Исследование влияния параметров режима диффузионной сварки на прочность соединений фторопласта-4 с металлами

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

На рисунке а показана схема контроля стыкового сварного соединения, выполненного дуговой сваркой [1]. Дефекты Д2 и Д5 в нижней части шва выявляются прямым «лучом», а дефекты в верхней части Д1 и Д6 выявляются однократно отраженным «лучом». Дефект в средней части шва Д3 может быть выявлен как прямым, так и однократно отраженным лучом.

Для проверки всего сечения сварного соединения преобразователь перемещают поперек и вдоль шва (рисунок б). Его направляют перпендикулярно оси шва, а затем контроль повторяют, поворачивая преобразователь на угол 10°^15° влево и вправо. Допускается также прозвучивание многократно отраженным «лучом» (т. е. «лучом», отраженным 2-3 раза от поверхностей основного металла), однако при этом способе трудно отличить отражения от дефектов и от неровностей поверхности сварного шва.

В корневой части сварного шва возможно возникновение ложного сигнала, связанного с отражением от недостаточного проплавления (утяжины) или повышенного проплавления (проплава) корня.

Шов контролируют слева и справа (на рисунке показан контроль справа). Таким образом, ультразвуковые волны проходят через шов в четырех направлениях (контроль в полном объеме). Это повышает вероятность выявления различно ориентированных дефектов. Если конструкция сварного соединения затрудняет контроль в четырех направлениях, допускается выполнять контроль швов с одной стороны или контроль только прямым «лучом», такой контроль считается выполненным в неполном объеме. Такие сварные соединения называются ограниченно контроледо-ступными.

Дополнительный способ контроля - на поперечные трещины Д4 (см. рисунок), т. е. трещины, расположенные поперек шва. Контроль на поперечные трещины осуществляют наклонным преобразователем по снятому и защищенному усилению сварного шва.

На направление излучения при контроле сварных соединений влияет возможное изменение скорости звука в основном металле. Это обстоятельство может привести к ошибкам при контроле из-за неправильного определения координат дефектов.

При контроле околошовной зоны возможно обнаружение полупрозрачных дефектов типа расслоений, ослабляющих чувствительность контроля наплавленного металла. Часто такие дефекты признаются недопустимыми.

Если после сварки швов предусмотрена их термообработка, то УЗ-контроль проводят после термообработки. Термообработка способствует раскрытию трещин, т. е. увеличению количества выявленных дефектов. Кроме того, при термообработке сварных соединений измельчаются зерна металла и его структура становится более однородной, что уменьшает затухания УЗ волн в шве и околошовной зоне и улучшает условия контроля особенно толстых сварных соединений. УЗ-контроль до предусмотренной термообработки проводят только как технологический.

Библиографическая ссылка

1. Щербинский В. Г., Алёшин Н. П. Ультразвуковой контроль сварных соединений. М. : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2000. 496 с.

© Сотникова Е. В., Цыганков Н. М., 2012

УДК 621.791

А. В. Чекуров, М. А. Панфилов, О. П. Потопаева Научный руководитель - Л. Г. Семичева Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ НА ПРОЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ ФТОРОПЛАСТА-4 С МЕТАЛЛАМИ

Исследовано влияние параметров процесса диффузионной сварки на прочность неразъемных соединений фторопласта-4 с металлами. Определены оптимальные параметры процесса диффузионной сварки фторо-пласта-4 с металлами, обеспечивающие предел прочность соединения св > 16 МПа.

К неразъемным соединениям фторопласта-4 с металлами, которые применяют в конструкциях ответственных узлов летательных аппаратов и работают в экстремальных условиях, предъявляются повышенные требования к прочности соединений. Предел прочности соединений св должен быть не менее 16 МПа.

Качественные неразъемные соединения разнородных материалов получают диффузионной сваркой в вакууме, однако при разработке технологии диффузионной сварки новых материалов необходимо определить оптимальные значения параметров режима сварки, которые обеспечивают требуемую прочность соединений.

Целью работы является установление зависимостей прочности св диффузионного соединения фторо-пласта-4 с металлами от параметров процесса диффузионной сварки, а также определение оптимальных значений параметров.

Для проведения исследований сваривали образцы из фторопласта-4, сплава алюминия АМг6, ковара 29НК и нержавеющей стали 12Х18Н10Т.

Перед сваркой образцы из сплава алюминия АМг6 подвергали твердому анодированию в 18 % растворе И2804, а из ковара и нержавеющей стали - химическому травлению. Затем свариваемые поверхности обезжиривали бензином Б-70 и обезвоживали спиртом-ректификатом.

Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»

Образцы собирали в специальном приспособлении, устанавливали в вакуумную камеру установки для диффузионной сварки СДВУ-50М, оснащенной ультразвуковой системой, и производили поджим деталей. Камеру герметизировали и откачивали воздух до разрежения 5 • 10-1 Па, сборку нагревали радиационным нагревателем со скоростью Унагр до температуры сварки Тсв, прикладывали сварочное давление Р, озвучивали направленными ультразвуковыми колебаниями (УЗК) частотой 2 МГц интенсивностью

в течение времени тозв и затем сборку охлаждали со скоростью Уохл до нормальной температуры. Основные параметры процесса сварки выбирались на основании теоретических положений и предварительных экспериментов [1; 2]. Температура Тсв является важнейшим параметром диффузионной сварки. Повышение температуры снижает вязкость расплава фторопласта-4, в результате чего достигается плотный контакт в стыке и ускоряются диффузионные процессы. По данным работы [1] температура диффузионной сварки определяется по формуле Тсв,= (0,7...0,8) Тпл, где Тпл - температура плавления материала, имеющего более низкую температуру плавления. Однако воспользоваться этой формулой для определения температуры исследуемых материалов не представляется возможным, так как фторопласт-4 в интервале температур 502...534 К сохраняет свои свойства и не взаимодействует практически ни с одним материалом. Поэтому температуру сварки выбирали несколько выше температуры плавления кристаллитов (600 К), при которой фторопласт-4 переходит в высокоэластическое состояние и легко деформируется, что обеспечивает физический контакт свариваемых поверхностей.

Верхний предел ограничивается температурой разложения фторопласта-4 (688 К).

Давление (Р) необходимо для обеспечения плотного контакта соединяемых поверхностей. Кроме того оно является активирующим фактором при взаимодействии свариваемых материалов. Величину прилагаемого давления выбирали такой, чтобы в результате деформации поверхностных слоев соединяемых деталей все пустоты в области стыка заполнились фторо-пластом-4. По результатам предварительных экспериментов выбрали интервал 0,5...2,0 МПа. При давлении ниже 0,5 МПа не обеспечивается плотный физический контакт свариваемых поверхностей, а выше 2,0 МПа фторопласт-4 выдавливается из зоны сварки.

Интенсивность УЗК, которая обеспечивается генератором УЗК, находится в диапазоне (1...3) • 105 Вт/ м2. Частота УЗК - 2 МГц, время озвучивания выбирали в интервале 300...900 с.

Учитывая низкую теплопроводность фторопласта-4, скорость нагрева выбирали в интервале 0,05...0,15 К/ с.

Скорость охлаждения деталей зависит от коэффициентов объемного расширения материалов. Чем

больше их разница, тем меньше должна быть скорость охлаждения. Кроме того, учитывали, что быстрое охлаждение приводит к закалке фторопласта-4 и образованию трещин. Исходя из этого, скорость охлаждения варьировали в пределах 0,05...0,12 К/с. Сваренные образцы испытывали на растяжение. Испытания проводили на устройстве для испытания прочности БР 10/1 (НесеП, Германия).

Результаты испытаний показали, что с увеличением Тсв до 668 К прочность соединения возрастает, а при Тсв > 478 К прочность св начинает снижаться. По-видимому, это можно объяснить тем, что при такой температуре имеет место частичная термодеструкция фторопласта-4.

Увеличение сварочного давления до 1,5 МПа приводит к повышению прочности соединения, однако при увеличении его свыше 2 МПа наблюдается выдавливание фторопласта-4 из зоны сварки.

С увеличением интенсивности УЗК до 2 • 105 Вт/ м2 прочность соединения повышается, дальнейшее увеличение интенсивности УЗК приводит к снижению прочности соединения и к механодеструкции фторо-пласта-4.

Аналогично на прочность соединения влияет и время озвучивания. При увеличении тозв до 600 с прочность соединения увеличивается, а при дальнейшем увеличении - снижается.

Кроме того испытаниями было установлено, что прочность соединений не зависит от свойств металла, с которым он сваривается, а определяется прочностью фторопласта-4.

Наибольшие значения предела прочности соединений св = 18 МПа были получены при следующих оптимальных значениях параметров: температура сварки Тсв = 668...678 К; сварочное давление Р = 1,5...2,0 МПа; интенсивность ультразвуковых колебаний 1узк = 2 • 105 Вт/ м2;

время озвучивания тозв = 600 с; вакуум Н = 5 • 10-1 Па; скорость нагрева Унагр = 0,09 К/с; скорость охлаждения Уохл = 0,09 К/с. Образцы, сваренные на оптимальных режимах сварки, разрушались по фтроропласту-4.

Библиографические ссылки

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

2. Бачин В. А., Квасницкий В. Ф., Котельников Д. И., Новиков В. Г. Полушкин Г. П. Теория, технология и оборудование диффузионной сварки / под общ. ред. В. А. Бачина. М. : Машиностроение, 1991. 352 с.

© Чекуров А. В., Панфилов М. А., Потопаева О. П., 2012