CC BY
352
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА СИСТЕМ И КОМПЛЕКСОВ
УДК 621.791
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ВОЛНОВОДНЫХ
ЩЕЛЕВЫХ АНТЕНН ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В.С. Земцов, А.В. Иванов
Рассмотрены проблемы технологии изготовления сложных волноводных щелевых антенн из алюминиевого сплава АМц. Описаны существующие способы высокотемпературной пайки в камерных печах, оптимальные режимы и рекомендации. Показан пример опытного изготовления изделия лазерной сваркой, а также телевизионной рентгеноскопии.
Ключевые слова: высокотемпературная пайка, волноводные щелевые антенны, лазерная сварка.
В силу целого ряда преимуществ, которыми обладают волноводно-щелевые антенны (ВЩА) по сравнению с другими типами антенн, они достаточно часто привлекают к себе внимание специалистов, занимающихся разработкой систем для радиолокационных станций (РЛС). ОАО «НПО «Стрела», так же как и целый ряд других отечественных и иностранных предприятий, изготавливает из алюминиевых сплавов ВЩА, имеющие замкнутые контуры, образующие систему излучающих и распределительных волноводов, к которым предъявляются достаточно жесткие требования по электрогерметичности волноводных каналов.
Зачастую, изготавливаемая ВЩА представляет из себя пакет из оснований, в которых выполняются каналы излучающих и распределительных волноводов, и пластин, в которых выполняются излучающие щели и щели связи. Для объединения пакета оснований и пластин, обычно используют высокотемпературную пайку [1]. Наибольшее распространение получили три технологии пайки сложнопрофильных волноводных конструкций из алюминиевых сплавов при высокой температуре: 1) погружением в солевые расплавы; 2) бесфлюсовая пайка в вакуумных печах; 3) в электропе-
чах в атмосфере с применением флюсовой пасты [2].
Применение способа высокотемпературной пайки с погружением в расплавы солей сдерживается повышенным расходом материалов, существенными энергетическими затратами, высокой стоимостью оборудования, а также вредным воздействием паров расплавленных солей на окружающую среду [2]. При других способах используется гораздо меньшее количество флюса.
В производстве ОАО «НПО «Стрела» наибольшее применение получил третий способ. Высокотемпературная пайка производится в камерных печах НКО.8.20.8 8/7 и СНО-10.18.10/8,5 модернизированных с учетом особенностей описываемой технологии, позволяющих загружать изделия с габаритами до 900х900 мм.
В отличие от метода, описанного в [2], где использовалась смесь порошка АКД-12 и флюса 16ВК, в ОАО «НПО «Стрела» применяется флюс ФПА-1 ТУ ИМАВ 017.001, который наносят вручную кистью и припой в виде полос фольги из сплава СИЛ-1С ТУ 1-809-893-2007 толщиной 7-10 мкм. Слои пакета ВЩА фиксируются с помощью технологических штифтов и зажимов приспособления. Печь предварительно разогревается перед пайкой до 650 °С, при загрузке приспособления со сборкой в рабочую зону печи устанавливается режим работы в 630 °С. Контроль за температурой на сборке осуществляются 4-мя отдельными термопарами КТХ-02.01-0.5-к1ИТ-310.
Далее производится нагрев сборки до рабочей температуры порядка 610-620 °С и выдержка при этой температуре 10-20 минут, в зависимости от размеров и массы по отработанной технологии пайки.
Для снижения расхода вспомогательных материалов также был экспериментально апробирован метод флюсования погружением в ванну флюса марки ФВТППА ТУ1791-001-87529640-2013. В качестве контрольного объекта пайки использовались образцы из сплава АМц ГОСТ 21631, в качестве припоя - сплав СИЛ-1С, применяемый при изготовлении большинства паянных сверхвысокочастотных (СВЧ) узлов, выпускаемых в ОАО «НПО «Стрела». Детали образцов и припой были подготовлены к пайке в соответствии с типовым технологическим процессом.
Флюс в количестве 5 кг был подготовлен к нанесению в открытой ванне из стали 12Х18Н9Т. Образцы полностью погружены в расплав флюса, высушены под вытяжным зондом в течение 10 минут. Пайка образцов проведена в камерной печи НКО.8.20.8 8/7 по штатной технологии.
Контроль внешнего вида, проводившийся визуально, не выявил не пропаянных зон. Проведенные в заводской лаборатории испытания образцов на воздействие механической нагрузки показали, что их разрушение происходит вне зоны паяного шва, т.е. по основному металлу.
Результаты испытаний на воздействие механической нагрузки приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты механических испытаний паяных образцов
№ образца Предел прочности, кг/мм2 Нагрузка, кгс
1 10,6 250
2 10,2 170
3 12,7 300
После нанесения покрытия Хим.Окс.э, паяные образцы подвергались испытаниям на устойчивость к климатическим воздействиям. При проведении испытаний на воздействие циклического изменения температуры от предельной пониженной минус 60 °С до предельной повышенной +70 °С и повышенной относительной влажности 98 % при температуре 25 °С визуальным осмотром нарушения покрытия не обнаружено.
Сравнительные эксплуатационные характеристики паяльных флюсов приведены в табл. 2.
Таблица 2
Сравнительные эксплуатационные характеристики паяльных флюсов
Показатель ФПА-1 ФВТППА
Скорость флюсования 120. 300 мм/мин 3 мин независимо от протяженности шва
Расход, г/метр 11 г/метр 80 гр на всю площадь конструкции (1 изделие)
Стоимость флюса, руб/кг (на 2013г.) 17250 руб. (без НДС) 12345 руб. (без НДС)
Технологическая оснастка Зажимное приспособление, ресурс использования - 500 часов. Кисти художественные. Ресурс использования- 2,2. 5,5 часов Ванна из стали 12Х18Н9Т Ресурс использования -6000. 11000 часов
Влияние флюса на износ технологической оснастки Агрессивно Статистические данные отсутствуют
Таким образом, флюс ФВТППА обеспечивает получение качественных паяных конструкций в камерных печах типа НКО 8.20.8 8/7 и позволяет сократить трудоемкость операций флюсования в 4... 10 раз. Это позволяет рекомендовать данный флюс к внедрению в производство, а при наличии необходимого оборудования организовать его собственное изготовление.
Технология высокотемпературной пайки в камерной печи хорошо зарекомендовала себя для изготовления объемных, ажурных тонкостенных конструкций, например элементов СВЧ волноводной распределительной системы из алюминиевых сплавов и ВЩА с габаритными размерами до 400х400 мм. Для таких конструкций отработана методика определения режимов пайки, что подтверждается внедрением в серийное производство целого ряда паяных СВЧ узлов и высоким процентом выхода годных паяных сборок при изготовлении.
Однако, при отработке режимов пайки ВЩА, габаритные размеры которых превышают указанные выше и имеющих при этом значительную массу, в процессе пайки наблюдается неравномерный нагрев сборки (табл. 3). Как можно увидеть, крайние области нагреваются быстрее, в то время, как центральные части сборки, не достигают необходимой температуры. В результате некоторые области перегреваются, происходит несанкционированное растекание припоя по объему сборки с последующим его затвердеванием в виде потеков и шариков.
Таблица 3
Результаты нагрева при пайке изделия габаритом 800х800 мм и массой 20 кг
Время, мин (от начала) Т °С печи Т ° С 1-й термопары, край изделия Т ° С 2-й термопары, край изделия Т ° С 3-й термопары, край изделия Т ° С 4-й термопары, середина изделия А Т °С (разница температур середины и края изделия)
2 630 268 246 210 165 103
12 630 519 500 474 487 32
22 630 570 564 551 554 16
32 630 601 599 592 586 15
42 630 616 615 612 604 12
Скорость нагрева, °С/мин 5,9 6,2 6,8 7,3
Для выявления таких дефектов пайки проводилось исследование изготовленных сборок с помощью установки телевизионной рентгеноскопии X-cube XL225 GE, предоставленной для опытных работ ЗАО «Остек-СМТ».
Данное оборудование подтвердило предположение о наличии дефектов в виде шариков припоя, которые попали, в том числе, в щели связи
260
между распределительными и излучающими каналами ВЩА (рис.1). Различия в поглощении рентгеновского излучения материалами с разной толщиной, а также разным коэффициентом поглощения в зависимости от плотности материала, можно зарегистрировать и визуализировать. С помощью этого эффекта были обнаружены примеси в канале волновода (рис. 2,а) и трещины в силовом каркасе антенны (рис. 2,б).
Для изготовления более сложных конструкций ВЩА, имеющих большие габариты и несколько слоев в пакете, целесообразно произвести поэтапное соединение слоев с помощью лазерной сварки. Опытные работы проводили на оборудовании «Института Лазерных и Сварочных технологий» (г. Санкт-Петербург) и НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ» (г. Зеленоград).
С целью отработки данной технологии были проведены эксперименты на образцах антенн в тавровом соединении, имеющих толщину панели 1 мм и пластины 0,8 мм из сплава АМц. Сварку проводили на твердотельном Кё:УЛО лазере на следующих режимах: мощность излучения 0,8.1,2 кВт, фокусное расстояние 200.300 мм, скорость сварки от 3 до 4 м/мин. Также варьировали длительность и форму импульса излучения. Лазерный луч подводили со стороны пластины и получали, в отличие от классического таврового соединения, прорезное сварное соединение (рис.3).
Эксперименты показали возможность получения двух подходящих режимов сварки (рис.4):
а) узкий шов с глубоким проплавлением (~1.2-1.3 толщины верхнего свариваемого элемента). Соединения можно получить без деформации нижнего свариваемого элемента (галтель будет отсутствовать). Глубокое проплавление гарантирует электрогерметичность шва, пористость минимальная. Ширина сварного соединения составляет порядка половины толщины нижнего элемента;
б) широкий шов, с проплавлением большей части верхнего торца нижней детали, который имеет больше площадь сварного соединения, отсутствие не проплавленных участков справа и слева от шва. Однако, при этом наблюдается небольшая пористость соединения и неизбежное образование галтели (с размером порядка 0,3 мм).
Результаты, полученные в опытных работах, показали, что данная технология позволяет получить стабильное и надежное соединение элементов ВЩА с отсутствием дефектов растекания припоя, как при пайке.
Таким образом, для изготовления ВЩА с большими габаритами целесообразно рабочее полотно с корпусом, а также все элементы, которые в конструкции организуют волноводные каналы, объединять только по технологии лазерной сварки.
а
■
б
Рис.1. Результаты рентгеноскопии ВЩА с показом дефекта шарика припоя в верхней вертикальной щели в двумерном (а) и трехмерном (б) изображениях
а б
Рис.2. Результаты рентгеноскопии ВЩА с показом дефектов: чужеродных примесей (а) и трещины в каркасе (б)
/1 ? I
I II т
П I II I I I I
а б
Рис.3. Внешний вид образцов, сваренных лазерной сваркой: а - поперечный срез; б - вид сверху
262
а б в
Рис.4. Макрошлифы поперечного разреза сварного шва выполненного лазерной сваркой на различных режимах с полным (а, б) и неполным (в) проплавлением
Для получения оптимальных параметров технологии изготовления различных элементов, конструкций антенн и волноводов РЛС желательно использовать наряду с экспериментами методы компьютерного моделирования процесса лазерной сварки, изложенные, например, в работах ученых ТулГУ [3,4].
Список литературы
1. Справочник по пайке / под ред. И.Е. Петрунина. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2003. 480 с.
2. Балашов В.М., Багров В.В. Технологии высокотемпературной пайки волноводных щелевых антенн // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОТ. 2014. Вып.2. С. 97-107.
3. Левин Ю.Ю., Ерофеев В. А. Расчет параметров импульсной лазерной сварки алюминиевых сплавов малой толщины // Сварочное производство. 2008. №4. С. 20-24.
4. Левин Ю.Ю. Алгоритм выбора параметров импульсной лазерной сварки на основе компьютерного моделирования // Сварка и диагностика. 2009. №1. С. 12-15.
Земцов Виктор Семенович, начальник сектора НИОКР, strela@tula.net, Россия, Тула, ОАО ««НПО «Стрела»,
Иванов Андрей Вениаминович, канд. техн. наук, инженер сектора НИОКР, avi64@yandex.ru, Россия, Тула, ОАО «НПО ««Стрела»
PROBLEMS OF THE MANUFACTURING TECHNOLOGY FOR WAVEGUIDE SLOT ANTENNAS MADE
OF ALUMINUM ALLOYS
V.S. Zemtsov, A.V. Ivanov
Problems of the manufacturing technology for complex waveguide slot antennas made of Al-Mg alloy are considered. Existing methods of brazing in chamber furnaces are described, and recommendations for optimum modes are given. An example is presented for experimental manufacture of an antenna using laser welding, as well as television X-ray radioscopy.
Key words: brazing, waveguide slot antennas, laser welding.
Viktor Semenovich Zemtsov, R&D Department Head, strela@tula.net, Russia, Tula, "NPO Strela " Research and Production Association,
Andrey Veniaminovich Ivanov, Candidate of Technical Sciences, R&D engineer, avi64@yandex. ru, Russia, Tula, "NPO Strela " Research and Production Association
УДК 621.8(042)
ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ, ПОДВЕРЖЕННОЙ МНОГОКРАТНОМУ УДАРУ
Р.А.Тер-Данилов
Рассматриваются особенности модели прогнозирующей процесс изменения параметров поверхностного слоя деталей подверженных многократному продольному удару.
Ключевые слова: многократный продольный удар, упруго-вязко-пластические волны и микрогеометрия.
При производстве деталей в большинстве производств используются методы, основанные на снятии части металла с обрабатываемой заготовки (точение, фрезерование, сверление, шлифование и др.). Данными методами на обрабатываемой поверхности получается иррегулярный микрорельеф, который в соответствии с ГОСТом 2789 - 73 характеризуется рядом параметров: базовой длиной, средней линией профиля, средним шагом неровности профиля, средним шагом местных выступов профиля, наибольшей высотой профиля, отклонением профиля, средним арифметическим отклонением профиля, опорной длиной профиля, относительной опорной длиной профиля. Основными параметрами, связанными с микрогеометрией, влияющими на процесс приработки являются высота микронеровностей и опорная площадь контакта.
Рассматриваемый иррегулярный микрорельеф моделируется группой консольно защемленных балок разной высоты и площади поперечного
