ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА КАЧЕСТВО СОЕДИНЕНИЙ ФТОРОПЛАСТА-4 С МЕТАЛЛАМИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.791

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА КАЧЕСТВО СОЕДИНЕНИЙ ФТОРОПЛАСТА-4 С МЕТАЛЛАМИ

К. В. Солодов*, И. А. Токмашова, Л. Г. Семичева

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: djspy95@mail.ru

Исследовано влияние ультразвуковых колебаний частотой f = 2 МГц и f = 18 кГц на прочность соединения фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6. Установлено, что озвучивание зоны сварки УЗК обеспечивает повышение прочности соединения на 20 %.

Ключевые слова: ультразвуковые колебания, алюминиевый сплав АМг6, диффузионная сварка, частота, полимер.

INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF ULTRASOUND VIBRATIONS ON THE QUALITY OF FTOROPLAST COMPOUNDS-4 WITH METALS

K. V. Solodov*, I. A. Tokmashova, L. G. Semicheva

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

E-mail: djspy95@mail.ru

The effect of ultrasonic oscillations of frequency f = 2 MHz and f = 18 kHz on the strength of the fluoroplastic-4 compound with an aluminum alloy AMg6 was studied. It is established that the sounding of the welding zone of ultrasonic testing provides an increase in the strength of the joint by 20 %.

Keywords: ultrasonic vibrations, aluminum alloy AMg6, diffusion welding, frequency, polymer.

Основная проблема, возникающая при сварке неразъемных соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6, обусловлена существенным различием физико-механических свойств свариваемых материалов и низкой химической активностью фторопласта-4. В настоящее время для получения неразъемных соединений разнородных материалов применяется диффузионная сварка в вакууме [1]. Также известно, что ультразвуковые колебания (УЗК) применяются для интенсификации процессов сварки [2].

Цель данной работы - исследовать влияние УЗК частотой f = 2 МГц и f = 18 кГц на качество диффузионных соединений фторопласта - 4 со сплавом алюминия АМг6. Для проведения исследований сваривали специальные образцы диаметром 18 мм, длиной 30 мм с толщиной фторопластовой подложки 2,0 мм. Перед сваркой образцы из сплава АМг6 подвергали твердому анодированию в 18 % растворе H2SO4 без последующего хроматирования, затем свариваемые поверхности образцов обезжиривали бензином Б-70 и обезвоживали спиртом-ректификатом. Образцы помещали в специальное приспособление и устанавливали в установку для диффузионной сварки СДВУ-50. Камеру установки вакуумировали до разрежения Н = 5 10-1 Па, создавали сварочное давление Р = 0,5...2,5 МПа, производили нагрев образцов до температуры сварки Тсв = 603...693 К радиационным нагревателем, затем озвучивали зону сварки УЗК и охлаждали сборку до нормальной температуры. Исследовали следующие варианты технологии:

1. При достижении Тсв зону сварки озвучивали УЗК частотой f = 2 МГц интенсивностью УЗК 1узк = (1...3)*105 Вт/см2 в течение времени t = 300...900 с.

2. При достижении Тсв зону сварки озвучивали УЗК частотой f = 18 кГц мощностью УЗК Ыузк = 2250...4050 Вт в течение времени т = 300...900 с.

Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»

3. При достижении Тсв сборку выдерживали в течение времени т = 300...900 с.

Сваренные по трем вариантам образцы подвергали испытаниям на растяжение на устройстве испытания прочности БР 10/1 (Несей, Германия). Результаты испытаний показали, что соединения, сваренные без применения УЗК (вариант 3) при температуре Тсв = 678...683 К, давлении Р = 2,5 МПа и времени выдержки £ = 600 с. имели максимальную прочность ов = 16 МПа.

При реализации технологии по первому варианту установку оснащали ультразвуковой системой, которая включала специально разработанную ультразвуковую головку и ультразвуковой генератор мерцающей частоты УВО-2, который предназначен для питания пьезокварцевой пластины Х-среза в акустической системе сварочной головки. Частота УЗК - 2МГц. Для изменения интенсивности звука, излучаемого пьезокварцевой пластиной, применялся вариометр. Мерцающая частота биения стабилизирует излучение ультразвука от акустической системы ультразвуковой сварочной головки.

Результаты испытаний образцов, сваренных с применением УЗК частотой / = 2 МГц, показали, что предел прочности ов = 18 МПа имели образцы, сваренные при температуре Тсв = 658...663 К, давлении Р = 1,5 МПа, интенсивности УЗК /узк = 2*105 Вт/см2 в течение времени £ = 600 с.

По второму варианту в смотровое окно камеры установки СДВУ-50 устанавливали магни-тострикционный преобразователь ПМС-15А-18, обеспечивающий ввод УЗК в зону сварки частотой 18 кГц. Преобразователь работает с ультразвуковым генератором УЗГ-2-4М. При испытании образцов, сваренных по этой технологии было установлено, что максимальную прочность ов = 18 МПа имели образцы, сваренные при температуре Тсв = 658...663 К, давлении Р = 1,5 МПа, мощности УЗК Ыузк = 3150 Вт в течение времени £ = 300 с.

Полученные результаты испытаний показали, что применение УЗК позволило повысить прочность соединения на 20 % и снизить температуру сварки на 20 градусов. Это можно объяснить особенностями протекания трех стадий процесса диффузионной сварки: образования физического контакта; активации свариваемых поверхностей; объемного взаимодействия и протекания топохимических реакций [3].

Металлографическими исследованиями установлено, что на стадии образования физического контакта увеличение фактической площади контакта достигается за счет снижения вязкости фторопласта-4, формирования акустических течений, проявления ультразвукового капиллярного эффекта, которые способствуют более полному заполнению пор анодной пленки и микронеровностей металлической поверхности.

На второй стадии активация свариваемой поверхности фторопласта-4 под воздействием УЗК происходит при частичном отрыве атомов фтора от молекулы полимера, когда образуются свободные радикалы, способные взаимодействовать с металлической поверхностью из сплава алюминия АМг6. Кроме того, как показал микрорентгенографический анализ, УЗК способствуют диффузии углерода из фторопласта-4 в сплав АМг6.

В результате взаимодействия свариваемых материалов и протекания топохимических реакций образуется переходная зона из металлополимерных комплексов шириной до 60 мкм и прочность соединения соответствует прочности фторопласта-4.

При выборе частоты УЗК следует учитывать, что при / = 2 МГц озвучивание зоны сварки производится колебаниями с малой амплитудой, что гарантирует сохранение исходной структуры фторопласта-4 даже при толщине фторопласта-4 менее 0,5 мм. Однако эта технология требует применение специального ультразвукового оборудования, работающего на частоте / = 2 МГц. Также установлено, что УЗК / = 18 кГц, которые характеризуются большей амплитудой колебаний, оказывают аналогичное влияние на все стадии процесса диффузионной сварки, но при сварке изделий с малой толщиной фторопласта-4 следует ограничить время озвучивания, чтобы исключить механодеструкцию полимера. Таким образом, проведенные исследования показали, что применение УЗК в процессе диффузионной сварки фторопласта-4 со сплавом АМг6 интенсифицируют все стадии процесса, что обеспечивает повышение прочности соединения на 20 %.

Библиографические ссылки

1. Теория, технология и оборудование диффузионной сварки / В. А. Бачин, В. Ф. Квасниц-кий и др. ; под общ. ред. В. А. Бачина. М. : Машиностроение, 1991. 352 с.

2. Бергман Н. А. Ультразвук и его применение в науке и технике. М. : Иностр. лит., 1957.

726 с.

3. Диффузионная сварка материалов / под общ. ред. Н. Ф. Казакова. М. : Машиностроение, 1981. 271 с.

© Солодов К. В., Токмашова И. А., Семичева Л. Г., 2018