Разработка прогрессивной технологии изготовления электроакустических пьезопреобразователей с заданными свойствами

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

ростом скорости образования физического контакта и активацией контактных поверхностей. Максимальная прочность на изгиб сварных соединений соответствует давлениям, при которых для каждой исследуемой толщины меди происходит образование полного физического контакта, активация и схватывание по всей контактной поверхности керамики. Максимумы прочности соединения увеличиваются по мере уменьшения толщины медных дисков. Это результат того, что остаточные напряжения в сварных соединениях снижаются.

С целью повышения прочности соединения в экспериментальных исследованиях по диффузионной сварке пьезокерамики с металлом применяли отожженную медь (рис. 1). Повышение прочности в этих соединениях можно объяснить уменьшением релаксационной стойкости меди, а следовательно, уменьшением остаточных напряжений в зоне сварки.

<МПа

15

14

13

12

11

х1

1 . 2

3

мм

0,05 0,1 0,15 0,3 Т = 1103 К; Р = 7 МПа; т = 40 мин

Зависимость прочности соединения от толщины и марки металлической прокладки (электрода): 1 - ковар 29НК (обмедненный); 2 - медь М-1 (отожженная); 3 - медь М-1

Применение железосодержащих сплавов, у которых коэффициенты температурного расширения близки к КТЛР керамики, и которые успешно применяются при сварке стекол и алюмооксидной керамики, для сварки пьезокерамики практически непригоден. Проведенные исследования показали, что получить прочность соединения, которое удовлетворяло бы требованиям, предъявляемым к изготовлению пье-зокерамических датчиков, недостаточна.

Учитывая проведенные исследования, где установлено, что медь вступает во взаимодействие с элементами пьезокерамики и в результате чего образуется переходная зона, которая определяет прочность сварного соединения - были изготовлены образцы из ковара 29НК на которые в последствии гальваническим путем наносили медь. Толщина медного покрытия на коваре составляла 3.. .5 мкм.

Зависимость прочности сварного соединения пье-зокерамики ЦТСНВ-1 с металлом от толщины электрода и его марки (ковар 29 НК, меди М-1 и отожженной меди М-1) представлена на рис. 1.

Таким образом, исследованияпоказали, что максимальная прочность соединения в пьезопреобразовате-лях достигается при применении в качестве электродов обмедненного ковара и достигает ~ 16 МПа.

Библиографические ссылки

1. Метелкин И. И., Павлова М. А., Поздеева Н. В. Сварка керамики с металлами. М. : Металургия, 1977. 160 с.

2. Лямин Я. В., Мусин Р. К. Напряженно-деформированное состояние металлических прокладок при сварке давлением керамических материалов // Сварочное производство. 1999. № 4. С. 3-5.

© Пестов А. Е., Бобоед А. А., 2013

УДК 621.791.4

А. Е. Пестов, Е. В. Сафонова Научный руководитель - С. В. Прокопьев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

РАЗРАБОТКА ПРОГРЕССИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ

Представлены результаты разработки технологического процесса изготовления акустических преобразователей диффузионной сварки.

Применение пьезокерамических элементов на основе сегнето- и пьезоматериалов открывает широкие перспективы в различных областях науки и техники. Пьезокерамические элементы - элементы функциональной электроники- используют в радиоэлектронике, устройствах автоматики, вычислительной и измерительной технике. Применение пьезоэлементов эффективно и вместе с тем достаточно просто решает многие проблемы измерения различных физических величин электрической и неэлектрической природы.

Пьезоэлементы широко используют в качестве экономичных преобразователей энергии сигналов.

Широко применяемые в настоящее время методы соединения металлов с пьезокерамикой пайкой и склеиванием не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к пьезопреобразователям.

В последние годы для соединения пьезокерамики с металлами стали успешно применять способ диффузионной сварки в вакууме [1].

В настоящее время пьезоэлектрические датчики

Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»

в основном изготавливают склеиванием. Проводимые в последние годы исследования и разработки по диффузионной сварке пьезокерамики с металлами относятся в основном к так называемым «сегнетожест-ким» составом пьезокерамик (ЦТС-19, ТБ-3 и т. д.). Эти типы пьезокерамики обладают невысокими пьезоэлектрическими характеристиками, но довольно высокой прочностью на разрыв. Исследования по сварке «сегнетомягкой» пьезокерамики и пьезокера-мики с промежуточными свойствами почти полностью отсутствуют (такой как ЦТБС-3).

Цель данной работы-разработка технологии изготовления электроакустических пьезопреобразователей с заданными свойствами.

Для изготовления пьезоэлектрического датчика стержневого типа использовалась пьезокерамика ЦТБС-3, которая сваривалась с электродом из ковара 29НК на поверхность которого предварительно наносился слой меди. Сварку образцов-имитаторов проводили на установке СДВУ-50 с радиационным нагревом в графитовом приспособлении.

На прочность соединения и пьезоэлектрические характеристики, при диффузионной сварке, в основном большое значение оказывают следующие параметры: скорость нагрева, скорость охлаждения, температура сварки (Т), давление сварки (Р) и изотермическая выдержка (т). На основании ранее проведенных исследований были выбраны режимы скорости нагрева и охлаждения, они соответственно имели значение 15-20 град/мин и 3-5град/мин. Значения для Т, Р и т были выбраны в виде интервалов (Т = 1033-1113 К; Р = 4-8 МПа; т = 10-50 мин) и в дальнейшем исследовалось их влияние на прочностные и пьезоэлектрические характеристики.

Верхний предел температуры ограничивается нарушением стехиометрического состава и разрушением пьезокерамики даже при незначительных давлениях, а нижний, недостаточностью активации свариваемых поверхностей.

Давление выбирали в соответствии с прочностью керамики в интервале от 4 до 7 МПа. Несмотря на то что, пьезокерамика при нормальной температуре имеет довольно высокий предел механической прочности при сжатии (от 249 до 345 МПа), при нагреве до температуры сварки прочность резко падает и не превышает 8...10 МПа. Таким образом давление 7 МПа ведет к охрупчиванию пьезокерамики и значительному уменьшению прочности соединения. Давление ниже 4МПа не обеспечивает надежный физический контакт соединяемых поверхностей.

Время изотермической выдержки изменяли в диапазоне от 20 до 40 мин. При уменьшении выдержки менее 20 мин. происходит значительное уменьшение прочности соединения из-за неполного деформирования диффузионного соединения, а увеличение более 40мин. приводит к повышенной сублимации свинца на боковых поверхностях пьезокерамики, а также не нецелесообразно с экономической точки зрения.

Проанализировав результаты проведенных экспериментов (см. рисунок), были определены оптимальные режимы сварки - это Т = 1083 ± 5 К, Р = 6,5 ± 0,5 МПа и т = 35 ± 3 мин. Сваренные и испытанные на данных режимах образцы по прочности и пьезоэлектрическим характеристикам идентичны расчетным характеристикам.

По результатам проведенных работ можно сделать следующие выводы:

1. Разработан и экспериментально исследован способ изготовления пьезоэлектрических преобразователей из «сегнетомягкой» пьезокерамики с применением диффузионной сварки способный получать изделие с заданными свойствами.

2. Разработана методика проведения эксперимента.

3. Изучено влияние технологических параметров процесса на прочностные и пьезоэлектрические характеристики пьезопреобразователей.

4. Определены оптимальные режимы сварки пье-зопреобразователей:

Сварка на этих режимах позволяет получить прочность соединения на разрыв не менее 14 Мпа.

5. Разработан технологический процесс диффузионной сварки пьезокерамики ЦТБС-3 с коваром 29НК, который позволил:

• повысить качество соединения пьезокерамики с электродом;

• исключить применение токсичных клеев;

• получить датчики с требуемыми физическими и механическими свойствами

1^

4 у

3_

,Р Т

1063

1033

1103

Режим с в, арки:

1. Р = бМПа т = 40мин

р. Р = 4 МПа т = 4 О мин

3. Р = 8МПа т = 4 О мин

4, Р = 5МПо т = 40мин

Зависимость прочности сварного соединения от режимов сварки

Библиографическая ссылка

1. Бачин В. А. Диффузионная сварка стекла и керамики с металлами. М. : Машиностроение, 1986. 184 с.

© Пестов А. Е., Сафонова Е. В., 2013