автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка припоя и технологии пайки для построения ферменных конструкций в космическом пространстве

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ Институт электросварки им. Е. О. Патона

ШВЕЦ Валентина Ивановна

УДК 621.721.35 + 621.791:629.78

РАЗРАБОТКА ПРИПОЯ И ТЕХНОЛОГИИ ПАЙКИ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ФЕРМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Специальность 05.03.06 — Сварка и родственные технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Киев-1998

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Институте электросварки им,

Е. О. Патока ПАИ Украины.

< Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Хорунов Виктор Федорович,

Институт электросварки им. Е.О.Патона ПАИ Украины. . . заведующий отделом

Научный консультант

кандидат технических наук Лапчинский В. Ф.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Аснис Ефим Аркадьевич, Институт электросварки им. Е.О.Патона HAH Украины, ведущий научный сотрудник

кандидат технических наук , доцент Самохин Сергей Михайлович, Украинский государственный морской технический университет' им. С.О.Макарова, доцент . кафедры сварочного производства

Ведущее предприятие: РКК "Энергия" им. С.П.Королева, г.Калшшпград, Московской обл.

Защита состоится " // " 1998 г.в'__часов на зэседании специализи-

рованного ученого совета Д26. 182. 01. при Институте электросварки им. Е. О. Патона HAH Украины по адресу: г. Киев, ул. Боженко, 11

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Института электросварки им. Е. О. Патона HAH Украины

Автореферат разослан

- ¿У vi

1998 г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета доктор технических наук

Киреев Л.С.

. i

етпАЯ хшасгошликл ЙАНУШ

Актуэльпэсть Развитие космгнавтнки позволило перейти к созданию дли-.

дельно функитшфуюдах орбитальных научно-исследовательских комплексов. Построечке 'аких комплексов требует разработки способов получения неразъемных соединений, >езки, а тага-® режнта мэталпоконструвдй в открытом косьюсе.

, В ИЗС им. Е. О. Патона проводятся систематические исследования, направление на решение' этих- проблем. Натоплен большой оСгъсм экспериментальных данных по жарке основных конструкционных материалов в условиях, мэделирупдах коаические. [роведены эксперименты ро сварке в космосе.

Пайса является конкурентнсспосоСным, а в ряде случаев единственно возмж-им способом получения неразъемгаи соединений. Из достоинств пайки, игравших важ-1уп роль при Проведении работ в экстремальных условиях, следует отметить малую 1нергоемкос?ь, высокую технологичность, Паяное соединение допускает распайку, а, следовательно, ремэнт. конструкций.. Пайкой маяно соединять разнородные, немэталли-геские и термически нестабильные материалы без потери свойств,

. Для реализации технологических процессов в космэсе оптимальным источником гагрева является электронный луч. В ЮС создан электронно-лучевой универсальный >учной инструмент (УТИ), ведутся работы по разработке етециализированных . алек-ронно-лучевых установок. ■ >■■

В числе первоочередных задач при создании орОитальных комплексов рассматри-(ается построение, в качестве несущих элементов, ферм различного назначения. Учитывая конструктивную слояиость узлов ферм, а также использование для их изготовле-тя тонкостенных материалов, представляется целесообразные решение этой проблемы 1а основе паяных соединенийо

Цвль робота, разработать припой и технологию электронно-лучевой пайки для юс троения ферменных, конструкций из. сплавов 36ЮШ) и Жг5 в условиях открытого здсмэса с использованием УШ. ' • ' •.". ;

Для достижения этой цели необходимо было решить следаотие задачи: ■ ,'Ш провести анализ литературных данных о поведении расплава' припоя в услони-. ях мсфогравитаЦии и вахжого вакууыа> а осуществить выбор основы и система легирования припоя для пайки - сплавов

36НХИ0 и ДМг5 электронным лучом в условиях открытого космоса; .■ .

В исследовать структуру, • фазовый состав, • процессы плавления (крисг&л-.лизации) и технологические свойства сплавов системы, перспективной в качестве припоя, в широком интервале концентраций и на основе полученных данных определить оптимальней состав припоя; . ■ определить способ подготовки поверхности сплавов Дмг5 и 36НХТ50, обеатечи-вагамй паяшосгъ узлов ферм в кооссе;

В разработать технологию электронно-лучевой пайки узлов ферменных конслрук дай is сплавов Жг5 и 36HX1J0 дги проведения, сборочных работ в космосе ■ использованием УРИ;

В исследовать особенности формирования/ . структуру, хиьетческу» иеоднород ■ ■ ность и свойства соединений узлов ферменньк крнструкций из сплавов АМгЬ 36HXU0.

Матодц иоспаяэвалий. В работе использованы современные методики оптическс и растровой микроскопии, дифференциального терьяческого, рентгеноструктурного кякрорентгеноспектрального анализов. Исследование прочностных характеристик гдаипс ев и паяных соединений проводили при .испытаниях "на растяжение с использование стандартных методик. Растекаемзсть припоев определяли согласно ГОСТу 23304-79.

Научная нэвиака. 1. Установлено, что усиление влияния сил, поверхностно! натяжения в мдфогравитании способствует улучшению фсрлгроаання таязгых швов, эз полнению более широких, чем на' Земле, зазоров. Диссоциация терг-сшингАЯчгски устоР чивых оксидов (например, хрома, титана, алкьмния) в области исследованных теьшерг тур в космическом вакуума не-достигается. Форьирование и¡кроаруктури паяных сс еданений в космосе происходит в соответствии с закономерностями, - установление при анализе соединений, полученуых в земных условиях.

Z. Впервые получены данные о микроструктуре, фазовом составе и интервал плавления сплавов-оловянного угла систеш Sn-Ni-Ge. Изучена растекаеьость припое этой системы в зависимости от концентрации Ni и Ge." , : , '

3. Выявлены особенности образования.струкгури паяного соединения, получе* кого в условиях высокого градиента, температуры (150 КЛъ!) ; микроструктура it фазе вый состав в каждом сечении Соответствуют микроструктуре и фазовому составу соед. нения, полученного в изотермических условиях' при тех же параметрах пайки.

4> Впервые изучены особенности образования сварно-паяного соединимя п{ нагреве сфокусированным алектрчнньы лучом. Обнаружен активней шссоперенсс припс в зону действия луча, обусловленный, по-видимому, термкал-ллярным эффектом Mapai

ТОНИ,- ' ...

5, Установлено положительное влияние германия в г;рнпоях на оловянной осног на взаиюдействие жидкой и твердой фаз при пайке сплавов.на основе железа: подш ляется образование слоя станидов железа на контактной границе с осиозкьг.! металлов

' На аащяу шлюсятся следущие. положения: ' X. Состав припоя системы Sn-tli-Ge, удовлетворятй требован:1км пайки эr.zi тронным лучом в условиях коолэса.

2, Результаты исследования структуры, фазового состава, процессов криста1 лизании (плавления) сплавов оловянного угла систеъы Sn-Ni-Ge. .

. . 3. Технология пайки'узлов ферменных конструкций из сплавов-и Збнхйэ условиях отарытого коемзеа с Использованием электронно-лучевого нагрева.'

3 • '

4. Результаты исследования особенностей формчрования соединений элементов

шов ферменных конструкций из сплава ЗбНХТО при электронно-лучевом нагреве с зименедаем УРИ. -

Результаты анализа структуры и химической неоднородности паяных.соедине-й стали 30 и.сплава ЗоНХИО, полуденных в условиях высокого градиента температуры ISO K/m) при нагреве электронным лучом.

6. ОсоСенности структуры й хюличоской неоднородности переходных зон паяных ».синений зг.ешитов узлов ферменных инструкций из сплава А№5,. паяемых по киг иа>--аповяккому и ;глкель-медному покрютям.

>"-7, Механизм и последовательность разрушения ижель-кедного покрьямя на тля«« Л!;?- ¿.р:: гт-Гте гтрипоьм ¡¡а ологлг'сй основе. Влияние мгяи на ■ протекание эоцесса. •

8. Результата анализа соединений элементов узлов ферменных конструкций из глава 36НХПО, полученных в открытом космэсе с использованием УРИ.

• Практическая «знностъ и рваяиэация реаультатсо работы. На основании провеянных исследований создан легкоплавкий припой система Sn-Ni-Ge для низкотемпера-/риой вакуумной пайки. " ■

Рз-зсаботана технология электронно-лучевой пайки узлов ферм из упругого продля незамкнутого сечения (сплав ЗбНХТО) . Б юе 1S36 г. космонавтам? Л. Д. КИзим»!

В. А. Соловьевьм в открытом косшсе проЕеден эксперимент по пайке элементов злов с помзамо УРИ. Результаты эксперимента подтвердили перспективность техноло-;ти для проведения сборочных работ в космических условиях.

Разработана технология электронно-лучевой некапилярной пайки узлов ферм из плава ДМг5 для сборки ферйекных конструкций в космэсе. Формирование соединений, олученных в вакуумной камере на Земле, признано удовлетворительным.

Апробация работы. Отдельные положения диссертационной работы докладывались а всесоюзной конференции "Технологическая теплофизика"' (Тольятти, 1988 г.),. сесоюэной конференции "Сварка, пайка, нанесение покрытой и восстановление, изно-енных деталей" (Тольятти, 1992 г.)...

Диссертационная, работа в целом обсуждалась на технологическом секинаре ЮС . ?.!. Е. О. Патона (1997 г.).

Пуйлиюгда*. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ и пелу-[ено 1 авторское свидетельство.

Структура и с&ъсы дассертавди. Диссертационная работа состоит из введения, > глав,' оСвих выводов и списка использованной литературы. Работа солерягг лраниц, в том числе if. У страниц машинописного текста, 4 .-1 рисунков, А?> таблиц и наименований. •

• Во введении обоснована актуальность, выполнения работы, сфс^уяированы цель 1 задачи исследований, а также , .положения; которою выносятся на эапиту.

' ' •.-.... 4

В первой главе на основе анализа литературных данных о поведении расплавов

; в мюфогравитации и высоком вакууме, а такте свойств соединяемых материло» и особенностей электронно-лучевого нагрева вЦцвинум требования к. припойном/ материалу и обоснован выбор рациональных технологических приемэв пайки узлов ферменных конструкций из алюминиевых сплавов и сплава 36НХТО.

, Во второй главе, дано описание используемой в работе аппаратуры и краткая характеристика методик исследования. .•'•'*.-.

В третьей главе аргументирован выбор основы и система легирования припоя. Представлены результата исследования структуры, фазового состава, особенностей процесса плавления (кристаллизации), а тага® технологических свойств сплавов оловянного угла системы Sn-Ni-Ge. Определена область оптимальных составов припоя.

В четвертой главе рассмотрены вопросы технолоши пайки узлов ферменных' конструкций из сплава 36КСГО, Описаны особенности фор-яровакия, . макроструктура и химическая неоднородность соединений, полученных с применением разработанной тех' HonoiTOt. Представлены результаты эксперимента по пайке элементов узлов феряанных конструкций в открытом космосе с использованием УРИ.

В пятой главе рассмотрены вопросы технологии пайки уапов ферменных- конст-. рукций из сплава АМг5. Описаны результаты исследования макроструктуры и химической ' неоднородности соединений элементов узлов ферм, шлученньк с использовании! разработанной технологии. ."'...''■ ■

В оОцюс выводах сформулированы основные результаты работы; ■

оаюенсе оодЕга&иие кйшш. К настоящей' времени пайка является широко испальзуеььы. гзэоцессоы, -который продоиает находить новью области применения. Косых; является садкой из таких областей. проведение работ в открытом космосе, где условия во Слогом отличны , от земных, требует прющипиально нового подхода к решению вогфоса получения соедане-ний пайкой. . • '

Наиболее ваиными фактора!®!, определясвдаи ход технологачасгаос процессоа при работе в космэсе, явпяргся, прежде всего, космический ижууи и ыикротравита-ция. На высотах, на которых обычно летают космические аппараты, давление составляет 10"2.. ДО*4 ■ Па, гравитационное поде, - действующее з кооа-г-юак«! полете -0,0001.. .0,00001 да. Тепловой режим характеризуется терьсдасжроам;«-!. Интервал температур, в пределах которого-мзкет находится объект,. составляет -150.;.+130 X.

* Поверхностные силы яаляигся основными при фондировании паяного етядаиегв«!. Возрастание их роли в условиях микрохравитадаи увеличивает технологические возмзж-ности пайки. Космическое пространство является естественной средой доя реализации вакуумных технологий.-- Высокие степень разрежения и откачки газов и паров от испытуемых объектов в коаюсе усиливают преимущества вакуумной пайки.

Концентрированные источники тепловой энергии (световой, электронный луч) оздают неиэотермнчесхие условия нагрева. Температурное поле на изделии без скани-ования луча характеризуется высоким градиентом температуры.

Анализ литературных данных о воздействии космических условий та материалы , оказал, что припой для электронно-лучевой пайки в космосе должен отвечать следую-им требованиям:

1. Припойный материал дагиоен иметь гафокий диапазон рабочих температур с еыпературатурой распайки соединения вдае +Х50°С.

2. Необходима исклшить из состава припоя элементы с высокой упругостью па-а (Lí, Мд, Fb, Bi, Sb, Cd и др.). Испарение при нагреве и последуй^ осаждение тих элементов мзгет оказать отрицательное воздействие на Аппаратуру и оператора, ри избирательном испарении отдельных компонентов возможно изменение'свойств мате-иалов и нарушение технологических процессов. Летучие элементы в микрогравитации огут служить причиной образования пор в шве.

3. При' низкотемпературной вакуумной пайке прилей не должен содержать эде-ешы, образующие между совой, с основой припоя,' элементами околостанционной' атмз-феры высокотемпературные соединения, ce грегорукшие на поверхность расплава и репятствупдие смачиванию.

<1. Содержание газов в припое дедаяо Сыть минимальным, так как в микрограви-аиии затруднено разделение газообразной и жидкой фаз. Это мотет служить причиной браэопанля пер в шве.

Сплав 36НХТЮ - термически нестабильный материал, допускаетаий нагрев Оез поври свойств до 650°С. Более высокие температуры при проведении технолоптческих перлций воамлиы [три кратковременном нагреве. Высокотемпературная пайка алпминие-ых сплавов проводится при температуре, Слизкой к температуре ш оачицуса, что оздает опасность полплавления. Поэтому для электронно-лучевой пайки узлов ферм елесэобразн«-' использовать легкоплавкий припой.-

Пайка сплава 36НХИО и алетииниевых сплавов затруднена высокой химической тойкостыэ слоя оксидов на их поверхности,. Разрушение ее путем самопроизвольной иссошаиии невозможно, даже в условиях высокого вакуума.

П[)и анализе способов подготовки поверхности к пайке установлено, что наибо-ее рационально использовать технологические покрытия, oOecne'-ereaorjfe хоровую аяе'-юсть и сохрзняпдае это свойство в течение достаточно длительного срока. Суше-твенньм -преимуществом этого способа является то, что все операции по нанесению скрытий проводятся' на Земле.

Анализ свойств припойных материалов по литературным источникам, а такте редвэрительно проведенные экспершкнты дали основание в качестве основы гдзипоя ыбрать олово, а в качестве легирушя элементов - никель-германий .

. Германий и никель практически нера створи!.« в олова в твердом состоянии. Поэтов/ имеется возможность дисперсионного упрочнения сплавов на основе олова за счет выделения избыточных фаз - германия и станидов никеля. >

Известно, что германий в олове в определенном тедаературно-концетрадаонном интервала является повирхносгно-активкьм элементом. При ■ совместном легировании олова никелем и германием происходит изыальчение интерметаллвдшых фаз, что усиливаем эффект упрочнения.

Крала того,' германий иывет вьожую раствогаыость в железе и никеле (да 17 и 12ат.% соответственно) и заметно воздействует на процесс взаимодействия твердой , и жидкой фаз: в соединениях стали 30 и сшива 36НХП0, полученных с использованием припоя состава Бп~2М.-4(Зе, подавляется оОразование на границе с основным мгталпам слоя.станвдов железа, что полсскггельно влияет на" прочностные гсарактеристаки. С применением известных припоев на оловянной основе достичь такого эффекта не'удается.'

Иеслеузтваны разрезы оловянного угла диаграммы состояния система Бп-Ш-Се ори постоянном содержании Ш 2 %' и постоянном содержании Се 5 %. Сплавы nepBC.fi группы исследованы в интервале концентраций ве 1... 30 %, сплавы второй 1рупш г- в интервала концентраций N1 4.. .25 %.

Оловянный угол диаграммы состояния систеш йп-ПХ-Се не изучен. Исследование структуры, фазового состава и процесса плавления .(кристаллизации) проводилось на основа результатов металлографического, рентгенофазового, дифференциального терш-ческого анализов с пр4 излечением двойных диаграмм состояния систеи Бп-Ш,. Зп-Се, Ш-ве. ' .

Ь!икроструктура сплавов первой группы представляет соСой •Яверауй раствор на основе сшова, содержащий включения, состояние из фаз на основе Се и ШСе . (см. тайл.). Процесс 1фисталлиза15:и 'сплавов - шогостадийый. На териограг&ах наОнвда-ются три пика. Третий пик, скацаыиийся п область высоких тшператур при увеличении содержания германия,'.соответствует терм«ескому эффекту кристаллизации первичного германия, второй - тершческому эффекту фазового превращения, при котором образуется соединение ШСе, по-видиьюму, кристаллизации двойной эвтектики Се-КхОе, пер-еый - кристаллизации матрицы сплава. -Температура сояидуса сплавов соответствует температуре плавления олова, температура ликвилуса растет с увеличением содср.глни>» г^грглания. ,

Кюфоструктура сплавов второй группы также представдяет собой тверд»! раствор на -основе адова, содержащий, однако, включения, состоящие из фаз на основе соединений Ш.й1, ШзБгц. Необходимо отаетить, что вопрос о существовании в двойной

• * Здесь я далее по «илу содержат« элсагагав приведено (ш %

турных составлявших сплавов. Незначительное количество его ■ содериится в твердом растворе на основе олова, во включениях концентрация составляет 5.. ДО %. ТсЛиар- ФтовыАахтгеаотляжмснсга»! ат^гинпяхтытрпипЛ '

Г^ито Оркпрга Пгягнтя MJCA [^жашрапянзфетоагоатта

erases агтжякюш .-»сшпилпигизш»6/«

Sn N Ge

а Мирю СЫшсе а loo. u 03MU5 ¿РпхраьАрослэоркюсзсгеЗп

1 Есктпя» 5-10 - 9095 Ос

- » «41 »■» ■ . N»(55% ОД

? ПКЙШ5Я «V!»» »41 S9 N23«6<i91%Sn)

62-М 28-30 3-7

На терлогра'ллах сплавов второй группы также зафиксированы три' пика. Третий пик соответствует термическому эффекту образования первичной фазы на основе соединения NiSn, второй, по-'видомэму, - тер-ическому эффекту перитектического превращен ния, при' котором образуется соединение NiiSm, третий - кристаллизации матрицы. Тег.гтеретура солицуса сплавов соответствует температуре плавления олова, температура ликвидуса растет с увеличением содержания никеля.

При исследовании состояния сплавов при сверхнизких, температурах установлено, что в сплавах оловянного угла система Sn-Ni-Ge подавляется характерное для чистого олова зллстропическое превращение при -13 °С.

Изучение растекаемгзсти по никелевому покрытию на сплаве ЗбИХТО при С00 "С показало, что введение никеля (вместо слева) в сплав Sn-5Ge в количестве 1,0... 2, дает наилучший результат. При бол--е высоком содержании никеля растекае-ьюсть резко уменьшается (рис. 1, а) .

Аналогично, наилучший результат дает введение германия (вместо слова) в количестве 1,5... 5,5% в сплав Sn-2;Ji. При Сслее высоком содержании герг.ания расте-каемэсть также резко уменьшается (рис. 1, б) .

Результаты исследования структуры и интервалов плавления позволили объяснить ход полученных нами кривых концентрационной зависимэсти растекземэсти сплавов с-ловянного утла смете!и Sn-Ni-Ge. Температура ликвгшусэ сплавов растет.с увеличе-даем содержания никеля и германия, В случае, когда температура ликвидуса выле температуры пайки, сплавы представляют ' собой гетерогенную сметег-у: расплав олова .содержащий Ni и Ge в пределах растворимэсти, я кристаллиты избыточных фаз (Ge, NiGe,. NiSn, ffijSru). Растекаедасть определяется объемной долей, жидкой фазы, которая уменьшается с увеличением содержания Ni и Ge. ..

- По результатам исследования растекаемзсти при пайке узлов ферменных конструкций. в качестве припоя использовали сплав состава Sn-2Ni-4Ge.

8)

S.uu*

120 100 80

SO «

20

t г ■1Т1ТГ

kSnJNk..C»

% Gi

4 8 12 16 20

% Ni

a

S 12, 16 20

Рке. 1. Каицылрпцготмя ивккнаеть ptiiiinMun сшивав (ГОСТ 23Ü&4-7Í) (Иi minnacout покрытию м cante» ЗвНХТЮ upa в00°С.

Используя результаты предварительных исследований, разработана технологам пай« узлов трехгранной решетчатой ферьы из упругого цилиндрического профиля незамкнутого сечения {сплав

ЗбНХТЮ). Конструкция фермы> требует соединения продольных поясов (ребер) с

поперечили элементам - треугальньыи рамами, в вершнах которых распалссягны узловые втулки (рис. 2), выполненные из стали 30.

Подготовка поверхности профиля к пайке закпшалась в магнито-абразивной очистке и термэвакуушом напылении слоя никеля толщиной около 10 ыкм. Прилей в виде слоя полуда наносили на внутреннею поверхность втулки, , что одновременно ревело проблем/ подготовки поверхности втулки к пайке. .

Исследовано формирование соединений при пайке с оСвш нагревом элементов узлов ферм контактным и радианяонньм способам*; Влияния разных скоростей нагрева и охлавдения используем« способов нагрева на образование соединений не обнаружено.

В диффузионных зонах соединений, полученных при -температура пайки '300 °С,

зафиксировано увеличение содержания германия, -достигаивее 12%. Сдой ютаерыатэллида

с

FeSnj вдоль границы с основным металлом не образуется.

В соединениях, получённых при температуре пайки 600 интерметаллицньй спой таквз- отсутствует, однако .накопления германия в диффузионных зонах не набла-дается, вероятно, в сипу преобладания процесса растворения основного ьеталла. .

ЕЬв в обоих случаях представляет собой, твердая раствор на основе олова с включениями фазы системы.Sn-Ni-Fe.

Увеличение температуры пайки ведет к повышение содержашя яэлеза зо включениях. -Температура пайки 600 °С обеспечивает более качественное íoptaiposanne соединения. Конструктивная прочность на срез таких соединений составила 2000 Н, что гфевьшает реальные нагрузки.

Пайку элементов узлов ферм электронным лучом с помзпью УВД проводили в. еле- . ниапьной барокамере большого оОьема. Соединение образуется в результате местного нагрева сборки в четырех точках поочередно.

УШ имеет три ступени регулирования режимов нагрева. Исходя из особенностей

конструкции узла ферьы, установлено, что для пайки могут выть использованы только два из них. Третий - отличается высокой концентрацией энергии и непригоден для пайт тонкостенных элементов. Результаты экспериментов по получению соединений в диапазоне выданных реислэа излатены итоге.

Расфокусированной луч (реялм работы УШ: напряжение - 5 кВ, сила тока -40 мА, расстояние от злеюронно-лучевой потоки до поверхностм втулки около 150 ш, вреда -10...20 с) оплавляет поверхность втулки с внешней стороны.'Паяное соединение формируется на расстоянии 7...8 ¡.и от зоны действия электронного луча на участке

плавления- припоя- в диапазоне температур 230. .1440 X (рис. 3).

СфокусировамоЛ луч ¡режим работы УРИ: напряжение ~ 5 кВ, сила тока -, 5р...55 Mft, расстояние от электроннолучевой пушки до поверхности втудам 70... 100 1*1) проплавляет сборку. Расплав охватывает края втулки и профиля. 4ops¿i-руется коЛинированное соединение, состоящее из участка пайки и участка сварки. Конструктийнад прочность на срез комбинированных соединений вине, чем паяных и составляет 10 000 Н.

Оялгчено, что проплаапешю сОорки предаестаует иассоперенос припоя в зону действия электронного луча, приводящий к деформации профиля и образовании наплавов на внутренней поверхности сборки (рнс.З). Направленный массоперенос вызван, вероятно, эффектом Марангони. Наряду с термзкалиллярньм возможно участие в массопереносе термэосштического потока. Кассоле£>енос припоя в зону действия электронного луча обеспечивает необходимей объем расплава для качеств

Рис. 2. Сггмз элемента узла фермы: 1 - уаругнй префЕ?»ть; 2 - слоя г.р:ь пол! 3 - узловая втултга.

вемедо формирования соединения на участке "сварки.

Оглавлений металл на участке сварки содержит около 60%-железа, никеля, 2% хрсыа, 5% олова. В микроструктуре основной объем занимают денцрты твердого раствора на основе жзлеза, разделенные более легкоплавкой структурной составлякг-яей, обогащенной оловом (15...25 %).

Полно« PICTBOPMIM профши Обр«юа*им согоного ото«р«тк/.:

".'//'. . p0 * Рзпяув * Pg '

' ЗРис. 3. Схема формирования соеданеяня на участке сверки.

При исследовании паяного соединения, полученного в неизотеркических условиях с визжим г-эатекгом температуры (150 К/мм), установлено, что кихроструктура и фиэовый состав в кааясы характерномсечении соответствуггг ижроструктуре и фазово-ц/ составу соединения, полученного в-изотермических условиях при тех же параметрах пайки. '-'.'.•>•

• В . области низких , температур пайки шов представляет собой твердый раствор • на, основе олова. Вдоль границы со втулкой сохраняется слой никелевого покрытая, к которому приглжают _кристаллиты соединения NijSn;, Г^зи Солее высоких температурах пайки никелевое покрытие растворяется в припое, в объеме шва появляются кристалли-,, ты фазы, система Sn-Nl-Fe (12...13% Fe, 24...32% Ni, 56...62* Sri). Количество этой фазы с ростом температуры увеличивается и, в итоге, она заполняет шов.

В области высоких температур пайки микроструктура г^инципиально изменяется. . Вдоль границы со сплавом ЗбНХТО образуется ' полоса отделившихся от матрицы аусте-. нитных зерен. Проникание припоя по границам зерен, no-видимзи/, вызвано оОогащени-ем их титанам и алюминием в ходе фазовых превращений в сплаве 36HXTÎ0 при температурах выше 650 %.

. Вдоль границы со втулкой в виде" слоя и растущих от слоя денпритов кристаллизуется первичная фаза твердый раствор на основе железа (50% Fe, 30% N1,' 7...10Î Ce). Отдельные зерна'первичней фазыг найлвдаюгея в о&ьеме шва. Среданную часть вша оСразухп1, фазы ' на основе соединений - слова системы Sn-Ni-Ee, содержание мелкие включения, аналогичные первичной фазе, вероятно, являвшиеся результатом '

эвтектической реакции. Распределение алшиния и гер-ания в соединении на связано ■ со структур}»»« состешяпяуалл шва,. титан локализуется а оловосодержащей структурной составляетей. - : ' —-

Таким образом, в диапазоне выОраюых режимов УШ образуется паяное лиОо саарно-паяное соединение, отвечакзцее требованиям к конструктивной прочное™.

В соответствии с лрогрл.иой раОот в мае 1986 г. коа-юнаятаг.« Л. Д. Мсяфюм, и 3. А. Соловьевым ьчполнен икепер:я.«йнт по п^йке атементов узлов фе£*«кпьк конструкций из сшшва ЗЙОИВ в открытом космосе с использованием УРИ. Проведана пайка оо^аиц^з с гУрачияно-очищенным и никелйрованньм профилям«.

Анализ сСразцеэ гшклчая, чго а' ко»«зе® скшучеш юв1"! ооеданения. В образцах с -абразивно-очищенным профилем соединение формируется только в сплести высоких температур. В соласш низких температур придай не смачивает профиль, одна- '. га слой полуда на втулке сохраняется. В'оС^зцах с никелированны* профилем соединение образуется на участке плавления припоя, формгруется галтель, заполняется зазоры большей, чем в условиях Земли, ширины. Маесоперенос припоя в зону действия . игг?™г*>нмого луча выражен более ярко - наслашются наплывы припоя на втулке в .•Лллстн 1иптели.

•?ь»в! оСразом, угадала« мятою сил гвссрхкоспюго нат>гк.ч!ия в мо<рз1раии-го»»« из только но сносит ооклгленнй, но и улучЕилат фс^.^рэнаниз соединения, Кос-'.да-.^с:»»куум не оОесиечныигт дкхониашм сьизкюя на поверхности еппааа ЗбИХТО в г.йлн :/и тегс«р(«-1>|) 1мпьи.

НиьросггУВДра и { гзыаА состав гикных соединений образуется в соответствии ;; 5Я1»И'.»..!<410Ст;и.51, усями >ил«>н1 &_»■1 при анализе и!раз!рз, полученных а ъх.зж условиях. .

' >

. ^..¿аинь-и, и.а.уч«ап!>.к ь ко.-?.;?«», няряду с микроструктурой, аналогичной <мь(ал;>}4.<1:одйсгггж ..ср.^и'с'ь, в кгг.когеяигрл'гу^кй сймаст»: эа^жен'жаш участей, на которых при незначительном ыеязерениом проникании ирнпоя в с.гщав 36НХТЮ развитие перзтея-ге кристаллита твердого раствора на основа железа. Столб-¿.чтыс ;:ечг:рит;а ориентировки,; поперек тва, что ведет к изоЬи^ванию оСя&.ов олово-структурной ссютэаляквкй и повиигню .прочности соединения. Образованно юл-.Он ой и«фосчру»л"Л51 гггзяямо изменением «фмнесвого цикла пайки.

Зслодаанпе некагсотярных и условиях Зенпи зазоров большой ширины задет к' юяалени» в высокотемпературной оОпасгм соед-аииня новой структурной соемьлягзяей. • полосы твердого раствора на основе олова в срединной части шва (4,42% Ге; 2,80% 51! 5,5Ъ Сг?'о,6"П А1; Зп г остальное). 1 . ' ..'

« •

п

Разработана технология электронно-лучевой некапиллярной пайки узлов фермен-• них конструкций из сшхава ДМгб для проведения сборочных работ в открытом космэсе с ' гомаяью УРИ. ^

Соединяемле детали узлов ферменных конструкций массивны и имеют сложную - ко^игурацио (рис. 4). Особенности конструкции и проектируемая ширина паяльного зазора (400 мкм) требуют принудительной подачи припоя в паяльный зазор. Црипсй в виде таблетки 1 закладывали в цилиндрическую полость внутренней детали. При дапол-котельном воздействии пружины расплав через функциональное отверстие 2 поступал в зазор. Коэффициент заполнения зазора близок к 1, что является одним из основных условий работоспособности узла.

Анализ технологических покрытий, применяемых при пайке алххдениевых сплавов, дал основание использовать для подготовки поверхности сплава Амг5 двуслойные по, крытоя: никель-медное и иикель-оловянное.

. Нагрев под пайку осуществляли расфокусированным алектронньм лучом локально в вакуумной камере (ЮГ2 Па). Время нагрева ограничивалось мэментом заполнения зазора припоем. Диапазон температур пайки в случае никель-оловянного покрытия составил 250. ..350 ?С, никель-медного - 350.. .450 "С,

Проведен сравнительный анализ макроструктуры и химической неоднородности горизонтальных участков соединения, находящихся на разном расстоянии от зоны действия электронного луча (верхний, нижний, с{5едний уровень сборки).

При пайке по никель-оловянному покрытию оловянная состааляпаая растворяется в припое. На основе никелевой составляющей покрытия на всех уровнях сборки образуется неоднородный по химическому составу слой шириной 2...Э мкм. Светлая состав-ляшая слоя вдоль границы со сплавом ЯМг5, обогащена длгси-иием. Основу примасатаей к ней темной составдяйпей образуют олово и никель. На нижнем уровне сборки в ней зафиксировано образование соединения ШзЗпг. На межфазной границе с расплавом в виде слоя на верхнем уровне сборки, полосы кристаллитов высотой до 10 мкм - на среднем, и отдельных кристаллитов небольшого размера - на нижнем растет интерме-таллид Ш^Бл,. Мзрфодогия соединения Ж-^гц определяется параметрами пайки..

В' зоне, действия электронного луча на нижнем уровне сборки слой отторгнут от сплава Жг5 и разрушен, шов во.всем соединении гредставляет собой твердый раствор на основе олова. При пайке по никель-мгдному покрытию растворение сплава ЛМг5 в припое усиливается. Шов, представляющий собой твердый раствор на основе олова, содержит включения алюминия' и эвтектической фазы на основе соединения МдБпг. Характерной особенностью соединения является проникание припоя по границам зерен сплава ДМг5, преимущественно вдоль границ вклотений

-г ,

Уровни сборки:, верхний средни, нижний

электронный луч

и

Шкроструктура переходной зоны на границе со сплавом РМг5 отличается" разнообразная. Оплечекы-участки, на которых слой, ' образушлйся на базе покрытия, либо примыкает к основному талпу, либоотторгнут от него, либо отсутствует. 6 некоторых случаях нарушается сплошность слоя - в переходной зоне наблхщается набор полос разного цвета, скопления i-илких включений. Участки с аналогичной дак- , роотруктурой переходной зоны встречаются на всех уровнях сборки.

Диспершрование слоя вызвано мораиией слова по дефектам структуры, таким как границы фаз, зерен, су<3зерен. Слой отделяется от основного металла, обра-юзегиаяеся в слое фазы отдаляется да-т от друга, после чего распадаотся с аОразоаалием дисперслк

<ас1иц*

•* Уотанэтшено, иго гцяя^утствие мет в слое способствует развитие этого про-дессй. а случае, когда мздная состазляпаая покрттия отдаляется и переходит в при-чэй, а на .Oase никелевой составлявшей образуется ел ей на N1-A1 основе, проникание ■¡рипоя в сплав Жг5 насаждается только на нижнем уровне сборки.

Таким оСразсм, вэшзддействие твердой ияядкой фаз контролируется как пара- ■ атрзш пайки, так и наличием дефектов в структуре, а • тачжа сойерганиеы мзди в уюз, Сочетание названных Факторов поротдает мюгосСразие структуры переходных ' юн. ' ' ' "V '

ОСгяэ .

1. Космический вакуум является естественной средой для реализации вакуумных технологий. Условия мюрогравитации усиливает технологические преимущества пропса пайки.' ,

Рис. <1. Схема сборки элемента узла форменной конструкции под пайку: 1 - припой; 2 - функциональное отверстие; 3 - соединяемые поверхности.

2. определены требования к пряпойнсму материалу для' пайки узлов ферм из сплавов Жг5 и 36НХИ0 в открытом космосе . Установлено, что перспективными в качестве припоя являются сплавы оловянного угла системы Sn-Ni-Ge.

3. Исследованы сплавы оловянного угла систекы Sn-Ni-Ge. Микроструктура сплавов представляет. собой твердый раствор на основе сшова, содержащий вклжения, в состав которых входят фазы на основе Ge, NiGe, NiSn, HiiSrii. Процесс кристаллизации многостадийный и вдет, - по-видимзьу, соответственно двойньм диаграммам состояния Ni-Sn, Ge-Mi.

4. Установлено, что растекаемость сплавов оловянного угла системы Sn-Ni-Ge определяется объемной долей »никой фазы при данной температуре. Результаты исследования растекаемости дали основание рекомендовать для пайки уэлоа ферм сплав состава Sn-2Ni-4Ge.

5. Установлено, что германий в припоях на оловянной основе при пайке сплавов на основе'железа подавляет образование на контактной границе слоя станвдов

• железа, сникающего rpoWkocTHb¡e характеристики.

6. Введение In в сплавы оловянного угла систем Sn-Ni-Ge до 5 % грактически не снижает, температуру солидуса и макет Сыть рекомендовано для повышения яидкоте-кучести и пластичности припоев.

7. Показано, 4ío для подготовки к пайке в открытом космосе таких сплавов как ' ЗбгеспЬ и ДМг5, рационально использовать технологические покршия. Операция подготовки поверхности к пайке проводится на Земле, Пайку сплава. 36НХТЮ целесообразно проводить по никелевое покрытию, сплава Амг5 - по никель-манному и никель-

сЛовянноку. ' i . . ' .

8. Разработана технология электронно-лучевой найки узлов ферм из сплава 36ЮС1Ю для проведения сборочных работ в открытом космосе с помапью УШ. Соединение реализуется 6 результате местного нагрева в четырех точках сборки/ В диапазоне выбрани« реданов УРИ образуется паяное либо сварно-паяное соединение, отвечающее требованиям к конструктивной прочности.

S. Зафиксирован направленный массоперенос расплава припоя в зону действия электронного луча,; обусловленный, по-видиьсму,. терьс капиллярным эффектом Маранго-ни. Массоперенос припоя обеспечивает качественное форм^ювание соединения на участке.сварки. '

10. Исследована структурная и химическая неоднородность паяного соединения стали-30 . со сллавсм 36НХИО, полученного в неизотерьических условиях с высоким градиентом■. тешературы {»150 К/ми). Установлено, что ткрхлруктура и фазовый, сослав в каждом характерной сечении соответствуют йжррСТруктуре и фазовое соста-' : ву соединения, полученного..в :изотер<ичеоих условияхпри .тех як параметрах' пайки.'.

11. Эксперимент по пайке элементов узлов ферм из сплава 36НХПО в откригом - космосе подтвердил перспективность разработанной технологии для проведения сборочных работ в космических условиях. Усиле!«ие влияния-сип. поверхностного натяжения в условиях ьмкрогравитации улучшает формирование соединения. Коалтчесга-й вакуум но" обеспечивает диссоциация оксидов на поверхности сллава. 36НХПО в области низких температур пайля. Микроструктура и фазовый состаз соединений образуются в соответствии с закономерностям, установленными при анализе образцов, полученных на Земле. '-.-••

12. Разработана технология электронно-лучевой некапиллярной пайки узлов 'фсргг>нннх конструкций тгз сплава Шг5 для проведения сборочных работ в оч Критом

космосе, коэффициент заполнения паяльного 'зазор» при дополдах&лъном воздействии пружины близок к 1, что является одним из основных условий работоспособности узла.

13. Пайка узлов ферм из сплава АМг5 по никель-оловянному покрытию является менее энергоемким процессом, однако прА Пайке по никель-меднсиу покрытию вдоль,

. контактной границы со сплавом Амг5 интерметадлияный слой практически отсутствует. '

.14, Установлен механизм и последовательность нарушения сплошности слоя, об' разувшегося на базе никель-медного покрытия на сплаве АМг5 в процессе пайки припоем но оловянной сснове. миграция слова по дефектам структуры вызывает отделение зх>ч от осноююго и поспетьюцве диспергирование его. Медь в слое способствует ■

ОС1Ювиоэ ссд-ужг-я-ш яюсяртаили опуйликсэа:» а отарухадк работах:

I. Хорунсв П. Ф-., Иаец 6. И. Особе!мое™ фср.м:роьания паяных соединений, потучегй£бг< в нерап.!гысрна< температурим па,:е // Теплофизика технолопгческих про-ц-.'-соа: •Гоа. г.-;кя. конф. -Тольятгл: ГШ, 1936.- С. 12.

•, 2. Хв&уоъ Б.Ф., Иэеи В.И., Касаткина Н.Б., 1Ърдань Г.Н. Особенности структура л-педине!0!й алюминия,- паянных в вакууме прилием ¡¡а одов^нной основе // Структур"-" проврае»»г.1г и формирование ^г-гто-иоханических свойств металлов; Сб. тезисов.- Киев: 1т, Знызю, 15В9.~ С. 3, .

3. .Особенности пайки'низкотемпературньм припоем углеродистой стали со сплавом. 36150X5 при использовании электронно-лучевого нагрева / В. . И. Швец, . А. А. Гор- , денна.ч // Натерши и 7.-;и:глошя пайщ:. Сб.научи.тр.- К<ев:1 ИЗС им. Е.О. Патона,

С. 39-45. , ' '

4. А.' с. СССР № 1606295, МКИ1 В 23. к 35/26. Припой для пайки никеля / В. Ф. Хоруной, В. И. Швец, 3. Лапчинский и др.- Опубл. 15.11.90, Бал. №'42.

5. Загребелькый Л'.' А., Гавриш С. С., Булэдев А. Р., Хорунов В. Ф., Швец В.И.,' Скоробогатов С. А. Анализ неразъемных соединений* трубчатых элементов типа сваркопайка и пайка, выполненных с помощью УРИ // Проблема космической технологии • металлов».- »«в: ЮС им. Е. О., Патока, 1936.- С. 13-22.

6. Технология низкотемпературной вакуумной пайки узлов решеток ферменных конструкций из алпминиевых сплавов /В. Ф, Хорунов, В. Ф. Лапчинский, В. И. Швец, А. Ф;

//Авт. сварка.- 1992»-М 2.- 1992.-С. 52-53.

7. Структура и свойства сплавов системы Зп-ЫХ-йэ / В. Ф. Хорунов, В. Й. Швец // Новые достижения в области пайки.- Ютев: ЮС им. Е. О. Патона, 1992.- С, 100-103.

■ 8, Проблемы пайки в космосе / Хорунов В. Ф., Лапчинский В. Ф1( Швец В. И. // Сварка, пайка, нанесение покрытий и восстановление изношенных деталей: СО. тезисов конф.г- Тольятти; ТЛИ, 1992!,- С. 0.

9. ,Швец В.И., Хорунов В.Ф., Лапчинсхий В.Ф., Таранова Т.Г. Особенности взаимодействия никель-медного покрытия с припоем на оловянной основе при пайке алолщие-вых сплавов // Авт. сварка.- 1996> № 2.- С. 15-19.

Првш& вклад автора. В I 4, 7) автором исследованы технологичесиге свойства, микроструктура, фазовый состав, а такие процессы плавления (кристаллиза15;и) сплавов .оловянного угла систеш Бп-И-Се, ощзеделена область оптимальных составов припоч. В [5,6, 81 описаны разработанные технологии пайки узлов ферм из сплавов ЗбНХТО и АМг5 для проведения мэнтаямых работ в космосе. В {1,3} изучены вопросы форм!рования соединений стали 30 со сплавом ЗбНХТО, полученных в неизотерьических условиях с высоким храдиентом тешературы при нагреве электронным лучом, проведен анализ микроструктуры, химической неоднородности и прочностных характеристик соединений. В [2,9,10] исследована микроструктура и химическая неоднородность переходе« зон на , границе со сплавом ДМг5 в соединениях элементов, узлов ферм, паяем« по технологмче-ским покрытиям, установлено влияние меди в покрытии на процесс взаимодействия яид-кой и твердой фаз. ' . .

- Анотац1я.

Шве!«. В. I. РоэроСка припоюта' технолог!! паями для поОуяови фермених конст-рукц!й в. косм1чдему простор!. - Рукопис.

Дисертац!я на здобуття наукового ступеня: кандидата технХчних наук за СТ1ец!альн!спо 05.03.06 - звартеання та сгк>р1днен! технолог! 1.- 1нститут електрозва-рззання 1м. 6. О. Патона НАН У*ра1ни, КМв, 1998.

. Дисертац!я приевячена розробц! лрипсю та технолог! 1 електронно-громеневого паяния для побудови фермених конструкцШ !з сгщав!в Н1г5 1 ЗбНХТО у в!дкритсму космос! за .доламогою унХверсального ручного 1нструменту. В робот! показана перспек-1мвн1сть сплав1в олов'яного кута систеьи - 5п-Щ-Се якприпохв для паяння вузл! ферм в.умэвах м!крограв!тац!х ! вакуум, вибрано огпимальний склад прдаою. ■ Заэгроданован! технолог!чн! засойи паяння. Розглянут! питания формуважя з'еднань при нагр!ванн1 електронним променём. Приведен! результата досл!д*вкня з'еднань елемент!в вузл!в ферм, !з сплаву ЗбНХТО, одерясаних космонавташЛ. Д. КИз!мом 1В. А. Соловьовим при проведенн! в травн1 1986 р. екся^менту э паяння у вШфитоц/ космос! .

Клююв! слова) паяння, едеюронний прсШнь, коемзе, фёрмена ^нструкц!я, 'прадйй, ' " технолог!чний ;. зас!С, форыування з'еднання, м!крограв!тац!я.

IT

Анютшда

Швец В, И. Разработка припоя ц технологии пайки построения ферменных конст-ink в космическом пространстве. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по спе-аности 05.03.06 - сварка и родственные технология.- Институт электросварки им. ). Патона HAH Украины, Киев, 1998.

Диссертация посьяшена разработке припоя и технологии электронно-лучевой ei для построения ферменных конструкций из сплавов АМг5 и ЗбНХТЮ в открытом лэсе с поьицыэ универсальною ручного инструмента. В работе показана перспек-дасть сплавов оловянного угла системы Sn-Ni-Ge в качестве припоев для пайки г® ферм в условиях микрогравитации и вакуума, выбран оптимальный состав припоя, илсжены технологические прием* для пайки. Рассмотрены вопросы формирования щшеш-й при нагреве элекмронньы лучом. Приведены результаты исследования соедини элементов узлов ферм из сплава ЭбНХТО, напученных космонавтами Л. Я. Кизимэм . А. Соловьевым при, проведении в мае .1985 г. эксперимента по пайке в открытом лэсе.

Кгаочевье слова; пайка, электронный луч, космос, ферменная конструкция, при, технологический прием, фор».ирование соединения,' ьикрогравитания.

Abstract

V.I.Shvets. Development of the braze alloy and technology of brazing " the ss structure connections in space. - Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of Candidate of Sciences in meeting in speciality 05.03.06: Welding and allied technologies . - E.O.Paton ctric Welding Institute of the NAS of . Ukraine1, Kiev, 1996.

The dissertation Is devoted to development of the braze alloy and-hnology of electron beam brazing for construction of truss structures from 5 and 36НХТЮ alloys in open ' space using the versatile hand tool. The work ws the good potential for application of tin-rich corner alloys of Sn-Ni-Ge tern, as braze metals for brazing the truss components under the ditions of microgravity and vacuum, the optimum composition . of the braze oy ivas. selected. Brazing techniques are proposed. The processes of joints mation are considered in ..heating by the electron beam. Results are given of ■estigation of the joints ot truss connection elements from 36HXTJ0 alloy duced by cosmonauts Kyzim L. D, and Solovjev V. A. during performance of the leriments on brazing in open space in May, 1986.

■ Keywords: brazing, electron beam, space, truss structure, braze alloy, hnique, joint formation, microgravity.

Зек.8*57-120. 22.01.98. ООП ИЭС. .

<