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

сшгг-ПЕПЕШИ'аай госэдарсгвенный технический университет > •

На правах рукописи

РАЕВСКА СНШНА ИВАНОВА

НИ ОСНОВНЫХ КОНСТРШ'МБЮ-ТШОШОШШШХ ПАРАМЕТРОВ Ж НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРЧ ДШУЖНЮЙ СВАРКЕ ПЛАСТИН ИЗ МЕТАЛЛА И К2РАМИНИ НА ОСНОВЕ А!^.

05.03.05 •• Тохяокагйя и машет сварочного производстга

Автореферат

диссертации на соксшгае ученой степеяя! кандидата технических наук

Сакит -11е?ер'5ург

1994

Работа выполнена в Технической Университете г.Гусе Болгария.

Научный руководитель: Доктор технических наук/

профессор В.А.КАРХИН.

Официальные оппоненты*. Д.т.н., проф. Н.Н.ПАВЛОВ К.т.н., доц. Ю.Г.ДЬЯКОЗ.

Ведущая организация: Институт сварки России.

Защита состоится 1994 г. в Л часов

на заседании специализированного бовета Д 063.33.17 Санхт--Петербургского Государственного Технического Университета по адресу: 195251, С.-Петербург, Политехническая ул.,29.

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

Автореферат разослан СТ> 1994 г.

Ученьй секретарь специализированного Совэта, доктор технических наук

В.А.КАРХИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБАТУ

Актуальность работы: Распространенным методом получения метал-гокеракических соединений является диффузионная сварка (цС). Большой >клад в теория к практику ДС внесли работы В.А.Бачина, Э.С. Нэракоэо-за, Г.В.Кошшкова, И.Н.Метелкнна, Р.А.Мусина, А.П.Терновского, 1.1.Г. 1иколаса, Е.Р.Уоллаха, Т.Э.Эндко, К.Нилигучя и других исследователей.

Эксплуатационная и технологическая прочность соединения разно-годных материалов в значительной степени зависит от сварочных напря-г.ений. Напряженное состояние металтто керамических изделий рассматривалось в работах И.Н.Метелкина, Р.А.Мусина, Р.Лиэона, К.Суганумы, {.Хдмады и других. Однако вопроса влияния основных конструктивно-•технологических параметров на напряженное состояние при ЦС пластин из металла а керамика изучены недостаточно полно, что затрудняет оптимизацию технологии изготовления и проектирование конструкции сворных изделий. Поэтому совершенствование методов расчета и иэучэ::ия кинетики напряжений при ЦС остается актуальной проблемой.

Цзль й задача работы: Целью работы является определенно влияния оеювньпе конструктизко-технологнчесгзк параметров на напряженное состояние в соединениях типа тонких пластин из керамики на основе АЗ^Од с из'геляом.

На основании анализа состояния исследований по теме сформулированы следующие задачи:

1. Обосновать и представить принципиальное флзитеское описание комплекса .воздействий, определяющих кинетику напряжений в процессе ¿С.

2. Обосновать и прсверьть физические модели напряженного состояния при ДС керамики с металлом в процессе формирования контакта и охлаждения соединения.

3. Разработать расчетные Методы определения капрженмего состояния на стадии охлаждения соединения с учетом оскоенж факторов.

4. Исследовать елияккэ технологических факторов (температура, давление и толщина прокладки) на напряжения в соединениях типа тонких плчетин из керамк.ки на основе с товаром.

5. Иссладовать влияние конструктивных факторов (отношение; толщин материалеа» симметричность соединения, вид конструкции композита) на напряжения в соединениях указанного типа.

Научная новизна:

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

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

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

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

Еременные сварочные напряжения при 773 К максимальны.

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

Практическая ценность:

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

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

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях: •

1. .Молодежная научно-техническая ко!!ференция с международным участием "Зяваряване" 39-БС "Елените", октябрь 1539, Болгария.

2. Юбилейная научная конференция "Современные технологии и индустриальное переетруктурированне", 22-31 октября 19Э2, НШ - Варна, Болгария,

5. Научная конференция "Передовые технологии и новые материалы з машиностроении", 25-27 ноября, 1992, Б53И - ГаСрово, Болгария. 1. Научная конференция с международным участием "Прогрессивнее технологии в машиностроении", Технический Унигерситег - Русе, Болгария, 1993.

5. 1У Международная конференция "Соединение керамики, стекла и металла", май 1993, Кенигсвинтер, Германия.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, обцих выводов по работе, списка литературы, включающего 94 наименования и приложения, содержащего экспериментальные результаты, блок-схеху, программу и результаты расчета МРГ, схемы разбивки и результаты расчета МКЭ. Работа Изложена на 144 страницах текста с 44 рисунками и 5 таблицами, а приложение - на 78 страницах с 18 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОЛАНИН РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы.

В первой главе приведен анализ подходов и исследований по проблеме.

В первом параграфе анализируются технология и механизм диффузионной сварки как основные факторы формирования напряженного состояния. Установлено, что напряжения определяются комплексом воздействий, которые изменяется в процессе Ь,С и характеризуются как основными, так и дополнительными параметрами. Влияние последних 'изучено недостаточно. Обсуждается механизм ЦС керамики с металлом и делается вывод, что физические описания основных этапов сварки неполны, часто противоречивы, что не позволяет выяснить кинетику напряжений.

Во втором параграфе проводится анализ современного состояния исследований по проблеме. Отмечается, что в основном методы исследования расчетные и касаатся стадии охлаждения и, в некоторой степени, образования контакта. Модели, относящиеся к этапу образования контакта, противоречивы и требуют экспериментальной проверки. Модели, относящиеся к этапу охлаждения, не учитывают градиент температур и, сварочное давление.- Соединение керамики на основе М^О^ и коЕара исследованы только в диапазоне отношения толщин керамики и металла 2,67 8.

Б третьем параграфе приводятся еыводы критического анализа к ставятся задачи исследования.

Во рторой главе обосновывается и описывается общая методика исследования.

В первой параграфе обосновывается общий подход. Ц, л я стого оценивается комплекс воздействий при формировании напряжений на все;: этапах технологического процесса б разных объемах соединений. По причине сложности процесса и отсутствия физических моделей отдельных Етапов, рассматриваются этапы образования контакта и охлаждения. Сравнение результатов,полученных применением инженерных методов, применяемых при обработке металлов давлением, с эксперимента:.:'.! к литерат-урньми данными показало, что известные инженер--ные кетодк призедят к большой погреаности в определении сварочного давления и применимы только к соединениям с прокладкой. Поэтому с настоящей работе,как и в других исследованиях напряженное состояние рассматривается только при охлаждении.

Во втором параграфе обосновываемся модель напряженного со сто; ник при охлаждении соединения, полученного [1,0. Аналитическими и-экспериментальными г/етодами показано, что температурное поле соединения, ширина которого на порядок меньше диаметра радиационного нагревателя, близко к равномерному при средних мощностях нагрева (10 - 20 кБ?) и, следовательно, мокко пренебречь напряжениями, вы ванньки температурным градиентом.

Предлагаются три модели йеханического воздействия, включая известную модель свободного деформирования я модель ограниченного деформирования.

Ь,ля решения термомехашческой задачи используется усовершенствованный метод расчленения тела (ГДРТ) и метод конечных элементов. При отоы учитывается зависимость характеристик свойств материалов ст температуры.

Точность МРТ проверена на примерах тонких пластин типа и 51С путем сравнения с известными теоретическими и эксперимен тальньми результатами Г.Г.Гнесина.

В третьей главе проводится расчетное исследование конструк-тивно-гехнологических параметров ДС на напряжения в квадратных пластинах из керамики на основе А^Од, соединенной с ко варом.

В первом параграфе описывается методика исследования, вшго-

.чающая объект исследования, допущения и описание модели и метода расчета (!£РТ), приводятся данные о характеристиках свойств материалов, а также рекомендации о дискретизации (разбизке) пластины слоями для получения заданной точности реиення задачи. -

Во птором параграфе приводятся результаты исследопакил влияния конструктивных факторов, таких как отношение толч/л материалов керамики и ковара, вида соединения (сиимстрпчное или носиг.мет-ричное) и числа слоев в композите. Установлено, что толщина влияет на напряжения неоднозначно (рис.1): при отношения ткерамики к металлу меньше двух, напряжения в керамике по абсолютной величине увеличиваются по мерз увеличения отношения, а при "-.'но-зении больше двух - уменьшаются. Применение симметричных и/или многослойных композитов из керамики и металла приводит к уменьшении растягивающих напряжений по сравнение с двухслойными при всех отношениях толщин керамики и металла в диапазоне 0,25 * 3.

-о

-во

-160

ш 60 т юа ту/

о .угфгоявсфе?^ * £

V

ч

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

Рис.2. Кинетика напряжений при упруго- и упруго-пластической деформации ( - предел текучести).

б

Исследовано влияние технологических факторов, таких как температура Н.С а толщина прокладки. Повышение тешерату'ры сварки на 100 К вызывает рост остаточных продольных напряжений СГх на 9,3$. Увеличение толдинк прокладки из меди приводят к повышении напряжений в керамики, что подтверждается экспериментальными результатами Р.АЛ.'.усина.

Исследования кинетики напряжений при упругом и упругопласти-ческом деформировании ковара показало, что напряжения с температурой изменяются нелинейно и временные 'напряжения максимальны при температуре '/73 К (рис.2).' Это объясняется изменением соотношения коэффициентов линейного расширения материалов при этой температуре. Из рисунка видно, что влияние пластической деформации на кинетику напряжения невелико. Она приводит к сникенио максимальных напряжений в керамике на 7 * 10 %.

В четгертой главе исследуется влияние основных ко^труктивно--гехнологкческих параметров ДС на напряженное состояние в пластиках большой длины. В первом параграфа приводится обоснование при-кятьх схем разбивки на конечные элементы при ретеили упругих задач.

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

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

Распределение напряжений по толщине пластины в ее средней части (х = 0 мм) существенно различается в моделях М1 и ЫЗ (рис.3!

Видно, что при ограниченном деформиройаний (модель МЗ) продольные напряжения <3"х на свободной поверхности керамики и поперечные напряжения 6"у в краевой зоне контактной поверхности соединения сжимавшие,в отличии от свободного деформирования (модель М1), что способствует повышению технологической прочности. Краевая область ловшенньэс поперечных .(V ' и касательных Тзс.ч нап-

11м

& 'Ч. 1 " йо №.

г * —

<Ит ~~Г % о г Г5^

1 о

о щ

4в Х.чм

Рис.3. Распределение напряжений в трех моделях по толщине (а) и по ширине контакта (б) при температуре 773 К.

✓ 111) Г . Tl.i' ~|Я|Г| ■■!■ ¿ II

so 3í ЗГаб За tí).

Ti ¿6 lee ос.»*

п) Um!

' 1 /ä«

1 I .i и* t

«с* контакт N ko h u и P

Дшя киаплыцадк и чч

Рис.4. Распределение давления и контактной площади яри 773 К

ряжений распространяется менее, чзы на одну тол'дину соединения. (IIa рис.3 зизчоние / 0 на кромке является погрешностью чис-

ленного методе. Условия возможного разрушения соединения по модели КЗ определяются касательными напряжениями б. краевой зеке (х -= 48 мм).

. По результатам расчета (МЗ) определено распределение давления ДС при охлаждении, расположение и плецадь поверхностей контакта между изделием и пуансоном {рис.4).

ОСдие выводы. По диссертационной работе кэ;яю сделать следующие выводы:

I. Предложена и использована схема комплекса воздействий, определяющая основные этапы кинетики напряженного состояния сварных соединений керамики с металлом.

. 2. Показано, что при [;С изделий, зирнна которых ка порядок меньше диаметра нагревателя,., влиянием температурного градиента в изделии на поле напряжений можно пренебречь.

3. Для определения талряиегай при, охлаждении соединения разнородных (материалов предложен вариант метода расчленения тела, позволяющий учитывать зависимость характеристик свойств материалов от температуры. Точность метода проверена сравнением с результата,"® экспериментов и расчетов НЮ.

4. Предложена расчетная модель, учютаатецая давление пуансонов на поверхность пластин при охлаждении в процессе 1;С. Модель ограниченного деформирования реализована с поморья !.'КЭ.

б» Напряженное состояние тенхих пластин при свободном дефор-мировйнии iLio с кое, за исключением краевых участков, где око объемное, и где напряжения, нормальные я контактной поверхности, растягивающие. При ограниченном деформировании &ти напряжения сживающие, что способствует повышению технологической прочности.

'о. Определено влияние основных конструктивных факторов на напряженное состояние в пластинах из керамики на основе Al^Og и ковяра:

- влияние отношения толщин материалов неоднозначное: при отношении " тоищины керамики к ковару меньше двух напряжения в керахаке по абсолютной величине увеличиваются по мере увеличения отношения, а при отношении больше, двух ~ уменьшаются.

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

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

- повышение температуры сварки на 100 К приводит к росту остаточ-них напряжений на 9,3%.- . •

- напряжения с температурой изменяются нелинейно и Еремеиные напряжения при 773 К максимальна. ■

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

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Мл.Трифонов, Сн.РаеЕска. Относительно возможности о применении ШЭ для определения температурного полк при диффузионной сварке. Молодежная научно-техническая конференция "Заваряване" 89 ("Сварка" 8S) - ВС "Ёлените", октябрь 1989 (болг.).

2. Сн. Раевска. Аналитические исследования напряженного состояния в соединениях тонких пластин разнородных материалов, полученного в ходе охлаждения". Юбилейная научная конференция "Современные технологии и индусгриачьное пере структурирование" ШЭИ Варна, 1992 (болг.).

3. Сн. Раевска. Относительно моделирования образования контакта при диффузионной сЕарке керамики металлической прокладкой. Научная конференция Н.13И -Габрово. 1992 (болг.). •• f ,

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

* 5. Sn. Сае^кд, ml. Trtfonov . Effect ^ technological and design parameters cn the. stress distribution at diffuncn Sending c}-teram! с to me с.л1.