Содержание к диссертации
Введение
1 . Основные методы неразъёмного соединения материалов в твёрдом состоянии и способы создания давления 14
1.1 .Методы твердофазного соединения материалов 14
1.2. Основные сведения о процессе диффузионного соединения материалов и создании технологического усилия в электрических печах 25
1.3.Особенности технологии соединения материалов с использованием ЭТСД и обоснование основного направления исследований 41
Выводы, формулировка цели и задачи исследований 54
2. Обоснование методов теоретических и экспериментальных исследований 58
2.1. Выбор материалов и подготовка образцов к соединению 58
2.2. Экспериментальное технологическое оборудование 62
2.3.Выбор методов и изготовление образцов для анализа диффузионного соединения и особенности технологии сварки опытных партий деталей 63
2.4. Используемые методы при разработке методики оптимизации конструкций термокомпрессионных устройств для диффузионной сварки материалов с применением ЭТСД 66
2.5. Теоретические основы и методы численного решения разрабатываемой математической модели для расчёта параметров процесса диффузионной сварки материалов при помощи ЭТСД 67
2.6. Выбор интервалов варьирования основных параметров при разработке режимов сварки 79
Выводы 81
3. Разработка методик оптимизации конструкций термокомпрессионных устройств и расчёта параметров процесса диффузионной сварки материалов в печах с ЭТСД 83
3.1.Основные принятые приближения 83
3.2. Расчёт и оптимизация конструкций термокомпрессионных устройств 94
3.3. Математическая модель и методика расчёта параметров технологического процесса сварки материалов с использованием ЭТСД 121
Выводы 126
4. Исследование качества полученных соединений 127
4.1 .Металлографический анализ зоны соединения 127
4.2.Испытания на прочность и ультразвуковая дефектоскопия соединённых образцов 129
4.3.Измерение микротвёрдости в зоне соединения 131
Выводы 133
5. Разработка ЭТСД и режимов сварки и их внедрение 136
5.1.Разработка термокомпрессионного устройства для диффузионной сварки с ЭТСД деталей твердосплавного штампового инструмента 136
5.2.Разработка термокомпрессионного устройства для диффузионной сварки с ЭТСД элементов контактных наконечников вакуумных выключателей 138
5.3. Разработка технологического процесса диффузионной сварки в печах с ЭТСД элементов армированного твёрдым сплавом штампового инструмента 140
5.4.Разработка технологического процесса диффузионной сварки в печах с ЭТСД деталей контактных наконечников вакуумных выключателей 142
Выводы 143
Заключение 145
Список использованных источников 148
Приложения 164
- Основные сведения о процессе диффузионного соединения материалов и создании технологического усилия в электрических печах
- Теоретические основы и методы численного решения разрабатываемой математической модели для расчёта параметров процесса диффузионной сварки материалов при помощи ЭТСД
- Математическая модель и методика расчёта параметров технологического процесса сварки материалов с использованием ЭТСД
- Разработка технологического процесса диффузионной сварки в печах с ЭТСД элементов армированного твёрдым сплавом штампового инструмента
Введение к работе
Актуальность исследования.
Работоспособность изделий машиностроения, электроэнергетики, приборостроения, электронной техники и других отраслей промышленности во многом зависит от качества соединения их деталей. В настоящее время известно более двух десятков видов сварок термического, механического и термомеханического классов. При этом диффузионная сварка обеспечивает получение наиболее качественных неразъёмных соединений широкой номенклатуры материалов.
Однако необходимость применения дорогостоящего специального оборудования для диффузионной сварки с гидравлической, механической или пневматической системами давления сдерживает широкое внедрение этого процесса. Данного недостатка можно избежать за счёт применения электротермических систем давления (ЭТСД). В этом случае процесс соединения заготовок производится в обыкновенных электронагревательных установках с защитными технологическими средами.
Значительные успехи в исследовании и разработке процессов диф
фузионной сварки материалов достигнуты благодаря работам отечествен
ных учёных и специалистов: Н.Ф.Казакова, Э.СКаракозова,
Г.В.Конюшкова, РА.Мусина, И.М.Мухи, М.Н.Довбищука,
Г.А.Щепетиной, В.С.Самойлова, Э.Р.Галинского, И.С.Гришина, ПА.Бордакова, ЯБ.Лямина, ВА.Кархина и др.
Однако в работах этих специалистов не имеется достаточных сведений по технологии диффузионной сварки материалов в печах с ЭТСД. Поэтому данный вопрос требует проведения систематических, комплексных исследований.
Работа выполнялась в соответствии с программой Министерства образования Российской Федерации "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" - подпрограмма 201, раздел 201.07, проект "Разработка физико-технологических основ теории, технологических моделей и оборудования диффузионной сварки металлов и неметаллов со специальными свойствами за счёт активирования процесса при уменьшенных давлениях и температурах" в 2001-2002гг. и Областной адресной инвестиционной программой на 2003г. Саратовской области, раздел "Промышленность: получение прямого бюджетного кредитования", проект "Исследование физических свойств материалов и создание технологических процессов диффузионной сварки деталей и изделий электронной техники".
Целью работы является: — повышение качества сварных изделий на основе совершенствования технологии соединения материалов за счёт применения электротермических систем давления;
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ ( БИБЛИОТЕКА |
о»
— создание методик расчёта конструкций термокомпрессионных уст
ройств и технологических режимов диффузионной сварки с электро
термическими системами давления, а также разработка на их основе
новых технологий для получения композиций материалов с заданными
эксплуатационными свойствами.
Достижение этой цели потребовало решения следующих задач:
исследовать возможность диффузионной сварки деталей в электронагревательных установках с защитными средами за счёт использования ЭТСД;
разработать методику расчёта и оптимизации конструкций термокомпрессионных устройств с учётом различных предельных деформированных состояний материалов;
разработать методику расчёта параметров технологического процесса диффузионной сварки материалов в печах с ЭТСД;
выбрать с учётом особенностей технологии изготовления и условий эксплуатации изделий материалы для изготовления с использованием ЭТСД армированных твёрдым сплавом пуансонов и матриц вырубных штампов и комбинированных контактных наконечников дугогаситель-ных камер вакуумных выключателей;
разработать термокомпрессионные устройства для диффузионной сварки с ЭТСД элементов инструмента вырубных штампов, армированного твёрдым сплавом, и контактов вакуумных выключателей с наконечником из композиционного материала;
разработать технологические режимы процессов диффузионной сварки с ЭТСД элементов армированного твёрдым сплавом штампового инструмента и биметаллических контактов вакуумных выключателей;
внедрить в производство разработанные при помощи созданных методик технологические процессы и обеспечение.
Методы исследований.
В работе использованы методы испытания материалов на механическую прочность и металлографический анализ; численные методы нахождения экстремума функции и коэффициентов уравнения регрессии для построения аналитических зависимостей при разработке методики оптимизации конструкций термокомпрессионных устройств и решения системы дифференциальных уравнений при разработке параметров технологических процессов диффузионной сварки с ЭТСД элементов армированных твёрдым сплавом пуансонов и матриц вырубных штампов, а также биметаллических контактов вакуумных выключателей.
На защиту выносятся следующие научные положения: 1. Необходимое для получения качественного соединения материалов удельное усилие (как правило, величиной ~10'Па) создаётся за счёт применения .электротермических систем давления одноосного сжатия,
состоящих из следующих элементов: а) системы электронагрева;
б) термокомпрессионного устройства со стягивающими элементами,
имеющими меньший температурный коэффициент линейного, расши
рения (ТКЛР), чем приведённый ТКЛР сжимаемого пакета деталей; и
в) установленных в устройстве свариваемых заготовок.
-
Технологический зазор определённой величины, устанавливаемый при помощи клиновой системы термокомпрессионного устройства, обеспечивает при контролируемом нагреве ЭТСД создание усилия заданной величины (как правило, 102- 106Н), действующего в течение заданного времени (обычно ~103с) подъёма температуры в заданном диапазоне значений (в большинстве случаев находящемся в пределах 0,4-М),7 по гомологической шкале наименее жаропрочного материала), что необходимо для образования между свариваемыми образцами полного физического контакта.
-
Разработанная методика расчёта конструкций и составленные базы данных жаропрочных материалов для деталей термокомпрессионных устройств для соединения в электропечах заготовок с габаритными размерами от ~10мм до ~102мм позволяют при температурах (1,0-И,5)-Ю3К проектировать, используя критерий минимума объёма, оптимальные конструкции различных типов термокомпрессионных устройств одноосного сжатия с клиновой системой установки начального зазора.
-
На основе предложенной феноменологической механической модели деформируемого твёрдого тела разработана методика, которая позволяет (при относительных деформациях деталей не более ~10"2) расчётным путём определять технологические параметры процесса диффузионной сварки с ЭТСД материалов.
-
Применение ЭТСД и разработанных расчётных методик позволяет вести процессы высококачественного соединения материалов без применения припоев из драгметаллов и специального оборудования в электрических печах с защитными технологическими средами, оптимизировать конструкции термокомпрессионных устройств и разрабатывать технологии изготовления широкой номенклатуры узлов при сокращённом количестве натурных экспериментов.
Научная новизна работы.
Разработана методика оптимизации конструкций и сформированы базы данных материалов для деталей термокомпрессионных устройств, позволяющие проектировать с учётом различных предельных деформированных состояний материалов в широких диапазонах температур и сроков эксплуатации разные типы устройств одноосного сжатия с клиновой системой установки начального зазора (зажима), используя критерий минимума объёма.
Предложена феноменологическая механическая модель деформируемого твёрдого тела, описывающая термомеханическое поведение поликристаллических металлов и сплавов в условиях технологического процесса диффузионной сварки с ЭТСД материалов.
С использованием данной модели разработана методика расчёта технологических параметров процесса диффузионной сварки с ЭТСД материалов. При этом ЭТСД представлена как совокупность деталей термокомпрессионного устройства и соединяемых заготовок с учётом влияния на свойства их материалов режима электронагрева.
Определены марки инструментальных сталей и твёрдых сплавов, обеспечивающие наиболее высокое качество армированного твёрдым сплавом вырубного штампового инструмента, изготовляемого методом диффузионной сварки с применением промежуточных прослоек на никелевой основе и послесварочной закалки узлов на спокойном воздухе.
Получены численные решения системы дифференциальных уравнений, составленной на основе разработанной математической модели технологического процесса диффузионной сварки с ЭТСД материалов.
Установлено, что начальный зазор (величиной, как правило, -10" мм) обеспечивает при контролируемом электронагреве термокомпрессионных устройств с заготовками получение необходимых режимов диффузионной сварки соединяемых материалов.
Практическая значимость работы.
Результаты работы могут быть использованы в различных отраслях промышленности при изготовлении сварных узлов из разнообразных материалов с использованием электротермических систем давления.
Разработаны термокомпрессионные устройства универсального типа со стойками прямоугольного поперечного сечения, имеющие размеры (здесь и далее - длинахширинахвысота в мм) рабочих зон 130x100x65 и 130x100x98 и габаритные размеры 283(с раздвинутыми клиньями 355)х141х181 и 281(353)х143х223 для, соответственно, последовательной и одновременной диффузионной сварки с ЭТСД элементов пуансонов и матриц вырубных штампов, армированных твёрдым сплавом.
Разработана технология диффузионной сварки с ЭТСД элементов пуансонов и матриц вырубных штампов из инструментальной стали 4Х5МФС и твёрдого сплава марки ВК20-КС через прослойку никеля Н2 толщиной 0,1мм с послесварочной закалкой узлов на спокойном воздухе, позволяющая получать в обыкновенных электропечах соединения с пределами прочности: на срез - (4,04-4,6)- 108Па, на кручение - (2,8+3,0)-108Па, на разрыв - (6,0+8,8)- 108Па.
Разработано термокомпрессионное устройство специального типа со стойками круглого поперечного сечения для диффузионной сварки с ЭТСД элементов биметаллических контактов вакуумных выключателей,
имеющее размеры рабочей зоны 65x65x150 и габаритные размеры 170(240)х65х267.
Разработана технология диффузионной сварки с ЭТСД элементов контактов вакуумных выключателей из композиционного материала ХД50В-МП и меди марки МОб, обеспечивающая без применения специального оборудования и драгметаллов получение образцов с высокой механической прочностью на разрыв, высокой электрической прочностью и отключающей способностью, слабой и равномерной эрозией при искрении, низкой упругостью пара и хорошей теплопроводностью.
Апробация работы.
Основные положения работы докладывались на: научно-технической конференции "Проблемы и перспективы электронного приборостроения", посвященной 40-летию ГНПП "Контакт" (Саратов, 1999); седьмой научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Вакуумная наука и техника" (Гурзуф, 2000); научно-технической конференции "Перспективы развития электроники и вакуумной техники на период 2001-2006гг." (Саратов, 2001); научно-технической конференции "Электронные приборы и устройства нового поколения" (Саратов, 2002); шестой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-2002 (Саратов, 2002); научно-технической конференции "Перспективные направления развития электронного приборостроения" (Саратов, 2003).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 10 научных работ. Личное участие автора в этих работах и докладах выразилось в определении цели, разработке методов исследований, проведении экспериментов, анализе и обобщении результатов, формировании научных выводов.
Реализация работы в промышленности.
Результаты работы внедрены на ФГУП «НПП "Контакт"» при производстве узлов вырубных штампов и вакуумных выключателей с годовым экономическим эффектом в размере 425 тыс. руб.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов. Изложена на 164 страницах и содержит 18 рисунков, 2 таблицы, список использованной литературы из 214 наименований и приложения.
Основные сведения о процессе диффузионного соединения материалов и создании технологического усилия в электрических печах
Процесс любого вида неразъёмного соединения материалов включает следующие стадии: образование физического контакта и электронное взаимодействие. Далее происходит развитие диффузионных процессов. В любом случае для соединения требуется не только сблизить поверхности, но и затратить энергию активации в виде теплоты (термическая активация) и (или) деформации (механическая активация). Образование монолитного соединения в реальных условиях затруднено из-за наличия на поверхностях микронеровностей, плёнок различных химических соединений, адсорбированных газов, загрязнений. Независимо от характера и интенсивности воздействия природа образования соединения едина. Различие заключается лишь в кинетике протекания отдельных стадий процесса, которая определяется условиями нагрева, характером и интенсивностью деформации (или течения) материалов, степенью локализации деформации и особенностями развития релаксационных процессов в приконтактной зоне.
Сварка без расплавления - это, прежде всего, взаимодействие поверхностей и тонких приповерхностных слоев твёрдых тел. Принципиально возможно образование неразъёмного соединения двух поверхностей, если процесс приводит к уменьшению поверхностной свободной энергии системы, т.е. является энергетически выгодным. Свободная энергия поверхности твёрдых тел зависит от кристаллической структуры материала, температуры процесса и практически не зависит от прикладываемого давления. Существенно снижают свободную энергию газы, адсорбированные на поверхности. Энергия границы определяется характером и степенью разориентировки составляющих её кристаллов. Процесс соединения однородных материалов всегда выгоден в термодинамическом отношении в связи с тем, что энергия границы значительно ниже энергии поверхности. Для случая соединения разнородных материалов вероятность образования соединения связывается с термодинамической разрешённо-стью протекания химической реакции между данными материалами. Критерием является изменение энергии Гиббса реакции в рассматриваемых температурных условиях.
Сварка в твёрдой фазе имеет большой ряд разновидностей, среди которых особое место занимает диффузионная сварка. Отличительной особенностью этого способа сварки является то, что протекающие после "сцепления" контактных поверхностей (обусловленного приведёнными ранее соображениями) диффузия и сопутствующие ей процессы приводят к образованию сварного соединения в твёрдой фазе, свойства которого идентичны или близки к свойствам основного материала.
Диффузионный метод сварки характеризуется тем, что процесс протекает в защитной (инертной или активной) среде при температурах и давлениях, обеспечивающих взаимную диффузию атомов соединяемых материалов в твёрдой фазе с образованием между свариваемыми поверхностями прочного и по всем остальным параметрам качественного соединения. Технологическая характеристика диффузионной сварки была предложена Н.Ф. Казаковым и принята Международным институтом сварки в следующем виде: "Диффузионная сварка материалов в твёрдом состоянии - это способ получения монолитного соединения, образовавшегося вследствие возникновения связей на атомар 27 ном уровне, появившихся в результате сближения контактных поверхностей за счёт локальной пластической деформации при повышенной температуре, обеспечивающей взаимную диффузию в поверхностных слоях соединяемых материалов".
Рассмотрим более подробно механизм образования соединения при диффузионной сварке [11]. Аномалия свойств материала, наблюдаемая в поверхностном слое очень малой толщины ( 2ч-5мкм), позволяет рассматривать последний как дефект в твёрдом теле (сварка, в конечном счете, сводится к ликвидации этого дефекта). Первым условием устранения этого дефекта (вернее, пары дефектов) является необходимость сближения атомов соединяемых материалов на расстояние, при котором возможно установление физического контакта (физический контакт - состояние, при котором между соединяемыми материалами становятся возможными обменные процессы электронного взаимодействия).
Однако особенности строения поверхности обеспечивают минимальную потенциальную энергию системы её атомов (начальное состояние системы при сварке). Переход этой системы на более низкий потенциальный уровень, характерный для системы атомов внутри тела (конечное состояние системы при сварке), согласно теории абсолютных скоростей реакций [7] может быть осуществлён лишь через некоторое активное промежуточное состояние с более высокой потенциальной энергией, чем у начального и конечного. В общем случае под активированным промежуточным состоянием атомов соединяемых поверхностей при сварке понимается неравновесное электронное динамическое состояние поверхности, обеспечиваемое определённым сочетанием параметров сварки [7]. Физико-химическое взаимодействие на соединяемых поверхностях развивается дискретно в местах, где энергия атомов увеличена. Такие участки получили название активных центров (с позиции кинетики химических реакций под активным центром понимается участок контактной поверхности с возбуждёнными до определённого уровня атомами, между которыми возможны разрывы и трансляции связей). Активными центрами служат участки выхода в плоскость сварки дефектов кристаллического строения, в первую очередь дислокаций и вакансий.
После образования химических связей дальнейшее понижение уровня энергетического состояния зоны соединения возможно за счёт процессов, обусловленных диффузией. В твёрдом состоянии металлы можно представить как систему правильно расположенных в пространстве положительных ионов и относительно свободных электронов, движущихся в определённых энергетических "зонах". Ионы совершают тепловые колебания с большей или меньшей амплитудой в соответствии со статистическим законом распределением энергии в кристаллической решётке. Колебания с большой амплитудой приводят к тому, что ионы могут не вернуться к своему прежнему центру колебания, а занять энергетически более "удобное" место. Такие перемещения атомов, превышающие средние межатомные расстояния, принято называть диффузией. При повышении температуры происходит резкое ускорение диффузии вследствие увеличения амплитуды колебания ионов кристаллической решётки. При рассмотрении миграции атомов в кристаллической решётке различают: миграцию атомов в чистом металле или атомов растворителя в твёрдом растворе -самодиффузию; и миграцию атомов растворённого элемента в решётке растворителя - гетеродиффузию. Границы зёрен имеют большее количество несовершенств кристаллической решётки (т.е. большую энергию), чем внутризёренное пространство, поэтому диффузия вдоль границ (граничная диффузия) происходит с большей скоростью. Большая плотность искажений в поверхностном слое материалов обусловливает существование поверхностной диффузии, скорость которой больше скорости граничной диффузии. Диффузия играет решающую роль в создании качественного соединения. Граничная диффузия, протекая обычно во много раз быстрее объёмной, повышает надёжность сварного соединения.
Исходя из изложенного, при анализе кинетики сварки и изучении механизма соединения можно принять деление процесса на отдельные стадии, по 29 следовательно протекающие во времени. Ниже приведены стадии диффузионной сварки, определяющие условия взаимодействия соединяемых поверхностей в процессе формирования соединения: физическое (механическое и ван-дер-ваальсовское) взаимодействие, свидетельствующее об образовании фактического контакта поверхностей; химическое взаимодействие (схватывание), происходящее при необходимом уровне активации поверхностей; объёмное развитие взаимодействия в контактной зоне, определяемое диффузионными процессами и сопровождающееся релаксацией внутренних напряжений.
Необходимо учитывать, что строгое деление процесса на стадии справедливо лишь для микроучастков контактирующих поверхностей. Деление процесса на указанные стадии представляется логичным, так как именно вид возникающих связей, характер и степень развития химического взаимодействия, а также релаксационных процессов в контактной зоне в первую очередь определяют эксплуатационные характеристики соединения.
Теоретические основы и методы численного решения разрабатываемой математической модели для расчёта параметров процесса диффузионной сварки материалов при помощи ЭТСД
Выбор модели деформируемого твёрдого тела для расчёта режимов технологического процесса диффузионной сварки с ТСД произведём с учётом следующих факторов. В настоящее время не существует физической модели, удовлетворительно количественно описывающей широкий класс материалов [50-74]. При этом используемые в них данные по свойствам материалов, как правило, невозможно определить из простых механических испытаний, ТУ или ГОСТ а на данную марку материала. Построение же эмпирической модели является слишком дорогостоящей и трудоёмкой работой. При этом полученные данные могут быть применены только к узкому классу материалов. Поэтому к настоящему времени наиболее широко распространены и хорошо разработаны феноменологические модели.
Феноменологические модели деформируемого твёрдого тела можно разделить на два основных типа [75-95]: механические - выделение различных составляющих (механизмов) сложной деформации; и структурные - разбиение однородной структуры, подвергающейся сложному деформированию, на подэ-лементы, подвергающиеся простому идеальному деформированию (введение микронеоднородности).
Механические модели основаны на принципе суперпозиции (наложения) различных типов составляющих деформаций и напряжений. Данный принцип хорошо работает при условии малости деформации. Это условие выполняется при диффузионной сварке, где степень макродеформации деталей обычно не превышает порядка Ю-2. К тому же, параметрами механических моделей являются, как правило, свойства материалов, определяемые в результате стандартных испытаний. Таким образом, при разработке математической модели процесса диффузионной сварки с ТСД наиболее целесообразным, на мой взгляд, является использование механических феноменологических моделей деформируемого твёрдого тела.
Построим феноменологическую механическую модель компактного, сплошного, макрооднородного (гомогенного), структурно стабильного, нормально изотропного, пластически несжимаемого деформируемого твёрдого тела в приближении несвязанной, локальной, безмоментной, линейной задачи (справедливой для не очень больших деформаций и не сильно неоднородного напряжённо-деформированного состояния) в квазистатической постановке.
Из обобщённого принципа суперпозиции (наложения) составляющих деформаций и напряжений различных типов (справедливого для малых деформаций): 5 = 8С +5р или в дифференциальном виде -8 = 6с+6, (4) где 5С - склерономная составляющая относительной деформации; 8Р - рео номная составляющая относительной деформации.
Деформирование считается склерономным (мгновенным), если выполняется постулат Прагера: "Приращение напряжения за определённый промежуток времени определяется приращениями деформации и температуры за этот же промежуток времени и не зависит от длительности последнего". В более обобщённом виде склерономным называется процесс, описание которого всецело определяется текущим значением входного параметра X(t) (т.е. не зависит от предыстории), а реономным - процесс, описание которого существенно связано с фактором времени (т.е. скачкообразное изменение X(t) не нарушает непрерывности выходного параметра Y(t), а может лишь нарушить непрерыв 69 ность Y(t)). При рассмотрении процесса деформирования твёрдого тела за X и Y можно принимать, например, следующее: Х=(а,Т); Y=5. Здесь а - механическое напряжение, Т - температура, 5 - относительная деформация.
Склерономную составляющую, в свою очередь, представим в виде суммы следующих составляющих: 5С=5 +5 или в дифференциальном виде - 8С=8ТУ+8П, (5) где 8ТУ - термоупругая (обратимая) составляющая деформации; 8П - пластическая (необратимая) составляющая деформации.
Рассмотрим термоупругую составляющую деформации [96-101]. При идеальной термоупругости в рамках принимаемых приближений поле деформаций однозначно определяется текущими полями напряжений и температуры, т.е. существует уравнение состояния, которое в ортогональной трёхмерной системе координат с осями хь х2, х3 можно представить в следующем виде: где 8у - тензор термоупругой деформации второго ранга (валентности) размерностью 3x3; oki - тензор напряжений второго ранга размерностью 3x3. Откуда с учётом однородности температурно-напряжённо-деформированного состояния полный дифференциал термоупругой деформации: где syki - тензор четвёртого ранга коэффициентов податливости материала, определяющихся свойствами материала, но не являющихся его константами ввиду зависимости от выбора системы координат. Из условия симметричности 5ij и aki (следующего из условий равновесия и совместности деформаций элементарных объёмов) и условия существования упругого потенциала при постоянной величине Т следуют равенства Sijki=Sjiki=Sijik=Skiij и ФІІ=Ф)І. Так как d8jf - полный дифференциал, то где аіі(Т)=фу(акі,Т) - тензор температурных коэффициентов линейного искажения по соответствующим направлениям (ІЩ - температурные коэффициенты линейного сдвига, i=j - температурные коэффициенты линейного расширения).
Для нормально изотропного тела (с учётом того, что при не очень большой термоупругой деформации сдвиговые составляющие температурной деформации, а также сдвиговые деформации от нормальных напряжений и продольные деформации от касательных напряжений пренебрежимо малы) получим: где Е - модуль нормальной (продольной) упругости (модуль Юнга); v - коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона); a - истинный температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР); 3 - символ Кронекера ( 5jj=l при i=j, иначе 3ц=0). Для малой термоупругой деформации можно пренебречь зависимостями
Тогда при одноосном напряжённом состоянии ((Ту=0 при ij l, ац=а) и естественном начальном состоянии (т.е. при времени t=0 имеем а=0, 8=0, Т0=Т0=293,15К), перейдя к производным по времени, для продольной термоупругой деформации получим:
Рассмотрим пластическую склерономную составляющую деформации [ 102-112]. Примем основные положения (принципы) теории упрочнения упруго пластических материалов:
1) пластическая составляющая деформации имеет необратимый характер;
2) между величинами напряжения и пластической деформации не существует однозначной зависимости;
3) полное приращение деформации аддитивно складывается из приращений упругой и пластической составляющих;
4) разгружение из любого состояния происходит упруго по закону упругости исходного состояния;
5) при повторных нагружениях отсутствует петля гистерезиса;
6) предел текучести (упругости) равен пределу пропорциональности (т.е. до начала пластического деформирования материал деформируется упруго по линейному закону);
7) функциональная связь напряжения и деформации не зависит от скорости деформирования и при постоянных напряжении и температуре величина деформации не изменяется (невязкий закон квазистатического деформирования);
8) скорость деформации есть однородная функция первого порядка скорости нагружения (равновесный процесс);
9) термическая деформация носит чисто упругий характер.
При этом согласно теории пластического течения существует замкнутая поверхность в пространстве напряжений (поверхность текучести), разделяющая упругую и пластическую области; в процессе активного нагружения начальная поверхность текучести деформируется так, что изображающая напряжённое состояние точка в пространстве напряжений никогда не покидает эту поверхность; закон деформирования этой поверхности (закон упрочнения) удовлетворяет фундаментальному квазитермодинамическому постулату Друк-кера, согласно которому в процессе приложения дополнительных нагрузок внешнее нагружение совершает неотрицательную работу и за полный цикл приложения и снятия дополнительных нагрузок работа внешнего нагружения также неотрицательна.
Математическая модель и методика расчёта параметров технологического процесса сварки материалов с использованием ЭТСД
Разработку математической модели для определения технологических режимов диффузионной сварки с ТСД материалов начнём с построения расчётной схемы. Для этого разобьём термокомпрессионное устройство со свариваемыми заготовками (т.е. ТСД) на сжимаемые и растягиваемые элементы, где за отдельный элемент (сжимаемый или растягиваемый в приближении однородного одноосного напряжённо-деформированного состояния) примем имеющие одинаковые поперечные сечения части деталей из одного материала. Тогда условие совместности деформаций примет вид: где i-тые и j-тые - соответственно, растягиваемые и сжимаемые элементы; t -время процесса; Н - функция Хевисайда, Н(х)=0 при х 0, иначе Н(х)=1; 1 - длина соответствующего индексу элемента; А - величина зазора. В истинных деформациях условие (121) примет вид: где 10 - исходная длина элемента; є - истинная (логарифмическая) относительная продольная деформация элемента. В приближении малых деформаций данное условие будет иметь вид: где 8 - условная относительная продольная деформация элемента.
Выделим у каждого элемента термическую 8Т и механическую 5м составляющие деформации. Чтобы избавиться от знаков будем принимать напряжения и механические деформации всегда положительными. Тогда ввиду того, что в приближении одноосного напряжённо-деформированного состояния каждый элемент в течение всего процесса имеет неотрицательную деформацию линейного температурного расширения и является механически одноосно растягиваемым (8м) или сжимаемым (—5м), и с учётом того, что Zloi Zloj=Ao
Следует иметь в виду, что скорость обратимой реономной составляющей 8ри может иметь ненулевое (отрицательное) значение при А 0 только в том случае, если имело место предшествующее нагружение. При величине усилия P(t) 0 имеем:
Тогда с учётом формул (4), (5), (12), (14), (15), (24) - (28) выразим значения производных по времени зазора А и технологического усилия Р (здесь все параметры, кроме геометрических, в общем случае являются функциями времени):
Сложность заключается в том, что ввиду статической неопределимости расчётной схемы при пребывании деформированных состояний на поверхности (точке) текучести одновременно у нескольких элементов (т.е. P/Spi=ppi, где pl=l,2,...,n при п 1) выполнение условия активного нагружения (P/Spi Mpi) в выражениях для определения f2 и f3 может быть взаимозависимым (коррелируемым) для нескольких элементов. В этом случае при п 10! (что для используемых конструкций оснасток практически всегда соответствует действительности) достаточным для определения всех пластически активно деформируемых элементов является применение, как правило, не более трёхуровневой проверки условия нагружения.
Система обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка, необходимая для определения P(t), а также A(t) и составляющих деформирования элементов схемы через их скорости при заданных начальных условиях, и представляет собой математическую модель для расчёта параметров технологического процесса диффузионной сварки с ТСД материалов. Решение данной системы возможно с применением численных методов.
Рассмотрим методику определения расчётных режимов технологического процесса диффузионной сварки с ТСД материалов. При определённом температурном режиме (в случае электропечей с радиационной системой нагрева -это, обычно, нагрев с максимальной скоростью до температуры диффузионного отжига, выдержка при данной температуре в течение времени, необходимого для прохождения последней стадии диффузионной сварки данных материалов, и отключение системы нагрева, либо охлаждение по определённому режиму для предотвращения развития остаточных напряжений критического уровня) и различных величинах начального технологического зазора (зажима) До (т.е. сдвига клиньев d0) находятся численные решения разработанной математической модели. По полученным зависимостям P(t) с учётом температурно 125 го режима T(t), площади сварки SCB и времени ta(pa,Ta) (где pa, ta и Та, - соответственно, удельное усилие, время и температура его приложения при классической диффузионной сварке материалов соединяемых деталей) определяются приведённые (с учётом ta) расчётные удельное усилие рр и температура его приложения Тр для каждого значения А0. Получаемая зависимость рр(Тр) сравнивается с зависимостью ра(Та) при использованной для приведения величине ta и устанавливается значение расчётного технологического зазора Аор (сдвига клиньев d0p). Например, для приведённых на рис.10 случаев: 1 - A0pi Ao2; 2 -ДоР2є(Аоз,Ао4); 3 - применяемые термокомпрессионное устройство и температурный режим не обеспечивают попадание значений параметров сварки в технологический объём (ta;pa;Ta) данных материалов ни при каких А0 (do). Далее в случае 3 меняется конструкция термокомпрессионного устройства (или, если есть возможность, - температурный режим), а в случаях 1 и 2 при выбранном начальном технологическом зазоре (сдвиге клиньев) находится численное решение разработанной математической модели процесса с окончательным температурным режимом (в последний для выравнивания температурного поля в свариваемых заготовках и обезгаживания соединяемых поверхностей рекомендуется включить выдержку при постоянном значении температуры, при котором обнуляется начальный технологический зазор, т.е. А—»0 и р=0). Если определённые по данным решения значения рр и Тр попадают в технологическую область соединяемых материалов (т.е. точка A0pi в случае 1 или точка АоР2 в случае 2 (см. рис. 10) находится выше кривой ра(Та)), то расчётные технологические параметры диффузионной сварки с ТСД соединяемых деталей (т.е. конструкция термокомпрессионного устройства, температурный режим и величина начального сдвига клиньев) являются установленными.
Разработка технологического процесса диффузионной сварки в печах с ЭТСД элементов армированного твёрдым сплавом штампового инструмента
С учётом режимов, определённых при помощи разработанной расчётной методики, технологический процесс диффузионного соединения в вакуумной электропечи с ТСД элементов армированных твёрдым сплавом пуансонов и матриц вырубных штампов (для обоих разработанных термокомпрессионных устройств) состоит из следующих переходов:
— монтаж в технологической камере термокомпрессионного устройства со свариваемыми заготовками и установка начального сдвига клиньев величиной 40мм, присоединение термопар;
— герметизация и откачка технологической камеры до давления \0 2Па;
— нагрев термокомпрессионного устройства со свариваемыми заготовками до температуры 800С при давлении в технологической камере не более 5-10 2Па:
— выдержка при 780- 800С для выравнивания температуры загрузки в течение 15ч-20мин и далее (если потребуется) для обезгаживания технологической камеры с загрузкой до давления не более (0,5ч-1,0)-10 Па;
— нагрев до температуры в контакте 1050С за время не более 50мин при давлении не более 5-10 2Па;
— диффузионная выдержка при 1050- 1100С в течение 10-=-12мин;
— охлаждение до 600С;
— выдержка при 600±20С в течение 60-г70мин для релаксации внутренних напряжений в сваренных образцах;
— выключение нагрева, охлаждение до 90-ь100С;
— выключение вакуумной системы, разгерметизация камеры;
— выгрузка образцов;
— визуальный контроль;
— ультразвуковой контроль.
После диффузионной сварки для перераспределения напряжений в твёрдом сплаве на более благоприятные для работы рекомендуется произвести воздушную закалку образцов (с нагревом, например, в печи ГЗО) [16]. Для стальной державки с размером меньшей стороны 0,1м из материала марки 4Х5МФС (4Х5МФ1С) закалку следует вести по следующему режиму:
— предварительный нагрев до 350С, выдержка 20- 25мин;
— повторный нагрев до 840-ь860С, выдержка 30-ь40мин;
— нагрев под закалку для растворения карбидов до 1020С, выдержка 15-г20мин;
— охлаждение с печью до 870С (930С), выдержка 10-И5мин;
— охлаждение с печью до 840С (880С), далее - на спокойном воздухе до 100С (ниже 500С - возможно сжатым воздухом);
— промывка в ванне с водой при 60-ь80С в течение 2-н4мин;
— отпуск при 540С в течение 1-Й,5ч;
— ультразвуковой контроль.
Нагрев до температуры закалки следует вести не менее 2,5ч, отпуска - Зч.
