3.5. Формування паяного товстостінного таврового з’єднання з галтеллю великого радіуса

            Відомо, що паяні з'єднання, зокрема  таврові, характеризуються високою міцністю утоми. Однак це справедливо для тонкостінних конструкцій, у яких товщина елементів тавра й радіус галтелі паяного шва рівні або близькі за розмірами. Це характерно для тонкостінних щільникових конструкцій, в яких товщина деталей менша 1 мм. Разом з тим у паяних конструкціях відповідного призначення, наприклад, в робочих колесах відцентрових компресорів, застосовують паяне з’єднання, в якому товщина стінки тавра і полички становить 3-8 мм. Таврове паяне з'єднання з такими розмірами складових є товстостінним з'єднанням. Істотним недоліком товстостінного таврового паяного з'єднання, виконаного капілярним паянням, є невеликі розміри (катет і радіус) галтелі, що залежать від складу припою й температури паяння  і, як правило, при високотемпературному  паянні не перевищують  1 мм. Галтель такого розміру є концентратором напруг у кутовому з'єднанні й при вібраційному навантаженні значно знижує його утомну міцність і може бути  початком зародження втомлюваної тріщини в деталях тавра.

            Як відомо, наявність у конструкції різких переходів, пазів, отворів приводить до місцевого підвищення внутрішніх напружень. Однією з основних характеристик концентрації напруг є так званий теоретичний коефіцієнт напруг К, за який беруть відношення величини внутрішнього напруження в якій-небудь точці за наявності концентратора до напруги в тій самій точці за відсутності концентратора. Значення коефіцієнта істотно залежить як від характеру зовнішнього навантаження, так і від фізико-хімічних властивостей матеріалу деталі, а також від геометричних характеристик деталі й    концентраторів, що послаблюють цю деталь. Таврове з'єднання характеризується радіусом переходу, й від його розміру відповідно залежить величина концентратора напруг. Відповідно для досягнення мінімального значення концентратора напруги необхідне збільшення плавності переходу, тобто збільшення радіуса галтелі. Однак ця вимога суперечить умові зменшення металомісткості конструкції. Отже, необхідний пошук оптимального рішення.

            Питанню визначення величини концентрації напруг у таврових з'єднаннях присвячено багато праць. Значне їх число присвячене визначенню концентрації напруг у зварних з'єднаннях, оскільки зварювання є основним процесом одержання таких з'єднань [116-119].

            Розрахунок розміру радіуса галтелі можна виконати із залежності

                                   ,                                      

де   К – коефіцієнт концентрації напруг;

            S – товщина стінки тавра, мм;

            k – висота радіусного сполучення, мм;

            R – радіус , мм.

            Перетворюючи  залежність і припускаючи, що К= 1, а також k = R, одержуємо, що R = 2S.

            Конструкція, у якій витримане співвідношення R = 2S, дозволяє одержувати рівноміцне таврове з'єднання в будь-якій точці. Однак  така  конструкція  має велику метало- місткість і найчастіше немає необхідності в реалізації цих рекомендацій із забезпечення рівноміцності. Практика показала, що утомна міцність паяного тавра збільшується вдвічі уже при співвідношенні R = S.

            Одержати в паяному з'єднанні таку велику галтель можна, попередньо сформувавши її з металевого порошку. Для цього в куті з'єднання з одного або обох боків стінки тавра при складанні формують із пасти галтель  з необхідними за умовами рівноміцності формою й розмірами     (рис. 3.42) [120, 121].

            Паста складається з металевого порошку наповнювача й зв’язувальної  речовини, якою є один із співполімерів, розчинений в органічному розчиннику. Форму галтелі й шорсткість її поверхні забезпечують інструментами при пластичному стані пасти. Після випаровування  розчинника матеріал галтелі твердне. За необхідності форму й розмір галтелі коригують слюсарними інструментами. Зібрану конструкцію нагрівають у вакуумній печі. При нагріванні співполімер сублімує, а в контактах між частинками наповнювача утворюється дифузійне з'єднання, утворення якого активується при відновленні оксидної плівки вуглецем. При певному вмісті вуглецю й кисню в наповнювачі можна одержати міцний каркас із частинок наповнювача, з'єднаних між собою й металом, що паяється. За необхідності наповнювач попередньо окиснюють до утворення на поверхні оксидної плівки товщиною 500-600 Ǻ. Для активації відновлення оксидної плівки й утворення дифузійного з'єднання до порошку наповнювача додають дрібнодисперсний сажистий вуглець. Каркас із частинок наповнювача перешкоджає їхньому переміщенню під дією капілярних сил при його просоченні розплавом припою, усуває можливість зміни форми й розмірів галтелі, запобігає утворенню усадкових дефектів. Компактний припій розташовують на стінці або поличці тавра так, щоб забезпечити рівномірне просочення наповнювача. У разі застосування припою в вигляді порошку його у вигляді валика з пасти розміщують на галтелі. Композиційний метал, що утворюється в результаті просочення шва, міцно з'єднує деталі.

            При формуванні галтелі з порошку наповнювача його кількість можна визначити за формулою

QН = S ∙ L ∙ q,

де QН – вага наповнювача, г;

     S – перетин кутового шва, см2;

     L – довжина кутового шва, см;

     q – насипна вага наповнювача, г/см3.

            При довжині шва L = 1 см і трикутній формі галтелі з катетом К см  необхідно наповнювача, г:

QН = 0,5 К2 q.

            Для просочення кутового шва довжиною 1 см  необхідно припою, г:

QПР = 1,1 QН.

            Такої кількості припою досить для формування щільного металу шва й заповнення капілярних зазорів між стінкою й полицею тавра. При збільшенні кількості припою його  надлишок  кристалізується  на  поверхні галтелі, утворюючи великодендритну шорсткувату поверхню          (рис. 3.43).

            Точне дозування припою забезпечує якісне формування шва із гладкою поверхнею з ідеальним поєднанням поверхні шва й  металу, що паяється (рис. 3.44). Припій розташовують на одному боці тавра для того, щоб забезпечити можливість витіснення розплавом припою залишкових газів з лабіринту капілярних каналів галтелі. Пасту з наповнювача розміщують і в зазорі між стінкою й полицею для того, щоб розплав припою міг переміститися на інший бік тавра. Ця обставина усуває необхідність великої точності сполучення  поверхонь, що паяються. Розмір паяльного зазору може бути збільшений на порядок - із сотих до десятих частинок міліметра.

            Металевий порошок, з якого формується кутовий шов таврового з'єднання, повинен відповідати ряду технологічних вимог. У першу чергу при паянні  швів з попередньо сформованою галтеллю наповнювач повинен створити мережу капілярних каналів для переміщення й кристалізації припою. Разом з тим, будучи складовою частиною композиційного металу, що утворює кутовий шов, він повинен забезпечити з'єднанню необхідні механічні властивості. За даними [117], галтельна ділянка шва повинна мати рівноміцні з основним металом властивості. За даними [118], метал галтелі повинен бути м'яким прошарком при роботі в умовах змінного навантаження. Вимога ідентичності властивостей металу галтелі  й елементів, що складають  тавр, є очевидною, однак і корисність м'якого прошарку є аргументованою.

 

            Для здійснення просочення галтелі наповнювач не повинен розчинятися в припої, тому що це може призвести до втрати форми. При просоченні наповнювача не повинне відбуватися активне газовиділення, тому що й цей процес може призвести до руйнування галтелі. З урахуванням цих вимог придатними як  наповнювачі для формування галтелі тавра придатні розпорошені в інертному середовищі порошки із сфероїдальною формою частинок - сталевий 1Х1Н2, пермалої ПРН24 і Ж50Н50. Як  припої можуть бути мідь і мідно-нікелеві сплави, що формують м'який метал, або припої на нікелевій або марганцевій основі, що формують більш твердий і міцний метал. Для проектування таврового паяного з'єднання необхідні відомості про композиційний метал галтелі - міцності, в'язкості, твердості, а також про технологічну характеристику - довжину переміщення розплаву припою в порошку наповнювача. Ці відомості отримані при просоченні розплавом різних припоїв порошків наповнювачів в алундовій виливниці довжиною 150 мм при нагріванні у вакуумі. Композиційний метал випробовували на розтягування, кут загину й твердість. Результати випробувань наведені в табл. 3.4.

            Припій при просоченні наповнювача в алундовій      виливниці довжиною 150 мм розташовували на одному з її кінців. Шлях  переміщення  розплаву в порошку по всій довжині виливниці не є кінцевим для досліджуваної композиції наповнювач-припій. Імовірно, у горизонтальному положенні розплав може переміститися в порошку й на більшу відстань. Визначення цієї відстані не становить інтересу, тому що величина 150 мм є достатньою для просочення галтелі в таврі при багатьох технологічних варіантах формування паяного з'єднання. За оцінкою технологічних  властивостей пасти з наповнювача при формуванні галтелі   тавра  –  пластичності,   можливості    формування  Таблиця 3.4 – Властивості композиційного металу галтелі паяного тавра

поверхні без надривів, збереження суцільності поверхні після випаровування  розчинника – кращою є грануляція сфероподібного порошку з розміром частинок 50-100 мкм. За оцінкою механічних властивостей композиційного металу галтелі для її формування придатні композиції припоїв на мідній основі й наповнювача з пермалою ПРН24. Наповнювач ПРН24 не кородує у вологому середовищі. Тому швидкість і температура сушіння пасти не впливають на стан порошку наповнювача навіть у тому випадку, коли в пасту для підвищення пластичності вводять воду. Оцінку придатності й достатності в паяному тавровому з'єднанні галтелі з розміром радіуса 5 мм дають експерименти, результати яких наведені в табл. 3.5. Випробувані зразки, виготовлені за формою й розмірами рис. 3.42 зі сталі 14Х2ГМР, без паяного з'єднання, з паяним швом з галтеллю 1 мм (капілярне паяння) і з галтеллю 5 мм із композиційного металу. Товщина стінки тавра становила 7 мм.

 

Таблиця 3.5 – Утомна конструкційна міцність паяного таврового з'єднання із сталі 14Х2ГМР

            Результати випробувань показують, що паяне таврове з'єднання з великою галтеллю може бути застосоване в з'єднаннях відповідних вузлів із забезпеченням утомної  міцності на рівні основного металу. При цьому рівноміцність з'єднання з основним металом забезпечується недорогими припоями на мідній основі. Істотним є й те, що рівноміцність забезпечує припій системи Cu-Mn-Nі марки ВПР2 з температурою паяння  1000-10500С. Зниження температури паяння  до температури аустенізації сталей 09Х15Н8Ю и 07Х16Н6 усуває небезпеку збільшення розміру зерна, підвищує утомну міцність основного металу паяних вузлів. Позитивним є зниження температури паяння  й для сталей перлітного класу. У цих сталях підвищуються пластичні властивості. Слід зазначити, що при термічній обробці таврового паяного з'єднання з великою галтеллю структура і властивості композиційного металу галтелі істотно не змінюються. Відомості про міцність, у тому числі й утомну, таврових з'єднань із великою галтеллю, виконаних припоєм ВПР2,  різних сталей наведені в табл.3.6.

 

Таблиця 3.6 – Механічні властивості паяного припоєм ВПР2 таврових з'єднань з великою галтеллю

 

            Як видно з табл. 3.6 рівноміцність таврового паяного з’єднання з основним металом у сталях з невисокою межею міцності досягається при розмірах галтелі менше        5 мм, тому що метал галтелі, виконаний припоєм ВПР2 з наповнювачем  ПРН24, має механічні властивості, що дорівнюють властивостям низьколегованих сталей: σВ=600МПа, σТ=290МПа, γ=24%, δ=53%, KCU=85 Дж/см2, твердість 152НВ.  Паяні таврові з'єднання з великою галтеллю придатні для конструкцій з великою кількістю важкодоступних для зварювання таврових швів, що працюють при динамічних навантаженнях, таких, як робочі колеса компресорів,  насосів і гідравлічних муфт.