автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Прецизионная технология диффузионной сварки узлов точного приборостроения

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЩЕРБАК Александр Григорьевич

ПРЕЦИЗИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ УЗЛОВ ТОЧНОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

Специальность 05.03.06 - Технология и машины

сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1994

Работа выполнена в государственном научном центре Российской Федерации - Центральном научно-исследовательском институте "Электроприбор".

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор В.А.Кархин;

- доктор технических наук, профессор Г.В.Конюшков;

- доктор технических наук, профессор Ю.В.Холопов.

Ведущее предприятие - Центральный научно-исследовательский институт "Дельфин", Москва.

Защита состоится " Марию_ 1995 г.

в 15 часов в аудитории 52 химического корпуса СПб ГТУ на заседании специализированного совета Д.063.38.17 в СПб государственном техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29.

Ваш отзыв на автореферат (1 экз., заверенный гербовой печатью) просьба направить по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб государственного технического университета.

Автореферат разослан "_"_ 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д063.38.17, дл.н., профессор

Л.Н.ПАХОМОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сварка является одним из ведущих технологических процессов современной промышленности, от степени развития которого во многом зависит практическая реализация различных технических проектов и программ. Необходимость обеспечения жестких технических требований, предъявляемых к перспективным сварным конструкциям, сопровождается тенденциями усложнения конфигурации деталей и увеличения спектра применяемых материалов, резко различных по свойствам, а иногда и металлургически несовместимых.

Решить эти проблемы и существенно расширить область применения сварки позволяет такой прогрессивный метод, как диффузионная сварка в вакууме (ДСВ) - способ, разработанный Н.Ф.Казаковым и получивший развитие в исследованиях В.А.Бачина, Г.В.Коншкова, Э.С.Каракозова, В.Ф.Квасницкого, Р.А.Мусина и других исследователей и в ряде случаев являющийся наиболее приемлемым, если не единство возможным, средством получения узлов с определенным сочетанием материалов. Указанные особенности во многом связаны с неразъемными соединениями узлов точного приборостроения (УТП), проблемы повышения научно-технического уровня которого обусловлены потребностями различных отраслей народного хозяйства.

Приборы, входящие в состав систем и комплексов, являются основным источником получения текущей информации, необходимой для выработки решений по управлению объектами, в которых они используются. При этом уровень выполнения этих приборов, сочетающих в себе элементы точной механики, оптики, электровакуумной техники, высоковольтной электроники, в первую очередь определяет инструментальную точность и надежность указанных систем и комплексов.

Характерными представителями таких изделий являются: гироскопические приборы, входящие в состав навигационных систем, которые обеспечивают выработку координат местоположения движущихся объектов морского флота, авиации и ракетно-космической техники; датчики и детекторы регистрации и измерения ионизирующего излучения, параметры которых во многом определяют развитие и реализацию программ в области экологии, здравоохранения, ядерной энергетики, машиностроения; изделия аналитического приборостроения и т.д.

При совершенствовании имеющихся и создании новых изделий точного приборостроения все большее значение приобретают исследование и изыскание оптимальной совокупности технологических приемов и

средств для реализации процессов неразъемного соединения узлов и элементов, отвечающих жестким техническим требованиям по высокому уровню точности и размерной стабильности конструкции, герметичности и прочности соединения, а также ряду специфических характеристик. При этом необходимо решать ппобпемн сварки в различных сочетаниях таких материалов как бериллий, титан, ковар, тантал, хромоникелевые сплавы и стали, корундовая керамика, оптические кристаллы, реализуя соединение таких конфигураций, как оболочки вращения, тонкие (до 0,02 мм) пластины, телескопические соединения и т.д.

Применение для реализации неразъемных соединений УТП способа ДСВ, как наиболее перспективного по потенциальным возможностям, вместе с тем требует разрешения противоречия между необходимостью воздействия на детали температур и давлений, достаточных для получения герметичного и прочного соединения, и однозначным условием ограничения этих воздействий на свариваемую конструкцию для обеспечения требований по точности узла, которые находятся на уровне десятых долей и единиц микрометра.

Это обусловливает актуальность и важность проведения комплексных экспериментально-исследовательских работ по организации и методологическому обеспечению прецизионной ДСВ УТП, выявлению условий и совокупности факторов процесса сварки, с практическим использованием на примере реальных изделий.

Цель работы. Целью диссертационной работы являлось создание базовых элементов процесса технологического проектирования и разработка комплекса приемов, методов и средств обеспечения прецизионной ДСВ (ПДСВ) узлов точного приборостроения.

Научная новизна

I. Разработана информационно-логическая модель (МЛ) технологического проектирования процесса ЛДСВ, в которой с использованием принципов системного анализа формализована последовательность действий и принятия решений лри поэтапном выборе, сравнении с заданными критериями и оценке эффективности применения различны: технологических приемов, методов и средств реализации соединения УТП, что определяет управляемый характер процесса построения технология сварки. Проектирование ЦЦСВ связано с формированием совокупности параметров (Т.рду®, необходимых для реализации

требований: качества сварного шва (ТТ)сВ , и совокупности параметров < допустимых из обеспечения требовании по геометрии узла <Т9Г. Процесс согласования указанных совокупностей связан со сближением значений входящих параметров Т и Р до их соответствия, отвечающего условию обеспечения обеих групп технических требований, что определяется формированием новых совокупностей и за счет использования факторов интенсификации процесса сварки и локализации параметров.

2. Сформулированы признаки, определяющие возможность реализации соединения при ПДСВ через промежуточные прослойки, которые заключаются в термодинамической разрешенности и сравнительной предпочтительности протекания в зоне контакта последовательных твердофазных топохимических реакций. Критерием оценки возможности образования соединения является знак и величина изобарно-изотер-кичесного потенциала твердофазных окислительно-восстановительных взаимодействий и реакций присоединения. Последовательный расчет и сравнение значений д2' представлены в виде разработанной блок-схемы алгоритма технологического проектирования ПДСВ через промежуточные прослойки, которая является составной частью общей. ИЖ в качестве одного из наиболее эффективных средств обеспечения прецизионности процесса.

3. Разработаны принципы, математическая модель и методика расчета процесса формообразования проволочных прослоек, позволяющие определить конфигурацию и параметры исходной прослойки исходя из ее трансформации в процессе нагрева до температуры сварки

в прослойку заданной геометрии с требуемой ориентацией относительно деталей. Установлена взаимосвязь между исходной и конечной геометрией прослойки, схемой ее фиксации в сварочном модуле, свойствами материалов прослойки,- деталей и сварочного модуля, режимом процесса ЕЩСВ, в комплексе определяющая соответствующие выражения, описывающие процесс изменения конфигурации прослойки при сварке.

4. Сформулированы принципы.построения и элементы конструктивно-технологического проектирования процесса ПДСВ, основанные на приведении объекта сварки к механической модели, в отношении которой наиболее очевиден расчет деформации одноосного сжатия, за счет фрагментарной декомпозиции детали с формообразованием сварочного фрагаента и использования элементов принудительного

деформирования фрагмента детали совместно с упором, выполненным в составе сварочного модуля. В совокупности с разработанными схемами прецизионного деформирования, которые связаны с комбинированием составных частей и этапов автономного и совместного дефоршрования фрагментов деталей и упора, это обеспечило возможность управления термомеханическими воздействиями на детали на прецизионном уровне, определяя их деформацию по заданной программе и регулируя как величину, так и скорость деформации. Процесс управления обусловливается соотношением геометрических параметров, упругопластических характеристик и теплофизических свойств фрагмента и деформируемого упора, связанных соответствующими зависимостями.

Практическая полезность

1. В соответствии со структурными элементами ИШ разработай схемы реализации процесса ПДОВ, включавдие локализацию сварочных деформаций в зоне шва, использование факторов локальной сублимации материала с соединяемых поверхностей, приложение к деталям касательных напряжений, применение элементов технологии изостати-ческого прессования, что обеспечивается такими технологическими средствами, как совместное действие на детали регулируемой нагрузки внешнего привода и давления термонатяга, проведение процесса сварки в интервале температур, регулирование состояния поверхностей детали за счет температуры процесса и состава среда. Использование управляемой совокупности факторов локализации параметров и интенсификации процесса сварки обеспечивает требуемое качество сварного шва при минимальных деформациях изделия, возможность регулирования структуры материала и осуществления сопутствующих операций формообразования элементов узла.

2. Разработан комплекс технологических процессов, схем реализации и средств оснащения (универсальное оборудование и многопозиционные устройства) для ПДСВ ряда перспективных конструкционных материалов (бериллий, керамика), различных типов соединений (стыковые, телескопические), наиболее характерных конструкций (оболочки вращения, штырьковые гермовводы), содержащий как альтернативные, так и унифицированные элементы технологии, в том числе с использованием промежуточных прослоек, что позволило осуществить посредством ЦЦСВ изготовление различных модификаций

реальных изделий: узлов гироскопических приборов (бериляиевые роторы, металлокерамические узлы гирокамеры), сборочных единиц приборов регистрации ионизирующего излучения и узлов с длинномерными капиллярными канаками изделий аналитического приборостроения.

Реализация результатов работы

Перечисленные технологические процессы, оборудование и спецоснастка внедрены в серийное и метеосерийное производство с полным обеспечением соответствующей технической документацией. Совокупность технических решений позволила создать ряд гироскопических приборов (гравиметр, модификации электростатического гироскопа), используемых в различных навигационных системах и комплексах действующих объектов морского флота, а также такие изделия, как газовый сцинтил-ляционный детектор и пропорциональный счетчик (Радиевый институт РАН, СПб), бериллиевые окна источников иокизирувдего излучения (С.-Петербургский институт ядерной физики), узлы с длинномерными капиллярными каналами (Институт аналитического приборостроения РАН, СПб). В целом результаты работы внедрены в 16 НГОКР.

Апробапия работы. Отдельные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

1) Всесоюзных научно-технических конференциях, посвященных памяти Н.Н.Острякова, - Ленинград, Санкт-Петербург; ЦНИИ "Электроприбор": X конф. - 1976 г., XI конф. - 1978 г., Ж конф. - 1982 г., ХУЛ конф. - 1990 г. и XIX конф. - 1994 г.;

2) УШ Всесоюзной научно-технической конференции по диффузионному соединению металлов, сплавов и неметаллических соединений, -

- Москва: МинВУЗ СССР и ГСФСР, ШЩДСВ, 1977 г.;

3) ХП Всесоюзной научно-технической конференции "Достижения и перспективы развития диффузионной сварки", Москва, ВДНТП, 1990 г.

Публикации. Основные результаты работы изложены в 38 статьях, отчетах по НИОКР и докладах на конференциях и защищены 94 авторскими свидетельствами на изобретение, внедренными в производство, и двумя патентами РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 273 страницы сквозной нумерации, в том числе 215 страниц машинописного текста, 57 рисунков, 9 таблиц, список использованной литературы: 139 источников на 13 страницах.

На защиту выносятся следующие научные положения и практические результаты:

- исходные принципы реализации ПДСВ высокоточных узлов;

- структурная схема решения задач и ЙЛМ технологического проектирования процесса ПДСВ;

- признаки и критерии оценки возможности образования соединения при сварке через промежуточные прослойки;

- средства математического обеспечения и методики расчета конфигурации и процесса формообразования проволочных промежуточных прослоек;

- методы конструктивно-технологического построения процесса ПДСВ по плоским кольцевым и телескопическим поверхностям сопряжения;

- комплекс многоцелевого оборудования, устройств и приспособлений;

- конкретные технологические процессы ПДСВ реальных типовых УТП.

Во введении обоснованы актуальность и необходимость исследования и создания базовых элементов процесса технологического проектирования и средств обеспечения ПДСВ УТП. Приведена характеристика современного уровня и перспективных направлений экспериментально-исследовательских работ по повышению точности и качества неразъемных соединений УТП. Исходя из рассмотрения технологии сварки как сложного объекта исследований, управление которым связано с принятием решений в условиях неопределенности и поэтому требует системных подходов к построению технологии, обозначена совокупность факторов процесса, определяемая свойствами материала, конструкцией изделия, свойствами и параметрами вспомогательных элементов, характеристиками соединений и т.д. Показаны взаимосвязь факторов и области их варьирования, позволяющие конкретизировать этапы работ. Сформулированы цель, основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту, и перечислены задачи, решение которых обеспечивает достижение поставленной цепи:

- комплексное обобщение и систематизация исходных условий процесса ПДСВ с выявлением основных критериев оценки возможности образования соединения и качества изделия;

- разработка схем технологического проектирования процесса;

- разработка структурных элементов процесса построения ПДОВ;

- изыскание принципов управления и регулирования термомеханическими параметрами сварки на прецизионном уровне;

- разработка средств математического обеспечения и методик расчета основных элементов технологии сварки;

- разработка многоцелевого оборудования и спецприспособлений для ЦЦСВ типовых конструкций и создание конкретных технологических процессов ЦЦСВ реальных узлов и изделий точного приборостроения.

Первая глава содержит характеристику существующих и перспективных изделий точного приборостроения (чувствительные элементы гироскопических приборов, датчики регистрации ионизирующих излучений) с анализом конструктивных особенностей входящих узлов и сборочных единиц, свойств используемых материалов и оценкой взаимосвязи функциональных параметров приборов и уровнем решения задач реализации неразъемных соединений способом ЦЦСВ. Сформулированы основные признаки неразъемных соединений УТП, и на основании анализа комплекса технических требований (ТТ) определены особенности и специфические условия ПДСВ этих узлов.

На основе известных технических решений и выявленных исходных условий и положений разработана структурная схема решения задач ПДСВ в виде классификации последовательного типа, представляющая собой иерархическое дерево совокупности приемов, методов и средств технологии, выраженных как классификационные признаки разных уровней. Определена, обозначенная множественностью разветвлений на схеме, многовариантность путей достижения цели, обусловливаемой совокупностью <ТТ> .

Схема определяет понятие прецизионности, соответствующее уровню "цели", как минимальные отклонения геометрии сварного узла либо от исходной формы, либо от заданной конфигурации; она задает возможные пути достижения и средства обеспечения этой цели, связанные с локализацией параметров сварки (температура Т и давление Р ), применением промежуточных прослоек, использованием факторов интенсификации процесса сварки (касательные напряжения, очистка поверхностей от оксидных пленок), регулированием скорости деформации £ , использованием косвенных эффектов, например, элементов технологии изоста-тического прессования и т.д., при этом не исключается возможность совместного использования этих приемов. В целом указанная схема определяет содержание экспериментально-исследовательских работ и форотрует предпослыки построения процесса технологического проектирования ПДСВ.

Во второй главе изложены элементы теории, принципы и технологические основы построения процесса ПДСВ по основным направлениям разработанной структурной схемы. Обоснована необходимость дифференцированной оценки деформации изделия ен и сварочных деформаций ес6 , с выявлением их взаимосвязи и определением совокупностей параметров <T,P,t>r , - обусловливающие допустимые еи ; ^Т,РД)св , - обеспечивающие необходимые есв . Для приведения объекта сварки к механической модели, в отношении которой наиболее очевиден расчет деформации при одноосном сжатии и которая может являться элементом локализации сварочного давления, разработаны принципы: фрагментарной декомпозии, связанной с вычленением из тела детали (полусферическая оболочка I - рис Л) условного объема

ECB , определяемого зоной сварки; корректировки конфигурации этого объема с формированием сварочного фрагмента 2 ( А6СЭ ) и смещения сварочного давления на поверхность фрагмента.

В качестве предпосылок для реализации ПДСВ предложены и обоснованы исходные условия построения процесса сварки:

- предпочтительность использования более высоких Т при минимально возможных Р , исходя из того, что при большей Т образованию соединения соответствуют меньшие деформации ес» ( ©а );

- рассмотрение процесса ПДСВ при схемах деформирования, соответствующих различным сочетаниям составных частей деформации высокотемпературной ползучести: мгновенной, неустановившейся и установившейся стадиям ползучести;

- использование как сварочного давления внешнего привода Рви , так и давления термонатяга Рун , создаваемого различным тепловым расширением элементов сварочного модуля, при проведении сварки при T'conjt и в условиях интервала температур (Т, • Тг), являющегося инструментом дополнительного регулирования параметров процесса.

Для создания механизма реализации перечисленных схем деформирования по отношению к указанному сварочному фрагменту, геометрия которого, исходя из <ТТ) , может определять значения Р в пределах сотых долей мегапаскаля при скорости относительной деформации

I - на уровне (I0-5..л0-6)с-1( разработан основной принцип управления термомеханическими параметрами процесса ПДСВ, основанный на использовании элементов принудительного деформирования посредством регулирования деформации еэ выполненным в составе сварочного модуля ограничительным упором 3 (рисЛ).

Рис.1. Формообразование сварочного фрагмента и структура деформаций (РВн^

в^е'^ео

и^с и Од

ег-е'у+в!,"

ед-

ед*е'д

Рис.2. Схеш деформирования при ПДСВ для Рвн (а) и Рт/н и интервала йТ (б)

Геометрия, упругопластические и теплофизические характеристики упора соотносятся с аналогичными параметрами фрагмента детали 2, исходя из требуемых величины и схемы деформации детали при сварке. Задавая распределение давления Р между упором 3 и деталью 2 в соотношении напряжений ^»crj , можно обеспечить условия деформирования деталей, полностью определяемые деформацией упора , в отношении которого и производится расчет е^ и процесса сварки.

Реализация различных схем деформирования (рис.2) при регулируемом давлении внешнего привода связана с выбором соотношений высоты детали 6? и высоты упора £т при Тсв (рис.1). Если * , то приложение давления Р определяет составляющую деформации :

s e'a-aeT-ceS-eJj + ftTieS^a-e?.^), (D

где Е0 и В» - исходная высота, с/э и е/« - КТЛР деталей и упора, а далее деталь и упор деформируются совместно по схеме:

где ej, - мгновенная деформация, &)' - деформация неустановившейся и е"1 - установившейся стадий ползучести. Из выражения (2) следует, что, задавая 9T<P-f и определяя величину ьЕт'РМт, равную или д^-^+е'у , можно обеспечить, при очевидном е'д = 0, процессы деформирования по схемам: еа = e!J + e'J или еэ = ву" . Таким образом, требуемые схемы деформирования задаются как свойствами ( ctj и о(у ), так и геометрией ( Ер и ?о ) деталей и упоров. Очевидный расчет

e!J связан с кубическим законом ползучести Андраде, a - с диффузионной ползучестью Херринга-Набарро или Кобла.

Для расширения возможностей регулирования термомеханическими параметрами и скоростью деформации £ , определяемой составной частью вэ , связанной с соотношением линейных размеров детали и упора, в рамках сфломулированных условий разработана технология ЩСВ в интервале температур AT«(T|'-Tg), определяемом величиной 00,05...0,1) от Тсв при монотонном как увеличении ( ), так

и уменьшении ( ^dt <0 ) текущей температуры. Значения Т* и Тг выбирались равноудаленными от номинальной величины Тс8 для данного сочетания материалов. В этом случае для определяющего

ayat>0 , или для aWy , задающего б Vat < 0 , появляется дополнительная деформация е'е : . .

а у еа-етгДК^е-с^д), (3)

где CTj* Рт,= при 0. Очевидно, что деформация зачи-

тывается в выражении (2) и, задавая л Вт, = 0, ^ = = О, можно обеспечить схему сварки при 69 = const и еа г e^Ca-E^t ,

причем величина е9 обусловлена значениями лТ и а</ и не зависит от времени сварки t .

Далее сформулированы основные положения построения-процесса ПДСВ, исходя из особенностей использования давления Pvh :

1. Создание между деталями исходного зазора , который становится равным нулю при температуре стыковки Тс<Тсв ( Лтс = О), что из условий начального и конечного состояний модуля (рис.1) определяет соотношение между основными параметрами и свойстваш материалов модуля:

л® =лтс(г0а^а+С^п-ео^), (4)

где йТс= (Тс - 295) К, V" и - исходные длины и и </с - КТЛР материалов пуансонов 4 и стяжек 5.

2. Выполнение исходного зазора д* между упорами и пуансонами, задавая температуру их стыковки T¿ < Теб (Лтс' = 0), что обусловливает соотношение:

(5)

где дТ^ = ( Те* - 295) К, и </, - длина и КТЛР материала упора. Очевидно, что выражения (4) и (5) должны быть согласованы, а величина деформации еу - учтена при расчете Рт/Н , создаваемого в интервале ( Т.!-!* );

_ —i

3. Выбор соотношений температур стыковки Тс и U и зазоров Л® и До i которые при задаваемых величинах о<з и Р® % и

значениях 8„п , Í* , ^п и oít обеспечивают возможность управления схемой деформирования в процессе ПДСВ.

При сварке в интервале дТ при ^t>0 для компенсации падения Рт/„ вследствие деформации элементов модуля за счет увеличения их линейных размеров и обеспечения рт/и= const , в период времени at , соответствующий дТ , разработана методика расчета

параметров процесса, основанная на выявлении зависимости между ДТ ,

• • • .

скоростями ползучести упоров £ы , пуансонов с„ и стяжек 6t и их геометрией и КТЛР:

, t Íj-ÍA\*4iAi) * C-¿»(Wn-aT«i) ♦ pc0.¿t(1wtüT,8)-

где дТсВ = [Уг(Т1+Тг)-гэ5]к; дТг--(Тг-гэ5)к.

На основании разработанных принципов, исходных условий и положений сформулированы основные элементы процесса расчета термомеханических параметров при ПДСВ, связанные с последовательным:

1) анализом изделия, выявлением и расчетом совокупностей <ТТ>св и <п>г и спектров {Т,РД}'В и .{Т,Р^}Г с соответствующими и <Т,РД)Г ;

2) приведением объекта сварки к механическбй модели, в отношении которой применимы методы расчета деформации одноосного сжатия,

с формообразованием сварочного фрагмента и вычленением еи к еа ;

3) согласованием деформаций еи и ее , относя еа к сварочному фрагменту и определяя спектр {т,РД]^ и совокупности (Т.РД)'6 с их сопоставлением с и выявлением совпадающих областей;

4) выбором схемы деформирования и сочетания составных частей е^ , еу , е'" , еэ и её согласованной деформации €?а 0 определением сварочного давления - внешнего привода или Рт/Н ;

5) определением парциальных значений е'а , еЦ , бу, е^ и её и расчетом Т , Р и 1 процесса в рамках области совпадения совокупностей (т.Р.^) и <Т,Р,1)'В, обеспечивающих требуемую зависимость

ед = еа(т,р,1);

6) расчетом согласованных значений Д0 и Л* и величины дТ при сварке с давлением Рт/Н с учетом постоянного значения Рт/Н .

Далее в соответствии с разработанной структурной схемой решения задач ЦЦСВ приводится анализ процессов, протекающих при сварке на соединяемых поверхностях рассматриваемых конструкционных материалов и связанных:

1) о возможной очисткой поверхностей от оксидных пленок за счет их сублимации, конденсатной диссоциации, растворения в металле и восстановления эпементами-раскислителями, что определяет факторы интенсификации процесса ЦЦСВ;

2) с твердофазными топохимическими взаимодействиями материала используемой промежуточной прослойки ( Не"1' ) с оксидными пленками

( Не„От ) на соединяемых поверхностях, рассматривая применение прослоек как наиболее кардинальный способ уменьшения Т,1 и Рс8 и повышения прецизионности процесса сварки.

Предложены такие технологические приемы при ПДСВ титана и хро-моникелевых сталей, как нагрев деталей до температуры очистки Точ . превышающей ТсЕ и достаточной для удаления оксидной пленки, с последующим снижением Т до Тсв , при которой прикладывается Рсс . Сформулированы технические решения реализации ПДОВ бериллия, связанные с разрушением оксидной пленки ВеО • очисткой и активацией соединяемых поверхностей за счет локальной сублимации бе в процессе выдержки при Т0Ч>Т,5 при условии защиты от сублимации остальной поверхности детали за счет ее оксидирования перед сваркой.

Изложены элементы теории процесса образования соединения через промежуточную прослойку, основанные на термодинамическом анализе возможных твердофазных взаимодействий в системе Me"p-Mt„om ; реакция I (p.l) pHenp-sMenOm = M^Me„.5Om.5 ; реакция 2 (р.2) K|mp-nj|Me",>* PpKfn0 rrjïjnvp-iH реакция 3 (p.3) pMe^Oj ♦aHtnOm = MeypMen.îO(i.p,m.iJ ; реакция 4 ïp.4) Kln'i-mplMe^ + êsMenO^^ins-mpiMtyMeetPmMepOs ; реакция 5 (p.5) • йМе"р + = n-MeSM^O,* ^„^.„j.

Сформулированы признаки образования ооединения, определяемые:

- реакциями присоединения, т.е. p.I и р.З, связанной с необходимостью предшествующего протекания р.2;

- наличием областей гомогенности, характеризуемых стехиометри-ческими коэффициентами в указанных взаимодействиях;

- взаимной растворимостью образующихся фаз с исходными компонентами.

При этом критерием образования соединения является термодинамическая разрешенность реакций, характеризуемая величиной и знаком изобарно-изотермических потенциалов ûZ' как конкретной реакции, так и их последовательности (р.2 и р.З). Считая, что количественный фактор, связанный с фиксируемым выходом продуктов реакции и требующий установления лимитирувдей стадии процесса, не является определяющим при ЦДСВ, для оценки химических факторов были рассчитаны значения дZ? в диапазоне Т = (700...900) К реакций Мепр с оксидами рассматриваемых материалов, а также с двойными оксидами, характерными для токопроводящих стекол и сложполегированных сталей и сплавов. Для унификации процесса ПДСВ в качестве Мегр был выбран высокочистый алшиний, обладающий высокой пластичностью и химической активностью, в виде проволоки круглого сечения.

Расчеты показали термодинамическую разрешенность протекания реакций типа р.2 практически со всеми оксидами (за исключением ВеО' и иг04 ), а также, для ряда оксидов, - реакций типа р.З с образованием алюминатов МпА?Д , FeAtjQ,, , NiAf«0,, APzSiOs , MJiOy и т.д.-, что позволяет предполагать положительные результаты сварки этих материалов.

Использование при ЦДСВ промежуточных проволочных прослоек, которые, обеспечивая возможность уменьшения Tcs и Рс§ и требуемое качество равноплотного и симметричного сварного шва, выступают в качестве элемента конструкции, требует решения проблемы формообразования прослоек исходя из жестко фиксируемого при Tcs заданного

взаиморасположения кольцевой прослойки и деталей. При этом выполнение прослойки осуществляется скручиванием концов отрезков проволоки с фиксацией скруток за пределами зоны сварки на элементах сварочной оснастки. Можно показать, что диаметр D кольца прослойки при Теь , размещенного на кольцевом сварном шве внутренним диаметром JgH для проволоки диаметра d и конечной толщины h , должен отвечать условию: ... . ,Л

а диаметр d и число П концентричных колец связаны с шириной разъема H соотношениями: ,г

<,Uv/Hh4cU 1,59,/Hh и

Для общего случая (рис.3) исходная геометрия участка прослойки (дуга АВ) диаметра ])исх с фиксацией в точках А и В на скрутках, оси которых совпадают с осями M и N , должна обеспечивать в резуль тате теплового расширения получение при Tcg дуги А'В' диаметра В с центром в точке 0. Предложено выражение, определяющее взаимосвязь параметров прослойки, деталей и оснастки, на основании которого можно рассчитать параметры процесса сварки:

д artsln [ ,-гч . 2с

¿„„ûT arcsln V в J -JWarcsm - j-^ .

Для сведения к малозначимому уровню неопределенности, связанной с характером изменения кривизны дуги прослойки при ее тепловом расширении предложены исходные условия:

- наличие на исходной дуге кривизны, направление выпуклости которой совпадает с выпуклостью конечной дуги;

- кривизна исходной дуги, определяемая величиной стрелки этой дуги, должна быть не менее величины d. ;

- изменение кривизны дуги, выраженное в приращении величины стрелки, не должно превышать (3...5)d , в зависимости от Р

Для конкретных вариантов с учетом положений теории деформирования замкнутых колец разработана методика расчета процесса формообразования прослоек с определением их параметров:

1) для £ = 90° - две позиции фиксации:

a__?_ • R, _Л_ fi 0.919дТ^р-с^нП п

2(Нс^кн лт; » 2(W„p&T) L

ат J > "и

2) для jj = 45° - четыре позиции фиксации ( 1ц и Ьг - эквивалентны a и 6 ) :

-I» In-» i -ттЪгЪ- T^y-'] ■

аг + 6г

оя'-ов'-ос• </гм;

(О'Д'-С&'О'С* УгД»; 0'Я*0'д<0'С^/2])исх;

ОД-Ов*а ; ос*д] ДГ-дР*с ; й'Г'в'Г-с';

а-УгЛис* 5ЫАт;

й //. 7) .

->

00'• '/г Лип ■ ¡»'ф-^Атя ■ 00*- '/гНиех-

^огсап ^ф'Ип^Ы^бТ),

Рис.3. Схема формообразования проволочной прослойки

\ изделие )

2.

Л

Днапиз <77)

Синтез (тт?

выя3пен.(г т)г <ГГ><*и <гту

1

Расчет електроВ

Рис.4. Информационно-логическая модель технологического проектирования процесса ПДСВ.

Предложены выражения для расчета процесса формообразования прослоек сложных форм, расчленяемых на участки А'й' , каждому из которых соответствуют различные значения DutK , В и угла р , с учетом вариантов смещения центров О' по разные стороны относительно центра О и появления центра О", отвечающего центру окружности диаметра D" .

Разработанная методика использовалась для расчета процесса формообразования проволочных (диаметр 0,3 мм) прослоек, деформируемых до толщины 0,025 мм при ПДСВ тонкостенных полусфер и металло-керамических узлов по плоским кольцевым поверхностям сопряжения со средним диаметром от Ю до 50 мм и шириной шва от 1,0 до 2,0 мм. Исходная конфигурация и тепловое расширение прослойки, связанное с изменением кривизны дуг, определяемым приращением стрелки прогиба дуги, в зависимости от числа позиций фиксации, на величину (0,05...0,20) мм обеспечили точность ориентации в пределах 0,01 мм.

В третьей главе представлена ИЛМ технологического проектирования ПДСВ (рис.4), разработанная на основе целевого подхода к информационному представлению процессов выполнения научных исследований и разработок, развиваемого в Ц3.1И РАН, с адаптацией рекомендуемых моделей к технологии диффузионной сварки. Приведенная ИЛМ на основе принципов системного анализа формализует построение процесса сварки, связанное с выявлением совокупности и последовательности использования технологических приемов и средств, основные элементы которых обозначены в разработанно" структурной схеме решения задач ЦЦСВ и которые обоснованы сформулированными теоретическими положениями, условиями и признаками. ИЛМ основана на анализе изделия и <тт) , определении подходов к решению задачи и поэтапном сравнении промежуточных результатов и данных с разработкой- критериев оценки, что определяет выбор путей решения проблем и позволяет придать процессу проектирования ПДСВ управляемый характер. При разработке МЛ были сформулированы основные принципы ее построения, основанные на:

1) последовательном увеличении накапливаемой информации о структуре процесса и содержании промежуточных стадий;

2) использовании в операторах сравнения как шкалы порядков, так и шкалы предпочтений;

3) декомпозиции при сравнении совокупностей параметров и альтернативных выходов из операторов сравнения;

4) оценке уровня несоответствия параметров в.совокупностях;

5) замыкании выходов альтернативных' операторов на один блок.

Б ИЛМ блок I является входом в схему и содержит информацию

об изделии (конструкция, материал) и известных технических решениях по ДСВ этого узла. В операторе 2 осуществляется* анализ ^ТТ^ и формирование групп: <ТТ)с6 - сварочные требования (прочность, гермети-ность) и (тт)г - требования по точности и геометрии узла, исходя из объективно противоположного по результату действия на эти группы изменения параметров Т , Р и I процесса, а также группы <,ТГ}'-- специфических ТТ . В оп.З выполняется расчет спектров параметров ПДСВ - 5С®= {Т,РЛ}С', обеспечивающих <Т1>1', и 5г*{т,Р,1)г- соответствующих условиям выполнения (7Т)Г. В оп.4 производится сравнение совокупностей 5-&= <Т,РД)С' и 5[--<Т,РД>г из указанных спектров, и в случае ¿^ЗГ дальнейший анализ осуществляется в оп.5, где срарнение фактических технических характеристик Ф<тх) изделия и (ТТ) (т.е. с учетом </ГТ)' ) обусловливает.либо "+" выход из оп.5 на on.II, определяющий- конец процесса, либо "-" выход из оп.5 на оп.К , предусматривающий использование дополнительных факторов.

Отрицательный выход из оп.4 задает альтернативные действия в оп.6,9 или 12, при этем выбор конкретного направления.определяется степенью сравнительного несоответствия по параметру Т или Р .

В оп.6,9 или 12 оценивается возможность локализации параметров Т и Р исходя из требуемой степени локализации и геометрии и свойств материала изделия. Локализация параметра, например Р , на сварочном фрагменте (рис.1), образуемом в процессе прохождения оп.7 и 8, и ее осуществление обусловливают при прежнем спектре йс8= {Т,Р,1}С формирование нового спектра *{Т,РД}[ , в котором значения Т, Р в совокупностях (Т^РДХ могут быть значительно выше, чем в совокупностях <Т,Р^)Г , поскольку меняется структура термомеханических воздействий на изделие.

Таким образом, в оп.6,9 и 12 и далее в оп.7,8,5 производится согласование совокупностей <Т,РД)с8 и <Т,Р,Ог или, фактически, согласование деформаций: необходимых сварочных ва и допустимых изделия

¿и • При этом реализуется принцип согласования, основанный на том, что локализация параметров процесса ПДСВ определяет формирование новых спектров 5г(1рД}^ и совокупностей- (Т,РД)[ с приближением значений их входящих параметров к величинам параметров спектра б16 и совокупностей- <Т,Р^/.8

Отрицательные выходы из оп.6,9 и 12 и оп.5 обусловливают переход на бл. й , который является самостоятельной ИЛИ и используется в случае, если нет возможности реализовать схему сварки с локализацией Т и Р , или обеспечение условия 5[В< недостаточно для выполнения требований ^ТТ)' , т.е. имеет место несоответствие Ф<ТХ> И <тт>.

Блок й включает комплекс дополнительных факторов процесса , которые являются элементами механического, физико-химического и других видов воздействий на детали, определяемых как факторы интенсификации. В данном случае принцип согласования и основан на формировании новых спектров = -[Т,РД}^8 и совокупностей • в которых значения Т, Р и^ ниже чем

в исходных^ 5,ь и <т,РД)с6, т.е. сближение 5е8 и 5Г происходит за счет 61 . Эти факторы - дополнительные тангенциальные напряжения, диссоциация и сублимация оксидных пленок и основного материала, использование косвенных эффектов при совмещении ПДСВ с другими процессами и т.д. - ранжируются как автономно, так и в сочетаниях (в том числе и с локализацией параметров) в зависимости от их эффективности и стоимостно-затратных показателей. Их поочередное использование определяет либо "+" выход на бл.И и конец процесса, либо "-" выход на бл.13 и бл. Р , предусматривающий реализацию ПДСВ через промежуточную прослойку. Отрицательный выход из оп.13 задает корректировку ТТ в оп.15, также как и "-" выход из бл.Р , т.к. задача в данных условиях неразрешима, и возврат на оп.2.

Блок Р представляет собой М." в гиде алгоритма технологического проектирования и основан на:

- расчете спектра 5сВ в отношении предполагаемой прослойки, исходя из гарантированного совпадения спектров $1&и 8Г ;

- использовании в качестве критерия оценки однотипных энергетических характеристик: величины и знака комплекса твердофазных топохимических взаимодействий в зоне шва;

- выборе Мепр , отвечающего как совокупности (ТТ), так и

■ В блоке Р предусмотрены варианты реализации схем соединений Ме° + + Меа и Меа+ НГ+ МГ + Меп'А + Ме6 , где

41 (1С*

пе - металл напыленного подслоя, используемый при отсутствии взаимодействия ( д?т>0 ) в системе Ме-Ме"р . Проектирование процесса ПДСВ по алгоритму бл. Р связано с последовательным расчетом

величин соответствующих реакций соединяемого материала с Ме"''

поочередно задаваемым из предварительно ранжированного количества М, причем N определяет число возвратов на данный оператор при отрицательном результате сравнения с заданной величиной. Далее предусматривается оценка возможности применении НеП1Л. Указанные расчеты производятся в отношении Ме и Ме& , с заданием очередности расчетов внутренними связями меяду блоками алгоритма.

Четвертая глава содержит описание конструкций, схем функционирования и рабочих характеристик комплекса средств оснащения процесса ПДСВ, в том числе универсального многоцелевого оборудования и устройств, приспособлений и спецоснастки конкретного назначения, обеспечивающих практическую реализацию разработанных технологических схем и принципов ПДСВ.

1. Установка ПДСВ с локальным электронно-лучевым (31) нагревом посредством сменного кольцевого катода с возможностью многошовной сварки за счет вертикального перемещения катодного узла.

2. Установка ПДСВ с радиационным нагревом (варианты исполнения до 1000К и 1350К) в сверхвысоком вакууме с регулируемым градиентом температур за счет переменного, монотонно изменяющегося шага и расстояния витков спирали нагревателя от его оси, и управляемых щелевых экранов, регулирующих теплоотвод.

3. Установка ПДСВ в сверхвысоком вакууме с внутринамерными испарителями материалов прослойки и манипуляторами.

4. Устройство для многопозиционной ПДСВ элементов на деталях типа тел вращения.

5. Сварочный модуль с комбинированным давлением, обеспечивающий проведение ПДСВ с одновременным действием нормальных к плоскости сварки и тангенциальных напрянений, создаваемых Рвн и Рт/н .

6. Устройство для многопозиционной ПДСВ по произвольно ориентированным позициям сварки с автономными замковыми элементами, обеспечивающими локальное давление Рт/Ч .

7. Приспособление для ПДСВ тонкостенных полусферических оболочек, в том числе с использованием элементов технологии изостатичес-кого прессования (ИП).

Пятая глава содержит описание основных элементов технологии, разработанных в соответствии со сформулированными теоретическими положениями, и примеры практической реализации ПДСВ при изготовлении высокоточных УТП.

I. Сборочные единицы гиропшборов. В качестве наиболее характерного изделия приведен бериллиевый рот чувствительного элемента (ЧЭ) электростатического гироскопа (ЭСГ), представляющий собой полученную сваркой двух полусфер тонкостенную сферическую оболочку диаметром ~ 50 од и переменной толщиной стенки: от (0,3.. .0,45)mi на полюсе до (0,5...1,66) мм в экваториальной зоне. Разработанные альтернативные варианты технологии ПДСВ роторов связаны с использованием в различных сочетаниях таких технологических приемов как применение промежуточных прослоек ( АЕ -проволока, Си и Ag-СЦ напылен ные слои), локальный ЭЛ нагрев, локализация Pcg на сварочных фрагментах, дополнительные тангенциальные напряжения, локальная сублимация Ве , элементы технологии ИП. Это позволило обеспечить комплекс (ТТ> , связанных с прочностью соединения Ор > 80 МПа, герметичностью на уровне течи гелия < 6,65.1o--1-3 м®Па/с, некруг-лостью еи4 0,012 мм, дисбалансом 4 0,02 мм, параллельностью свариваемых плоскостей (в случае AÍ - прослойки) - не хуже 0,005 м Приведенные зависимости Ор от Тс& и Рев для AB- прослойки определяют режимы ПДСВ в пределах Т = (733...813) К, Р = (20...30) МПа и t = (15...25) мин, обеспечивающие 6¡>= (80. ..ПО) МПа. Конечная толщина h прослойки АЕ при этом составляла (25...40) мкм. Для прослойки Си и Ag-tu при

Т = (763...833) К, Р = (15...30) МПа и t = (15...20) мин была получена G*p = (75...115) МПа, причем по сравнению с AB- прослойкой 6р имела большее значение при малых Рс& , что более наглядно проявлялось для прослойки Ag-Cu , где по данным металлографического анализа в меньшей степени имеет место образование интерметаллидов Сиве , чем для прослойки Си . Величину ■ 6р = 130 МПа при некруглости ротора ~ 0,004 мм позволял получать локальный ЭЛ нагрев при сварке через Ca - прослойку при Т = 873 К Р = 40 МПа и t = 6 мин.

Беспрослойная технология ПДСВ бериллия при Т= (1213.. .1233Ж Р = (3,2. ..4,0) МПа и t = (30. ..40) мин определяла, как с Рвн так и с Рт/н , Ор = (300...350) МПа, а использование тангенциальных напряжений Тк позволяло снизить Тс& до 1083 К и Рсб до 2,5 Мпа с получением Ор = (270...330) МПа. Существенное повышение Gp в области Тсе = (II23...II73) К обеспечивала локальная сублимация Ве за счет нагрева до Точ = 1223 К и выдержки t04= 15 мин. ПДСВ с локальным ЭЛ нагревом позволила при Т = III3 К, Р = 15 МПа и t = 8 мин получить СГр * 240 МПа.

Сварка роторов с элементами технологии ИП обеспечивалась нагревом полусфер, помещенных в сферическую полость, образованную выемками двух пуансонов,.'КТЛР материала которых меньше, чем у берпляия, до Tcí = 1223 К при совпадении диаметров полусфер и полости при Тс = (993. ..1008) К, т.е. в интервале ( Tt-Tt& ) имело место создание Рт/н , обеспечивающего радиально направленные напряжения

Q-paa , и деформацию обжатия ротора на величину &0 = (0,22.. .0,29км Эпюра напряжена i Cys корректировалась, исходя из переменной толщины стенок ротора, осевым усилием Рен подаатия пуансонов.

Металлографические исследования показали, что приведенный характер деформирования определяет модификацию структуры бериллия, связанную с формированием более компактных зерен, вытянутых в радиальном направлении, совпадающем с действием Ораа . Подобная, равнозначная по всей поверхности структура является наиболее оптимальной с точки зрения функционирования ротора в электростатическом подвесе. Микротвердость бериллия после сварки по подобной схеме увеличивалась на (20...25)$.

Как прием, обеспечивающий улучшение функциональных характеристик ротора, при сборке в сварочном модуле использовалась исходная ориентация полусфер с размещением центров масс полусфер в одной плоскости, проходящей через ось симметрии ротора, по одну сторону от этой оси.

Приведено описание ЦЦСВ сплошных бериллиевых роторов малогабаритного ЭСГ с армирующими элементами, размещаемыми в равновеликих выемках на роторе.

Применение метода математического планирования эксперимента позволило получить уравнение регрессии для прочности СР соединения в виде:

Ср [МПа] » ЗОМ -5,BXt+ г,5Хг +5.5Х, У-г * 3,8)!? + 3,7 ,

где Xj = О ± I [lt= (1213 * 30 ) к] и Х2 = О ± I 60 ± 20) мин].

Исследование структурно-чувствительных характеристик сварных узлов показали величины внутреннего трения СГ1 для соединений: Bf-Af- Be - Q"<-iOi| Н20; fie-Cu-Be - R"140,«30; 6e-8e - Q"1-(0<l«26 и Be (ccwsa) - Ч'-Ю1»« 20 при T=290K. Тангенс угла наклона амплитудой зависимости внутреннего трения (АЗВТ) для соединения бе-Ве составил: tg<¿ = 268 ± 60 {р= 0,Э5} • П-Ри tqdL = 208 + 30 -[Р = 0,95} для основы. Характер иаменения Q"' и модуля сдвига & от температуры у образцов йе и сварных узлов Ве-Ве практически одинаков, т.е. сварной шов не вносит изменений

при §295= 4,98 и

П77 = 0,93 мкОМ. 5 .см '

в упругие и неупругие свойства. .

Изменения удельного электросопротивления сварных швов и основы показали изменение этой величины Д§ для 295К и 77 К: ,

Ве-АИе: д$ 295 = и 24,02

8е-Си-Ве: Д|)2У5 = 2,0% и дд77 = 13,02

Ве-Ве: Л§295 = 4,0^ и д^77 = 0.756

для основы,

а расчет средних величин значений у зоны шва- 6е-Ве и основы, показал:

= 1,00; {Д =±0,05; Р = 0,95} ,

9ш/?7' = 1907; . {д = ± 0,25; Р = 0,95}т «ш/5 = 0,96; {А = ± 0,12; Р = 0,95}, (6.

Структура зоны шва ' бе-6е не отличается от структуры основы при толщине шва, соизмеримой с шириной границ зерен в Ве , а микротвердость металла шва и вне его составляет (2060 +170) МПа.

Далее приводится технология ПДСВ керамики о(-А8г03 и металло-ке-рамических узлов (МКУ) на примере полусфер и колец гирокамеры ЭСГ. В ЖУ с керамикой сваривались Т1 штырьковые гермовводы (телескопические соединения - ТС ),Та и Мо диафрагмы, регулируемые гермовводы из стали 12Х18НЮТ и сплава 36НХВ0.

Приведенные зависимости Ср от Тсв и Рса для соединения через А8 - прослойку, напыленные слои Се-Сц и Сг-Ад и комбинированные слои ( АР - проволоку и подслой Т| ) для соединения о^-АРЛ + 12Х18Н20Т (Я6НХТЮ) позволяют оценить адгезионную составляющую прочности (5р = (30...40) МПа и величину СГр= (80...140) МПа, определяемую термодинамической разрешенностью твердофазных топохи-мических взаимодействий в гоне шва,, и квалифицировать механизм образования соединения, как соответствующий сформулированным положениям и признакам. Это подтверждается тем, что при сварке через А£ -прослойку керамики и токопроводящих стекол, когда при Л?° для целого ряда твердофазных реакций имеют место такие факторы, как наличие областей гомогенности и взаимная растворимость продуктов реакции и исходных компонентов, что существенно повышает значимость признаков образования соединения, величина СГр во всем диапазоне исследуемых Т^ и Рсв выше, чем при сварке стали 12Х18Н10Т и сплава 36НХГЮ, когда указанные факторы менее выражены.

Для керамики и токопроводящих стекол в диапазоне Т = (723...848) К при Р = 15 МПа СГр увеличивалась с 75 до 130 МПа, тогда как сварка стали 12Х18НТ0Т при Р = 20 МПа, 1=8 мин обеспечивала 0"Р = (50...85) МПа.

Комбинированная прослойка - ( Др- проволока и подслой "П ) позволяла повысить Ор соединения о£АРгОл + 12Х1Ш10Т до 115 МПа при Р = 15 МПа и I = 15 мин. Соединение <МР,03+Т! при Т = 873 К и Р = 20 МПа обеспечивало Ср = НО МПа. При сварке керамических охранных колец с выполнением прослойкой функции коммутационного элемента, обеспечивающего электрическую связь электродов подвеса гирокамеры, использовались напыленные прослойки Сг-Сц и Сг-Ад , которые при Т = 793 К и Р = 15 МПа определяли СГР до 120 МПа.

Прогнозируемый механизм образования соединений подтверждается рентгеновским анализом порошковых моделей, спеченных при Т = 700 и 900 К, где в системе АР,03*Мп0 установлены дифракционные максимумы галаксита МпАРгО^, а в системе АРг05+5г04 - с меньшей достоверностью

- АРг5]0у. Характерной особенностью является наличие на рентгенограммах АРА'&Ог и АР.О/ПОг явно выраженных аморфных выпуклостей, что объяснимо для ¿Юг , являющегося стеклообразователем, а для Т|Ог -

- может означать наличие взаимодействия с образованием фаз переменного состава. Металлографический и электронно-микроскопический анализ сварного соединения токопроводящих стекол показал наличие между ДЕ и стеклом переходной зоны, а харктер распределения в области шва Мп+ги 0 8 позволяет предположить, что она представляет собой шпинельную структуру, что согласуется с данными теоретических расчетов и сформулированными признаками образования соединения.

Далее представлены схемы реализации сварки ТС МКУ для соединений сША41по приведенным режимам за счет выдавления в цилиндрический зазор АВ-прослойки, трансформации усилия одноосного сжатия охватываемой детали при ее деформировании в радиальные напряжения, передаваемые на прослойку, и использования деформаций среза прослойки при осевом сдвиге свариваемых деталей. При многопозиционной ПДСВ гермовводов в полусферу ЗСГ ступенчатый режим сварки и профилированные пуансоны обеспечивали заполнение прослойкой зазора "0,1мм с последующим деформированием гермоввода и уменьшением зазора до 0,02 мм, что позволило получить искажение рабочей поверхности МКУ после доводки не более 0,3 мкм. Приводится технология ПДСВ и конструкция таких МКУ, как регулируемые гермовводы (о6/\У5+ 12Х18НЮТ), кольца гирокамеры с диафрагмами (Та и Мо + ¿АРА), электродные опоры

малогабаритного ЭСГ («Н^+П ), и т.д., где основными <тт> было обеспечение соосности узлов в пределах 0,01 мм и углового позиционирования с точностью + 10 .

В других узлах гироприборов обеспечивались некруглость ~ 0,2 мкм и соосность ~ 2,0 мкм при сварке бериллиевой шаровой опоры с осью, и заданные осевой (0,007...0,011) им и радиальный (0,005...0,0085) мь люфты при сварке бериллиевых чаш ротора, а также ЦЦСВ пилусфер из составных частей - Ве (датчик угла) и сплав 80НХС (датчик момента) с соосностью ~ 0,005 мм шарового гироскопа с аэродинамическим подвесом ротора- В двухстепенном поплавковом гироскопе была реализована сварка рамок ( ве ) с контактами (Си ), а в сердечниках гравиметра •

- осей ( Бе ) со штоками ( Вб ) и ферритовыми магнитопроводаш.

2. Изделия техники ионизирующих излучений. Приводятся технология и особенности ЦЦСВ узлов и элементов таких приборов регистрации ионизирующих излучений, как газовый сцинтилляционный детектор (ГСД) и пропорциональный счетчик (ПС): входные окна, представляющие соединение Ве фольги толщиной (0,2...0,02) мм с манжетами из стали 12Х18Н10Т, выходные окна (монокристалл селлаита М3Рг с манжетой из сплава 47 НД), корпусные МКУ (керамика о<-АРг03 с сеточными электродами и оправами из Мо и ковара 29 НК). Сварка осуществлялась через АВ-прослойку, согласно разработанной технологии, и через

Си - фольгу при Т = (1173...1223) К. Рассмотрены характер деформации и возможные механизмы образования соединения при сварке через АС-прослойку селлаита МдРг.

'3. Узлы с длинномерными капиллярными каналами изготавливались сваркой двух полуэлшектов, на свариваемой поверхности каждого из которых методом, например, скрайбирования выполнялись полуотверстия каналов сложной ориентации, что обеспечивало при стыковке и сварке формирование единого канала. Исходя из применяемых материалов:

- сплав 0Т4 и сталь 12Х18Н10Т, - использовался прием, связанный с нагревом деталей перед сваркой до Точ>ТсВ; для 0Т4 - Точ= П83 К

и для стали 12Х18Н10Г - Точ= 1ЭЯЗ К, с выдержкой в течение 15 мин, что способствовало удалению оксидных пленок: у сплава 0Т4 - за счет растворения в металле, а у стали - за счет частичных диссоциации и восстановления углеродом. Это позволило снизить уровень термомеханических воздействий при сварке: для 0Т4 - Тс6= ПОЗ К и для 12Х18НЮТ - ТС8= 1313 К, что в совокупности со схемой деформирования, соответствующей еэ-е'ч (рис.2) при £чшТ= 10 с"

исключало преимущественную деформацию в приконтактных слоях и обеспечивало (ТТ) по геометрии канала и качеству соединения.

Использование результатов работы в конструкции ЭСГ позволило значительно улучшить функциональные характеристики изделия и решить проблему создания находящегося на уровне лучших образцов зарубежной техники сверхточного электростатического гироскопа, а в целом на основе технологии созданы навигационные приборы, которые находятся в эксплуатации на действующих объектах морского флота более десяти лет.

Разработанный ГСД по сравнению с известными аналогами имеет энергетическое разрешение выше в пять раз, амплитуду импульса выте в дес ть раз и не требует использования криогенной техники, а ПС - ресурс работы больше в три раза. Целый ряд узлов является впервые реализованными конструкциями, что определяет качественно новые характеристики изделия.

ВЫВОДЫ

1. Предложенная на основании обобщения и систематизации известных и перспективных технологий сварки структурная схема решения задач прецизионной диффузионной сварки в вакууме (ПДСВ), представляющая собой иерархическое дерево совокупности методов, приемов и средств технологии, выраженных как классификационные признаки разных уровней, позволяет определить основные подходы и предпосылки построения процесса сварки узлов точного приборостроения (УТП), которые основаны на локализации параметров (температура Т , давление Р ) ЦЦСВ, использовании факторов интенсификации процесса (касательные напряжения, локальная сублимация) и регулировании термомеханических воздействий на детали на прецизионном уровне.

2. Разработанная информационно-логическая модель (ИЛМ) проектирования ЦЦСВ обеспечивает управляемый характер процесса построения технологии сварки, формализуя последовательность действий и принятия решений при поэтапном выборе и оценке эффективности использования различных технологических приемов и средств реализации соединения УТП, что достигается выявлением и формированием совокупности параметров <т,РД)с6 , необходимых для реализации требований качества сварного шва (ТТ)св , и совокупности параметров

<Т, Р^У , допустимых исходя из обеспечения требований по геометрии узла <ТТ)Г , с последовательным согласованием указанных совокупностей:.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов, протекающих в зоне контакта при сварке через промежуточные прослойки, определяют возможность выбора материала прослойки на основании расчета изобарно-изотермических потенциалов л^т последовательных твердофазных топохимических реакций в зоне шва

с использованием в качестве критерия оценки возможности образовав ния соединения величины и знака , что является основой для разработанной блок-схемы алгориша технологического проектирования ПДСВ через промежуточные прослойки, входящей в ШМ в качестве одного из наиболее эффективных средств обеспечения прецизионности сварки.

4. Т&зработанные принципы, математическая модель в методика расчета процесса формообразования проволочных прослоек позволяют определить геометрические параметры и конфигурацию исходной прослс ки, тепловое расширение которой при нагреве до температуры сварки обеспечивает требуемую взаимную ориентацию прослойки и свариваемых деталей с учетом схемы фиксациии прослойки и соотношения теплофизи ческих свойств прослойки, деталей и элементов сварочного модуля.

5. Сформулированные принципы построения ПДПВ, основанные на приведении объекта сварки к механической модели, в отношении которой наиболее очевиден расчет деформации одноосного сжатия, за счет фрагментарной декомпозиции и использования элементов принудительного деформирования фрагмента детали совместно с упором, выпол ненным в составе сварочного модуля, в совокупности с разработанными схемами прецизионного деформирования, которые связаны с комбине рованием этапов автономного и совместного деформирования фрагменте деталей и упора, позволили осуществить управление терломеханичеекг ми воздействиями на детали на прецизионном уровне, обеспечивая их деформацию по заданной програше и рейдируя как величину, так и скорость деформации.

6. Разработанные технология и методика расчета ПДСВ с использованием элементов изостатического прессования обеспечивают сопутствующую модификацию структуры материала, связанную с уплотнением и направленной ориентацией исходных зерен, что подтверждено при сварке тонкостенных полусферических оболочек из поликристаллического бериллия.

7. Разработанная совокупность технологических процессов ПДСВ

э отношении ряда конструкционных материала УТП (бериллий, керамика) а наиболее типичных узлов (тонкостенные оболочки, телескопические зоеданения) содержит как унифицированные, так и альтернативные варианты технологии, что определило возможность создания базовых элементов технологии Ц7ТСВ УТП, позволяющих полутать высокоточные сварные соединения в диапазоне температур от 733 К до 1273 К, с использованием различных промежуточных прослоек ("проволочные, напыленные, комбинированные) при различных схемах и условиях деформирования.

8. Разработанный комплекс многоцелевого сварочного оборудования и спецприспособлений обеспечивает возможность ДИРВ, в том числе и многопозиционный, УТП широкого круга типоразмеров в условиях сверхвысокого вакуума, радиационного и локального электронно-лучевого нагрева, регулируемой нагрузки и давления термонатяга.

9. Технологические процессы ПДОВ реальных УТП - узлов и элементов гироскопических приборов, сборочных единиц приборов регистрации ионизирующих излучений, узлов с длинномерными капиллярными каналами изделий аналитического приборостроения - позволяют существенно повысить функциональные характеристики изделий (точность, чувствительность, надежность).

Наиболее существенные положения и результаты диссертации отражены в 134 публикациях, основными из которых являются:

1. Щербак А.Т., Беляев Н.И. Беспрослойная технология диффузионной сварки ротора ЭСГ. Материалы ХУЛ межотраслевой НгТ. конференции памяти Н.Н.Острякова, Л-д: ЦНИИ "Электроприбор", 1990, с.335-336.

2. Щербак А.Г., Беляев Н.И., Кедров В.Г. Исследование возможности изготовления полусферических оболочек диффузионной сваркой в вакууме деталей из бериллия и сплава 80НХС. Материалы XI межотраслевой НгТ. конференции памяти Н.Н.Острякова, Л-д: ЦНИИ "Электроприбор", 1979, с.222-223.

3. Щербак А.Г., Беляев Н.И. Оборудование многопозиционной диффузионной сварки узлов точного приборостроения. Достижения и перспективы развития диффузионной сварки. Материалы конференции, М: МДНТП, 1990, с.121-126.

4. Щербак А.Г., Казаков Н.Ф., Кедров В.Г. Состояние и перспективы развития ДСВ деталей и узлов гироприборов. - Сб. "Вопросы кораблестроения", вып.25, 1977, с.46-47, ЦНИИ"Электроприбор".

5. Щербак А.Г., Кедров В.Г., Беляев Н.И. Многоцелевая установка диффузионной сварки в сверхвысоком вакууме. - Сб. "Вопросы кораблестроения", вып.5, 1979, с.88-94,-ЦНИИ"Электроприбор?

6. Щербак А.Г., Кедров В.Г., Беляев Н.И. Разработка универсального устройства для диффузионной сварки элементов гироприборов. -

- Сб. "Вопросы кораблестроения", вып.6, 1980, с.114-120, ЦНИИ'Электр прибор".

7. Щербак А.Г., Кедров В.Г. Диффузионная сварка телескопических соединений. Тезисы докладов УШ Всесоюзной конференции по ДСВ,

М: МИНВУЗ СССР, 1977, с.41-42.

8. Щербак А.Г., Кедров В.Г., Мосичев И.И., Беляев Н.И. Диффузионная сварка телескопических соединений. - Сб. "Вопросы кораблестроения", вып. 32, 1978, с.I2I-I24, ЩИИ"Электроприбор'.'

9. Щербак А.Г., Кедров В.Г. Информационно-логическая модель технологического проектирования прецизионной ДСВ узлов точного прибо ростроения. "Гироскопия и навигация", 1994, Л 3, с.77-86.

10. Щербак А.Г., Кедров В.Г. Проектирование технологического процесса в условиях твердофазного взаимодействия с использованием элементов системного анализа. - Сб."Вопросы кораблестроения", вып.9, 1983, с.3-15, ВДИИ"Электроприбор".

11. Щербак А.Г., Кедров В.Г. Термодинамический анализ механизма образования соединения при низкотемпературной ДСВ узлов и элементов гироприборов. - Сб. "Вопросы кораблестроения", вып.7, 1981, с.70-78, ЦНИИ" Элекгроприб ор'.'

12. Щербак А.Г., Расчет конфигурации проволочных кольцевых прослоек при диффузионной сварке тонкостенных роторов шаровых гироскопов. - Сб. "Судостроительная промышленность", сер. "Навигация и гироскопия", вып.23, 1989, с.74-80.

13. Щербак А.Г. Технология беспрослойной ДСВ полусфер ротора ЭСГ. - Сб. "Судостроительная промышленность", сер. "Навигация и гироскопия", вып.26, 1990, с.91-96.

14. Щербак А.Г. Управление термомеханическими параметрами диффузионной сварки прецизионных узлов и элементов. "Гироскопия и навигация", 1994, И 4.

15. A.c. № 510029 СССР, Установка для ДСВ /Щербак А.Г., Беляев Н.И., Мосичев И.И., з-ка ¡1 1947055 от 23.07.73, МКИ В23К 19/00.

16. A.c. № 592546 СССР,Способ диффузионной сварки керамики /Щербак А.Г., Беляев Н.И., Мосичев И.И., з-ка tf 1960256 от 25.09. 73, МКИ В23К 19/00, БИОТЗ & 6, 1978.

17. A.c. J£ 610639 СССР, Устройство для ДСВ /Щербак А.Г., Беляев Н.И., Кедров В.Г., Мосичев И.И., з-ка № 2350013 от 17.04.76, МКИ В23К 19/00, БИОТЗ & 22, 1978.

18. A.c. № 910383 СССР,Способ получения соединений телескопического типа /Щербак А.Г., Мосичев И.И., Кедров В.Г. и др., з-ка

Л 2933909 от 09.06.80, МКИ В23К 20/16, БИОТЗ № 9, 1982.

19. A.c. № II00064 СССР, Установка для ДСВ /Щербак А.Г., Марков В.А., Мосичев И.И. и др., з-ка № 3580361 от 17.01.83, МКИ В23К 20/14, БИОТЗ it 24, 1984.

20. Патент Pi Ii 1738557, Установка для ДСВ /Щербак А.Г., Марков В.А., Мосичев И.И., Музалевский Ю.С., з-ка № 48522SB от 19.07.90, МКИ В23К 20/26, БИ № 21, 1992.

21. Патент Ji I7946I4,Способ изготовления изделий с длинномерными каналами /Щербак А.Г., Мосичев И.И., Марков В.А. и др., з-ка Jf 4918474 от 17.12.90, МКИ В23К 20/14, ЕИ Jf 6, 1993.

ЩЕРБАК Александр Григорьевич

ПРЕЦИЗИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ УЗЛОВ ТОЧНОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано к печати 17.12.94 Бумага тип.1 Формат 140x200. Усл.печ..л. 2,0. Усл.-изд.л. 2,0 Заказ N 248. Тираж 80

197046, С.-Петербург, ул.Малая Посадская, 30, ЦНИИ "Электроприбор",