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.

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 № 1 761 413.2. 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.