CC BY
185
УДК 621.791.
ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА ВАКУУМНО-ПЛОТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
М. П. Скворцов, Л. Г. Семичева1
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Разработаны технологии диффузионной сварки вакуумно-плотных соединений металлов с керамикой 22ХС и фторопластом-4. Определены оптимальные параметры процесса сварки, обеспечивающие требуемую прочность и герметичность соединений.
Ключевые слова: диффузионная сварка, вакуумно-плотные соединения, гермовводы, диффузионно-вакуумная установка.
DIFFUSION WELDING VACUUM-TIGHT JOINING DISSIMILAR MATERIALS
A. V. Skvortsov, L. G. Semicheva1
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
Diffusion bonding technology developed vacuum-tight metal compounds with ceramic and Teflon 22HS-4. The optimum parameters of the welding process, providing the required strength and tightness of connections.
Keywords: diffusion welding, vacuum-tight connection, pressure seals, vacuum-diffusion plant.
В авиационной, космической и СВЧ-технике при изготовлении гермовводов проблемным вопросом является получение вакуумно-плотных соединений разнородных материалов, способных работать в экстремальных условиях.
Неразъемные соединения металлов с неметаллами, применяемые в конструкциях гермовводов, должны обладать высокой прочностью, герметичностью и сохранять работоспособность в условиях вибраций, циклическом изменении температур и повышенной влажности среды.
Изготовление узлов склеиванием, пайкой и сваркой не обеспечивает требуемых эксплуатационных характеристик изделий и весьма трудоемки.
В настоящее время перспективно применение диффузионной сварки, которая позволяет сваривать металлы со стеклом, керамикой и полимерами и обеспечивать высокое качество сварных соединений [1; 2]. Этот способ сварки позволяет сохранить исходные свойства свариваемых материалов, снизить трудоемкость изготовления, исключить использование дорогостоящих материалов (клеев, припоев и т. д.) и получить требуемые эксплуатационные характеристики узлов.
В качестве материалов для гермовводов использовались нержавеющая сталь 12 Х18Н10Т -ВД, алюмооксидная керамика 22ХС, медь М1, алюминиевый сплав АМг6 и фторопласт-4.
Свариваемая поверхность керамики перед сваркой обрабатывалась на доводочном станке с шероховатостью R3 = 0,4...0,8 мкм, отклонением от плоскостности 0,002...0,005 мкм; поверхность стальной детали доводилась до шероховатости R = 0,4 мкм. Затем поверхности обезжиривались бензином Б-70 и обезвоживались спиртом-ректификатом.
Эксперименты проводились на сварочной диффузионно-вакуумной установке СДВУ-50. Свариваемые детали собирали в специальном приспособлении, устанавливали в вакуумную камеру и производили предварительный поджим сборки давлением Р = 1 МПа. Камеру установки герметизировали до разрежения Н = 1,3* 10-2 Па, затем нагревали с заданной скоростью V^ip до температуры сварки Тсв радиационным нагревателем. По достижении температуры сварки производили выдержку в течение
Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»
300 с для выравнивания температуры по сечению керамики и прикладывали сварочное давление Рсв, затем производили изотермическую выдержку в течение времени т и охлаждали с заданной скоростью Уохл до температуры Т = 473 К и снимали давление. Дальнейшее охлаждение происходили при открытой камере.
Диапазон параметров режима сварки выбирали с учетом физико-механических свойств свариваемых материалов:
ТСв = (1133...1283) К; РСв = (6...10) МПа; т = (1200 ...2700) с.
Для испытаний на механическую прочность на этих режимах сваривали специальные образцы 12Х18Н10Т + М1 + 22 ХС.
Результаты испытаний позволили определить оптимальные параметры режима сварки, при которых максимальная прочность соединения составила ов = 102 МПа:
Тсв = (1233...1243) К; Р = (7,5...8,5) МПа; т = (2250...2550) с; Утгр = (0,17...0,25) К/с;
Уохл = (0,05...0,08) К/с; Н = 1,3 ■ 10-2 Па.
Результаты испытаний на герметичность показали, что узлы, сваренные на оптимальных режимах, отвечают установленным требованиям.
В конструкциях гермовводов СВЧ-трактов применяют неразъемные соединения стекла и керамики с металлическим корпусом. Однако эти диэлектрики обладают повышенной хрупкостью и значительной диэлектрической проницаемостью.
Применение в качестве диэлектрика фторопласта-4, обладающего низкой диэлектрической проницаемостью, широким диапазоном рабочих температур, пластичностью и стойкостью к агрессивным средам, позволяет расширить диапазон длин волн СВЧ-тракта и повысить надежность гермовводов.
Проблема получения качественных неразъемных соединений фторопласта-4 с металлами связана с низкой химической активностью фторопласта, в связи с чем он является трудно склеиваемым и трудно свариваемым материалам. Данная проблема может быть решена применением диффузионной сварки с интенсификацией процесса сварки ультразвуковыми колебаниями частотой 18 кГц.
Корпуса гермовводов размерами 20^20 мм толщиной 1,7 мм с отверстиями 3,2^1,6 мм изготавливаются из алюминиевого сплава АМг6. Минимальная толщина диэлектрика из фторопласта-4, обеспечивающая непроницаемость, составляет 0,3 мм.
Сварку гермовводов проводили в сварочной установке СДВУ-50, оснащенной ультразвуковой системой. Ультразвуковые колебания частотой 18 кГц применяли с целью повышения активности фторопласта 4 и интенсификации процесса сварки.
Свариваемые поверхности металлического корпуса перед сваркой подвергались твердому анодированию в 18 % растворе Н2804, затем обе поверхности обезжиривались бензином Б-70, обезвоживались спиртом-ректификатом и помещались в специальное приспособление вакуумной камеры установки. Далее производили поджим деталей и камеру герметизировали до остаточного давления Н = 5 ■ 10-1 Па. Радиационным нагревателем детали нагревали со скоростью Унагр до температуры сварки Тсв, создавали сварочное давление при температуре 573 К, затем озвучивали УЗК частотой / = 18 кГц и мощностью. Кузк в течение времени тузк. Охлаждение с заданной скоростью Уохл = 0,09 К/с производят до температуры 293 К.
Диапазон параметров режима сварки выбирали на основании теоретических положений и предварительных экспериментов [3]:
Тсв = 638...678 К; Р = 0,5 ...1,5 МПа; ^к = 2250...4050 Вт;
Тозв = 300...900 с; Унагр = 0,05...0,15 К/ с; У«д = 0,05...0,12 К/ с.
Исследовалось влияние параметров режима диффузионной сварки на прочность соединения Ф-4 + АМг6. Для испытаний на растяжение сваривали специальные образцы.
Испытания проводили на устройстве для испытания прочности БР 10/1 (НесеЛ, Германия).
По результатам испытаний установили оптимальные параметры режима сварки: Тсв = 658...668 К; Р = 1,0 ...1,5 МПа; = 2800...3150 Вт;
Тозв = 500...600 с; VнaГр = 0,09...0,12 К/ с;
V(жд = 0,09...0,10 К/ с, при которых максимальная прочность ов = 18 МПа.
Учитывая, что гермовводы должны работать в условиях термоциклирования в интервале температур 213...473...213 К и повышенной влажности окружающей среды 93 %, их испытывали на герметичность масс-спектрометрическим способом по специальной методике. На герметичность испытывали гермовводы, сваренные на оптимальных режимах, непосредственно после сварки, затем их выдерживали в термокамере, нагревали и охлаждали в заданном диапазоне температур и опять проверяли на герметичность. Процесс повторяли до потери узлом требуемой герметичности. Также гермовводы испытывали на герметичность после выдержки их в эксикаторе с повышенной влажностью 93 % в течение 4-х суток.
Результаты показали, что узлы сохранял вакуумную плотность в заданном диапазоне температур и повышенной влажности 93 % при количестве циклов N > 20.
По этой же технологии были сварены гермовводы с металлическими корпусами из латуни ЛС 59 и ковара.
Таким образом, разработанная технология диффузионной сварки вакуумно-плотных соединений металлов с неметаллами позволила создать новые конструкции гермовводов с использованием керамики и фтороласта-4, обеспечить требуемую прочность соединений и герметичность, а также работоспособность узлов в условиях циклического изменения температур и воздействия агрессивной среды.
Библиографические ссылки
1. Конюшков Г. В., Мусин Р. А. Соединение металлов с керамическими материалами. М. : Машиностроение, 1991.
2. Теория, технология и оборудование диффузионной сварки : учебник для вузов по специальности «Оборудование и технология диффузионного соединения металлических и неметаллических материалов» / В. А. Бачин, В. Ф. Квасницкий, Д. И. Котельников и др. / под общ. ред. В. А. Бачина. М.: Машиностроение, 1991.
3. Семичева Л. Г., Новиков В. Г., Лаврищев А. В. Разработка и исследование процессов получения вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 с металлами // Прогрессивные процессы сварки в машиностроении : сб. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. Красноярск, 1991.
© Скворцов А. В., Семичева Л. Г., 2016
