НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

НОВОМЛИНЕЦЬ

Олег Олександрович

УДК 621.791.4:539.378.3

РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ДИФУЗІЙНОГО ЗВАРЮВАННЯ У ВАКУУМІ ХРОМУ З МІДДЮ

Спеціальність 05.03.06.

“Зварювання та споріднені технології”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Харченко Геннадій Костянтинович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України,

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, член-кореспондент НАН України, с.н.с.

Іщенко Анатолій Якович

завідувач відділу Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України

кандидат технічних наук

Болотов Геннадій Павлович

доцент кафедри “Технологія та устаткування зварювання” Чернігівського Державного технологічного університету

Провідна установа: Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”, м. Київ

Зварювальний факультет

Захист відбудеться “_4_” ___06____ 2003 р. о _1000_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, 03680, м. Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, 03680, м. Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11.

Автореферат розісланий “_10_” ____04_____ 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Л.С. Киреєв

Загальна характеристика роботи.

Актуальність теми. Важливою проблемою на сучасному етапі розвитку різних галузей загального і хімічного машинобудування, в енергетичному машинобудуванні і приладобудуванні залишається збільшення строку служби деталей. Одним з рішень цієї проблеми є застосування покриттів, що мають високу зносостійкість, жаростійкість та інші важливі властивості. Хром та сплави на його основі широко застосовуються для створення покриттів, наприклад, для захисту лопаток турбін з сплавів на кобальтовій й нікелевій основі; для збільшення строку експлуатації деталей, що працюють на тертя ковзання, катання, а також стальних інструментів; для відновлення зношених деталей; декоративних покриттів та інше. Одним із способів створення покриттів хрому, що широко застосовується, є іонно-плазмове напилення, при якому для отримання оптимальних властивостей захисних покриттів катод, що розпилюється (хром), необхідно інтенсивно охолоджувати. У випадку експлуатації цільного катоду з хрому, в зв’язку з постійно виникаючими термічними напруженнями, в ньому з’являються тріщини і порушується вакуумна щільність робочої камери. Крім того, виникають труднощі при виготовленні цільного катоду, пов’язані з холодноламкістю хрому, а після закінчення строку експлуатації частина катоду, що призначена для кріплення, залишається не використаною. Застосування мідної водоохолоджуваної основи, що слугує для кріплення та струмупідводу, дозволить заощадити хром і отримати надійну вакуумну щільність робочої камери. Як наслідок, виникла проблема виготовлення хром-мідних катодів. До таких з’єднань пред’являються вимоги по теплопровідності, електропровідності та вакуумній щільності. При експлуатації біметалевих катодів температура в зоні з’єднання складає приблизно 400 С. Розміри та форма таких катодів в залежності від зразків, що напиляються, можуть бути різними. В основному застосовуються циліндричні катоди діаметром 60 мм й більше.

Дані по виготовленню хром-мідних катодів яким-небудь з існуючих способів отримання нероз’ємних з’єднань в літературі відсутні. Необхідно зазначити, що даних по зварюванню цих металів, крім декількох праць, в яких лише посередньо торкається питання контакту хрому з міддю, в літературі також немає.

Зв’язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася за відомчою темою № 22/17 “Розробити наукові основи підвищення експлуатаційних властивостей зварних з’єднань і захисних покрить шляхом вивчення їхньої тонкої структури, хімічної неоднорідності і визначення параметрів оптимізації структурно-фазового складу”.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка технології дифузійного зварювання у вакуумі (ДЗВ) хрому з міддю, стосовно до виготовлення біметалевих катодів для іонно-плазменевого напилення.

Для досягнення цієї мети вирішувались наступні задачі:

1. Дослідити особливості деформації проміжних мідних перфорованих прошарків;

2. Вивчити сублімаційні процеси, що відбуваються в замкнутих герметичних об’ємах в стику;

3. Дослідити зону об’ємної взаємодії хрому з міддю та характер масопереносу;

4. Визначити оптимальні параметри процесу дифузійного зварювання у вакуумі хрому з міддю;

5. Оцінити напружено-деформований стан біметалевого з’єднання; розробити спеціалізовану оснастку для зварювання біметалевих вузлів.

Наукова новизна. Встановлено ефективність застосування, при дифузійному зварюванні у вакуумі різнорідних металів, перфорованих прошарків з більш пластичного металу, що зварюється. Показано, що застосування мідного перфорованого прошарку товщиною 0,30-0,35 мм з коефіцієнтом перфорації 0,2, при зварюванні хрому з міддю забезпечує локалізацію зсувних деформацій приконтактних об’ємів в зоні контакту.

Виявлено, що при дифузійному зварюванні у вакуумі при Т950 С хрому з міддю на стадії попереднього нагріву до осадки в замкнутих герметичних об’ємах в стику, внаслідок сублімації, на поверхні хрому у вигляді сферичних часток діаметром до 3 мкм утворюється мідний конденсат, який має розвинуту поверхню з високим ступенем активності, що сприяє підвищенню міцності з’єднань.

Розрахунковим методом встановлено характер розподілення залишкових напружень та вплив швидкості охолодження на рівень і характер їх розподілення в хром-мідних з’єднаннях. Показано, що охолодження зварних вузлів діаметром до 60 мм в вакуумній камері із швидкістю не більше 10 С/хв дозволяє зменшити залишкові напруження на 100-200 МПа нижче допустимого рівня.

Практичне значення. В даній роботі було визначено вплив температури і часу на проходження процесу сублімації міді в герметичних об’ємах в стику. Отримані результати можуть бути використані для оптимізації режимів зварювання в твердій фазі різнорідних металів. Розроблено технологію дифузійного зварювання у вакуумі хрому з міддю, стосовно до виготовлення біметалевих катодів діаметром до 60 мм. По розробленій технології виготовлена партія біметалевих катодів, які успішно пройшли дослідно-промислові випробування.

На захист виносяться:

- результати досліджень процесів, що відбуваються на стадії попереднього нагріву перед зварюванням в герметичних об’ємах в стику;

- дослідження механізму деформації мідних перфорованих прошарків при ДЗВ хрому з міддю;

- результати механічних випробувань зварних з’єднань;

- вибір оптимального режиму зварювання та попередньої обробки поверхні хрому;

- дослідження зони об’ємної взаємодії;

- розрахункова оцінка напружено-деформованого стану біметалевих з’єднань;

Особистий внесок здобувача. При особистій участі автора були проведені дослідження процесів, що відбуваються в замкнутих герметичних об’ємах в стику на стадії попереднього нагріву; дослідження по вивченню механізму деформації перфорованого прошарку; механічні випробування й випробування на теплопровідність. При його особистій участі вивчено масоперенос в зоні контакту зварних з’єднань. Автором розроблена спеціалізована оснастка для зварювання біметалевих вузлів. Аналіз й узагальнення результатів роботи проводились як самостійно, так і за участю співавторів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на I-ій Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених і спеціалістів "Зварювання та суміжні технології" (Київ, 2001 р.), на семінарах в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона (Київ, 2002 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 3 статті в наукових журналах, що відповідають вимогам ВАК України та тези доповіді на науково-технічній конференції.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 89 найменувань та одного додатку. Робота викладена на 111 сторінках машинописного тексту, включаючи 9 таблиць й 55 малюнків.

Основний зміст роботи.

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі, які необхідно вирішити в процесі досліджень, наведено наукові і практичні результати роботи.

Стан питання зварювання в твердій фазі хрому з міддю. У першому розділі на основі проведеного огляду літературних джерел зроблено висновок про те, що технології зварювання тиском хрому з міддю не існує. Проведено аналіз процесів, що відповідають за утворення зварного з’єднання з різнорідних матеріалів. Розглянуто та проаналізовано існуючі методи інтенсифікації процесу утворення з’єднань при дифузійному зварюванні. Приведено літературні дані про поводження поверхневих оксидних плівок на досліджуваних металах при їх нагріванні у вакуумі, а також про явище автовакуумування замкнутих мікрооб’ємів стику. Критичний аналіз літературних даних дозволив визначити мету та сформулювати основні задачі дослідження.

Характеристика зварювальних металів, лабораторна апаратура, методики досліджень. Виходячи з мети та поставлених задач були визначені матеріали, апаратура й підібрано методики для досліджень.

Матеріалом для досліджень було обрано малолегований сплав хрому ВХ-2К та мідь марки М1, що використовуються для виготовлення біметалевих катодів. Зразки для досліджень з’єднань виготовляли дифузійним зварюванням у вакуумі на установках з електронно-променевим та пічним нагрівом.

Для виявлення структури використовували хімічний, електролітичний і іонний методи травлення. Дослідження стану поверхонь у період попереднього нагрівання та структури зварних з’єднань проводили за допомогою оптичного мікроскопа Neophot 32 (НДР) і растрового електронного мікроскопа JSM-840, фірми “JEOL” (Японія). Мікрорентгентгеноспектральний аналіз розподілу елементів проводили на установці “Comebax” SX50 (Франція). Дослідження дифузійних процесів у зоні контакту проводили спільно з відділом дифузії Інституту металофізики НАН України за допомогою радіоактивних ізотопів методом авторадіографії. Механічні випробування зварних з’єднань на зсув та згинання проводили спільно з Інститутом проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, а випробування на теплопровідність – спільно з технопарком “Перспектива” НТУУ “КПІ”.

Дослідження з’єднань хрому з міддю, виконаних дифузійним зварюванням в вакуумі. На основі проведеного літературного огляду було визначено спосіб інтенсифікації дифузійного зварювання, що найбільш прийнятний в нашому випадку: введення в стик проміжного перфорованого прошарку із пластичного металу. Цей спосіб успішно застосовується для дифузійного зварювання у вакуумі металокерамічних вузлів. Згідно літературних даних застосування перфорованого прошарку дозволяє інтенсифікувати утворення фізичного контакту та фізико-хімічні процеси в стику. В якості матеріалу прошарку, враховуючі вартість і те, що в результаті зварювання не повинні знижуватись теплофізичні характеристики зони контакту, вибрали мідь. Дані по застосуванню, при ДЗВ різнорідних металів, проміжного прошарку із більш пластичного металу, що зварюється, в літературі відсутні.

Вивчення процесів, що відбуваються в герметичних об’ємах в зоні контакту зварюваних металів. Відомо, що при ДЗВ, зона контакту являє собою герметичні мікрооб’єми, а у випадку застосування перфорованого прошарку - макрооб’єми, заповнені повітрям. Тому на зразках, що моделюють герметичний зазор в контакті хрому з міддю (рис. 1), проведено вивчення процесів, які відбуваються на стадії попереднього нагрівання в мікрооб’ємах стику.

Герметизація замкнутого об’єму досягалась в результаті схоплення контактуючих поверхонь при незначному зусиллі тиску зразка в період нагріву. Температуру нагрівання зразка змінювали від 800 С до 1000 С при витримці протягом 20 хвилин. Після охолодження і відокремлення елементів зразка досліджували склад внутрішніх поверхонь з використанням електронного растрового мікроскопа. Виявлено, що при температурі нагрівання зразка нижче 950 С відбувається окислення внутрішніх поверхонь зразка, а при температурі 950 С і вище відбувається сублімація міді з наступною конденсацією на поверхні хрому. З метою вивчення кінетики протікання процесів в герметичному об’ємі було проведено експерименти по впливу часу нагрівання на топографію конденсату. Час прогрівання модельного зразка при температурі 950 С змінювали від 1 до 20 хвилин з інтервалом 5 хвилин та від 20 до 60 хвилин з інтервалом 10 хвилин. Виявлено, що конденсація міді на хромі відбувається при витримці не менше 5 хвилин. Причому, зі збільшенням часу нагрівання розмір сферичних часток конденсату міді спочатку декілька зменшується, а потім збільшується (рис. 2), одночасно відбувається зростання окремих сферичних часток. Виявлено, що конденсат міді на хромі знаходиться в вигляді шару сферичних часток (рис. 3).

Окрім зміни розміру напилених часток, з зміною часу нагріву змінюються і кольори мінливості мідних поверхонь (рис. 4), що вказують на наявність поверхневих оксидних плівок. Так, при нагріванні менш 5 хвилин поверхня міді має жовтий колір, що відповідає товщині оксидної плівки 760 нм. При витримці 10-15 хвилин поверхня міді, як й напилений шар, має світло-рожевий колір, який характерний для окисленої поверхні міді з товщиною оксидної плівки 260-330 нм. При витримці більше 15 хвилин її вид відповідає виду поверхні після вакуумного травлення (рис. 5) і, так як напилений шар, не має кольорів мінливості.

Враховуючи отримані результати, а також літературні дані про те, що пружність парів оксиду міді CuO на декілька порядків вище, ніж пружність парів міді, можна припустити наступне. При нагріванні менше 5 хвилин (при 950 С) розрядження ще не достатньо для сублімації міді та її оксидів. По мірі збільшення рівня автовакууму, при збільшенні часу нагрівання спочатку сублімує оксид міді, а далі йде процес очищення від оксидних плівок як конденсату, так й поверхні міді. Імовірно, внаслідок цього й відбувається зменшення розміру часток конденсату з збільшенням часу нагрівання до певного моменту. Після нагріву більше 15 хвилин мідні поверхні очищаються від оксидних плівок, а в герметичному об’ємі створюється розрядження, що дозволяє сублімувати вже атомам міді, й далі відбувається зростання шару конденсату.

Дослідження особливостей деформації проміжних перфорованих прошарків. Досліди по зварюванню хрому з міддю через мідні перфоровані прошарки проводили при температурі 800-1000 С, яка була вибрана з урахуванням літературних даних по ДЗВ міді. Тиск зварювання змінювали в межах 5-50 МПа, час - 5-40 хвилин. Товщину перфорованих прошарків змінювали від 0,1 до 1,5 мм з коефіцієнтами перфорації (Кп) 0,12; 0,2; 0,28 (діаметр отворів 1 мм не змінювали).

Металографічні дослідження зварних з’єднань з використанням перфорованих прошарків дозволили виявити механізм їх деформації. В заповненні отворів бере участь не тільки матеріал прошарку, але й матеріал масивної мідної заготівки, загальний вклад якої в заповненні отворів, за умови трансформації перфорованого прошарку в суцільний, не залежить від режиму зварювання і складає 20-25 %. Із збільшенням товщини прошарку зростає вклад матеріалу прошарку в заповненні отворів в контакті з хромом (рис. 6).

Величина d на представленому графіку являється критерієм оцінки зсувної деформації в стику – при зменшенні d інтенсивність зсувних деформацій підвищується. Із зміною коефіцієнта перфорації крива залежності практично не змінюється. На рис. 7 представлені схеми заповнення отворів в залежності від товщини прошарку. Схема (б) на рис. 7 з точки зору збільшення зсувних деформацій більш прийнятна для ДЗВ. Але, збільшення товщини прошарку приводить до збільшення об’єму повітря в зоні контакту, а це приведе до необхідності збільшення часу попереднього нагріву для проходження процесів автовакуумування, очистки поверхонь металу від оксидних плівок та сублімації. Тому оптимальною в нашому випадку буде схема заповнення отворів, що представлена на рис. 7 (а). Згідно з рис. 6 така схема реалізується при товщині прошарку менше 1 мм. При товщині менше 0,3 мм інтенсивність зсувних деформацій буде незначною. Збільшення товщини прошарку, як вже відмічалось, призведе до збільшення об’єму повітря в стику, а зсувні деформації при цьому наростають незначно. Тому для ДЗВ хрому з міддю товщину перфорованого прошарку вибрали в межах 0,3-0,35 мм.

На основі виявленого механізму деформації прошарку, запропоновано модель еволюції перфорованого прошарку в суцільний й визначена умова, при якій відбувається її трансформація, у вигляді виразу: (0750,8)Кп, де Кп=, n – число отворів, r – радіус отвору, a, b – розміри прошарку.

Результати дослідження деформаційної здатності мідних перфорованих прошарків у порівнянні із суцільним прошарком при ДЗВ хрому з міддю у діапазоні параметрів зварювання вказаних вище показали, що ступінь деформації перфорованих прошарків при всіх температурах зварювання на 30-60 % вище за суцільних, в залежності від коефіцієнту перфорації. Із зростанням тиску від 5 до 30 МПа ступінь деформації прошарків при Кп=0,12 збільшується на 9 %, при Кп=0,2 - на 14 %, при Кп=0,27 - на 16 %. Деформація перфорованих прошарків особливо інтенсивно розвивається на початковому етапі прикладання тиску й за перші 5 хвилин досягає 40-50 % від сумарної деформації. Подальше зниження інтенсивності деформації пояснюється заповненням отворів в прошарку з відповідним зменшенням відносної товщини, а також деформаційним зміцненням міді. Збільшення температури й тиску приводить до збільшення ступеня й швидкості деформації прошарку. З збільшенням коефіцієнта перфорації також зростає ступінь деформації прошарку.

Експерименти показали, що повне заповнення перфораційних отворів відбувається відповідно до розрахунків – прошарок трансформується у суцільний при досягненні деформації величиною (0750,8)Кп. Використовуючи цю залежність та дані по деформаційній здатності прошарків, була побудована залежність заповнення отворів в перфорованому прошарку товщиною 0,35 мм та коефіцієнтом перфорації 0,2, від тиску та часу зварювання при температурі 950 С (рис. 8). На нашу думку, деформація перфорованого прошарку після трансформації в суцільний приводитиме до його зміцнення й відповідно до зниження міцності зварних з’єднань. Тому, граничне значення тиску, при якому відбувається заповнення перфораційних отворів, можна вважати оптимальним для дифузійного зварювання у вакуумі хрому з міддю. Враховуючи вищесказане, тиск ДЗВ хрому з міддю з застосуванням перфорованого прошарку вибрали в межах 22-24 МПа.

Визначення оптимальних параметрів процесу ДЗВ хрому з міддю. Відомо, що попереднє напилення використовується іноді для інтенсифікації процесу дифузійного зварювання. Тому при визначенні оптимальних параметрів ДЗВ хрому з міддю необхідно підбирати такі режими зварювання, щоб в замкнутих об’ємах відбувалась сублімація міді та її конденсація на поверхні хрому. Для визначення часу попереднього нагрівання при ДЗВ хрому з міддю через перфорований прошарок з оптимальними параметрами, з метою отримання шару мідного конденсату на хромі й поверхні міді, очищених від оксидних плівок, був зроблений ряд експериментів. Без прикладання тиску зразок з пластини хрому, міді та мідного прошарку нагрівали при 950 С. Після охолодження, елементи зразка відділяли один від одного й на поверхні хрому, в місцях знаходження перфораційних отворів, спостерігались шари мідного конденсату (рис. 9). Аналіз таких місць на електронному растровому мікроскопі дав можливість стверджувати, що процес автовакуумування та сублімації в герметичних об’ємах, що утворюються при використанні перфорованого прошарку, протікає швидше ніж у випадку дослідження модельного зразка, й для очищення мідних поверхонь від оксидних плівок та отримання шару мідного конденсату на хромі достатньо 10-15 хвилин. При цьому конденсат представляє собою шар сферичних часток діаметром до 3 мкм.

Як вже відмічалось, збільшення часу нагріву приводить до зростання окремих часток, тобто до утворення суцільного шару мідного конденсату. Відомо, що сферичні частки мають розвинуту поверхню із ступенем активності вище ніж у суцільного шару. Враховуючи це, вказаний час попереднього нагріву (10-15 хвилин) при температурі 950 С являється оптимальним для ДЗВ хрому з міддю.

Оцінка якості з’єднань хрому з міддю в залежності від попередньої обробки поверхні хрому показала, що груба підготовка дозволяє поліпшити якість зварювання. Встановлено, що завдяки сублімації та пластичної деформації мідь заповнює всі мікронерівності на хромі (рис. 10), внаслідок чого збільшується площа контакту зварювальних металів.

З метою оцінки якості хром-мідних з’єднань були проведені механічні випробування зварних зразків на зріз і згинання та випробування на теплопровідність. Встановлено, що з’єднання виконані через перфоровані мідні прошарки мають міцність на зріз на 15-20 % вищу ніж з’єднання без прошарку (рис. 11). Перегин на кривих вказує на те, що в температурному інтервалі проходження процесу сублімації міді та конденсації на хромі, міцність зварних з’єднань підвищується.

Таким чином, для отримання з’єднань хрому з міддю через мідний перфорований прошарок можна рекомендувати наступні параметри режиму зварювання:

- температура зварювання 950-980 С;

- тиск зварювання 22-24 МПа;

- час зварювання 30-40 хвилин, з яких 10-15 хвилин попереднє нагрівання без прикладання зварювального тиску та 20-25 хвилин зварювання;

- товщина прошарку 0,30-0,35 мм, коефіцієнт перфорації 0,2, діаметр отворів 1 мм.

Випробування зразків зварених на оптимальному режимі на згин також показали, що міцність у з’єднань хрому з міддю з використанням перфорованих прошарків на 15-20 % більш ніж у з’єднань без прошарку.

Випробування на теплопровідність зварних з’єднань, отриманих на оптимальному режимі показали, що вона знаходиться в межах 215-225 Вт/мК, що перевищує теплопровідність хрому в 3 рази, і не змінюється після витримки зразків при температурі експлуатації.

Дослідження зони об’ємної взаємодії. Дослідження мікроструктури проводили на шліфах травлених іонним способом та окремо травлених хімічним способом на мідь, електролітичним – на хром (рис. 12).

Встановлено, що несуцільностей, непроварів та інших дефектів в стику немає. Границі між мідною заготівкою й перфорованим прошарком не спостерігається, що свідчить про утворення між ними спільних зерен в процесі зварювання.

Дослідження мікротвердості перехідної зони з’єднань показали, що при зварюванні відбувається зміцнення приконтактних об’ємів міді на відстані 0,05-0,08 мм від стику й хрому - 0,03-0,05 мм. В приконтактних об’ємах перфорованого прошарку мікротвердість незначно вище, ніж в об’ємах мідної заготівки, що заповнює отвори.

Мікрорентгеноспектральний аналіз елементів в перехідній зоні показав, що при ДЗВ хрому з міддю утворюється асиметрична дифузійна зона, яка в хромі складає 3-5 мкм, а в міді більше 10 мкм (рис. 13). Коефіцієнти дифузії хрому в мідь і міді в хром розраховані по результатам мікрорентгеноспектрального аналізу складають відповідно 1,810-13 м2/с та 0,710-14 м2/с.

Дослідження процесу масопереносу в зоні контакту з застосуванням перфорованого прошарку та без проводили з використанням ізотопу нікелю 63Ni. Зварні з’єднання досліджували за допомогою авторадіографії. Радіографічні відбитки фотометрували, а отримані концентраційні криві аналітично обробляли на ЕОМ. У табл. 1 приведені результати розрахунку коефіцієнтів масопереносу, а на рис. 14 представлено характерний вид концентраційних кривих розподілу ізотопу нікелю 63Ni в зоні з’єднання з перфорованим прошарком та без.

Аналізуючи отримані результати, можна констатувати, що застосування перфорованого прошарку в порівнянні зі зварюванням без прошарку дозволяє в 2 рази підвищити коефіцієнт масопереносу в центрі з’єднання й таким чином отримати дифузійну зону однакової ширини по всій площі контакту. При зварюванні без прошарку коефіцієнт масопереносу в центрі менше ніж на периферії. Це можна пояснити тим, що на периферії з’єднання більш інтенсивно, ніж у центрі, діють зсувні деформації. Отримані результати підтверджують дані про те, що застосування перфорованих прошарків дозволяє отримувати значні зсувні деформації по всій контактній поверхні.

Таблиця 1

Масоперенос ізотопу 63Ni на різних ділянках з’єднання

Метал | Температура, С | Коефіцієнт масопереносу, м2/с | Ділянка зварного з’єднання

З’єднання з перфорованим прошарком

Хром | 950 | 1,710-13 | центр

1,810-13 | периферія

Мідь | 950 | 3,310-13 | центр

3,410-13 | периферія

З’єднання без прошарку

Хром | 950 | 810-14 | центр

1,710-13 | периферія

Мідь | 950 | 1,810-13 | центр

3,310-13 | периферія

Оцінка напруженого стану біметалевих з’єднань. Внаслідок різниць фізико-механічних властивостей хрому і міді після зварювання виникають залишкові напруження, які при певних умовах можуть привести до руйнування вузла. Тому розрахунковим методом був досліджений характер розподілення полів залишкових напружень в хром-мідних з’єднаннях. Для визначення напружено-деформаційного стану вирішувалась задача термопластичності з умовою текучості Мізеса. Диференційна задача вирішувалась методом кінцевого елемента. Нелінійність розкривалась шляхом зведення рішення задачі до послідовності лінійних задач за рахунок інтегрування функції стану. Розрахунки проведені спільно з відділом математичних методів дослідження фізико-хімічних процесів при зварюванні й спецелектрометалургії Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України на ЕОМ за допомогою програми “Modeling.

Встановлено, що в зварних зразках, діаметром 60 мм, при їх охолодженні формується напружено-деформований стан, що характеризується локалізацією напружень на крайових зонах – поблизу границі розділу на периферії з’єднання. Найбільш небезпечними є напруження розтягу, які направлені по нормалі до поверхні розділу хром-мідь, та діючі в хромі. Зі збільшенням швидкості охолодження рівень напружень підвищується. При швидкості охолодження 100 С/хв напруження розтягу перевищують границю міцності хрому. За умови охолодження зварного вузла зі швидкістю 10 С/хв, (така швидкість відповідає охолодженню в вакуумній камері установки з пічним нагрівом) максимальні напруження розтягу, що виникають у приконтактному об’ємі хрому на 100-200 МПа нижчі границі його міцності (рис. 15).

Таким чином, з метою зменшення залишкових напружень, зварні хром-мідні вузли, діаметром 60 мм, необхідно охолоджувати в робочій камері.

Розробка спеціалізованої оснастки і технології виготовлення зварних хром-мідних катодів. На основі проведених досліджень розроблена технологія виготовлення способом ДЗВ біметалевих (ВХ-2К – М1) катодів для іонно-плазменевого напилення. Для зварювання вузла розроблена спеціальна оснастка, що дозволяє локалізувати необхідну пластичну деформацію поверхневих шарів міді й обмежити загальну деформацію міді. Технологічний процес виготовлення катодів включає процес зварювання з застосуванням перфорованого прошарку з тієї ж міді М1 й процес охолодження в робочій камері із швидкістю 10 С/хв. до температури 40 С, що забезпечує отримання мінімального рівня залишкових напружень в зварному з’єднанні та повну відповідність експлуатаційним вимогам.

По розробленій технології виготовлені робочі катоди, які пройшли випробування на установках типу “Булат” й показали високі експлуатаційні характеристики.

Загальні висновки

1. Встановлено, що при дифузійному зварюванні в вакуумі хрому з міддю на стадії попереднього нагрівання при Т950 С в герметичних об’ємах стику внаслідок сублімації на поверхні хрому утворюється конденсат міді; виявлено температурно-часові умови автовакуумування, сублімації міді й осадження її на хром. Показано, що з урахуванням процесів, що протікають в замкнутих об’ємах стику, час витримки, при температурі зварювання 950 С до прикладання зварювального тиску, повинен становити 10-15 хвилин.

2. Встановлено механізм деформації мідних проміжних перфорованих прошарків при ДЗВ хрому з міддю. Показано, що застосування перфорованого прошарку з більш пластичного зварювального металу (міді) дозволяє інтенсифікувати зсувну деформацію в зоні контакту. На основі моделі еволюції перфорованого прошарку в суцільний в процесі зварювання встановлено залежність між коефіцієнтом перфорації й ступінню деформації, при якій перфорований прошарок трансформується в суцільний: (0,750,8)Кп.

3. Показано, що груба попередня обробка поверхні хрому дозволяє збільшити площу контакту зварювальних металів за рахунок заповнення мікронерівностей міддю, шляхом сублімації і пластичної деформації.

4. Встановлено, що при ДЗВ хрому з міддю відбувається утворення зони об’ємної взаємодії. Ширина дифузійної зони у хромі складає 3-5 мкм, а в міді більше 10 мкм. Показано, що у випадку використання перфорованого прошарку дифузійна зона має однакову ширину по всій площі контактування, а при зварюванні без прошарку ця зона в центрі вужча, ніж на периферії.

5. Визначені оптимальні параметри процесу ДЗВ хрому з міддю з застосуванням перфорованого прошарку: Тсв=950-980 С, Рсв=22-24 МПа, св=30-40 хв, товщина перфорованого прошарку 0,3-0,35 мм, коефіцієнт перфорації 0,2.

6. Визначено, що міцність зварних з’єднань на зріз та згинання з застосуванням перфорованого прошарку вище на 15-20%, ніж з’єднань без прошарку. Встановлено, що в температурному інтервалі проходження процесу сублімації міцність зварних з’єднань підвищується. Визначено, що теплопровідність з’єднань в три рази більше теплопровідності хрому.

7. Розрахунковим шляхом встановлено характер розподілення залишкових напружень та визначений оптимальний режим охолодження зварного вузла. Показано, що за умови охолодження в вакуумній камері (10 С/хв) до температури 40 С залишкові напруження на 100-200 МПа нижче допустимого рівня.

8. На основі комплексу проведених досліджень розроблена технологія дифузійного зварювання у вакуумі хрому з міддю, стосовно до виготовлення біметалевих катодів для іонно-плазменевого напилення. Виготовлені вузли успішно пройшли лабораторно-виробничі випробування.

Основний зміст дисертації відображено у публікаціях:

1. Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., Таранова Т.Г., Новомлинец О.А., Половецкий Е.В. Сублимация металлов при нагреве в условиях автовакуума // Проблемы спецэлектрометаллургии. – 2002. - №2. – С. 51 – 53.

2. Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., Новомлинец О.А., Горбань В.Ф. Диффузионная сварка в вакууме хрома с медью // Автомат. сварка. – 2002. - №7. – С. 41 – 42.

3. Новомлинець О.О., Хоменко М.М., Харченко Г.К., Фальченко Ю.В. Особливості формування з’єднання при зварюванні тиском хрому з міддю // Вісник ЧДТУ. – 2002. - №15. – С. 101-107.

4. Новомлинец О.А. Диффузионная сварка в вакууме хрома с медью // Труды I Всеукраинской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов “Сварка и родственные технологии”. – Киев. – 2001. – С. 16.

АНОТАЦІЯ

Новомлинець О.О. Розробка технології дифузійного зварювання у вакуумі хрому з міддю. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06. - Зварювання та споріднені технології. - Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2003.

Робота присвячена розробці технології дифузійного зварювання в вакуумі хрому з міддю. Вивчено процеси, що відбуваються в замкнутих об’ємах на стадії попереднього нагрівання. В результаті проходження процесів автовакуумування, очищення зварних поверхонь від оксидних плівок та сублімації міді, на хромі утворюється конденсат міді в вигляді шару сферичних часток, що сприяє підвищенню міцності з’єднань. Застосування мідного проміжного перфорованого прошарку дозволяє інтенсифікувати зсувні деформації по всій зоні контакту та підвищити механічні властивості зварних з'єднань в порівнянні зі з’єднаннями без прошарку. Застосування перфорованого прошарку, в порівнянні із зварюванням без прошарку, дозволяє отримувати зону об’ємної взаємодії однакової ширини по всій контактній поверхні. Показано вплив попередньої підготовки поверхні хрому на якість зварних з’єднань. Визначені оптимальні параметри процесу зварювання та умови охолодження зварних вузлів з метою утворення мінімальних залишкових напружень.

На основі проведених досліджень розроблена технологія дифузійного зварювання у вакуумі хрому з міддю стосовно до виготовлення біметалевих катодів для іонно-плазменевого напилення.

Ключові слова: дифузійне зварювання, вакуум, хром, мідь, перфорований прошарок, зсувна деформація, автовакуум, сублімація, масоперенос, біметалеві катоди.

АННОТАЦИЯ

Новомлинец О.А. Разработка технологии диффузионной сварки в вакууме хрома с медью. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06. – Сварка и родственные технологии. – Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертационная работа посвящена разработке технологии диффузионной сварки в вакууме хрома с медью.

Проведены исследования процессов происходящих в герметичных объемах стыка. Установлено, что на стадии предварительного нагрева, при температуре сварки 950 С и выше в герметичных объемах стыка идут процессы автовакуумирования, самоочистки от оксидных пленок свариваемых поверхностей и происходит сублимация меди с ее последующей конденсацией на поверхности хрома. Показано, что получаемый конденсат меди находится в виде слоя сферических частиц размером до 3 мкм и является одним из факторов повышения прочности соединений.

В работе показана эффективность применения промежуточных медных перфорированных прослоек при диффузионной сварке в вакууме хрома с медью. Установлено, что применение таких прослоек позволяет интенсифицировать сдвиговую деформацию приконтактных объемов свариваемых заготовок по всей площади контакта. Установлен механизм деформации перфорированной прослойки. Показано, что в заполнении перфорационных отверстий участвует не только материал прослойки, но медной заготовки. Предложена модель эволюции перфорированной прослойки в сплошную и определено условие, при котором происходит ее трансформация: (0,750,8)Кп, где Кп – коэффициент перфорации. Определены оптимальные параметры прослойки: толщина 0,3-0,35 мм, коэффициент перфорации 0,2.

Изучено влияние подготовки поверхности хрома на качество сварных соединений. Показано, что грубая обработка поверхности хрома позволяет увеличить площадь контакта свариваемых металлов за счет заполнения микронеровностей медью, путем сублимации и пластического течения.

Установлено, что диффузионная зона в хроме составляет 3-5 мкм, а в меди более 10 мкм. С помощью изотопа никеля 63Ni исследован массоперенос в зоне соединений. Установлено, что применение перфорированной прослойки, по сравнению со сваркой без прослойки, позволяет в два раза повысить коэффициент массопереноса в центре соединения и получить зону объемного взаимодействия одинаковой ширины по всей площади контакта.

Определены оптимальные параметры процесса диффузионной сварки в вакууме хрома с медью, который включает предварительный прогрев без осадки, для получения на поверхности хрома напыленного слоя меди: Тсв=950-980 С; Рсв=22-24 МПа; =30-40 минут, из которых 10-15 минут предварительный прогрев.

Установлено, что прочность на срез и изгиб сварных соединений с применением перфорированных прослоек на 15-20 % выше прочности соединений без прослоек. Установлено, что в температурном интервале прохождения процесса сублимации меди прочность сварных соединений повышается. Теплопроводность соединений в три раза больше теплопроводности хрома.

Расчетная оценка напряженно-деформированного состояния биметаллических узлов показала, что наиболее опасными являются растягивающие напряжения действующие в приконтактном объеме хроме на периферии. Установлено. что для уменьшения остаточных напряжений в стыке, охлаждение сварных изделий, диаметром 60 мм, необходимо проводить со скоростью не более 10 С/мин до температуры 40 С.

На основе проведенных исследований разработана технология диффузионной сварки в вакууме хрома с медью применительно к изготовлению биметаллических катодов для ионно-плазменного напыления.

Ключевые слова: диффузионная сварка, вакуум, хром, медь, перфорированная прослойка, сдвиговая деформация, автовакуум, сублимация, массоперенос, биметаллические катоды.

ABSTRACT

Novomlinetz О.А. Development of diffusion welding in vacuum technology of chromium with copper. - Manuscript.

Thesis for a scientific degree of the Candidate of Sciences (Eng.) on specialty 05.03.06. - Welding and related technologies. – The E.O. Paton Electric Welding Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2003.

The activity is dedicated to devise of technology of a diffusion welding in vacuum of chromium with copper. The processes are studied, which one descends in self-contained volumes at the stage of a pre-warming. As a result of transit of processes: auto vacuum operations, self-purification of welded surfaces from oxide layers and sublimation of copper, on a chromium the condensate of copper by the way of layer of spherical fragments will be derivate. The application of a copper intermediate perforated interlayer allows to intensify shift deformations on all zone of a contact and to increase the mechanical characteristics of weld joints as contrasted to by connections without an interlayer. The application of a perforated interlayer allows increasing a factor mass transfer in center of connection. Influencing a preliminary preparation of a surface of a chromium on quality of weld joints is studied. The optimum parameters of process of welding and condition of cooling of welded assemblies are determined with the purpose of formation of minimum residual stresses.

Plasma spraying is designed on the basis of the conducted researches the production process by a way of a diffusion welding in vacuum of chromium - copper cathodes for an ionic.

Key words: diffusion welding, vacuum, chromium, copper, perforated interlayer, shift deformation, auto vacuum, sublimation, mass transfer, bimetallic cathodes.

Підп. до друку 14.03.03. Формат 6084/16. Бум. офс. №1 Офс. друк. Ум. друк. арк. 0,8. Ум. фарбо-відб. 1,05. Тираж 120 прим. Зам.

ПОД ІЕЗ ім. Є.О. Патона 03680, Київ-150, МСП, вул. Горького, 69.