Влияние режима охлаждения после диффузионной сварки и пайки на остаточные напряжения в торцевых соединениях графита и меди
Рассмотрено напряженно-деформированное состояние при различных режимах охлаждения цилиндрических узлов из графита и меди в упругой и пластической стадиях с учетом как кратковременных пластических деформаций, так и ползучести. Установлено влияние режима охлаждения на пластические деформации в зоне ст...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Datum: | 2015 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2015
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113265 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Влияние режима охлаждения после диффузионной сварки и пайки на остаточные напряжения в торцевых соединениях графита и меди / В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, М.В. Матвиенко // Автоматическая сварка. — 2015. — № 11 (747). — С. 25-31. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-113265 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Квасницкий, В.В. Ермолаев, Г.В. Матвиенко, М.В. 2017-02-05T15:38:32Z 2017-02-05T15:38:32Z 2015 Влияние режима охлаждения после диффузионной сварки и пайки на остаточные напряжения в торцевых соединениях графита и меди / В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, М.В. Матвиенко // Автоматическая сварка. — 2015. — № 11 (747). — С. 25-31. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113265 621.791 Рассмотрено напряженно-деформированное состояние при различных режимах охлаждения цилиндрических узлов из графита и меди в упругой и пластической стадиях с учетом как кратковременных пластических деформаций, так и ползучести. Установлено влияние режима охлаждения на пластические деформации в зоне стыка и осевые напряжения на поверхности узлов, определяющие вероятность разрушения хрупкого графита. Studied is stress-strain state at different modes of cooling of cylindrical assemblies from graphite and copper in plastic and elastic stages considering short-term plastic deformations as well as creep. Effect of cooling mode on plastic deformations in butt zone and axial stresses on assemblies' surface, determining possibility of fracture of brittle graphite was jound. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Кафедре сварочного производства НТУУ «КПИ» — 80 Влияние режима охлаждения после диффузионной сварки и пайки на остаточные напряжения в торцевых соединениях графита и меди Effect of cooling mode after diffusion welding and brazing on residual stresses in graphite-copper edge joints Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Влияние режима охлаждения после диффузионной сварки и пайки на остаточные напряжения в торцевых соединениях графита и меди |
| spellingShingle |
Влияние режима охлаждения после диффузионной сварки и пайки на остаточные напряжения в торцевых соединениях графита и меди Квасницкий, В.В. Ермолаев, Г.В. Матвиенко, М.В. Кафедре сварочного производства НТУУ «КПИ» — 80 |
| title_short |
Влияние режима охлаждения после диффузионной сварки и пайки на остаточные напряжения в торцевых соединениях графита и меди |
| title_full |
Влияние режима охлаждения после диффузионной сварки и пайки на остаточные напряжения в торцевых соединениях графита и меди |
| title_fullStr |
Влияние режима охлаждения после диффузионной сварки и пайки на остаточные напряжения в торцевых соединениях графита и меди |
| title_full_unstemmed |
Влияние режима охлаждения после диффузионной сварки и пайки на остаточные напряжения в торцевых соединениях графита и меди |
| title_sort |
влияние режима охлаждения после диффузионной сварки и пайки на остаточные напряжения в торцевых соединениях графита и меди |
| author |
Квасницкий, В.В. Ермолаев, Г.В. Матвиенко, М.В. |
| author_facet |
Квасницкий, В.В. Ермолаев, Г.В. Матвиенко, М.В. |
| topic |
Кафедре сварочного производства НТУУ «КПИ» — 80 |
| topic_facet |
Кафедре сварочного производства НТУУ «КПИ» — 80 |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Автоматическая сварка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Effect of cooling mode after diffusion welding and brazing on residual stresses in graphite-copper edge joints |
| description |
Рассмотрено напряженно-деформированное состояние при различных режимах охлаждения цилиндрических узлов из графита и меди в упругой и пластической стадиях с учетом как кратковременных пластических деформаций, так и ползучести. Установлено влияние режима охлаждения на пластические деформации в зоне стыка и осевые напряжения на поверхности узлов, определяющие вероятность разрушения хрупкого графита.
Studied is stress-strain state at different modes of cooling of cylindrical assemblies from graphite and copper in plastic and elastic stages considering short-term plastic deformations as well as creep. Effect of cooling mode on plastic deformations in butt zone and axial stresses on assemblies' surface, determining possibility of fracture of brittle graphite was jound.
|
| issn |
0005-111X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113265 |
| citation_txt |
Влияние режима охлаждения после диффузионной сварки и пайки на остаточные напряжения в торцевых соединениях графита и меди / В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, М.В. Матвиенко // Автоматическая сварка. — 2015. — № 11 (747). — С. 25-31. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT kvasnickiivv vliânierežimaohlaždeniâposlediffuzionnoisvarkiipaikinaostatočnyenaprâženiâvtorcevyhsoedineniâhgrafitaimedi AT ermolaevgv vliânierežimaohlaždeniâposlediffuzionnoisvarkiipaikinaostatočnyenaprâženiâvtorcevyhsoedineniâhgrafitaimedi AT matvienkomv vliânierežimaohlaždeniâposlediffuzionnoisvarkiipaikinaostatočnyenaprâženiâvtorcevyhsoedineniâhgrafitaimedi AT kvasnickiivv effectofcoolingmodeafterdiffusionweldingandbrazingonresidualstressesingraphitecopperedgejoints AT ermolaevgv effectofcoolingmodeafterdiffusionweldingandbrazingonresidualstressesingraphitecopperedgejoints AT matvienkomv effectofcoolingmodeafterdiffusionweldingandbrazingonresidualstressesingraphitecopperedgejoints |
| first_indexed |
2025-11-25T22:20:31Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:20:31Z |
| _version_ |
1850563049035923456 |
| fulltext |
256-7/2015
Кафедре сварочного производства НТУУ «КПИ» 0
УДК 621.791
ВЛИяНИЕ РЕЖИМА ОХЛАЖДЕНИя ПОСЛЕ
ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ И ПАЙКИ
НА ОСТАТОЧНЫЕ НАПРяЖЕНИя В ТОРЦЕВЫХ
СОЕДИНЕНИяХ ГРАФИТА И МЕДИ
В.В. КВАСНИЦКИЙ1, Г.В. ЕРМОЛАЕВ2, М.В. МАТВИЕНКО3
1Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт».
03056, г. Киев, пр-т Победы, 37. E-mail: kvas69@ukr.net
2Национальный университет кораблестроения. 54025, г. Николаев, пр-т Героев Сталинграда, 9.
E-mail: welding@nuos.edu.ua
3Херсонский филиал Национального университета кораблестроения.
73022, г. Херсон, пр-т Ушакова, 44. E-mail: matvienkomv@i.ua
Рассмотрено напряженно-деформированное состояние при различных режимах охлаждения цилиндрических узлов
из графита и меди в упругой и пластической стадиях с учетом как кратковременных пластических деформаций, так и
ползучести. Установлено влияние режима охлаждения на пластические деформации в зоне стыка и осевые напряжения
на поверхности узлов, определяющие вероятность разрушения хрупкого графита. Библиогр. 7, табл. 3, рис. 12.
К л ю ч е в ы е с л о в а : диффузионная сварка, пайка, соединение графит–медь, напряженно-деформированное состо-
яние, режимы охлаждения, остаточные напряжения, математическое моделирование
В современной технике графитовые изделия при-
меняются в композиции со многими металлами.
Графит, имеющий высокую электро- и теплопро-
водность, широко применяется при создании то-
коподводящих или токосъемных устройств раз-
личных установок и машин, графитизированных
электродов, уплотнительных устройств и пр., где
его необходимо соединять с металлами. Для это-
го используют пайку и диффузионную сварку [1,
2]. Общей проблемой для обоих способов соеди-
нения являются остаточные напряжения, обуслов-
ленные различными термическими коэффициен-
тами линейного расширения (ТКЛР) соединяемых
материалов. Остаточные напряжения в соединяе-
мых пластичных материалах обычно приводят к
искажению формы и размеров, а в графите, кото-
рый является хрупким материалом, могут вызвать
образование трещин и разрушение.
Для снижения напряжений в металлографито-
вых узлах выбирают металлы с близкими к графиту
ТКЛР. Во многих узлах применяют титан, который
далек от графита по электро- и теплопроводности.
Лучшим выбором для указанных устройств является
медь, но она имеет ТКЛР значительно больший, чем
графит, что часто приводит к образованию трещин в
графите после остывания узла.
Ранее выполненные нами исследования [3, 4]
были посвящены изучению закономерностей фор-
мирования полей напряжений и деформаций в
зоне стыка при диффузионной сварке (ДС) и пай-
ке деталей из разнородных материалов, знание ко-
торых необходимо для оптимизации конструкции
узлов и получения качественного соединения. Не-
которые общие закономерности образования оста-
точных напряжений получены для соединений
металла и керамики в узлах типа втулка-втулка, в
которых модули упругости соединяемых материа-
лов одинаковы [5]. Но у графита и меди они отли-
чаются на порядок, что может при их соединении
существенно повлиять на напряженно-деформи-
рованное состояние (НДС) узла. Поэтому иссле-
дование формирования НДС в медно-неметалли-
ческих узлах является актуальным.
Исследования соединений графита (керамики) с
металлами показали, что разрушение начинается с
трещин, возникающих у стыка в неметалле [1]. После
полного разрушения на поверхности металла остается
тонкий слой графита, как показано на рис. 1.
© В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, М.В. Матвиенко, 2015
Рис. 1. Поверхность разрушения соединения металла (1) с
графитом (2)
26 6-7/2015
Кафедре сварочного производства НТУУ «КПИ» 0
Целью работы является исследование мето-
дом компьютерного моделирования особенностей
формирования НДС при остывании после диффу-
зионной сварки и пайки металлографитовых уз-
лов и влияния на него технологии соединения гра-
фита и меди.
Исследования проводились методом компью-
терного моделирования с использованием лицен-
зионного программного комплекса ANSYS (10
версии). Решались осесимметричные задачи с ко-
нечными элементами (КЭ) типа PLANE 182.
В токоподводящих устройствах обычно ис-
пользуют торцевые соединения, которые и вы-
браны для исследований. Моделирование выпол-
нялось для узла втулка-втулка (В-В). Эта модель
по сравнению с брусом или цилиндром более ин-
формационноемка, поскольку имеет две боковые
поверхности и легко трансформируется в цилиндр
при внутреннем радиусе, равном нулю, а законо-
мерности формирования НДС в узлах типа ци-
линдр-цилиндр, как показано в работах [6, 7], со-
храняются и в узлах типа брус-брус.
Общий вид узла В-В и сечение его конеч-
но-элементной модели показаны на рис. 2, где
цифрой 1 обозначена медная втулка, цифрой 2 —
графитовая. Эту модель можно использовать и для
соединений, изготовленных пайкой с давлением,
пренебрегая прослойкой припоя вследствие ее ма-
лой толщины.
Теплофизические свойства меди и графита,
принятые в расчетах, приведены в табл. 1.
Для изучения общих закономерностей форми-
рования НДС рассматривали охлаждение узла в
интервале от 900 до 500 ºС, в котором ползучесть
меди оказывает существенное влияние на релакса-
цию напряжений.
Моделирование проводили для 5-ти вариантов
снижения температуры в указанном интервале:
– упругое решение при снижении температуры
до 500 ºС (вар. 1);
– упруго-пластическое решение при быстром
снижении температуры до 500 ºС (вар. 2), когда
деформации ползучести пренебрежимо малы;
– упруго-пластическое решение с учетом полз-
учести при постепенном снижении температуры
до 500 ºС в течение 60 с и последующей выдержке
до 6000 с при 500 ºС (вар. 3);
– упруго-пластическое решение с учетом полз-
учести при постепенном снижении температуры
до 500 ºС в течение 600 с и последующей выдерж-
ке до 6000 с при 500 ºС (вар. 4);
– упруго-пластическое решение с учетом полз-
учести при постепенном снижении температуры
до 500 ºС в течение 6000 с (вар. 5).
Термические циклы для рассмотренных вари-
антов приведены на рис. 3.
Т а б л и ц а 1 . Теплофизические свойства соединяемых материалов
Материалы Температура, °С Модуль упругости
Е·103, МПа
Коэффициент
Пуассона
ТКЛР·106,
1/град
Предел текучести,
МПа
Модуль упрочнения
·103, МПа
Графит
20 9,3
0,18
4,8 - -
200 9,4 5,0 - -
400 9,8 5,1 - -
700 10,3 5,5 - -
900 10,8 5,7 - -
Медь
20 125
0,34
16,7 69 1,5
200 110 17,2 60 1,3
400 100 17,8 45 0,9
700 60 19,4 17,3 0,8
800 40 20,5 11,5 0,7
900 38 19,8 8,5 0,6
Рис. 2. Общий вид узла В-В (а) и его конечно-элементная мо-
дель (б)
Рис. 3. Термические циклы охлаждения для рассмотренных
вариантов
276-7/2015
Кафедре сварочного производства НТУУ «КПИ» 0
В вариантах 3–5 скорость ползучести меди
определялась по уравнению
3
2
1 ,
C
C TC e
−
=ε σ
где С1 = 1,67×10–30, С2 = 5, С3 = 25872 — коэффи-
циенты уравнения, полученные нами эксперимен-
тально при исследованиях ползучести меди.
Анализировались поля и эпюры распределения
напряжений, деформаций и перемещений на раз-
личных стадиях охлаждения, включая моменты
окончания снижения температуры (все варианты)
и окончания выдержки при температуре 500 ºС
(варианты 3 и 4). Далее приводятся только поля и
эпюры осевых напряжений, которые, как показано
в работе [5], являются основной причиной хруп-
кого разрушения материалов с низким ТКЛР.
Как показал анализ полей напряжений при раз-
личных вариантах охлаждения, все составляющие
напряжений, включая эквивалентные, заметно изме-
няются с изменением скорости охлаждения, особен-
но в меди (рис. 4). Последующая выдержка при тем-
пературе 500 ºС (вар. 3 и 4) еще больше изменяет их
(рис. 5). При этом радиальные, окружные, касатель-
ные и эквивалентные напряжения сосредоточены
вблизи стыка, а осевые напряжения — у внутренней
и внешней поверхностей втулки.
В соответствии с напряжениями распределены
и пластические деформации — со стороны меди в
непосредственной близости от стыка, в большей
степени на расстоянии около четверти толщины
втулки от ее наружной поверхности (рис. 6 и 7).
Анализ полей и величин пластических дефор-
маций (табл. 2) показал, что с увеличением вре-
мени охлаждения мгновенные деформации в меди
уменьшаются от 1,4 % в вар. 1 вплоть до нуля в
вар. 5. Деформации ползучести на стадии сни-
Рис. 4. Осевые напряжения после охлаждения до 500 ºС в вариантах 1 (а), 2 (б), 3 (в), 4 (г) и 5 (д)
Рис. 5. Осевые напряжения после охлаждения и выдержки в вариантах 1 (а), 2 (б), 3 (в), 4 (г) и 5 (д)
Рис. 6. Эквивалентные деформации мгновенной пластичности после охлаждения до 500 ºС в вариантах 2 (а), 3 (б), 4 (в) и 5 (г)
28 6-7/2015
Кафедре сварочного производства НТУУ «КПИ» 0
жения температуры, напротив, заметно увеличи-
ваются с увеличением времени охлаждения до
температуры 500 ºС (от 0,4 % в вар. 3 до 1,05 % в
вар. 5). Суммарные пластические деформации на
стадии охлаждения уменьшаются от 1,4 % в вари-
анте 2 до 1,05 % в варианте 5.
В процессе выдержки при постоянной темпера-
туре 500 ºС (вар. 3 и 4) деформации ползучести уве-
личиваются незначительно (0,19 и 0,22 %). В резуль-
тате суммарные деформации ползучести
за весь период охлаждения и выдержки
при 500 ºС растут с увеличением времени
охлаждения и соответствующем умень-
шении времени выдержки от 0 (вар. 2)
до 1,05 % (вар. 5), тогда как суммарные
(мгновенные и пластические) уменьшают-
ся с 1,4 % (вар. 2) до 1,05 % (вар. 5).
Таким образом, с точки зрения раз-
вития кратковременных пластических
деформаций в меди, более эффективно
увеличение скорости охлаждения, чем
увеличение времени выдержки после снижения
температуры. С точки зрения деформаций ползу-
чести — наоборот, более эффективно медленное
охлаждение.
Различается также и характер полей пластиче-
ских деформаций кратковременных и ползучести
(рис. 6 и 7). Кратковременные деформации сосре-
доточены более концентрировано вблизи стыка на
его части, прилегающей к наружной поверхности
(рис. 6). Деформации ползучести охватывают всю
площадь стыка на расстоянии от него, соизмеримом
с толщиной втулки (рис. 7). При этом они в процессе
длительной выдержки при 500 °С (вариант 3) замет-
но уменьшаются (рис. 6, б и 7, а).
Влияние пластических деформаций в меди на
осевые напряжения, возникающие на боковой по-
верхности графита, обусловлено двумя механиз-
мами. С одной стороны, в соответствии с общими
принципами механики, пластическое деформиро-
вание меди обеспечивает снижение уровня напря-
жений в ней и, соответственно, в графите, сохра-
няя условия равновесия узла. С другой стороны
они влияют на форму изгиба образующей, которая
также влияет на уровень и характер распределе-
ния напряжений в меди [5]. Характер этого вли-
яния неоднозначен. Пластические деформации в
меди могут как увеличить, так и уменьшить кри-
визну поверхности, соответственно увеличивая
или уменьшая уровень напряжений.
Упругое и пластическое деформирование мате-
риала втулки приводит к изменению формы ее по-
верхностей. Анализ эпюр радиальных перемеще-
ний точек наружной поверхности (рис. 8) показал,
что характер изгиба образующей в целом сохра-
няется таким же, как и при одинаковой жесткости
соединяемых материалов [5], но заметно наруша-
ются их кососимметрии относительно плоскости
стыка при упругом нагружении (вар. 1). Образую-
щая со стороны более жесткого материала (меди)
изгибается меньше, приближаясь к состоянию при
свободном сокращении (пунктирная линия). Со
стороны менее жесткого материала (графита) кар-
тина обратная, изгиб заметно увеличивается.
Т а б л и ц а 2 . Максимальные пластические (эквива-
лентные) деформации в меди, %
Вари-
ант
Окончание охлаждения Окончание
выдержки
СуммаМгно-
венные
деформа-
ции
Дефор-
мации
ползу-
чести
Сумма
Дефор-
мации
ползучести
2 1,4 0 1,4 0 1,4
3 0,9 0,4 1,3 0,59 1,49
4 0,23 0,75 0,98 0,97 1,21
5 0 1,05 1,05 1,05 1,05
Рис. 7. Эквивалентные деформации ползучести после охлаждения и вы-
держки в вариантах 3 (а), 4 (б) и 5 (в)
Рис. 8. Эпюры радиальных перемещений точек наружной по-
верхности втулки после охлаждения до 500 ºС (а) и после ох-
лаждения и выдержки (б); варианты 1…5 (соответствуют но-
мерам кривых)
296-7/2015
Кафедре сварочного производства НТУУ «КПИ» 0
При возникновении пластических деформа-
ций, мгновенных и ползучести (вар. 2–5), изгиб в
более жестком, но пластичном, материале (медь)
увеличивается, а в менее жестком упругом мате-
риале (графит) уменьшается, форма изгиба обра-
зующей приближается к симметричной. То есть,
кратковременные пластические деформации, раз-
вивающиеся при быстром охлаждении и дефор-
мации ползучести (вар. 3–5) компенсируют более
высокую жесткость меди в упругом состоянии по
сравнению с графитом, уравнивая деформации на-
ружной поверхности в районе стыка.
При этом эпюры радиальных перемещений то-
чек наружной поверхности после охлаждения и
выдержки в вариантах 3–5 практически совпада-
ют, несмотря на некоторое различие в величине
максимальных пластических деформаций в меди
(см. табл. 2).
Характер радиального перемещения точек вну-
тренней боковой поверхности более сложный
(рис. 9). Выпуклая часть поверхности графита
(материала с меньшим ТКЛР) в непосредственной
близости от стыка (1…2 мм) постепенно перехо-
дит в вогнутую по мере удаления от него. В меди
(материале с большим ТКЛР) картина обратная,
вогнутая поверхность вблизи стыка постепенно
переходит в выпуклую при удалении от него.
Такая сложная форма изгиба образующей на
внутренней поверхности втулки в работе [5] объ-
ясняется встречным влиянием двух факторов. С
одной стороны это разность взаимного смещения
верхней и нижней частей втулки вследствие раз-
ного изменения их диаметров, с другой стороны
— разное изменение ширины сечения при темпе-
ратурном сокращении материалов верхней (метал-
лической) и нижней (графитовой) частей узла.
Взаимное смещение верхней и нижней частей
втулок приводит к образованию выпуклости на
наружной и вогнутости на внутренней поверхно-
сти материала с меньшим ТКЛР (графита). Разное
изменение ширины приводит к образованию вы-
пуклости на обеих поверхностях этого материала.
В результате одновременного действия обоих фак-
торов характер искривления внешней поверхно-
сти, т. е. выпуклость наружу, сохраняется, а вну-
тренней заметно изменяется.
Наличие (влияние) двух механизмов переме-
щений подтверждается также отсутствием сим-
метрии полей пластических деформаций и эпюр
касательных напряжений относительно середины
толщины втулки. Количественной характеристи-
кой влияния сдвига частей втулки может служить
уровень касательных напряжений посредине тол-
щины втулки (около 20 МПа).
При изменении режима охлаждения характер
изгиба внутренней поверхности сохраняется, но
величина перемещений уменьшается при сниже-
нии скорости охлаждения (вар. 3–5). При последу-
ющей выдержке различие в перемещениях умень-
шается (рис. 9).
В соответствии с деформацией поверхностей
распределены осевые напряжения в них (рис. 10,
11). На наружной поверхности они сжимающие
в верхней медной втулке (с большим ТКЛР) и
Рис. 9. Эпюры радиальных перемещений точек внутренней
поверхности втулки после охлаждения до 500 ºС (а) и после
полного охлаждения и выдержки (б); варианты 1…5 (соот-
ветствуют номерам кривых)
Рис. 10. Эпюры осевых напряжений на наружной поверхно-
сти графита после охлаждения (а) и после охлаждения и вы-
держки при 500 ºС (б) моделей 1…5
30 6-7/2015
Кафедре сварочного производства НТУУ «КПИ» 0
растягивающие в нижней графитовой (с меньшим
ТКЛР) (рис. 4, 5 и 10).
После охлаждения во всех вариантах макси-
мальной величины (около 14 МПа) растягиваю-
щие напряжения достигают вблизи стыка, на рас-
стоянии 2…3 мм, постепенно уменьшаясь до 2-х
раз по мере приближения к нему (рис. 10, а). По-
следующая выдержка при 500 ºС в вариантах 3 и
4, когда к кратковременным деформациям добав-
ляются деформации ползучести, приводит к тому,
что максимальные напряжения в графите у сты-
ка, напротив, резко возрастают до 30…35 МПа
(рис. 10, б), точка максимума вплотную прибли-
жается к стыку.
На внутренней поверхности распределение бо-
лее сложное (рис. 11). В нижней графитовой втул-
ке осевые напряжения вблизи стыка — растягива-
ющие, они постепенно уменьшаются до нуля (на
расстоянии 2…3 мм от стыка) и переходят в сжи-
мающие по мере удаления от стыка, затем снова
уменьшаются до нуля на торце.
Для удобства сравнения вариантов в табл. 3 и
на рис. 12 приведены значения и диаграммы мак-
симальных растягивающих напряжений в графите
после охлаждения до 500 ºС и выдержки при этой
температуре до 6000 с.
Анализ таблицы и рисунков показывает, что с
точки зрения образования трещин в графите по-
сле охлаждения наиболее опасна внутренняя
поверхность, где при всех вариантах, кроме 5,
максимальные растягивающие напряжения при-
ближаются к пределу прочности графита на изгиб
(45 МПа для графита МПГ-8 и 34,3 МПа для гра-
фитов МПГ-6 и МПГ-7). Для наружной поверхно-
сти опасными являются варианты 3 и 4, при ко-
торых выдержка после охлаждения приводит к
большим растягивающим напряжениям.
Таким образом, оптимальным, с точки зрения
уменьшения опасности образования трещин в гра-
фите после охлаждения до 500 ºС, следует считать
вариант 5 (постепенное снижение температуры с
900 до 500 ºС в течение 6000 с), при котором на-
пряжения растяжения не превышают 25 МПа.
Варианты с быстрым охлаждением и последу-
ющей выдержкой не целесообразны, так как при
них создаются большие напряжения на внешней
поверхности графита.
Дальнейшее охлаждение узла до 20 ºС про-
исходит в условиях роста предела текучести и
сопротивления ползучести. Скорость ползучести
уменьшается и даже при охлаждении от 500 до 20 ºС
Рис. 11. Эпюры осевых напряжений на внутренней поверх-
ности графита после охлаждения (а) и после охлаждения и
выдержки при 500 ºС (б) моделей 1…5
Рис. 12. Максимальные растягивающие напряжения на на-
ружной (а) и внутренней (б) поверхностях графита в вари-
антах 1…5 после охлаждения до 500 ºС и выдержки (вар. 3 и
4) при этой температуре
Т а б л и ц а 3 . Максимальные растягивающие напряже-
ния в графите
Ва-
ри-
ант
Максимальные растягивающие напряжения
в графите, МПа
на наружной
поверхности
на внутренней
поверхности
Окончание
охлажде-
ния
Окончание
выдержки
Окончание
охлажде-
ния
Окончание
выдержки
1 14,2 - 35,7 -
2 13,7 - 34,2 -
3 14,0 44,7 33,3 31,0
4 14,5 39,0 29,9 28,5
5 14,3 14,3 25,0 25,0
316-7/2015
Кафедре сварочного производства НТУУ «КПИ» 0
в течение 3,8 ч остаточные напряжения превышают
предел прочности графита (более 65 МПа).
Таким образом, несмотря на эффективное вли-
яние деформаций мгновенной пластичности и
ползучести в интервале температур 900…500 ºС,
применение диффузионной сварки или пайки мед-
ными (серебряными) припоями может привести к
разрушению узла.
Рассматривая технологические варианты со-
единения графита с медью, следует отметить до-
статочно высокие температуры диффузионной
сварки. В работе [2] исследовали три варианта
диффузионной сварки графита с титаном: с ни-
келевой прослойкой толщиной 10…30 мкм, на-
несенной на графит гальваническим путем, с ни-
келевой фольгой толщиной 10 мкм и графита с
титаном непосредственно. При сварке с никеле-
вой прокладкой выбрана температура 850 °С, без
прокладок 1100 °С. Столь высокие температуры
диффузионной сварки не позволяют применять
этот способ в данных узлах.
Пайка позволяет регулировать уровень на-
пряжений, изменяя температурный интервал ох-
лаждения путем выбора припоев с необходимой
температурой плавления, обеспечивающих ра-
ботоспособность узлов в конкретных условиях.
Расчеты показали, что применение низкотемпе-
ратурных припоев с температурой плавления до
250 ºС гарантирует получение бездефектных со-
единений. Например, припой ПОС-50 с темпе-
ратурой плавления 209 ºС обеспечивает предел
прочности на растяжение, равный 36 МПа, т. е.
на уровне графита. Учитывая токсичность свин-
ца, целесообразно использовать заменители оло-
вянно-свинцовых припоев, например, разработан-
ный ИЭС им. Е.О. Патона низкотемпературный
припой, в котором свинец заменен небольшими
добавками серебра. Если для смачивания графита
припоем необходима более высокая температура,
то целесообразно проводить пайку по двухступен-
чатой технологии с предварительным лужением
поверхности графита. Таким образом, более це-
лесообразно проводить пайку графита с медью с
последующим медленным охлаждением. Время
охлаждения необходимо рассчитывать для кон-
кретного узла с использованием параметров полз-
учести меди.
Выводы
1. Все составляющие напряжений и деформаций
заметно изменяются с изменением скорости ох-
лаждения. Последующая выдержка при темпера-
туре 500 ºС еще больше изменяет их.
2. С точки зрения развития пластических де-
формаций уменьшение скорости охлаждения бо-
лее эффективно, чем увеличение времени вы-
держки после снижения температуры до 500 ºС.
Это способствует снижению уровня напряжений в
узле при остывании.
3. С точки зрения образования трещин в гра-
фите после охлаждения наиболее опасна внутрен-
няя поверхность, где при всех вариантах, кро-
ме 5, максимальные растягивающие напряжения
приближаются к пределу прочности графита на
изгиб.
4. С точки зрения уменьшения опасности об-
разования трещин в графите после охлаждения
до 500 ºС оптимальным следует считать вариант
5 (постепенное снижение температуры с 900 до
500 ºС в течение 6000 с), при котором напряжения
растяжения не превышают 25 МПа.
5. Варианты с быстрым охлаждением и после-
дующей выдержкой не целесообразны, так как
при них создаются большие напряжения на внеш-
ней поверхности графита.
6. Наиболее целесообразно для изготовления
медно-графитовых узлов из низкопрочных графи-
тов применять пайку низкотемпературными без-
свинцовыми припоями.
1. Паяння матеріалів: підручник / Г.В. Єрмолаєв, В.В. Ква-
сницький, В.Ф. Квасницький та ін. // Під заг. ред. В.Ф.
Хорунова і В.Ф. Квасницького. – Миколаїв: НУК, 2015.
– 340 с.
2. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. – М.:
Машиностроение, 1976. – 312 с.
3. Квасницкий В.В., Ермолаев Г.В., Матвиенко М.В. Влия-
ние пластических деформаций на напряженно-деформи-
рованное состояние при диффузионной сварке разнород-
ных металлов применительно к узлам цилиндр-цилиндр
и втулка-втулка // Зб. наук. праць НУК. – Миколаїв: НУК,
2008. – № 1. – С. 100–107.
4. Махненко В.И., Квасницкий В.В., Ермолаев Г.В. Влияние
пластических деформаций на напряженно-деформиро-
ванное состояние при диффузионной сварке металлов с
разными физико-механическими свойствами // Автомат.
сварка. – 2008. – № 8. – С. 5–10.
5. Квасницкий В.В., Ермолаев Г.В., Матвиенко М.В. Вли-
яние прочности и сопротивления ползучести на оста-
точное напряженно-деформированное состояние ме-
таллокерамических соединений // Зб. наук. праць НУК.
– Миколаїв: НУК, 2009. – № 3. – С. 83–92.
6. Квасницкий В.В., Ермолаев Г.В., Матвиенко М.В. Вли-
яние геометрии деталей из разнородных материалов на
напряженно-деформированное состояние при диффузи-
онной сварке // Там же. – 2008. – № 5. – С. 42–46.
7. Роль соотношения размеров цилиндрических деталей из
разнородных материалов на их напряженно-деформиро-
ванное состояние при диффузионной сварке / Квасниц-
кий В.Ф., Матвиенко М.В., Лабарткава А.В. и др. // Авто-
мат. сварка. – 2009. – № 8. – С. 23–27.
Поступила в редакцию 21.07.2015
|