

Для нахождения скорости медленных течепий полимера усредним (13) по времени

Процессы образования микровихрей и их перемещения в акустических течениях будем рассматривать независимо. Тогда первое уравнение из (14) представим следующей системой уравнений:

где Б1 И Б2 - весовые коэффициенты.

Используя эффективную вязкость Т]^, представим первое уравнение системы (15) в следующем виде:

Уравнение (16), описывающее процесс образования микровихрей, принимается за основное при разработке подпрограмм расчета этого процесса.

Процесс крупномасштабных перемещений полимера представим системой уравнений:

Ро

Система уравнений (17) описывает траекторию движения микровихрей под действием средней по времени объемной силы F2. В пограпичном слое микровихри перемещаются в шлихтинговских течениях. Величина перемеще-

гДе (ух)ш»(у«)ш ~ г - и дс - компоненты скорости потока. Они определяются по

где к~ волновое число, с- скорость звука в полимере, Зт - толщина акустического пограничного слоя.

На концах поры анодной пленки, радиус которой г и длина I, возникает разность давлений , под действием которой полимер со скоростью

затекает за время в пору на глубину

Напряженно-деформированное состояние в исследуемой точке рассматривали с учетом комплексного влияния ультразвука и сварочного давления. Оно описывается уравнениями задачи Соколовского о сжатии полосы высотой д плоскими бойками шириной Она1[ при условии равномерного распределения давлений на контактной прямой. Эта задача позволяет по виду напряженного состояния, константам материала и сдавливающих элементов построить сетку характеристик, совпадающих с линиями скольжения. Рассматривали плоскую задачу, которой в действующие силы расположены в плоскости ZX. Вследствие симметричности задачи рассматривали половину полосы. Напряженно-деформированное состояние в зоне сварки имеет участки с равномерным напряженным состоянием ( ) и участки с плоским напряженным состоянием ( ААВОС, ВСД, ДЦ'О, В'О'С', В'С'Д, ДЦ'О' )

В связи с этим необратимые перемещения анализируемой точки определяли из системы уравнений, присущей конкретному участку, где точка находится в данный момент времени ^ со свойственным ему напряженно-деформированным состоянием.

а рг1 '' 4 т}1

Рис. 4. Схема напряженного состояния фторопласта-4 и АМг6 в процессе диффузионной сварки с наложением УЗК

Для разграничения участков применяются углы щ щ. Они определяются из соотношений:

<р„ =

(20)

где 8 - толщина свариваемых деталей, £>„„- ширина наконечника волновода, ■ сварочное давление, ерредел прочности при растяжении;

о

Угол ^ позволяет рассчитать положение точек на прямых ДО, ДО'. Угол между сетками характеристик ^ определяется по формуле:

(21)

Зная угол у,, определяем положение точек на прямых ВО, ВС, ДС, В'О', В'С',ДС'.

Напряженное состояние выражается следующими компонентами:

в

в

(22)

(23)

в

(24)

В этих уравнениях: огж,<г1>(«т,)41,(о,1)4| _ нормальные напряжения по осям г, х (индекс Дг показывает треугольник, в котором находится исследуемая точка, знак «+» относится к треугольникам, расположенным выше осевой линии); - касательные напряжения в соответствующем треугольнике;

киЕг - приведённое значение коэффициента потерь ультра-

звуковой энергии на необратимые перемещения; р,- плотность материала;

С, - скорость звука в материале; 1(х,г) - среднее значение интенсивности УЗК в исследуемой точке; и - параметры сетки характеристики в соответствующем треугольнике.

и

Постоянная т определяется по уравнению:

А» А с, ф;*) + (2^, - sin 2у/х).

Значения ^ и т/ы определяются для каждого треугольника и зависят от толщины свариваемых деталей и ширины бойка.

Расчет перемещений и их скоростей анализируемых точек в плоскости /X производится по следующим формулам:

в

в

в а двос, ВСД, ОДЦ'

(26)

(27)

(28)

В этих уравнениях: //,- коэффициент Пуассона; г}^- текущее значение вязко-сти;^- модуль упругости при сжатии; Ры =0,5[(сгг)д) +(<гх)Д1]. Необратимые перемещения по осям Ъ и X определяются суммированием компонентов: дг^дг+д^+д^+д^, длгг=длг+длг„+длг1„ (30)

В соответствии с предложенной математической моделью образования физического контакта фторопласта-4 со сплавом АМг6 составлена рабочая система уравнений, которую решали численными методами.

Разработаны блок-схема алгоритма и программа расчета перемещений анализируемых точек. На «печать» выдается текущая информация об изменении

температуры, напряжений и перемещений анализируемых точек на каждом шаге по времени

Расчетами определены перемещения анализируемых точек в образце из сплава АМг6 и фторопласта-4 диаметром 18 мм и толщиной соответственно 1,7 мм и 0,5 мм при различных параметрах процесса сварки. Установлена зависимость величины перемещений дг2от температуры Т, сварочного давления Р, интенсивности и времени наложения УЗК.

Эти зависимости были проверены экспериментально. Площадь контакта оценивали по прочности соединения . На расчетных режимах были сварены образцы и испытаны на растяжение. По результатам испытаний построены графики зависимости предела прочности соединения от параметров процесса сварки и определены оптимальные режимы процесса. Анализ зависимости позволил установить связь между прочностью соединения и перемещениями фторопласта-4 по оси Ъ (рис.5). Для расчета и выбора оптимальных режимов сварки разработана программа, выполненная в среде визуальной разработки приложений. Программа имеет рекурсивную структуру, что позволяет корректировать значения режимов сварки.

Четвертый раздел посвящен исследованиям процессов физико-химического взаимодействия фторопласта-4 со сплавом АМг6, протекающих в зоне соединения в условиях диффузионной сварки с наложением УЗК мегагерцевой частоты, и влияния основных технологических параметров процесса диффузионной сварки на механическую прочность соединений. Необходимость проведения исследований взаимодействия фторопласта 4со сплавом АМг6 обусловлено тем, что в настоящее время однозначных представлений о взаимодей-

№

» Ц И 3

Рис. 5. Зависимость предела прочности Сл соединения от величины перемещений Ь2У

ствии полимеров с металлами не существует, вместе с тем, надежность СВЧ-окон обеспечивается высокой прочностью и герметичностью соединения диэлектрика с металлическим корпусом, которые во многом определяются взаимодействием свариваемых материалов.

Для исследований зоны соединения применяли металлографический анализ, которому подвергали микрошлифы сварного соединения фторопласта-4 с металлами, полученные диффузионной сваркой с наложением УЗК частотой 2 МГц. Для выявления микроструктуры соединения использовали описанную выше специальную методику травления в плазме безэлектродного высокочастотного разряда и ультратонкие срезы.

Результаты анализа показали, что требуемые прочность и герметичность соединения достигаются за счет формирования плотного физического контакта по всей площади сварки и заполнением под действием ультразвукового капиллярного эффекта пор анодной пленки фторопластом-4 на глубину до 60 мкм. Кроме того, на микроструктуре наблюдается переходная зона в виде темной по-

Рис.6. Ультратонкий срез лосы, ширина которой зависит от параметров режима процесса сварки и составляет 10...60 мкм. Эта зона хорошо видна на ультратонком срезе, который был приготовлен с фторопластовой подложки после испытаний образцов на растяжение (рис.6).

Микрорентгеноспектральным анализом выявлено распределение элементов в переходной зоне соединения. Результаты анализа показали, что на границе фторопласта-4 со сплавом АМг6 (рис.7 зона 1) или с анодной пленкой наблюдается всплеск концентрации углерода и его диффузия в сплав АМг6 (рис.7,зона2)

С

Расстояние

Рис.7.Микроструктура переходной зоны сварного соединения Ф-4+АМг6

Рис. 8. Распределение элементов в переходной зоне сварного соединения Ф-4 + АМг6 (зона 1)

Увеличение концентрации углерода можно объяснить тем, что в условиях нагрева под действием УЗК мегагерцовой частоты становится возможным частичный отрыв атомов фтора от молекул фторопласта-4. Освободившийся фтор активно взаимодействует с металлами, образуя летучие фториды. Их образование подтверждается результатами дифференциально-термического анализа, который проводили на дериватографе «1050-1500» венгерской фирмы «Паулик» (рис. 10). Как показал анализ, потеря в весе достигает 2,6 % (кривая TQ), а между свариваемыми материалами протекает химическая реакция при температуре 650...660 К с поглощением теплоты. На кривых ДТА при этой температуре наблюдается изменение энтальпии.

Фазовый анализ зоны соединения проводили с помощью рентгенострук-турного анализа по методике, приведенной во втором разделе диссертации. При сравнении дифрактограмм фторопласта-4, смесей сплава алюминия АМг6 с фторопластом-4, А1 с фторопластом-4 и Mg с фторопластом-4, прошедших обработку по режиму диффузионной сварки, дополнительно обнаружены новые пики. Следовательно можно предположить, что взаимодействие фторопласта-4 со сплавом АМгб сопровождается образованием ковалентных связей и метал-лофторопластовых соединений типа АЮ^СИ)^ М§-0-(СР)„, в которых атомы металла поверхностного слоя связаны с одной стороны с кристаллической решеткой металла, а с другой-через кислород с углеродом фторопласта.

Эти исследования подтверждают мнение некоторых ученых не только о физическом взаимодействии фторопласта-4 с металлами, но и о возможности их химического взаимодействия. Таким образом, при диффузионной сварке с наложением УЗК мегагерцевой частоты неразъемное соединение фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6 образуется в результате химической реакции присоединения, которая сопровождается образованием переходной зоны.

Расстояние

Рис.9. Распределение элементов в переходной зоне сварного соедине ния Ф-4 + АМг6 (зона 2 )

Рис. 10. Дериватограмма порошков фторопласта-4, сплава АМг6 и их смеси.

В

процессе сварки очень важно сохранить свойства свариваемых материалов, поэтому проводили исследования структуры фторопласта-4 после сварки методами рентгеноструктурного анализа, ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронной микроскопии. Исследованиями установлено, что в процессе сварки на оптимальных режимах сохраняется исходная степень кристалличности фторопласта-4 и наблюдается незначительное текстурирование, которое способствует повышению прочности соединения.

По результатам металлографических исследований и механических испытаний установлено, что с увеличением ширины переходной зоны прочность соединения повышается и при значениях более 40 мкм достигает максимальной прочности.

Определена зависимость прочности соединения от ширины переходной зоны, которая в свою очередь являются функцией температуры, давления, интенсивности УЗК и времени наложения УЗ К. Наибольшее влияние на прочность соединения оказывает температура сварки, интенсивность УЗК и время их наложения. Определены оптимальные режимы сварки.

Образцы, сваренные на оптимальных режимах, имеют прочность о, > 16 МПа и натекание не хуже 1*10'7 мм3*МПа /с, что удовлетворяет техническим требованиям к СВЧ-окнам.

В пятом разделе на основе проведенных исследований разработан технологический процесс диффузионной сварки СВЧ-окон, проведены их испытания на вакуумную плотность в условиях повышенной влажности окружающей

среды и циклического изменения температуры, а также приведены результаты ультразвукового контроля качества соединений.

В основу разработанной технологии положен способ диффузионной сварки с наложением при температуре сварки ультразвуковых колебаний частотой 2 МГц. На данный способ получено авторское свидетельство СССР №1761413.

Перед сваркой поверхность металлического корпуса под сварку подвергалась твёрдому анодированию без последующего хроматирования в 18 % растворе H2SO4 для получения окисной плёнки толщиной 40...60 мкм. Затем свариваемые поверхности обезжиривали бензином Б-70 и обезвоживали спиртом — ректификатом. Детали собирали в специальном приспособлении, устанавливали на волновод ультразвуковой головки и помещали в вакуумную камеру установки для диффузионной сверки СДВУ-50, оснащенной ультразвуковой системой. Создавали разрежение 5*10"' Па и прикладывали давление Р = 1,5 МПа.

Сборку нагревали со скоростью vhar = 0,09 К/с до температуры сварки Тсв = 658 К, после чего на зону сварки накладывали УЗК частотой f =2 МГц и интенсивностью 1у,х = 2 • 105 Вт/м2 в течение = 600 с. Затем сборку охлаждали со скоростью vox1 = 0,09 К/с до нормальной температуры.

Для ввода в процессе сварки УЗК разработана УЗ-головка частотой 2МГц (рис 11). Источником УЗК является пьезокварцевая пластина Х-среза, на которую подается высокое переменное напряжение частотой 2МГц от высокочастотного генератора мерцающей частоты.

Мерцающая частота биения стабилизирует излучение ультразвука от акустической системы ультразвуковой сварочной головки.

Приведён расчёт геометрических размеров акустической системы.

По предлагаемому технологическому процессу изготовлена партия СВЧ-окон, которые успешно прошли испытания на вакуумную плотность и термо-циклирование.

Более высокая эффективность технологии изготовления СВЧ-окон с использованием способа диффузионной сварки по сравнению с другими способами получения соединений достигалась за счёт следующего:

- повышения качества и надёжности соединения;

- сокращения цикла изготовления;

- исключения вспомогательных материалов (клея);

- улучшение условий труда.

Рис 11. Ультразвуковая головка

- Разработанная технология диффузионной сварки фторопласта-4 со сплавом АМг6 позволила создать новые конструкции СВЧ-окон и расширить диапазон их применения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполненные в работе исследования и разработки позволили решить проблему получения качественных неразъемных соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6 методом диффузионной сварки. Способ изготовления гермовводов защищен авторским свидетельством СССР №1761413.

2. Основным направлением интенсификации процесса диффузионной сварки фторопласта-4 с металлами является применение направленных УЗК мега-герцовой частоты, которые активизируют физический контакт свариваемых поверхностей, диффузионные процессы на границе раздела металл-фторопласт, обеспечивая диффузию углерода в сплав АМг6 на глубину до 60 мкм. Применение УЗК частотой 2 МГц позволило снизить температуру сварки на 20 градусов.

3. Разработана математическая модель процесса нагрева соединения в процессе сварки внешним источпиком тепла и УЗК, которая позволяет рассчитать составляющие температурного режима и обеспечивать равномерный прогрев по всей площади контакта деталей.

4. Разработана математическая модель процесса образования физического контакта фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6, основанная на совместном решении системы уравнений теплообразования, необратимых перемещений, напряжённого состояния, возникающего от совместного действия сварочного давления и акустических давлений. Модель позволяет учитывать комплексное влияние технологических параметров процесса сварки на величину перемещений фторопласта-4 и рассчитать геометрические параметры ультразвуковой системы.

5. Исследовано влияние параметров диффузионной сварки на величину перемещений фторопласта-4 при деформировании соединения и прочность получаемого соединения. Определены оптимальные режимы процесса: Тсв = 658 К, Р = 1,5 МПа, 1узК = 2-Ю5 Вт/м2, ty„ = 600 с, Н = 5'КГ'Па, VHar = 0,09 К/с, Уохл

0,09 К/с , при которых перемещения фторопласта Z £ 15 мкм, а прочность соединения > 16 МПа.

6. Установлено, что направленные УЗК обеспечивают повышение прочности более чем на 20 % за счёт развития физического контакта и интенсификации процесса взаимодействия свариваемых материалов.

7. Установлено, что вследствие топохимических реакций на границе раздела соединяемых материалов образуется переходная зона из металлофторопла-стовых комплексов Al-(CF)n , Mg-(CF)n , Al-0-(CF)n jMg-O-iCF),!, ширина которой зависит от режимов процесса и на оптимальных режимах составляет 40 мкм.

8. Проведены испытания СВЧ - окон с использованием вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом АМгб на термоциклирование в диапазоне температур 213К...423К и вакуумную плотность. Установлено, что соединения сохраняют вакуумную плотность при N >20 циклов.

9. Разработан технологический процесс изготовления СВЧ-окна позволяющий:

• повысить механическую прочность соединения фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6;

• обеспечить вакуумную плотность соединения в условиях повышенной влажности окружающей среды и циклического изменения температуры.

• снизить трудоёмкость изготовления СВЧ-окна.

10. Спроектированы и изготовлены сварочная головка и генератор для озвучивания зоны сварки ультразвуковыми колебаниями частотой 2 МГц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Семичева Л.Г., Новиков В.Г., Апанасенко В.Ф., Кравченко В.Е. Влияние направленных ультразвуковых колебаний мегагерцовой частоты на процесс диффузионной сварки фторполимеров с металлами / Сварка и склеивание изделий из полимерных материалов: Сб. научн. тр. / Редколл. Кораб Г.И. - Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1987.-С. 97-100.

2. Новиков В.Г., Семичева Л.Г., Апанасенко В.Ф. Ультразвуковая система для сварки фторопластов с металлами // Новые разработки в области ультразвуковой техники и технологии и опыт их применения в машиностроении: Тез. Докл. Всесоюзной научно-технической конференции.- Новосибирск, 1989. - С. 45-46.

3. Новиков В.Г., Семичева Л.Г., Лаврищев А.В. Опыт применения МГц -ультразвука при изготовлении пъезопреобразователей // Новые разработки в области ультразвуковой техники и технологии и опыт их применения в машиностроении: Сб. докл. Всесоюзной научно-технической конференции.-Новосибирск, 1989, - С. 45-46.

4. Исследование и разработка технологии диффузионной сварки гермовво-дов: Отчёт о НИР / САА; рук. В.Г. Новиков - № ГОС рег. 01880063438 - г. Красноярск, 1989.-72 с.

5. Способ нанесения антифрикционных покрытий / В.Г. Новиков, В.М. Лебедев, Н.А. Смирнов, А.В. Лаврищев, Л.Г. Семичева // Авт. св. СССР, №15841, МКИ В 22 Б 7/04 , 1990. Бюлл. №1

6. Семичева Л.Г. Исследование механизма взаимодействия фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6 при диффузионной сварки //Достижения и перспективы развития диффузионной сварки: Сб.. докл. 13-й Всесоюзной научно-технической конференции -М., МДНТП, 1991. С. 54-56.

7. Новиков В.Г., Семичева Л.Г., Пересыпкин Л.В. Диффузионная сварка гермовводов. // Достижения и перспективы развития диффузионной сварки: Сб.. докл. 13-й Всесоюзной научно-технической конференции -М., МДНТП, 1991. С. 41.

8. Семичева Л.Г., Новиков В.Г., Лаврищев А.В. Разработка и исследование процессов получения вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 с металлами // Прогрессивные процессы сварки в машиностроении:Сб..докл. Всесоюзной научно-технической конференции. - г.Красноярск, 1991. - С. 207.

9. Новиков В.Г., Семичева Л.Г. Исследование переходной зоны сварных соединений фторопласта-4 с металлами // Прогрессивные процессы сварки в машиностроении: Сб. докл. Всесоюзной научно-технической конференции - г. Красноярск, 1991.С. 193-194.

Ю.Опыт применения ультразвуковых колебаний мегагерцовой частоты при сварке фторполимеров с металлами // Ультразвук в технологии машиностроения 91: Сб. докл. международной научно-технической конференции - Архангельск, 1991-С. 145-148.

11.Способ изготовления гермовводов диффузиошюй сваркой / Л.Г. Семичева, В.Г. Новиков, А.В. Лаврищев, А.В. Пересыпкин // Авт. св. СССР, №1761413, МКИ В 23 К 20/14,1992. Бюлл. №34

12 Волновод для ультразвуковой сварки / Ю.И. Яшин, В.Ф. Апанасенко, С.Н. Шибякин, Л.Г. Семичева, В.Д. Утенков // Авт.св. СССР, № 1804987, МКИ В 23К 20/10,1993. Бюлл. №12.

13 Novikov V., Semichewa L., Lavrishew A. Features of diffusion welding technological processes for flying vehicles parts // Second International Conference '' Welding in space and the construction of-space vehicles by welding''.-Kiev, 1994/-S. 30-32.

14. Семичева Л.Г., Апанасенко в.Ф., Новиков В.Г. Сварка фторполимеров с металлами под действием ультразвукового луча: Учеб. пособие для студентов спец. 12.05.00 «Оборудование и технология сварочного производства.»- Красноярск: САА,1998. -146с.

15. В.Г. Новиков, Л.Г. Семичева, С.В. Прокопьев. Исследование механизма взаимодействия фторопласта-4 с металлами при диффузионной сварке с наложением ультразвуковых колебаний // Перспективные пути развития сварки и контроля — «Сварка и контроль-2001» // Всероссийская с международным участием научно-техническая конференция: Сб. Докл. - Воронеж: ВГСУ, 2001. -С.372.

16. Исследование электромагнитных излучений и полей, сопутствующих сварке, с целью контроля и управления процессом и повышения качества сварных соединений: Отчёт о НИР (заключ.) / САА; рук. В.Г. Новиков - Р.К.01.200. 113508. ИК 02.200. 108909 - г. Красноярск, 2001 - 47с.

17. Семичева Л.Г., Прокопьев СВ., Мишин А.С Губич Р.А. Диффузионная сварка - спекание фторопласта-4 с металлами// Доклады V Всероссийской научной конференции, посвящённой памяти Генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнёва, проводимой в составе первого

Международного Сибирского Авиакосмического салона «САКС - 2001»: Тез. Докл. - Красноярск: САА - С. 172.

18. Л.Г. Семичева, СВ. Прокопьев, Р.А. Губич. Технология диффузионной сварки корпуса микросхемы // Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: Сб. научн. тр. / Под общей редакцией В.В. Стацуры: Красноярск:ГАЦМиЗ,.2002-Вып. 8-С.271.

Соискатель

Подписано в печать 19.05.2004.Формат 60x84/16. Тираж 100 экз. Заказ№ ¡Ц ЬР- Усл.печ.л. 1,62. Отпечатано в отделе копировально-множительной техники СибГАУ. 660014, г. Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский рабочий», 31.

»108 85

Введение

1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования

1.1. Анализ существующих способов получения неразъемных соединений фторопласта-4 с металлами

1. 1. 1. Склеивание

1. 1.2. Механическое крепление

1. 1 .3. Напыление

1. 1.4. Сварка

1. 1.5. Преимущества диффузионной сварки при изготовлении СВЧ-окон

1. 2. Основные сведения о взаимодействии полимеров с поверхностью металлов

1.3. Проблемы получения качественных диффузионных соединений фторпласта-4 с металлами Выводы. Постановка задачи

2. Методы исследования. Оборудование и применяемые материалы 2.1. Материалы и образцы для исследований

2. 2. Подготовка свариваемых поверхностей 2. 3. Выбор основных параметров режима процесса сварки и интервалов их варьирования 2. 4. Применяемое оборудование

2. 5. Математическая модель процесса нагрева при диффузионной сварке фторопласта -4 со сплавом АМгб

2. 6. Методы исследований и испытаний сварных соединений Ф-4 + сплав АМгб

2. 6. 1. Металлографический анализ

2. 6. 2. Дифференциальный термический анализ

2. 6. 3. Микрорентгеноспектральный анализ

2. 6. 4. Рентгеноструктурный анализ 59 2. 6. 5. Исследования методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР)

2. 6. 6. Электронно-микроскопические исследования

2. 6. 7. Испытания на вакуумную плотность

2. 6. 8. Испытания на механическую прочность 70 Выводы по разделу

3. Моделирование процесса образования физического контакта при диффузионной сварке с наложением УЗК мегагерцевой частоты фторопласта-4 со сплавом алюминия АМгб 72 3.1. Существующие модели образования физического контакта при сварке в твердой фазе 72 3. 2. Особенности образования физического контакта при диффузионной сварке фторопласта - 4 со сплавом алюминия АМгб 77 3.3. Рабочая система уравнений для расчета перемещений фторопласта —

3. 4. Расчет и выбор оптимальных режимов сварки фторопласта со сплавом алюминия АМгб

Выводы по разделу

4. Исследования механизма формирования сварного соединения фторопласта — 4 со сплавом алюминия АМгб. Влияние технологических параметров процесса сварки на качество соединений 123 4. 1. Металлографический анализ 123 4. 2. Микрорентгеноспектральный анализ зоны соединения фторопласта — 4 со сплавом алюминия АМгб

4. 3. Рентгеноструктурный анализ

4. 4 Дифференциальный термический анализ

4. 5. Электронно-микроскопические исследования

4. 6. Исследования методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР)

4. 7. Влияние технологических факторов на прочность диффузионных соединений фторопласта — 4 со сплавом алюминия АМгб 152 Выводы по разделу

5. Разработка технологического процесса и оборудования для диффузионной сварки СВЧ-окон 157 5. 1. Технологический процесс диффузионной сварки СВЧ-окон 157 5. 2. Технологическое оборудование 158 5.2. 1. Установка для диффузионной сварки 158 5. 2. 2. Ультразвуковой генератор мерцающей частоты УВО-2А 161 5. 2. 3. Ультразвуковая головка 164 5. 2. 4. Особенности расчета геометрических размеров акустической системы 168 5. 3. Работоспособность диффузионных соединений фторопласт — 4 + АМгб при циклическом изменении температуры и повышенной влажности окружающей среды

5. 4. Виды дефектов и контроль качества сварных соединений

Дальнейшее развитие приборостроения, электронной, авиационной, космической и других отраслей промышленности связано с применением полимерных материалов. Эти материалы обладают уникальными физико-механическими свойствами и в сочетании с металлическими материалами могут быть использованы в конструкциях ответственных узлов с различными эксплуатационными свойствами. Особый интерес среди них вызывает фторопласт-4, который может быть использован в качестве диэлектрика, антифрикционного, звукопрозрачного и коррозионно-стойкого материала [1, 2]. В связи с тем, что он обладает низкой диэлектрической проницаемостью, широким диапазоном рабочих температур и абсолютной химической стойкостью к агрессивным средам, перспективно его использование в качестве диэлектрика взамен стекла и керамики, которые применяются в настоящее время при изготовлении одного из важнейших узлов СВЧ-трактов - СВЧ-окон.

Создание новых надежных конструкций СВЧ-окон с улучшенными эксплуатационными характеристиками требует применения качественных неразъемных соединений фторопласта-4 с металлами, сохраняющих работоспособность и вакуумную плотность в условиях циклического изменения температур и повышенной влажности окружающей среды.

Однако фторопласт-4 относится к трудно-склеиваемым и трудносваривае-мым полимерам, а в промышленности отсутствуют технологии надежного соединения его с металлами.

Способы сварки плавлением не пригодны для соединения металлов с фто-ропластом-4 из-за низкой температуры термодеструкции фторопласта-4 и невозможности перевода его в жидкое состояние.

Использование клеевых соединений также ограничено из-за низких прочности соединения и стойкости к термоударам, а также из-за усадки и пористости клеевой прослойки. Кроме того, склеивание требует сложной предварительной подготовки свариваемых поверхностей, применения токсичных клеев и отличается высокой трудоемкостью.

Изготовление таких узлов механическим креплением, напылением и ультразвуковой сваркой не представляется возможным по конструктивным соображениям.

Особый интерес для решения этой проблемы представляет способ диффузионной сварки в вакууме, предложенный и разработанный д.т.н., профессором Н. Ф. Казаковым. В России и за рубежом выполнено ряд крупных научных исследований по соединению разнородных материалов диффузионной сваркой, среди которых особое место занимают работы А. В. Красулина, М. X. Шоршо-рова, Э С. Каракозова, И. И. Метелкина, Г. В. Конюшкова, Р. А. Мусина, В. Г. Новикова, А И. Екимова и других [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9].

Несмотря на то, что исследованиями по данному научному направлению занимается большой круг ученых, проблема настолько многообразна, что в настоящее время еще недостаточно раскрыты возможности диффузионной сварки для получения таких соединений, как полимеры с металлами. Это обусловливает актуальность и важность исследований механизма формирования сварного соединения фторопласта-4 с металлами, позволяющих разработать и внедрить новую технологию изготовления СВЧ-окон с заданными эксплуатационными характеристиками, способных работать в условиях циклического изменения температуры и повышенной влажности окружающей среды. Учитывая химическую инертность фторопласта-4, актуальна также разработка способа интенсификации процесса диффузионной сварки, позволяющего активизировать процессы, происходящие в зоне контакта соединяемых материалов.

Целью настоящей работы является разработка технологии получения ваку-умно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АМгб применительно к СВЧ-окнам и технических устройств для ее осуществления в производственных условиях на основе исследования механизма формирования неразъемного соединения в процессе диффузионной сварки.

Методы исследований:

Для изучения механизма взаимодействия сплава алюминия АМгб с фторо-пластом-4 широко использовались методы оптической металлографии, ядерного магнитного резонанса, электронной микроскопии, рентгеновский структурный и микрорентгеноспектральный анализы, а также дифференциальный термический анализ. Теоретические исследования основаны на математическом моделировании процессов нагрева и образования физического контакта при диффузионной сварке с наложением УЗК мегагерцевой частоты. Для решения дифференциальных уравнений, использованных при разработке математических моделей, применяли численные методы.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что наложение УЗК частотой 2 МГц в процессе диффузионной сварки фторопласта-4 со сплавом алюминия АМгб увеличивает фактическую площадь контакта за счет заполнения пор и дефектов металлической поверхности фторопластом-4 вследствие снижения вязкости расплава фторопласта-4 и ультразвукового капиллярного эффекта, что повышает прочность соединения более, чем на 20%.

2. Установлено, что УЗК мегагерцевой частоты активизируют взаимодействие свариваемых материалов за счет частичного отрыва атомов фтора от молекулы фторопласта-4 в приграничных слоях и диффузии углерода в сплав АМгб.

3. Установлено, что в основе физико-химических процессов взаимодействия фторопласта-4 со сплавом АМгб лежат топохимические реакции, протекающие при температуре сварки на границе раздела фторопласт-металл, в результате которых образуется переходная зона, ширина которой для исследованной области составляет 10.60 мкм.

4. Установлены зависимости прочности соединений фторопласта-4 со сплавом АМгб от ширины переходной зоны и режимов сварки.

5. Разработаны:

-математическая модель процесса нагрева сборки, позволяющая рассчитывать температурный режим процесса диффузионной сварки и учитывающая нагрев от внешнего источника и УЗК;

-математическая модель образования физического контакта свариваемых материалов, учитывающая комплексное влияние параметров режима диффузионной сварки и УЗК на величину перемещений фторопласта-4 при формировании соединения и позволяющая определять их оптимальные значения, которые обеспечивают получение качественных вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АМгб; -методика металлографических исследований соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АМгб, полученных диффузионной сваркой, с применением травления в плазме безэлектродного высокочастотного разряда и ультратонких срезов.

Практическое значение работы. 1. Разработаны:

-производственный технологический процесс изготовления СВЧ-окон с получением вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АМгб диффузионной сваркой с наложением УЗК частотой 2 МГц, позволяющий создать новые конструкции СВЧ-окон и расширить диапазон частот СВЧ-трактов;

-производственный технологический процесс изготовления гермовводов СВЧ-трактов с получением вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом АМгб, коваром 29НК, латунью JTC59;

-производственный технологический процесс изготовления пьезодатчика уровня с согласующим слоем из фторопласта-4, позволяющий обеспечить работоспособность датчика в условиях термоциклирования, воздействия ударных нагрузок и агрессивной среды и повысить коэффициент передачи пьезодатчика;

-производственный технологический процесс изготовления корпуса микросхемы с получением вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АД1;

-ультразвуковая головка и генератор УЗК частотой 2МГц, совместимые с установкой СДВУ-50М, применение которых позволяет интенсифицировать процесс диффузионной сварки фторопласта-4 с металлами. 2. Созданная программа для расчета температурных полей свариваемых деталей может быть использована для расчета ряда технологических и научно-исследовательских задач.

Практические результаты диссертационной работы внедрены на Горьков-ском научно-производственном объединении «Кварц», предприятии п/я А-3759 и ФГУП «Красмаш». Результаты исследований включены в учебное пособие «Сварка фторполимеров с металлами под действием ультразвукового луча», рекомендованное Министерством общего и профессионального образования РФ для студентов по специальности 12.05.00 «Оборудование и технология сварочного производства», а также внедрены в учебный процесс СибГАУ, в частности в методические указания по курсовому и дипломному проектированию.

Апробация работы: Основные положения работы докладывались на XI, XII, XIII Всесоюзных конференциях по диффузионному соединению металлических и неметаллических материалов (г. Москва, 1984, 1987, 1991 гг.); Всесоюзной научно-технической конференции «Экономия материальных, энергетических и трудовых ресурсов в сварочном производстве» (г. Челябинск, 1986 г.); Всесоюзной конференции « Сварка и склеивание полимеров » (г. Киев, 1987 г.); Международной научно-технической конференции «Ультразвук в технологии машиностроения 91 »(г.Архангельск, 1991 г.); 2-ой Международной конференции «Сварка в космической промышленности и в условиях космоса» (г.Киев, 1994 г.); Всероссийской научно-технической конференции по перспективным путям развития сварки и контроля — « Сварка и контроль — 2001 » (г. Воронеж, 2001 г.); Всероссийской научной конференции, посвященной памяти Генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева, проводимой в составе первого Международного Сибирского Авиакосмического салона «САКС-2001» (г. Красноярск, 2001 г.); на конференциях и семинарах в СибГАУ.

Работа демонстрировалась на Всероссийской выставке Минвуза РСФСР, ВДНХ СССР «Машиностроительная технология - 87» и была награждена дипломом первой степени.

Публикации:

Основное содержание диссертации опубликовано в 32 научных работах и 10 авторских свидетельствах СССР на изобретения.

Структура и объём:

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов по работе, списка использованной литературы и приложения. Общий объём работы 185 машинописных страниц, в том числе 53 рисунка, 4 таблицы. Список литературы включает 108 наименований использованных литературных источников.

1. Выполненные в работе исследования и разработки позволили решить проблему получения качественных неразъемных соединений фторопласта-4 со сплавом апюминия АМгб методом диффузионной сварки. Способ изготовления гермовводов защищен авторским свидетельством СССР №1761413.2. Основным направлением интенсификации процесса диффузионной свар ки фторопласта-4 с металлами является применение направленных УЗК мега герцевой частоты, которые активизируют физический контакт свариваемых по верхностей, диффузионные процессы на границе раздела металл-фторопласт, обеспечивая диффузию углерода в сплав АМгб на глубину до 60 мкм. Приме нение УЗК частотой 2 МГц позволило снизить температуру сварки более чем на 20 градусов.3. Разработана математическая модель процесса нагрева соединения в про цессе сварки внешним источником тепла и УЗК, которая позволяет рассчитать составляющие температурного режима и обеспечивать равномерный прогрев по всей площади контакта деталей.4. Разработана математическая модель процесса образования физического контакта фторопласта-4 со сплавом алюминия АМгб, основанная на совмест ном решении системы уравнений теплообразования, необратимых перемеще ний, напряжённого состояния, возникающего от совместного действия свароч ного давления и акустических давлений. Модель позволяет учитывать ком плексное влияние технологических параметров процесса сварки на величину перемещений фторопласта-4 и рассчитать геометрические параметры ультра звуковой системы.5. Исследовано влияние параметров диффузионной сварки на величину пе ремещений фторопласта-4 при деформировании соединения и прочность полу чаемого соединения. Определены оптимальные режимы процесса: Тсв = 658 К, Р = 1,5 МПа, 1узк = 2-10' Bт/м^ t^ = 600 с, Н = 5-10"'Па, V„ar= 0,09 К/с, Уохл =

0,09 К/с , при которых перемещения фторопласта Z > 15 мкм, а прочность соединения сг^ > 16 МПа.6. Установлено, что направленные УЗК обеспечивают повышение прочно сти более чем на 20 % за счёт развития физического контакта и интенсифика ции процесса взаимодействия свариваемых материалов.7. Установлено, что вследствие топохимических реакций на границе ргизде ла соединяемых материалов образуется переходная зона из металлофторопла стовых комплексов Al-(CF)n , Mg-(CF)n , Al-0-(CF)n, Mg-0-(CF)n, ширина кото рой зависит от режимов процесса и на оптимальных режимах составляет 40

8. Проведены испытания СВЧ - окон с использованием вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом АМгб на термоциклирование в диапазо не температур 213 К...423 К и вакуумную плотность. Установлено, что соеди нения сохраняют вакуумную плотность при N > 20 циклов.9. Разработан технологический процесс изготовления СВЧ-окна позволяю щий: • повысить механическую прочность соединения фторопласта-4 со сплавом алюминия АМгб; • обеспечить вакуумную плотность соединения в условиях повышенной влажности окружающей среды и циклического изменения температуры; • снизить трудоёмкость изготовления СВЧ-окна.10. Спроектированы и изготовлены сварочная головка и генератор для озвучивания зоны сварки ультразвуковыми колебаниями частотой 2 МГц.

1. Чегодаев Д. Д., Наумова 3. К., Дунаевская Ц. С. Фторопласты,- JL: Госхим-издат, 1960-191 с.

2. Энциклопедия полимеров / под ред. В. А. Кабанова «Советская энциклопедия», 1977,-Т.З- 1152 с.

3. Диффузионная сварка материалов: / под общ. ред. Н. Ф. Казакова. М.: Машиностроение, 1981,-271 с.

4. Каракозов Э. С. Сварка металлов давлением. М.: Машиностроение, 1986, - 280 с.

5. Конюшков Г. В., Копылов Ю. Н. Диффузионная сварка в электронике. — М.: Энергия, 1974. 168 с.

6. Красулин Ю. JI. Взаимодействие металла с полупроводником в твёрдой фазе. М.: Наука, 1971, - 119 с.

7. Метёлкин И. И., Павлова М. А., Поздеева Н. В. Сварка керамики с металлами. — М.: Металлургия, 1977. — 159 с.

8. Мусин Р.К., Конюшков Г.В. Соединение металлов с керамическими материалами. — М.: Машиностроение, 1991. 224 с.

9. Новиков В. Г., Екимов А. И., Прокопьев С. В. Достижения и перспективы развития диффузионной сварки. // Материалы конференции,- М.:МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского, 1987. — 12 с.

10. Способ склеивания фторопластов / Э. А. Алмазова, В. JI. Зайцев, Т. Н. Митрохина и М. В. Фреймарк. // Авт. св. СССР, № 543661, МКИ С 09 j 5 / 02, 1977, Бюлл. №31.

11. Способ склеивания материалов с инертной поверхностью / Ю. С. Яблоков, Н. Ф. Попов, М. JI. Рутковский, Н. А. Бокшицкая, Е. Г. Маркова и Е. И. Калягина.// Авт. св. СССР, № 392083, МКИ С 09 j 5 / 02, 1973, Бюлл. №32.

12. Способ подготовки поверхности фторопластов перед склеиванием / ДА. Родченко, А. И.Баркан и Н. И. Егоренков. //Авт. св. СССР, № 479796, МКИ С 09 j 5 / 02, 1975, Бюлл. № 29.

13. Способ склеивания изделий из политетрофторэтилена. / М. А. Сильченко, В. С. Тихомиров и В. И. Серенков. // Авт. св. СССР, № 423828, МКИ С 09 j 5/02 1974, Бюлл. № 14

14. Способ склеивания полимерных материалов/ Л. С. Генель, В. Л. Вакула и М. Н. Фокин.// Авт.св. СССР, № 622831, МКИ С 09 j 5 / 00,1978, Бюлл. №33.

15. Способ склеивания полимерных материалов./ Л. С. Генель, .В. И. Гасюк, В. И. Муромцев, В. Л. Вакула, Н. С. Красносельская и В. В. Галкина. // Авт. св. СССР, № 1002338, МКИ С 09 j 5 / 00, 1983, Бюлл. № 9.

16. Сварка, пайка, склейка и резка металлов и пластмасс: Справочник / под ред. Наймана А., Рихтера Е.: пер. с нем. М.: Металлургия, 1985. - 480 с.

17. Кардашов Д. А. Синтетические клеи. М.: «Химия», 1968. — 215 с.

18. Белый В. А., Довеяло В. А. Юркевич О.Р. Полимерные покрытия. — Минск: Наука и техника, 1976 328 с.

19. Яковлев А. Д., Здор В. Ф., Каплан, В. И. Порошковые полимерные материалы и покрытия на их основе. Л.: Химия, 1979. - 423 с.

20. Металлополимерные материалы и изделия / под ред. В. А. Белого. М.:-Химия, 1979.-312 с.

21. Industrial Finishing and Susface Coatings, 1971/ Vol. 23. N. 282, P. 40.

22. Композиционные полимерные материалы и их применение. Ч. 1 — Гомель: Химия, 1972.-109 с.

23. Покрытия на основе порошковых материалов и методы их нанесения. М.: НИИТЭХИМ, 1975 - 226 с.

24. Способы нанесения защитного пластмассового покрытия на металлическую фольгу/ Герман Панст. // Патент ФРГ, № 286653, кл. 39 а2, 19 / 02 1970, Бюлл. №34.

25. Способ нанесения покрытий /Патент Японии, № 21710, кл. 24 Н 411, 1968.

26. Способ получения покрытий. / Н. И. Егоренков, В. В. Куманева и Д.Г. Лин // Авт. св. СССР, № 560648, МКИ В 05 Д 1 /06, 1977, Бюлл.№ 21.

27. Данилин Б. С. Вакуумное напыление тонких пленок — М.: Энергия, 1976. —• 126 с.

28. Способы соединения метала с металлом или неметаллом / Ниппон Абио-никусу К. Д.//Заявка № 59-85392 Япония, 1984.

29. Сварка полимерных материалов.: Справочник/ под общ. ред. К. И.Зайцева, Л Н. Мацюк. -М.: Машиностроение, 1988. 312 с.

30. Миндлин Я. И., Мацюк Я. Н. и др. К вопросу соединения термопластичных• полимерных материалов с металлами./ В кн. «Сварка полимерных материалов». М.: МДНТП, 1974. - С. 77-83.

31. Волков С. С., Орлов Ю. Н., Черняк Б. Я. Сварка пластмасс ультразвуком. — М.: «Химия», 1974, 263 с.

32. Тростянская Е. Б., Комаров Г. В., Шишкин В. П. Сварка пластмасс. М.: Машиностроение, 1967. — 252 с.• 35. Ruhland W Fugen thermoplastischer Werkstucke durch Ultraschalb // "Wertstattund Bert", 1975,108. N.7, S. 459-460.

33. Ultrasonic joining gains favor with better equipments and know how. // "Prod. Eng", 1977. N 1. P. 37-39.

34. Wattenberg R. Kunststoffteile mit Ultrashalwelln rationell verbinden. //"Ma-schienenmarkt", 1974, 80. N. 104-105. S. 2156.

35. Диффузионная сварка материалов: Справочник / под ред. Н. Ф.Казакова. -М.: Машиностроение, 1986— 184 с.39