1.1. Характеристика і сфера застосування нерознімних з’єднань

 

            Створення конструкцій в машинобудуванні передбачає широке застосування нерознімних з’єднань з різноманітних матеріалів – металів, композитів, кераміки і їх комбінацій. Удосконалення конструкцій, підвищення їх надійності при довготривалій експлуатації  у багатьох випадках стає можливим завдяки використанню композицій із різних матеріалів. Безумовно,  створення  з’єднання  із  різнорідних матеріалів ускладнює технологію його формування. Для створення нерознімних з’єднань застосовують зварювання і паяння. У загальному розгляді при створенні нерознімного  з’єднання кінцевою метою є з’єднання, яке має характеристики, рівні за своїми параметрами, з матеріалом, що з’єднується. Характерним є те, що такі вимоги в багатьох випадках можуть бути виконані для статичних навантажень. При  знакозмінному, особливо  вібраційному  навантаженні наявність гетерогенної структури в нерознімному  з’єднанні обумовлює нерівнозначність характеристик основного металу і з’єднання. Структурні складові нерознімного  з’єднання – дифузійні зони, метал шва, зони з’єднання металу шва і основи – створюють гетерогенність, що  суттєво  впливає  на  сприйняття  вібраційних навантажень різного виду дії – розтягування, скручування, зріз, удар – зокрема кожного і при їх комбінації.

            Рівної міцності за всіма характеристиками з основним металом нерознімні з’єднання створені в наш час завдяки досягненням матеріалознавства технології зварювання. Застосування фізичних методів впливу – магнітного поля, ультразвуку, імпульсного плавлення, керування напрямком і величиною градієнта температури при кристалізації – дозволяють цілеспрямовано формувати структуру нерознімних з’єднань. Поряд з фізичними методами при створенні нерознімних з’єднань застосовують мікролегування розплавленого металу для створення найбільш прийнятної структури складових з’єднання. Надзвичайно широкі перспективи в цьому напрямку надає застосування наноматеріалів [1-3].

            Дослідження фізико-хімічних особливостей формування нерознімних з’єднань при зварюванні є окремою галуззю науково-практичних знань, в якій успішно працюють науковці та інженери індустріально розвинених держав. Окремі і узагальнені відомості про досягнення в зварювальній технології наведені в численній науково-технічній літературі.

            Поряд зі зварюванням у сучасній техніці і технології  велике значення має паяння і об’єм його застосування. Паяння у загальному визначенні є процесом з’єднання матеріалів у твердому стані припоєм, який  має нижчу, ніж у матеріалу, що паяється, температуру плавлення. При розплавлюванні припій затікає в зазор, змочує поверхні, що  паяються, і при кристалізації утворює паяний  шов.

            Паяння є одним з найстаріших способів з’єднання матеріалів, що застосовувався при виготовленні ювелірних виробів, зброї та побутового обладнання. У наш час паяння є потужним методом створення з’єднань майже в усіх галузях машинобудування. Неодмінною умовою формування паяного з’єднання є здатність розплавленого припою змочувати і розтікатися по поверхні матеріалу, з’єднуватися з його кристалічною ґраткою силами поверхневого зв’язку або силами, обумовленими взаємною дифузією елементів. Процеси утворення зв’язків повинні мати незворотний характер і при охолодженні не руйнуватись.

            З’єднання, що  формуються  силами  поверхневого зв’язку, належать до області низькотемпературного паяння, в якому температура плавлення припою не перевищує 4000С. Ця широка область охоплює паяні з’єднання, що  застосовуються  в електроніці, електротехніці, теплотехніці, ювелірному виробництві і мистецтві. Паяні з’єднання такими припоями допускають багаторазові роз’єднання  і з’єднання деталей, що є важливим і незамінним  при монтажних та ремонтних роботах в радіо- і  приладобудуванні.

            В області низькотемпературного паяння поряд з макроз’єднаннями в габаритних виробах стрімкий науково-технічний прогрес обумовлюють паяні мікроз’єднання в сучасній мікроелектроніці, яка є вагомою складовою  розвитку кібернетики. В наш час низькотемпературне паяння є окремою галуззю теорії і практики, де  звичайний паяльник замінюють  інструментами, що забезпечують формування з’єднань мікронних розмірів з мікронною точністю і  із застосуванням методів на основі нанотехнологій і наноматеріалів.

            Низькотемпературному  паянню присвячено численну кількість науково-технічної літератури.

            У великому обсязі досліджено і узагальнено високотемпературне  паяння, в якому температура процесу знаходиться вище 7000С, а з’єднання, що утворюються  при паянні, як і при зварюванні, належать до нерознімних. Однак інформації про дослідження, які мають на меті створення стикових нерознімних паяних з’єднань, що, як і зварні, характеризуються механічними властивостями, рівноцінними основному металу при всіх видах навантажень, у науково-технічній  літературі обмаль. Високотемпературне паяння вміщує в себе широке коло фізико-хімічних явищ, що відбуваються у твердій, рідкій і газовій фазах: відновлення й дисоціація, випаровування і сублімація, змочування й капілярна течія, дифузія й розчинення,  адсорбційне зниження міцності та ін.

            Це робить особливо актуальним вивчення процесів, що відбуваються між твердим основним  металом і припоєм, флюсом, газовим середовищем, не тільки для  проблем паяння, але й з метою пізнання багатьох хімічних, електрохімічних, фізичних, термодинамічних, металургійних та інших процесів.

            Автори цієї книги мають намір деякою мірою зменшити недостатність інформації про металознавство високотемпературної технології нерознімних, зокрема, паяних  з’єднань.

            Високотемпературне паяння широко застосовують при виготовленні літаків, ракет, двигунів, компресорів, теплообмінних і хімічних апаратів. Характерною технологічною особливістю паяння є можливість створювати з’єднання  деталей в недоступних,  закритих порожнинах. При цьому товщина деталей не обмежується, що дуже важливо при виготовленні тонкостінних конструкцій, до яких належать стільникові панелі літаків, ракет, пластинчато-ребристих теплообмінників, стільникових ущільнень та ін. [4].

            Зокрема, у компресоробудуванні  застосовуються ефективні компактні пластинчато-ребристі теплообмінники, що  являють  собою  шаруваті  конструкції  з  тонких  (0,4-1 мм) листів і гофрованої стрічки (0,1-0,3 мм) зі сталей 08пс, 08кп, Ст3, 20Х13, 12Х18Н9 (рис.1). Листи товщиною 0,3-1 мм утворюють канали, а розташована між ними гофрована стрічка (насадка) товщиною 0,15-0,3 мм утворює теплообмінну поверхню для охолоджуваного середовища  й  охолоджувального  повітря. Їх  потоки переміщуються в перпендикулярному  напрямку  (рис. 2).  Пакет,  що складається із  листів  і насадки,  з'єднується  високотемпературним паянням. При цьому утворюється теплообмінний  пластинчато-ребристий  елемент  (ПРЕ) з  безліччю  тонкостінних таврових з'єднань. Паяні ПРЕ з'єднуються з колекторними кришками й між собою за допомогою зварювання. Залежно від  призначення ПРТ виготовляють із низьковуглецевих і високолегованих сталей або алюмінію і його сплаву АМц. Для паяння  сталевих ПРЕ застосовують як  припій мідну або мельхіорову фольгу.

У теплообмінному елементі розміром 150х400х850 мм (рис. 2)  його деталі з'єднуються 12500 паяними швами. Довжина  паяних  швів  становить  2258 м,  а  площа – 33075 см2. Усі з'єднання повинні бути міцними, вібростійкими й герметичними. Вони утворюються при одній технологічній операції – нагріванні в печі до температури плавлення припою, що характеризує високу продуктивність процесу паяння.

Особливості конструкції пластинчато-ребристого теплообмінника обумовлюють застосування паяння  у вакуумі, як найбільш надійному захисному технологічному середовищі. Як  припій застосовують мідну фольгу товщиною 20-40 мкм, яку розміщують між шарами деталей конструкції. Фольгу виготовляють прокаткою або осадженням з хімічних розчинів. Стрічка фольги може мати будь-яку необхідну для паяння  теплообмінника ширину. Із цієї причини мідна фольга є найбільш технологічним матеріалом  порівняно із припоями на її основі. Однак відомо активне проникнення розплаву міді по межах зерен  металу, який паяється, що може призвести до руйнування конструкції в процесі паяння або до утворення наскрізних мікродефектів у стінках каналів [5].

            Іншим прикладом тонкостінної стільникової конструкції є стільникове ущільнення відцентрових машин, зокрема компресорів. У стільникових ущільненнях тонкостінні деталі, що утворюють стільники, з'єднують паянням з кільцем, що має  діаметр 70-300 мм. Стільники мають розмір сторони 1,8 і висоти 3-4 мм [6]. Найбільше застосування мають стільникові  набори  з  осередками шестигранної форми (рис. 3), які забезпечують високу стійкість конструкції і порівняно просту технологію виготовлення. Елементи стільникового набору із шестигранною формою осередків одержують прокатування стрічки через фасонні зубчасті колеса   (рис. 4).  Стільниковий  набір  розміщують  на  внутрішній поверхні кільця, заповнюють пастою припою (рис. 5) і нагрівають у захисному середовищі. Розплавлений припій з’єднує елементи стільників з кільцем і між собою. Стільниковий набір із шестигранними осередками має анізотропні механічні властивості стосовно напрямку   прикладеного навантаження. У напрямку площин контакту елементів набір має опір зрушенню на 30-50% більше, ніж у перпендикулярному напрямку.

            Зазначена особливість стільникової конструкції обумовлює доцільність розташування площин контакту елементів паралельно газовому потоку. Для зменшення габаритів ущільнення й підвищення його ефективності застосовують мінімально можливу за умовами міцності товщину елементів набору. У більшості випадків застосовують сталеву стрічку товщиною 0,1-0,3 мм. Забезпечити надійність і довговічність тонкостінної конструкції можна тільки при виготовленні елементів набору з нержавіючої сталі. Застосовують стрічки зі сталей 12Х13, 20Х13, 09Х15Н8Ю, 07Х16Н6, 12Х18Н9. Для високоміцних ущільнень набір виготовляють зі сталей 09Х15Н8Ю, 07Х16Н6. Стрічка з таких сталей у нормалізованому стані має аустенітну структуру, що дозволяє сформувати накаткою гофровану стрічку. Межа міцності сталі в аустенітному стані становить 800-900 МПа. Після  обробки  паяного  вузла  холодом  при -500С і низькотемпературному старінні при 350-4000С міцність підвищується до 1200 МПа.

 

            Закрите робоче колесо відцентрової компресорної машини (ВКМ) є основним вузлом ротора, що визначає надійну роботу компресора при високому вібраційному навантаженні. Колесо складається з основного й покриваючого дисків, з'єднаних між собою лопатками (рис. 6). Розмір зовнішнього діаметра колеса сучасної ВКМ перебуває у межах 240-1650 мм, а ширина каналу на його зовнішньому діаметрі – 3-120 мм. Для з'єднання деталей колеса діаметром більше 800 мм із шириною каналу більше 40 мм  застосовуються заклепки й зварювання. Колеса малого діаметра з невеликою шириною каналу характерні для високообертових ВКМ великої продуктивності й високого тиску. Зварювання таких коліс має великі труднощі, а заклепки не забезпечують міцності з'єднання.

Удосконалювання ВКМ пов'язане з підвищенням міцності й надійності робочих коліс. Заміна високотемпературним  паянням   з'єднання деталей колеса заклепками дозволила збільшити швидкість на зовнішньому діаметрі колеса з 260 до 340 м/с [7]. У колесах малого діаметра лопатки, як правило, фрезерують у тілі основного або покриваючого диска. Фрезерування лопатки є трудомістким процесом і до того ж при фрезеруванні обмежена можливість вибору оптимального аеродинамічного профілю каналів колеса. Застосування паяння дозволяє виготовляти лопатки окремо від дисків. Штампованим лопаткам можна надати складної просторової форми для плавного повороту газового потоку в каналах колеса й зменшення аеродинамічних втрат (рис. 7). Підвищення міцності, у тому числі утоми, з'єднань деталей колеса, що утворюють необхідну аеродинамічну форму каналів, дозволило  збільшити в сучасних ВКМ частоту обертання ротора й удвічі зменшити кількість ступенів стискування.

 

            Наведені вище приклади паяних вузлів ілюструють складність і важливість забезпечення тривалої і надійної їх експлуатації в умовах високого, переважно вібраційного, навантаження. Руйнування такого вузла  може призвести до аварійного зупинення потужної промислової установки, задіяної в безперервному технологічному процесі, що призводить до втрат, набагато більших за вартість самого вузла.

            Основою, на якій створюються такі відповідальні конструкції, є ґрунтовні знання властивостей матеріалів, з яких вони виготовляються, їх змін у процесі технологічних операцій, пов’язаних з нагріванням до високих температур, особливостей взаємодії і фізико-хімічних процесів, що відбуваються при формуванні нерознімних з’єднань і плакуванні. Ці знання є предметом металознавства, які в деякому об’ємі викладені в наступних розділах книги.