CC BY
7МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МАШИНОСТРОЕНИЕ
Мирошник М. А., д-р техн. наук, доц. Украинская государственная академия железнодорожного транспорта, г. Харьков
КотухВ. Г., канд. техн. наук, доц., с.н.с., Капцова Н. И., асс.
Харьковский национальный университете городского хозяйства им А Н. Бекетова
К ВОПРОСУ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ГЕРМЕТИЗАЦИИ КОРПУСОВ ДАТЧИКОВ ДЛЯ ГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДНЫХ
СИСТЕМ
marinagmiro@gmail.com
При разработке и проектировании датчиков для газового оборудования и трубопроводных систем (ГО и ТС) большое внимание уделяется повышению их эксплуатационной надежности. Эксплуатационная надежность датчиков для ГО и ТС обеспечивается прежде всего их общей герметизацией, стандартизацией схемотехнических и конструкторско-технологических решений, что способствует стабилизации технологических процессов их изготовления и контроля, а также комплексной оценкой и реализацией нормального теплового режима датчиков на всех этапах их разработки, проектирования и изготовления.
Ключевые слова: датчики, герметизация, многофункциональное покрытие, лазерная наплавка.
Введение. Необходимость общей герметизации корпусов датчиков для ГО и ТС накладывает ряд ограничений и требований к конструкции и технологии соединения их корпусных элементов, например, требований ремонтопригодности, ограничения нагрева корпусов датчиков при герметизации до 70° С, состава и давления газовой среды внутри датчиков, а также вероятности их безотказной работы.
Наиболее распространенным материалом корпусных деталей датчиков является алюминий и его сплавы. Однако при их герметизации возникает ряд проблем, связанных прежде всего с возможностью создания надежного сварного соединения А1-сплавов с другими металлами и сплавами. Поэтому для создания прочных связей соединяемых металлов необходимо образование многофункционального покрытия (МФП), основными элементами для которого являются N1 и Б1. При этом возможность соединения разнородных металлов с образованием прочных связей с использованием МФП определяются прежде всего физико-химическими свойствами соединяемых металлов и применяемой технологией получения сварных соединений.
Особенности технологического процесса получения сварных соединений. Сравнение физических свойств А1, N1 и (табл. 1) показало, что А1, N1, имеют одинаковый тип кристаллической решетки - кубическая гранецен-трированная (КГЦ). Температура плавления А1 (660°С) почти в 2 раза ниже, чем у N1 (1455°С) и (1415°С), что затрудняет процесс их сплавления. Существенное влияние оказывает также
большое различие (в 3-4 раза) коэффициентов теплопроводности и линейного расширения, приводящее к образованию таких температурных полей и условий кристаллизации, которые способствуют возникновению термических напряжений и ослаблению связей.
Решающее влияние на свариваемость этих металлов оказывает их металлургическая совместимость, которая определяется взаимной растворимостью соединяемых металлов как в жидком, так и в твердом состояниях. Надежные сварные соединения образуют металлы и сплавы, в состав которых входят элементы, обладающие неограниченной растворимостью не только в жидком, но и в твердом состоянии, т. е. образующие непрерывный ряд твердых растворов замещения.
Правильный подбор способа, режимов и технологии получения сварных соединений может полностью устранить или свести к минимуму отрицательные последствия ограниченной растворимости, особенно N1 в А1. При этом твердый раствор образуется в том случае, если в системе, состоящей из различных атомов, может существовать общая для них кристаллическая решетка. Неограниченная растворимость в твердом состоянии возможна при наличии одинаковой кристаллической структуры у компонентов, как в нашем случае у А1, N1, Б1. Однако это условие является необходимым, но не достаточным [4].
Анализ современных технологий получения сварных соединений показывает, что энергия нормальной ковалентной связи не зависит от
элементов, находящихся в химическом связи, причем шкала электроотрицательности характеризует только образование связи между элементами, а с увеличением разности электроотрицательности увеличивается стабильность как первичных твердых растворов, так и интерметалли-
ческих соединений [3]. Основными факторами, определяющими размеры и параметры области первичных твердых растворов, являются размерный фактор, электроотрицательность и валентность.
Физические свойства элементов
Таблица 1
Элемент Плотность при 20° кг/км Температура плавления их, С Тип кристалической решетки Атомный радиус, ■ 10-1 н М(А) Элктроотрица-тельность Коэффициент линейного р асширения ■10-6, град-1 Коэффициент теплопроводности, Вт/м-град Коэффициент теплоемкости Дж/кг град
1. Элементы, содержащиеся в А1-сплавах
А1 2700 660 кгц 1,43 1,47 24,0 204 880
Мв 1740 650 кгц 1,60 1,23 - 167 -
Si 2328 1415 кгц 1,34 1,74 - 84 -
гп 7100 419 кгц 1,39 1,60 30 112 370
2.Элементы, содержащиеся в сплавах 29НК, 12К18Н10Т
Ре 7800 1539 кгц 1,26 1,64 11,19 78 460
Со 8900 1494 кгц 1,25 1,7 12„5 70,9 452
№ 8900 1455 кгц 1,24 1,8 13,5 58 444
Сг 7190 1903 кгц 1,27 1,6 - - -
4500 1668 кгц 1,60 1,5 4,5 13 578
3. Элементы, содержащиеся в Си сплавах
Си 8900 1083 кгц 1,28 1,9 16,5 390 380
Ве 1850 1285 кгц 2,2 1,4 - 1,78 -
Для определения растворимости в алюминии №, Si, выбранных для лазерной наплавки на корпусные детали из А1-сплавов на основе теории Даркена-Гурри были построены диаграммы растворимости для А1 и для № [3], которые необходимы для прогноза параметров твердых растворов А1 - №, А1 - Si, образующихся при лазерной наплавке МФП и сварке разнородных методов в узлах герметизации корпусных деталей датчиков для ГО и ТС. Достаточно хорошо растворимы в А!: Si, Мп, Си, Fе, Со, вследствие чего можно ожидать образование прочных твердых растворов этих элементов в А1. Образование твердых растворов № в А1 менее вероятно из-за его плохой растворимости в А1. Построение диаграммы растворимости для № [3] показало. что в № хорошо растворяется Си, Со, Si, Fе. В связи с этим можно ожидать образования прочных твердых растворов этих элементов в №, являющимся основой МФП. Из анализа построенных диаграмм [3] следует также ожидать образование прочного твердого раствора при лазерной наплавке МФП на основе Si, а при наплавке на основе № из-за его неограниченной растворимости в А1 прочность сцепления МФП с А1-основой может оказаться недостаточной и должна быть исследована и определена экспериментально.
Таким образом, для узла герметизации кор-
пус - крышка (А1 - А1) датчиков предпочтительно МФП на основе Si, а для узлов герметизации электросоединитель - корпус датчика, штенгель - корпус датчика более предпочтительно МФП на основе №.
На основе данных табл. 1 и диаграмм [3] можно прогнозировать получение МФП для равновесных систем, например для получения сплавов системы А1 - № в условиях медленных нагрева и охлаждения. Поэтому при применении наплавки традиционными способами нагрева (плазмой, эл.дугой и др.) не гарантируется получение прочной связи в системе А1 - №.
Наиболее приемлемым способом наплавки № на А1 может быть импульсный лазерный нагрев. Существующие лазерные технологические установки серии «Квант» (РФ) и др. обеспечивают длительность импульса лазерного излучения в пределах 1-8 мс и плотность мощности в зоне наплавки до 106 Вт/см2. При этом скорость нагрева и охлаждения зоны наплавки составляет 102 ... 106 град/с. Известно [1], что сверхбыстрый нагрев и охлаждение вносят существенные изменения в процесс образования твердых растворов, что выражается в увеличении взаимной растворимости элементов, в т. ч. № в А1.
Следует отметить, что при рассмотрении
взаимодействия твердой и жидкой фаз при лазерной наплавке, диффузионные процессы на границе между твердым и жидким телом обладают той особенностью, что скорость их определяется интенсивностью диффузии в твердом теле, т.к. она обычно во много раз меньше скорости диффузии в жидкости. Процесс взаимодействия твердой и жидкой металлических фаз при наплавке сопровождается развитием гетерогенной диффузии в зоне контакта. Даже незначительное время их сосуществования способствует протеканию процессов гетерогенной диффузии в направлении установления фазового равновесия. Интенсивность протекания этих процессов определяется температурой, длительностью контактирования, градиентом концентраций и диффузионной подвижностью атомов [2]. На границе раздела фаз определяющей является стадия взаимодействия твердого металла с жидким. Развитие диффузионных процессов на стадии охлаждения закристаллизовавшегося металла в основном определяется временем нахождения металла при повышенных температурах. Для большинства элементов замещения их подвижность при переходе из жидкого состояния в твердое резко падает (коэффициенты диффузии уменьшаются на три - пять порядков), и длительность пребывания при повышенных температурах в реальных процессах наплавки оказывается недостаточной для существенного развития процессов диффузии.
Количественное решение задачи по гетерогенной диффузии примеси в зоне контакта твердой и жидкой фаз при частных граничных условиях приведено в работе [1]. Характер распределения примеси зависит от коэффициента распределения к, характеризующего различную растворимость элементов в твердой и жидкой фазах, от коэффициента диффузии в твердой ДТ и жидкой ДЖ фазах, длительности процесса I и градиента концентрации примеси на границе сплавления.
Значения коэффициентов диффузии Д зависят от температуры, концентрации, структуры, примесей и могут меняться в широких пределах (10-7 ...10-16 ' см с- и менее). Значение коэффициентов диффузии в жидкости в пределах 10-4 ...10-6 см2с-1. Длительность контактирования в случае наплавки традиционными способами находятся в пределах от 0,01.. .0,5 с (смачивание) до 0,5... 10 с и более (наплавка, сварка) и от 0,002 до 0,006 с (лазерная наплавка и сварка) и зависит от погонной энергии и скорости.
Равновесный коэффициент распределения = Ст /С3*) в зависимости от легирующего элемента может быть больше или меньше единицы. Если происходит снижение температуры, то &о<1 (1 - 0,001 для систем, относящихся к
чисто эвтектическим). Если примесь повышает температуру плавления сплава, то &о>1. При наличии интенсивного перемешивания, что характерно для лазерной наплавки и сварки, эффективное значение коэффициента распределения к сильно отличается от равновесного и достигает 1.
В общем случае значения эффективного коэффициента распределения определяются из уравнения, полученного К. Бартоном и др [2]: к = к0/\[к0 + (1 - к0)ехр( 1 - /ВДЖ)], (1) где / - скорость увеличения толщины твердой фазы; 30 - толщина ламинарного слоя; Дж=10-5...Ш4см2с1.
Для большинства практических случаев неизвестны точные значения эффективного коэффициента распределения к, коэффициентов диффузии Дт и Дж и длительности контактирования. Точное определение этих величин в реальных сверхнеравновесных условиях лазерной наплавки связано с большими трудностями и не входит в задачу данных исследований. В работе [2] приведено решение для определения концентрации (_, и С,
ст -
К
-ж _
•К
I'
1+ Ф
1+ Ф
при* < 0(2)
при я > о (3)
которые, однако не учитывают наличие двухфазной области и изменение коэффициентов диффузии от концентрации.
Предварительные исследования [3] показали, что при лазерной наплавки N1 на А1-сплав, несмотря на малую длительность процесса (4 мс), происходит образование в зоне контакта А1 - N1 тонкой диффузионной прослойки толщиной мкм. Исходя из этого по известной формуле [1]:
у = к ¿К (4)
приближенно определен коэффициент диффузии N1 в А1, равный Д=10_1...10-2 см2 с-1, т.е. на несколько порядков превышает известные значения. Поэтому для более точного определения фактического коэффициента диффузии необходимо проведение специальных исследований.
Для обоснования технологических режимов лазерной наплавки и N1 на свариваемые кромки корпусных деталей датчика из А1-сплавов выполнен аналитический расчет:
- скорости наплавки, мм/мин и мм2 /мин;
- количества проходов и слоев, необходимых для получения МФП на кромках с заданными размерами;
- длительности наплавки, мин.
В расчетах на основании предварительных экспериментов принято:
- диаметр светового пятна ё на поверхности кромки в пределах 0,6.. .0,8 мм;
- фокальная плоскость совпадает с поверхностью свариваемой кромки;
- коэффициент перекрытия наплавленных точек и дорожек к = 0,5;
- частота следования импульсов лазерного излучения £=10 Гц;
- конструктивное исполнение свариваемой кромки определено исходя из следующих соображений:
- конструктивная прочность кромки корпусных деталей датчика не должна быть меньше заданной с учетом допустимого снижения запаса прочности, но не более 25 %.
- наплавление одного слоя N1 на кромку, обеспечивая его достаточное сцепление с основой, не гарантирует из -за его малой толщины получение прочного сварного соединения;
- для обеспечения плотного прилегания свариваемых кромок корпусных деталей датчика при сборке под сварку МФП должно иметь толщину с припуском на последующую ме-хобработку.
На основании этого разработана конструкция кромки с пазом глубиной 20...25 % толщины кромки под МФП [1].
Скорость наплавки определяется по известной формуле [1]:
V = 60*а*/(1- к) . мм/мин, (5) для определения количества проходов при наплавке одного слоя необходимо знать величину площади, наплавляемой за один проход.
V = 60 < 1 - £} . мм2/мин, (6)
4
а количество проходов п определим по формуле 5Я= (п+1)(1-*)515 (7) где = 1с1 - площадь первой дорожки, 5п= - площадь всех (п) дорожек.
Так как ширина кромки задана, то
Ь= (п + 1) (1 — сЕ, мм (8)
Отсюда определим количество проходов:
п = -Л- - 1; (9)
Количество наплавляемых слоев т определяется экспериментально:
где й-од - толщина , мм.
По результатам предварительных экспериментов толщина наплавленного слоя ^нФп должна соответствовать (1,2-1,3)(Лг0 — /г}, т.е.
ш
(10)
одного слоя,
незначительно возвышаться над поверхностью стенки корпуса или крышки датчика. Тогда
Авторами предложена формула для определения длительности наплавки одного слоя:
, мин. (12)
V,,
Ъ*1
Общую продолжительность процесса лазерного наплавления и образования МФП можно определить по формуле
¿МП* =т*сл. ,мин (13)
Выводы. В ходе проведенных исследований установлено, что для получения МФП на основе на корпусных деталях датчика (А1 - А1) не предвидится больших препятствий для получения прочных связей Бьпокрытия на А1 вследствие хорошей растворимости в А1. Необходимо экспериментально обработать технологические режимы подготовки поверхности деталей и лазерной наплавки на них Б1.
Также для получения МФП на основе N1 на деталях узлов герметизации А1 - 29 НК и др. необходимо применить высокоскоростной нагрев импульсным лазерным излучением с целью увеличения растворимости N1 в А1. Необходимо проведение специальных экспериментов по определению фактической концентрации N1 в зоне соединения А1 - N1 с последующей разработкой технологических режимов подготовки поверхности и лазерной импульсной наплавки N1 на корпусные детали датчика А1-сплава.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Технологическая концепция лазерной герметизации радиоэлектронных модулей в корпусах из алюминиевых сплавов / Н. В. Замирец В. Г. Котух, В. А. Шур, Т. Л. Алтухова // Технология приборостроения. 1996. N1. С. 84-87.
2. Экспериментальные исследования технологических режимов герметизации корпу-сов микроблоков радиоэлектронной аппаратуры / В. Г. Котух // Технология приборостроения. 1998. N1. С. 27-30.
3. Исследования механизма образования многофункционального покрытия на корпусных деталях радиоэлектронных модулей / Т. Л. Алтухова, В. Г. Котух // Технология приборостроения. 1998. N1.0 38-42.
4. Технологическая концепция образования многофункционального покрытия на корпусных деталях датчиков аппаратуры из А1 -сплавов лазерной наплавкой / В. Г. Котух, В. И. Степа-ненко, М. С. Тушева, О. Е. Деменко // Радиотехника. 2009. Вып. 157. С. 129 - 134.
