CC BY
40
Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»
УДК 621.791
А. С. Череватый, М. А. Панфилов Научный руководитель - Л. Г. Семичева Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО КОНТАКТА ПРИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ ФТОРОПЛАСТА-4
С МЕТАЛЛАМИ
Разработана математическая модель образования физического контакта фторопласта-4 с металлами, которая позволила определить оптимальные параметры режима диффузионной сварки и спроектировать акустическую систему для обеспечения сближения свариваемых поверхностей на расстояние, соответствующее уровню физического взаимодействия.
Целью моделирования является теоретическое определение оптимальных параметров режима сварки и геометрических размеров акустической системы, которые обеспечивают формирование контакта по большей площади и получение требуемых герметичности и прочности соединения.
В соответствии с существующими представлениями процесс диффузионной сварки с определенной степенью условности разделяют на три стадии: образование физического контакта; активация свариваемых поверхностей; объемное развитие взаимодействия и протекание топохимических реакций [1].
Фактическая площадь физического контакта в значительной степени определяет прочность сварного соединения и зависит от ряда факторов,прежде всего от состояния контактируемых поверхностей, свойств материалов, вступающих в контакт, условий термодеформационного воздействия на контакти-руемую пару.
Физический контакт свариваемых поверхностей, исходя из современных представлений об энергетических аспектах активированной адсорбции, разработанной Тейлором и развитой Леннардом-Джонсоном, образуется при первоначальном сближении их на расстояние R1, соответствующее уровню физического взаимодействия, обусловленного ван-дер-ваальсо-выми силами. Такое сближение на расстояние 2-4 нм в условиях диффузионной сварки может быть достигнуто в результате условий термодеформационного воздействия на свариваемые материалы.
При соединении полимеров с металлами образование физического контакта, а также дальнейшее взаимодействие имеет определенные особенности, поскольку физико-механические свойства и структура полимерных материалов имеют существенное отличие от металлов.
Особенностью первой стадии при сварке фторо-пласта-4 с металлами является то, что физический контакт между свариваемыми поверхностями создается перемещениями фторопласта-4 под совместным воздействием нагрева, сварочного и акустического давлений, а также перемещениями полимера в акустических течениях. При нагреве до температуры сварки под действием ультразвуковых колебаний (УЗК) в полимере формируются микро-вихри, которые перемещаясь в акустических течениях, проникают в поры анодной пленки и микронеровности метал-
лической поверхности, увеличивая тем самым фактическую площадь контакта [2].
В соответствии с изложенными представлениями процесса сварки математическая модель представлена в виде системы уравнений, описывающих процесс теплообразования от внешнего источника (радиационного нагревателя) и УЗК; необратимых перемещений в ультразвуковом поле согласно теории медленных течений; напряженное состояние от совместного действия сварочного и акустического давлений. Эти фундаментальные зависимости дополнены специальными уравнениями, учитывающими изменение свойств свариваемых материалов с изменением температуры и давления [3].
Процесс теплообразования описывается полным уравнением теплопроводности. Влияние УЗК на процесс теплообразования определяется из совместного решения распространения звука в отрезке трубы конечной длины, позволяющей определить величины акустических давлений по толщине пакета, с уравнением волновой функции распределения акустического давления по торцу волновода.
Акустические перемещения (микровихри и линии тока) описываются уравнениями механики сплошных сред.
Напряженно-деформированное состояние в исследуемой точке рассматривали с учетом комплексного влияния ультразвука и сварочного давления. Оно описывается уравнениями задачи Соколовского о сжатии полосы плоскими бойками при условии равномерного распределения давлений на контактной прямой.
В соответствии с предложенной математической моделью образования физического контакта фторо-пласта-4 с металлами составлена рабочая система уравнений, которую решали численными методами.
В соответствии с разработанным алгоритмом расчета определяли перемещения фторопласта 4 в образце из сплава алюминия АМг6 и фторопласта-4 диаметром 18 мм толщиной соответственно 3,4 мм и 1,7 мм при различных параметрах режима сварки [4].
Результаты расчетов позволили установить зависимость величины перемещений фторопласта-4 от температуры сварки Т, сварочного давления Р, интенсивности ультразвуковых колебаний 1узк, и времени озвучивания 1узк.. Эти зависимости были проверены экспериментально. Перемещения фторопласта-4, которые определяют площадь физического контакта, оценивали по прочности соединения св. На расчетных
Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки
режимах были сварены образцы и испытаны на растяжение. По результатам испытаний построены графики зависимости предела прочности соединения св от параметров процесса сварки и установлено, что требуемая прочность соединения св > 14 МПа достигается при величине перемещений по оси Ъ более 15 мкм. При этих перемещениях обеспечивается плотный контакт свариваемых поверхностей по всей площади контакта, что, в конечном итоге, гарантирует получение требуемой герметичности соединения.
По результатам расчетов для озвучивания зоны сварки спроектированы ультразвуковая головка и ультразвуковой генератор мерцающей частоты с рабочей частотой 2 МГц [5].
Библиографические ссылки
1. Бачин В. А., Квасницкий В. Ф. и др. Теория, технология и оборудование диффузионной сварки / под общ. ред. В. А. Бачина. М. : Машиностроение, 1991.
2. Бергман Н. А. Ультразвук и его применение в науке и технике. М. ; Л., 1957.
3. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. М. : Наука, 1972.
4. Липатов Ю. С., Безрук Л. И. Экспериментальная морфология полимерных материалов в условиях жесткого контроля за изменением основных структурных парамеров в ходе препарирования и наблюдений методами ПЭМ // Материалы Международного микросимпозиума по морфологии полимеров. София, 1981. С. 122-123.
5. Семичева Л. Г., Новиков В. Г., Лаврищев А. В. Разработка и исследование процессов получения ваку-умно-плотных соединений фторопласта-4 с металлами// прогрессивные процессы сварки в машиностроении : сб. докл. Всесоюзной науч.-техн. конференции. Красноярск, 1991. С. 207.
© Череватый А. С., Панфилов М. А., Семичева Л. Г., 2011
