Исследование механизма формирования сварного соединения и разработка технологии диффузионной сварки фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.06, кандидат технических наук Семичева, Лариса Георгиевна

• Семичева, Лариса Георгиевна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Семичева, Лариса Георгиевна

Введение

1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования

1.1. Анализ существующих способов получения неразъемных соединений фторопласта-4 с металлами

1. 1. 1. Склеивание

1. 1.2. Механическое крепление

1. 1 .3. Напыление

1. 1.4. Сварка

1. 1.5. Преимущества диффузионной сварки при изготовлении СВЧ-окон

1. 2. Основные сведения о взаимодействии полимеров с поверхностью металлов

1.3. Проблемы получения качественных диффузионных соединений фторпласта-4 с металлами Выводы. Постановка задачи

2. Методы исследования. Оборудование и применяемые материалы 2.1. Материалы и образцы для исследований

2. 2. Подготовка свариваемых поверхностей 2. 3. Выбор основных параметров режима процесса сварки и интервалов их варьирования 2. 4. Применяемое оборудование

2. 5. Математическая модель процесса нагрева при диффузионной сварке фторопласта -4 со сплавом АМгб

2. 6. Методы исследований и испытаний сварных соединений Ф-4 + сплав АМгб

2. 6. 1. Металлографический анализ

2. 6. 2. Дифференциальный термический анализ

2. 6. 3. Микрорентгеноспектральный анализ

2. 6. 4. Рентгеноструктурный анализ 59 2. 6. 5. Исследования методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР)

2. 6. 6. Электронно-микроскопические исследования

2. 6. 7. Испытания на вакуумную плотность

2. 6. 8. Испытания на механическую прочность 70 Выводы по разделу

3. Моделирование процесса образования физического контакта при диффузионной сварке с наложением УЗК мегагерцевой частоты фторопласта-4 со сплавом алюминия АМгб 72 3.1. Существующие модели образования физического контакта при сварке в твердой фазе 72 3. 2. Особенности образования физического контакта при диффузионной сварке фторопласта - 4 со сплавом алюминия АМгб 77 3.3. Рабочая система уравнений для расчета перемещений фторопласта —

3. 4. Расчет и выбор оптимальных режимов сварки фторопласта со сплавом алюминия АМгб

Выводы по разделу

4. Исследования механизма формирования сварного соединения фторопласта — 4 со сплавом алюминия АМгб. Влияние технологических параметров процесса сварки на качество соединений 123 4. 1. Металлографический анализ 123 4. 2. Микрорентгеноспектральный анализ зоны соединения фторопласта — 4 со сплавом алюминия АМгб

4. 3. Рентгеноструктурный анализ

4. 4 Дифференциальный термический анализ

4. 5. Электронно-микроскопические исследования

4. 6. Исследования методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР)

4. 7. Влияние технологических факторов на прочность диффузионных соединений фторопласта — 4 со сплавом алюминия АМгб 152 Выводы по разделу

5. Разработка технологического процесса и оборудования для диффузионной сварки СВЧ-окон 157 5. 1. Технологический процесс диффузионной сварки СВЧ-окон 157 5. 2. Технологическое оборудование 158 5.2. 1. Установка для диффузионной сварки 158 5. 2. 2. Ультразвуковой генератор мерцающей частоты УВО-2А 161 5. 2. 3. Ультразвуковая головка 164 5. 2. 4. Особенности расчета геометрических размеров акустической системы 168 5. 3. Работоспособность диффузионных соединений фторопласт — 4 + АМгб при циклическом изменении температуры и повышенной влажности окружающей среды

5. 4. Виды дефектов и контроль качества сварных соединений

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование механизма формирования сварного соединения и разработка технологии диффузионной сварки фторопласта-4 со сплавом алюминия АМг6»

Дальнейшее развитие приборостроения, электронной, авиационной, космической и других отраслей промышленности связано с применением полимерных материалов. Эти материалы обладают уникальными физико-механическими свойствами и в сочетании с металлическими материалами могут быть использованы в конструкциях ответственных узлов с различными эксплуатационными свойствами. Особый интерес среди них вызывает фторопласт-4, который может быть использован в качестве диэлектрика, антифрикционного, звукопрозрачного и коррозионно-стойкого материала [1, 2]. В связи с тем, что он обладает низкой диэлектрической проницаемостью, широким диапазоном рабочих температур и абсолютной химической стойкостью к агрессивным средам, перспективно его использование в качестве диэлектрика взамен стекла и керамики, которые применяются в настоящее время при изготовлении одного из важнейших узлов СВЧ-трактов - СВЧ-окон.

Создание новых надежных конструкций СВЧ-окон с улучшенными эксплуатационными характеристиками требует применения качественных неразъемных соединений фторопласта-4 с металлами, сохраняющих работоспособность и вакуумную плотность в условиях циклического изменения температур и повышенной влажности окружающей среды.

Однако фторопласт-4 относится к трудно-склеиваемым и трудносваривае-мым полимерам, а в промышленности отсутствуют технологии надежного соединения его с металлами.

Способы сварки плавлением не пригодны для соединения металлов с фто-ропластом-4 из-за низкой температуры термодеструкции фторопласта-4 и невозможности перевода его в жидкое состояние.

Использование клеевых соединений также ограничено из-за низких прочности соединения и стойкости к термоударам, а также из-за усадки и пористости клеевой прослойки. Кроме того, склеивание требует сложной предварительной подготовки свариваемых поверхностей, применения токсичных клеев и отличается высокой трудоемкостью.

Изготовление таких узлов механическим креплением, напылением и ультразвуковой сваркой не представляется возможным по конструктивным соображениям.

Особый интерес для решения этой проблемы представляет способ диффузионной сварки в вакууме, предложенный и разработанный д.т.н., профессором Н. Ф. Казаковым. В России и за рубежом выполнено ряд крупных научных исследований по соединению разнородных материалов диффузионной сваркой, среди которых особое место занимают работы А. В. Красулина, М. X. Шоршо-рова, Э С. Каракозова, И. И. Метелкина, Г. В. Конюшкова, Р. А. Мусина, В. Г. Новикова, А И. Екимова и других [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9].

Несмотря на то, что исследованиями по данному научному направлению занимается большой круг ученых, проблема настолько многообразна, что в настоящее время еще недостаточно раскрыты возможности диффузионной сварки для получения таких соединений, как полимеры с металлами. Это обусловливает актуальность и важность исследований механизма формирования сварного соединения фторопласта-4 с металлами, позволяющих разработать и внедрить новую технологию изготовления СВЧ-окон с заданными эксплуатационными характеристиками, способных работать в условиях циклического изменения температуры и повышенной влажности окружающей среды. Учитывая химическую инертность фторопласта-4, актуальна также разработка способа интенсификации процесса диффузионной сварки, позволяющего активизировать процессы, происходящие в зоне контакта соединяемых материалов.

Целью настоящей работы является разработка технологии получения ваку-умно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АМгб применительно к СВЧ-окнам и технических устройств для ее осуществления в производственных условиях на основе исследования механизма формирования неразъемного соединения в процессе диффузионной сварки.

Методы исследований:

Для изучения механизма взаимодействия сплава алюминия АМгб с фторо-пластом-4 широко использовались методы оптической металлографии, ядерного магнитного резонанса, электронной микроскопии, рентгеновский структурный и микрорентгеноспектральный анализы, а также дифференциальный термический анализ. Теоретические исследования основаны на математическом моделировании процессов нагрева и образования физического контакта при диффузионной сварке с наложением УЗК мегагерцевой частоты. Для решения дифференциальных уравнений, использованных при разработке математических моделей, применяли численные методы.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что наложение УЗК частотой 2 МГц в процессе диффузионной сварки фторопласта-4 со сплавом алюминия АМгб увеличивает фактическую площадь контакта за счет заполнения пор и дефектов металлической поверхности фторопластом-4 вследствие снижения вязкости расплава фторопласта-4 и ультразвукового капиллярного эффекта, что повышает прочность соединения более, чем на 20%.

2. Установлено, что УЗК мегагерцевой частоты активизируют взаимодействие свариваемых материалов за счет частичного отрыва атомов фтора от молекулы фторопласта-4 в приграничных слоях и диффузии углерода в сплав АМгб.

3. Установлено, что в основе физико-химических процессов взаимодействия фторопласта-4 со сплавом АМгб лежат топохимические реакции, протекающие при температуре сварки на границе раздела фторопласт-металл, в результате которых образуется переходная зона, ширина которой для исследованной области составляет 10.60 мкм.

4. Установлены зависимости прочности соединений фторопласта-4 со сплавом АМгб от ширины переходной зоны и режимов сварки.

5. Разработаны:

-математическая модель процесса нагрева сборки, позволяющая рассчитывать температурный режим процесса диффузионной сварки и учитывающая нагрев от внешнего источника и УЗК;

-математическая модель образования физического контакта свариваемых материалов, учитывающая комплексное влияние параметров режима диффузионной сварки и УЗК на величину перемещений фторопласта-4 при формировании соединения и позволяющая определять их оптимальные значения, которые обеспечивают получение качественных вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АМгб; -методика металлографических исследований соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АМгб, полученных диффузионной сваркой, с применением травления в плазме безэлектродного высокочастотного разряда и ультратонких срезов.

Практическое значение работы. 1. Разработаны:

-производственный технологический процесс изготовления СВЧ-окон с получением вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АМгб диффузионной сваркой с наложением УЗК частотой 2 МГц, позволяющий создать новые конструкции СВЧ-окон и расширить диапазон частот СВЧ-трактов;

-производственный технологический процесс изготовления гермовводов СВЧ-трактов с получением вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом АМгб, коваром 29НК, латунью JTC59;

-производственный технологический процесс изготовления пьезодатчика уровня с согласующим слоем из фторопласта-4, позволяющий обеспечить работоспособность датчика в условиях термоциклирования, воздействия ударных нагрузок и агрессивной среды и повысить коэффициент передачи пьезодатчика;

-производственный технологический процесс изготовления корпуса микросхемы с получением вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом алюминия АД1;

-ультразвуковая головка и генератор УЗК частотой 2МГц, совместимые с установкой СДВУ-50М, применение которых позволяет интенсифицировать процесс диффузионной сварки фторопласта-4 с металлами. 2. Созданная программа для расчета температурных полей свариваемых деталей может быть использована для расчета ряда технологических и научно-исследовательских задач.

Практические результаты диссертационной работы внедрены на Горьков-ском научно-производственном объединении «Кварц», предприятии п/я А-3759 и ФГУП «Красмаш». Результаты исследований включены в учебное пособие «Сварка фторполимеров с металлами под действием ультразвукового луча», рекомендованное Министерством общего и профессионального образования РФ для студентов по специальности 12.05.00 «Оборудование и технология сварочного производства», а также внедрены в учебный процесс СибГАУ, в частности в методические указания по курсовому и дипломному проектированию.

Апробация работы: Основные положения работы докладывались на XI, XII, XIII Всесоюзных конференциях по диффузионному соединению металлических и неметаллических материалов (г. Москва, 1984, 1987, 1991 гг.); Всесоюзной научно-технической конференции «Экономия материальных, энергетических и трудовых ресурсов в сварочном производстве» (г. Челябинск, 1986 г.); Всесоюзной конференции « Сварка и склеивание полимеров » (г. Киев, 1987 г.); Международной научно-технической конференции «Ультразвук в технологии машиностроения 91 »(г.Архангельск, 1991 г.); 2-ой Международной конференции «Сварка в космической промышленности и в условиях космоса» (г.Киев, 1994 г.); Всероссийской научно-технической конференции по перспективным путям развития сварки и контроля — « Сварка и контроль — 2001 » (г. Воронеж, 2001 г.); Всероссийской научной конференции, посвященной памяти Генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева, проводимой в составе первого Международного Сибирского Авиакосмического салона «САКС-2001» (г. Красноярск, 2001 г.); на конференциях и семинарах в СибГАУ.

Работа демонстрировалась на Всероссийской выставке Минвуза РСФСР, ВДНХ СССР «Машиностроительная технология - 87» и была награждена дипломом первой степени.

Публикации:

Основное содержание диссертации опубликовано в 32 научных работах и 10 авторских свидетельствах СССР на изобретения.

Структура и объём:

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов по работе, списка использованной литературы и приложения. Общий объём работы 185 машинописных страниц, в том числе 53 рисунка, 4 таблицы. Список литературы включает 108 наименований использованных литературных источников.

Заключение диссертации по теме «Технология и машины сварочного производства», Семичева, Лариса Георгиевна

1. Выполненные в работе исследования и разработки позволили решить проблему получения качественных неразъемных соединений фторопласта-4 со сплавом апюминия АМгб методом диффузионной сварки. Способ изготовления гермовводов защищен авторским свидетельством СССР №1761413.2. Основным направлением интенсификации процесса диффузионной свар ки фторопласта-4 с металлами является применение направленных УЗК мега герцевой частоты, которые активизируют физический контакт свариваемых по верхностей, диффузионные процессы на границе раздела металл-фторопласт, обеспечивая диффузию углерода в сплав АМгб на глубину до 60 мкм. Приме нение УЗК частотой 2 МГц позволило снизить температуру сварки более чем на 20 градусов.3. Разработана математическая модель процесса нагрева соединения в про цессе сварки внешним источником тепла и УЗК, которая позволяет рассчитать составляющие температурного режима и обеспечивать равномерный прогрев по всей площади контакта деталей.4. Разработана математическая модель процесса образования физического контакта фторопласта-4 со сплавом алюминия АМгб, основанная на совмест ном решении системы уравнений теплообразования, необратимых перемеще ний, напряжённого состояния, возникающего от совместного действия свароч ного давления и акустических давлений. Модель позволяет учитывать ком плексное влияние технологических параметров процесса сварки на величину перемещений фторопласта-4 и рассчитать геометрические параметры ультра звуковой системы.5. Исследовано влияние параметров диффузионной сварки на величину пе ремещений фторопласта-4 при деформировании соединения и прочность полу чаемого соединения. Определены оптимальные режимы процесса: Тсв = 658 К, Р = 1,5 МПа, 1узк = 2-10' Bт/м^ t^ = 600 с, Н = 5-10"'Па, V„ar= 0,09 К/с, Уохл =

0,09 К/с , при которых перемещения фторопласта Z > 15 мкм, а прочность соединения сг^ > 16 МПа.6. Установлено, что направленные УЗК обеспечивают повышение прочно сти более чем на 20 % за счёт развития физического контакта и интенсифика ции процесса взаимодействия свариваемых материалов.7. Установлено, что вследствие топохимических реакций на границе ргизде ла соединяемых материалов образуется переходная зона из металлофторопла стовых комплексов Al-(CF)n , Mg-(CF)n , Al-0-(CF)n, Mg-0-(CF)n, ширина кото рой зависит от режимов процесса и на оптимальных режимах составляет 40

8. Проведены испытания СВЧ - окон с использованием вакуумно-плотных соединений фторопласта-4 со сплавом АМгб на термоциклирование в диапазо не температур 213 К...423 К и вакуумную плотность. Установлено, что соеди нения сохраняют вакуумную плотность при N > 20 циклов.9. Разработан технологический процесс изготовления СВЧ-окна позволяю щий: • повысить механическую прочность соединения фторопласта-4 со сплавом алюминия АМгб; • обеспечить вакуумную плотность соединения в условиях повышенной влажности окружающей среды и циклического изменения температуры; • снизить трудоёмкость изготовления СВЧ-окна.10. Спроектированы и изготовлены сварочная головка и генератор для озвучивания зоны сварки ультразвуковыми колебаниями частотой 2 МГц.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Семичева, Лариса Георгиевна, 2004 год

1. Чегодаев Д. Д., Наумова 3. К., Дунаевская Ц. С. Фторопласты,- JL: Госхим-издат, 1960-191 с.

2. Энциклопедия полимеров / под ред. В. А. Кабанова «Советская энциклопедия», 1977,-Т.З- 1152 с.

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

4. Каракозов Э. С. Сварка металлов давлением. М.: Машиностроение, 1986, - 280 с.

5. Конюшков Г. В., Копылов Ю. Н. Диффузионная сварка в электронике. — М.: Энергия, 1974. 168 с.

6. Красулин Ю. JI. Взаимодействие металла с полупроводником в твёрдой фазе. М.: Наука, 1971, - 119 с.

7. Метёлкин И. И., Павлова М. А., Поздеева Н. В. Сварка керамики с металлами. — М.: Металлургия, 1977. — 159 с.

8. Мусин Р.К., Конюшков Г.В. Соединение металлов с керамическими материалами. — М.: Машиностроение, 1991. 224 с.

9. Новиков В. Г., Екимов А. И., Прокопьев С. В. Достижения и перспективы развития диффузионной сварки. // Материалы конференции,- М.:МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского, 1987. — 12 с.

10. Способ склеивания фторопластов / Э. А. Алмазова, В. JI. Зайцев, Т. Н. Митрохина и М. В. Фреймарк. // Авт. св. СССР, № 543661, МКИ С 09 j 5 / 02, 1977, Бюлл. №31.

11. Способ склеивания материалов с инертной поверхностью / Ю. С. Яблоков, Н. Ф. Попов, М. JI. Рутковский, Н. А. Бокшицкая, Е. Г. Маркова и Е. И. Калягина.// Авт. св. СССР, № 392083, МКИ С 09 j 5 / 02, 1973, Бюлл. №32.

12. Способ подготовки поверхности фторопластов перед склеиванием / ДА. Родченко, А. И.Баркан и Н. И. Егоренков. //Авт. св. СССР, № 479796, МКИ С 09 j 5 / 02, 1975, Бюлл. № 29.

13. Способ склеивания изделий из политетрофторэтилена. / М. А. Сильченко, В. С. Тихомиров и В. И. Серенков. // Авт. св. СССР, № 423828, МКИ С 09 j 5/02 1974, Бюлл. № 14

14. Способ склеивания полимерных материалов/ Л. С. Генель, В. Л. Вакула и М. Н. Фокин.// Авт.св. СССР, № 622831, МКИ С 09 j 5 / 00,1978, Бюлл. №33.

15. Способ склеивания полимерных материалов./ Л. С. Генель, .В. И. Гасюк, В. И. Муромцев, В. Л. Вакула, Н. С. Красносельская и В. В. Галкина. // Авт. св. СССР, № 1002338, МКИ С 09 j 5 / 00, 1983, Бюлл. № 9.

16. Сварка, пайка, склейка и резка металлов и пластмасс: Справочник / под ред. Наймана А., Рихтера Е.: пер. с нем. М.: Металлургия, 1985. - 480 с.

17. Кардашов Д. А. Синтетические клеи. М.: «Химия», 1968. — 215 с.

18. Белый В. А., Довеяло В. А. Юркевич О.Р. Полимерные покрытия. — Минск: Наука и техника, 1976 328 с.

19. Яковлев А. Д., Здор В. Ф., Каплан, В. И. Порошковые полимерные материалы и покрытия на их основе. Л.: Химия, 1979. - 423 с.

20. Металлополимерные материалы и изделия / под ред. В. А. Белого. М.:-Химия, 1979.-312 с.

21. Industrial Finishing and Susface Coatings, 1971/ Vol. 23. N. 282, P. 40.

22. Композиционные полимерные материалы и их применение. Ч. 1 — Гомель: Химия, 1972.-109 с.

23. Покрытия на основе порошковых материалов и методы их нанесения. М.: НИИТЭХИМ, 1975 - 226 с.

24. Способы нанесения защитного пластмассового покрытия на металлическую фольгу/ Герман Панст. // Патент ФРГ, № 286653, кл. 39 а2, 19 / 02 1970, Бюлл. №34.

25. Способ нанесения покрытий /Патент Японии, № 21710, кл. 24 Н 411, 1968.

26. Способ получения покрытий. / Н. И. Егоренков, В. В. Куманева и Д.Г. Лин // Авт. св. СССР, № 560648, МКИ В 05 Д 1 /06, 1977, Бюлл.№ 21.

27. Данилин Б. С. Вакуумное напыление тонких пленок — М.: Энергия, 1976. —• 126 с.

28. Способы соединения метала с металлом или неметаллом / Ниппон Абио-никусу К. Д.//Заявка № 59-85392 Япония, 1984.

29. Сварка полимерных материалов.: Справочник/ под общ. ред. К. И.Зайцева, Л Н. Мацюк. -М.: Машиностроение, 1988. 312 с.

30. Миндлин Я. И., Мацюк Я. Н. и др. К вопросу соединения термопластичных• полимерных материалов с металлами./ В кн. «Сварка полимерных материалов». М.: МДНТП, 1974. - С. 77-83.

31. Волков С. С., Орлов Ю. Н., Черняк Б. Я. Сварка пластмасс ультразвуком. — М.: «Химия», 1974, 263 с.

32. Тростянская Е. Б., Комаров Г. В., Шишкин В. П. Сварка пластмасс. М.: Машиностроение, 1967. — 252 с.• 35. Ruhland W Fugen thermoplastischer Werkstucke durch Ultraschalb // "Wertstattund Bert", 1975,108. N.7, S. 459-460.

33. Ultrasonic joining gains favor with better equipments and know how. // "Prod. Eng", 1977. N 1. P. 37-39.

34. Wattenberg R. Kunststoffteile mit Ultrashalwelln rationell verbinden. //"Ma-schienenmarkt", 1974, 80. N. 104-105. S. 2156.

35. Диффузионная сварка материалов: Справочник / под ред. Н. Ф.Казакова. -М.: Машиностроение, 1986— 184 с.39