Дифузійне зварювання з керованим напружено-деформованим станом та модифікуванням поверхонь з’єднання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Спеціальність 05.03.06 - Зварювання та споріднені процеси і технології

Дифузійне зварювання з керованим напружено-деформованим станом та модифікуванням поверхонь з'єднання

Квасницький Віктор В'ячеславович

Київ 2010

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі інженерії поверхні Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» (КПІ) і кафедрі зварювального виробництва Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова (НУК) Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор Кузнецов Валерій Дмитрович, НТУУ «Київський політехнічний інститут», завідувач кафедри «Інженерія поверхні»

Офіційні опоненти - академік НАН України, доктор технічних наук, професор Ющенко Костянтин Андрійович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, заступник директора

- доктор технічних наук, професор Ляшенко Борис Артемович, Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, завідувач лабораторії «Зміцнення поверхонь елементів конструкцій»

- доктор технічних наук, професор Чигарьов Валерій Васильович, Приазовський державний технічний університет, завідувач кафедри «Металургія і технологія зварювання»

Захист відбудеться «31» травня 2010 р. в 15 00 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15 при Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України за адресою: м. Київ-56, пр-т. Перемоги, 37, корп. 19, ауд. 435.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НТУУ «КПІ».

Автореферат розісланий «29» квітня 2010 р. Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор Р.М. Рижов

1. Загальна характеристика роботи

дифузійний зварювання сплав деформація

Актуальність теми. Розвиток основних напрямків нової техніки, енергетики і інших галузей промисловості нерозривно пов'язаний з необхідністю з'єднання матеріалів в однорідному або різнорідному сполученнях, зварювання плавленням яких ускладнене. У таких випадках застосовують зварювання тиском або паянням. Широкі можливості дає дифузійне зварювання (ДЗ). На даний час виконані з'єднання понад 800 видів пар різних матеріалів, але основною проблемою цього способу є нестабільність формування з'єднань по площі стику та зміні розмірів і форми зварних вузлів, що в літературі пояснюють масштабним фактором. Для впливу на процес формування з'єднань необхідно знати конкретні чинники, управління якими дозволяє вибирати схеми і параметри режиму зварювання деталей і вузлів, а також забезпечити якість з'єднань. Актуальність цієї проблеми загострюється відсутністю надійних методів контролю дифузійних з'єднань. Наявність в стику мікродефектів навіть дуже малих розмірів, наприклад, дефектів типу „злипання” або орієнтування міжзеренної границі вздовж стику, погіршує властивості з'єднань.

Існує ряд гіпотез зварювання у твердому стані, але загально визнаним є уявлення про три стадії процесу: утворення фізичного контакту, активація поверхонь та об'ємна взаємодія. Доведено, що на кожній з цих стадій термодеформаційні процеси є одним з головних чинників формування з'єднань. Однак, особливості формування напружено-деформованого стану (НД стану) при ДЗ залежно від фізико-механічних властивостей (ФМВ) матеріалів, структурних перетворень, технологічних параметрів процесу, геометричних характеристик вузлів, пластичних деформацій досліджено мало. При визначенні режимів зварювання, зазвичай, виходять з уявлення про рівномірний розподіл напружень і деформацій по площі стику, що в дійсності трапляється рідко.

Для активації поверхонь з'єднання запропоновано циклічну зміну зусилля стиснення, створення в одній деталі напружень стиску, в другій - розтягу при механічній обробці, застосування ультрадисперсних порошків тощо, але вплив НД стану на формування з'єднань не досліджено. Не використовуються для підготовки поверхонь сучасні технології модифікування поверхонь, які можуть бути ефективним фактором впливу на формування з'єднань при ДЗ.

При зварюванні різнорідних матеріалів важливою є проблема залишкових напружень, але вплив на їх формування жорсткості і міцності матеріалів, умов охолодження та пластичних деформацій досліджено недостатньо, зокрема, вплив деформацій повзучості практично не вивчався. Тому комплекс наукових досліджень по вивченню процесів формування НД стану з урахуванням зазначених факторів, його впливу на ДЗ і залишкові напруження, модифікуванню поверхонь з'єднання шляхом обробки низькоенергетичними високострумовими електронними пучками (НВЕП), що є основою для створення перспективних технологій дифузійного зварювання, є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження виконувалися протягом 1998…2009 років за пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки «Новітні технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і агропромисловому комплексі» в рамках плану НДР НУК та НТУУ „КПІ” по дослідженню термодеформаційних і термодинамічних процесів при дифузійному зварюванні, паянні і наплавленні однорідних і різнорідних матеріалів (теми 1347, 1998…2001 рр., № ГР 0100U003108; 1477, 2002…2004 рр., № ГР 102U005200; 1554, 2005…2007 рр., № ГР 105U001768; 1673, 2008...2009 рр., № ГР 0108U001168); 2800 „Дослідження механізму формування і властивостей газотермічних покриттів з нанофазною складовою” (2005...2007р.р., № ГР 0105U001064); 2109-п „Дослідження механізму з'єднання матеріалів в умовах керованої високоенергетичної плазмохімічної обробки поверхонь” (2008...2009 рр., № ГР 0108U000572); на замовлення ДП ,,Харківське агрегатне конструкторське бюро'' по дослідженню і розробці технології дифузійного зварювання корпусів електромагнітних клапанів з армко-заліза і нержавіючої сталі та дифузійне зварювання корпусів (теми 1598, 2006 р., № ГР 0106U009875 і 1606, 2006 р., № ГР 0106U009876); на замовлення ДП «Науково-виробничий комплекс газотурбобудування «Зоря-Машпроект» № 1643/1981/070 «Дослідження і розробка технології вакуумного паяння-зварювання деталей з нікелевого сплаву Inconel 718» (2007...2008 рр., № ГР0108U001172); на замовлення НВП «Технобім», теми №1670 та 09/12/1763 на розробку технології, оптимізацію та паяння з тиском промислової партії металокерамічних вузлів (2008...2010 рр.); а також згідно договорів про творчу співдружність в області модифікування матеріалів пучками заряджених часток з Інститутом високострумової електроніки СВ РАН (1/с-2006, від 20.09.2006 р.); з Інститутом електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України про співпрацю в дослідженні термодеформаційних процесів при зварюванні тиском і споріднених технологіях (1/с-2007, від 16.01.2007 р.); договору про співробітництво в галузі науково-технічної та навчальної діяльності між НТУУ „КПІ” та НУК (1/с.-2008, від 12.03.2008 р); та за науковим напрямком «Наукові основи перспективних технологій» в рамках фінансування Державного фонду фундаментальних досліджень за проектом «Ефекти модифікування поверхні матеріалів потужним електронним пучком і їх вплив на формування зварних з'єднань» (ДФФД-РФФД - 2009, Ф 28/429/1743).

Приймав участь в роботах в якості відповідального виконавця, в темі 09/12/1763 - наукового керівника.

Мета і задачі роботи. Мета роботи - вдосконалення технологій дифузійного зварювання шляхом установлення закономірностей формування НД стану в процесі ДЗ різнорідних матеріалів і залишкових напружень з урахуванням пластичних деформацій, технологічних, структурних і інших чинників, модифікування поверхонь із застосуванням низькоенергетичних (U=20...30кВ) високострумових (сотні А) електронних пучків.

Відповідно до поставленої мети необхідно було вирішити задачі:

- проаналізувати існуючі уявлення про процеси формування з'єднань і НД стану при ДЗ та залишкових напружень при охолодженні після з'єднання різнорідних матеріалів;

- визначити фізико-механічні властивості і закономірності пластичних і структурних деформацій, параметри повзучості металів при температурах ДЗ і формування залишкових напружень;

- визначити закономірності формування НД стану типових вузлів при різних ФМВ матеріалів, що з'єднуються, під впливом технологічних параметрів ДЗ, геометричних і конструктивних чинників в умовах пружності і пластичних деформацій, що відбуваються при напруженнях, які досягають границі плинності матеріалів і при повзучості;

- дослідити можливість підготовки поверхонь, що з'єднуються, із застосуванням низькоенергетичних високострумових електронних пучків, структуру, склад і властивості модифікованих і легованих поверхонь і їх вплив на формування з'єднань при ДЗ;

- дослідити вплив ФМВ і пластичних деформацій на формування і рівень залишкових напружень у вузлах з різнорідних матеріалів при ДЗ;

- дослідити вплив жорсткості матеріалів, що з'єднуються, геометричних та конструктивних особливостей типових вузлів і умов охолодження на формування залишкових напружень у вузлах з різнорідних матеріалів;

- розробити технологію ДЗ типових деталей та надати рекомендації щодо раціонального проектування вузлів з різнорідних матеріалів і устаткування для ДЗ.

Об'єкт досліджень: дифузійне зварювання матеріалів з різними фізико-механічними властивостями.

Предмет досліджень: напружено-деформований стан, процеси пластичної деформації, структура і властивості матеріалів і з'єднань.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань проводили комплексні теоретичні (методом комп'ютерного моделювання) і експериментальні (методом спекл-інтерферометрії) дослідження напружень, визначення будови і фізико-механічних властивостей з'єднань, складу металу методами растрової електронної мікроскопії, що просвічує, оптичної металографії, рентгеноструктурного і рентгенівського мікрорентгеноспектрального аналізів, фізико-механічних властивостей на установках ИМаш-20-78 і Glеeвlе 3800, механічні випробування згідно стандартам, що діють.

ДЗ виконували на модернізованій установці УДСВ-ДТ і надвисоковакуумному універсальному технологічному комплексі ВВУ-1Д.

Модифікування і легування поверхонь, що з'єднуються, проводили на вакуумній імпульсній електронно-пучковій установці з плазмовим емітером «СОЛО», що забезпечує надшвидкі нагрівання і охолодження поверхневого шару.

Наукова новизна роботи полягає у встановлених закономірностях формування НД стану в умовах пружності і пластичності при ДЗ різнорідних матеріалів з урахуванням їх ФМВ, геометричних і конструктивних чинників, параметрів режиму зварювання, а також впливу НД стану і модифікування поверхонь на утворення з'єднань, що визначає шляхи вдосконалення технологій ДЗ.

1. Показано, що при традиційній схемі ДЗ (стиск при постійній температурі), в матеріалі з меншою жорсткістю або міцністю в зоні стику еквівалентні напруження зменшуються. По за зоною стику формуються максимальні еквівалентні напруження, що збільшує загальні деформації вузла. При цьому розподіл головних напружень показує, що в районі стику в матеріалі з меншою жорсткістю або міцністю формується напружений стан, близький до всебічного стиснення. Рівень еквівалентних напружень, пружних і пластичних деформацій зменшується. Це обумовлює ефект контактного зміцнення м'якого матеріалу.

2. Встановлено, що позитивний вплив теплозмін (термоциклування), пов'язаний з локалізацією пластичних деформацій і розвитком деформацій зсуву в зоні стику, є наслідком виникнення радіальних, окружних і дотичних напружень з максимумом в площині стику. При цьому рівень еквівалентних напружень визначається відмінністю ТКЛР, температурним інтервалом теплозмін, об'ємними змінами при структурних перетвореннях та релаксацією напружень. Він може до 2-х і більше разів перевищувати номінальні напруження стиску та досягати границі плинності матеріалу.

3. Вперше встановлено, що при ДЗ вузлів типу «втулка-втулка» і «втулка-фланець» між внутрішньою поверхнею і серединою товщини втулки в стику, як і в вузлах «циліндр-циліндр» в центрі циліндра, є зона з мінімальними пластичними деформаціями поблизу точки, в якій дотичні напруження дорівнюють нулю, а еквівалентні мінімальні. Ця зона є несприятливою для деформаційної активації поверхонь і названа «зоною деформаційного застою» по аналогії із зоною, що утворюється при гарячому осадженні циліндрів між паралельними плитами. Розташування «зони деформаційного застою» залежить від співвідношення внутрішнього радіусу і висоти втулки до її товщини.

4. На базі встановлених закономірностей розподілу пластичних деформацій запропоновані показники, що визначають можливість формування якісних з'єднань за значеннями: коефіцієнта рівномірності розподілу пластичних деформацій уздовж стику K, величина якого може змінюватися від 1 (ідеальний варіант) до 0 (несприятливий варіант); відносної величини зони деформаційного застою х0, що змінюється від 0 (оптимальний варіант) до 1 (неприйнятний варіант); ступеня локалізації пластичних деформацій в зоні стику уо - змінюється від 1 (пластичні деформації утворюються по всій висоті) до нуля (пластичні деформації в середній частині стику відсутні), при цьому обидва крайні значення не є оптимальними і цей показник може використовуватися як додатковий до перших двох і повинен бути якомога меншим, але відмінним від нуля; граничного запасу міцності по залишковим напруженням - в оптимальному варіанті він повинен бути якомога більшим і в будь-якому випадку не меншим за одиницю.

5. Встановлено, що модифікування поверхонь низькоенергетичним високострумовим електронним пучком забезпечує чистоту поверхонь зі значенням Rz не більше за 0,3 мкм, субмікрокристалічну структуру, яка на окремих ділянках близька до наноструктури, щільність дислокацій до 2·1011 см-2, що утворює в поверхневому шарі напруження третього роду та підвищує енергію обробленого шару на 2…3 порядки.

6. Встановлено, що утворенню з'єднань електротехнічної та нержавіючої аустенітної сталей сприяють не тільки субмікрокристалічна структура та високий енергетичний рівень модифікованого шару, але і пластичні деформації, що розвиваються в зоні стику внаслідок зміни ТКЛР та швидкості повзучості в інтервалі температур структурних перетворень в електротехнічній сталі. При з'єднанні дисперсійнотвердіючих жароміцних сплавів з модифікованою (загартованою) і немодифікованою (стан постачання або термічної обробки) поверхнями пластичні деформації також розвиваються внаслідок розчинення фаз, що зміцнюють.

7. Встановлено, що обробка низькоенергетичним високострумовим електронним пучком зі щільністю енергії до 20 Дж/см2 і тривалістю імпульсу 50 і 100 мкс дозволяє проводити легування жароміцних сплавів елементами, які зменшують температуру плавлення сплавів, зокрема цирконієм, гафнієм, ніобієм. При цьому спостерігається достатньо однорідний розподіл елементу, що вводиться, по глибині шару, а зміна параметрів процесу обробки дозволяє регулювати товщину обробленого шару від 14 до 47 мкм і концентрацію цього елементу від 1,0...1,5% до концентрації, близької до евтектичної в системі основа сплаву - елемент, що вводиться, зокрема цирконію до 12,2 % мас.

Практичне значення роботи. На основі результатів теоретичних і експериментальних досліджень розроблено способи ДЗ матеріалів з різними ФМВ при теплозмінах (термоциклуванні), інтенсифікації процесів ДЗ різнорідних матеріалів та жароміцних нікелевих сплавів з використанням термічних напружень, ефекту структурних перетворень і модифікацією поверхні з'єднання шляхом обробки НВЕП, та способи зменшення залишкових напружень в з'єднаннях різнорідних матеріалів.

Запропоновано рекомендації по конструюванню деталей і вузлів з різнорідних матеріалів. Оптимізовано конструкцію металокерамічних вузлів гермоводів, які за технічними характеристиками переважають імпортні аналоги, вартість виготовлення яких порівняно з імпортними в декілька разів менша. Налагоджено виробництво металокерамічних вузлів гермоводів для електронно-променевого зварювального обладнання НВП "Технобім". На замовлення ДП "ХАКБ" освоєно ДЗ багатостикових зварних корпусів електромагнітних клапанів для гідросистем літаків. Оптимізовано конструкцію та виготовлено ряд інших деталей і вузлів (іонно-плазмові катоди, металокерамічні та метало графітові вироби тощо).

За матеріалами дисертаційної роботи розроблено рекомендації по вдосконаленню устаткування для ДЗ промислових деталей та створено універсальну високовакуумну установку «УВВУ-КПІ», у якій передбачено можливість використання НВЕП для поверхневої обробки матеріалів.

Матеріали дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі НУК і НТУУ.

Особистий внесок автора. В дисертаційній роботі особистий внесок автора полягає в обґрунтуванні загальної концепції роботи; постановці мети, визначенні завдань і самостійному виборі наукових підходів до їх вирішення, програми досліджень, розробленні фізичних моделей, адаптації моделей до умов ДЗ, визначенні показників оптимальності НД стану при ДЗ матеріалів з різними ФМВ, підготовці експериментів, аналізі і узагальненні результатів теоретичних і експериментальних досліджень, формулюванні закономірностей, рекомендацій і висновків.

Автор брав безпосередню участь у проведенні ряду експериментальних досліджень в ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України, НУК та Інституті високострумової електроніки СВ РАН, а також приймав участь у розробленні і впровадженні технологій ДЗ корпусів електромагнітів, гермовводів, жароміцних сплавів, в створенні і модернізації

установки УВВУ-КПІ, яку змонтовано в лабораторії зварювання НТУУ,,КПІ''.

При підготовці публікацій за результатами досліджень внесок автора був визначальним.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на Міжнародних конференціях: «Сварка и родственные процессы - в XXI век» (м. Київ, 1998 р.), «Современные сварочные и родственные технологии и их роль в развитии производства» (м. Миколаїв, 2003 р.), 5-тій Всеросійській з міжнародною участю конференції «Быстрозакалённые материалы и покрытия» (м. Москва, 2006 р.), International Conferenceon «Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows: Proceedings» (Томськ, 2008 р.), II і IV міжнародних конференціях «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах» (пос. Кацивелі, Україна, 2004 і 2008 р.), «Сварка и родственные технологии - в третье тысячелетие» (м. Київ, 2008 р.), 9-му Міжнародному симпозиумі українських інженерів-механіків (м. Львів, 2009 р.).

Дисертаційна робота в цілому обговорювалась на наукових семінарах в НТУУ "КПІ", НУК, ІЕЗ ім. Є.О. Патона і отримала позитивну оцінку.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 52 роботи, зокрема, 32 статті в наукових журналах та збірниках наукових праць, 2 в міжнародних журналах, 8 в збірниках праць та матеріалів міжнародних конференцій, 7 в тезах міжнародних конференцій; отримано 3 Патенти.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 7 розділів, загальних висновків, списку використаної літератури та додатків. Загальний обсяг дисертації має 314 сторінок машинописного тексту, 260 рисунків, 13 таблиць, список літератури з 274 найменувань літературних джерел на 33 сторінках та додатків на 7 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи і завдання досліджень, описано об'єкт, предмет, і методи досліджень, охарактеризовано наукову новизну, і практичне значення отриманих результатів з наведенням особистого внеску автора.

У першому розділі проаналізовано існуючі гіпотези формування з'єднань при зварюванні тиском, зокрема, при ДЗ, вплив ФМВ, способів підготовки поверхонь, технологічних параметрів, геометричних характеристик вузлів на якість з'єднань, способи інтенсифікації процесу їх утворення, зокрема шляхом активної деформації, створення в стику дотичних напружень, застосування проміжних прошарків тощо, які розроблено і розвинуто в роботах М.Ф. Казакова, М.Х. Шоршорова, Е.С. Каракозова, Ю.Л. Красуліна, Г.К. Харченка, Л.І. Маркашової, Р.А. Мусіна, Г.В. Конюшкова, Д.І. Котельникова, В.В. Пєшкова, О.О. Барабанової, А.В. Люшинського, Л.С. Киреєва, Д.С. Дюваля та інших.

Різними авторами запропоновані різні схеми ДЗ, які дозволяють в конкретних випадках підвищити якість отриманих з'єднань, але їх точки зору на вплив різних параметрів режиму з'єднання багато в чому не співпадають. Але загальновизнаними є уявлення про умовно виділені три стадії процесу, на кожній з яких важливу роль відіграють ТД процеси. Розглянуто особливості процесів зварювання в твердому стані, існуючих технологій ДЗ, пластичних деформацій та моделювання НД стану. Відзначено обмежену кількість робіт в яких, досліджено особливості формування НД стану при ДЗ різнорідних матеріалів з урахуванням пластичних деформацій при напруженнях, більших за границю плинності одного з матеріалів, або деформацій повзучості. В літературі також мало досліджено вплив пластичних деформацій на процес ДЗ та формування власних напружень при з'єднанні матеріалів з різними ФМВ.

Відсутність в літературі комплексних досліджень щодо формування НД стану при ДЗ і залишкових напружень у з'єднанні різнорідних матеріалів залежно від їх структурного стану, ФМВ, технологічних параметрів режимів, геометрії вузлів в умовах пружного і пластичного деформування, впливу НД стану і модифікуванням поверхонь на формування з'єднань, що визначають шляхи вдосконалення технологій ДЗ, та проектування деталей і вузлів, визначили мету та задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі наведено досліджені матеріали різних класів, технологічне устаткування, апаратуру і застосовані методики, як стандартні, так і оригінальні, розроблені при безпосередній участі автора.

Для досліджень вибирали матеріали, що в різнорідному поєднанні в зоні з'єднання не утворюють прошарків інтерметалідів, а для формування однорідних з'єднань обирали сплави, які можуть знаходитись у різному структурному стані, і в процесі зварювання переходять в близький структурний стан, що супроводжується зміною об'єму. Досліджували сталі типу 10895, 12Х18Н10Т, жароміцні нікелеві сплави типу ЧС88У-ВИ, Alloy 718 тощо.

Дифузійне зварювання виконували у вакуумі 10-2…10-5 на установках УДСВ-ДТ, ВВУ-1Д, модернізованих при безпосередній участі автора і у вакуумній печі СНВ-1.3,1/20И1. Модернізовані установки оснащено системою автоматичної підтримки заданої температури, а також високоточними датчиками переміщень і навантажень.

ВВУ-1Д має пристрій для іонно-плазмового напилення, а також вводи для різних джерел нагрівання: високочастотного, радіаційного і електророзрядного. Робоча камера має систему нагрівання в період дегазації і охолодження в період зварювання або паяння.

Для модифікування і легування поверхонь сталей і сплавів використана вакуумна імпульсна електронно-пучкова установка «SOLO» Інституту сильнострумової електроніки СВ РАН, що забезпечує надшвидкий нагрів поверхні матеріалів електронним пучком діаметром 10...30 мм при силі струму 20...200 А. Тривалість імпульсу 30...100 мкс, частота імпульсів 1...5 с-1, енергія електронів 15 кэВ.

У другому розділі також описано методи фізико-хімічних досліджень і механічних випробувань. Було використано оптичну металографію, растрову та просвічуючи електронну мікроскопії. Дослідження хімічного складу та ідентифікацію виділених фаз проводили методами рентгенівського мікроспектрального і рентгеноструктурного аналізів та мікродифракції.

Мікротвердість металу визначили на приладах фірми ,,Леко'', ПМТ-3 та HVS-1000. похибка вимірювань не перевищувала ± 10 %. Механічні властивості з'єднань при кімнатній та високій температурі визначали за стандартними методиками не менш ніж на 3-х зразках. Випробування моделей і натурних виробів проводили на підприємствах:

ДП ,,ХАКБ”, ДП НВКГ ,,Зоря''-,,Машпроект'', НПП ,,Технобім'', а також в ІЕЗ ім. Є.О. Патона, ІВЕ СВ РАН.

Дилатометричні дослідження і визначення високотемпературних ФМВ, включаючи параметри повзучості, проводили, в основному, в ІЕЗ ім. Є.О. Патона на дослідному комплексі Gleeble 3800.

У зв'язку з відсутністю в літературі повної інформації, щодо ФМВ матеріалів, необхідної для моделювання НД стану зварних вузлі, в розд.2 наведено результати дилатометричних досліджень на сучасному комплексі Gleeble 3800 сплавів ЧС88У-ВИ, ЧС104ВИ після повної стандартної термічної обробки та після аустенізації та гартування у воді при різних швидкостях нагрівання і охолодження та сталі 10895, а також визначено границі плинності і параметри повзучості цієї сталі при температурах зварюванні. Дилатограми термообробленого сплаву ЧС88У-ВИ наведено на, а динамічні ТКЛР при 850...1150 0С. Дослідження показали значний вплив структурних перетворень в досліджених матеріалах на їх властивості та дозволили визначити оптимальний температурний інтервал термоциклування при ДЗ.

Установлено, що ТКЛР дисперсійнотвердіючих нікелевих сплавів після гартування від температури аустенізації та після повної термічної обробки внаслідок структурних деформацій суттєво відрізняються. Найбільша відмінність ТКЛР спостерігається при температурі розчинення зміцнюючих фаз, що відбувається зі збільшенням об'єму сплаву. Дилатометричні криві після сповільненого охолодження відливки і після повної термічної обробки більш близькі.

У третьому розділі виконано аналіз НД стану у межах пружної стадії роботи матеріалу. Для аналізу використовували комп'ютерне моделювання на базі методу скінчених елементів із застосуванням програмного комплексу ANSYS, 10-ї версії.

Досліджували вузли, які найчастіше зустрічаються при ДЗ: втулка-втулка (В-В), циліндр-циліндр (Ц-Ц) і втулка-фланець (В-Ф). Останні два вузли можна розглядати як окремі випадки першого. У вузлі Ц-Ц внутрішній діаметр дорівнює нулю, а зовнішні діаметри верхньої і нижньої деталей вузла В-Ф відрізняються.

Аналіз властивостей матеріалів, що використані при ДЗ, показує, що вони можуть істотно відрізнятися за модулем пружності і ТКЛР. Наприклад, при з'єднанні між собою металів їх модулі пружності можуть змінюватися в межах (1...2)·105 МПа. Модулі пружності металів і кераміки близькі, а модуль пружності графіту може бути на порядок нижчий, ніж металу. ТКЛР при з'єднанні матеріалів при моделюванні напруженого стану можуть бути прийняті такими, що відрізняються на 10·10-6 1/град. Виходячи з цих міркувань вибрані варіанти досліджуваних моделей. Вузли навантажували тиском стиснення (мод. 1), теплозмінами (мод. 2) і сумісним стисненням з теплозмінами для матеріалів з однаковою (мод. 3) та, що відрізняється (мод. 4) жорсткістю.

Аналіз результатів досліджень показав, що в умовах ДЗ різнорідних матеріалів в зварному вузлі при всіх варіантах навантаження створюється складний об'ємний напружений стан, в якому як величина окремих напружень, так і характер напруженого стану характеризуються помітною нерівномірністю розподілу по перерізу вузла і, особливо, вздовж площини стику. При цьому як рівень напружень, так і характер напруженого стану залежить від багатьох чинників, головними з яких є властивості матеріалів при температурах зварювання (жорсткість, ТКЛР), параметри режиму зварювання (температура, тиск), а також форма і розміри вузла.

Особливістю НД стану при постійній температурі ДЗ матеріалів різної жорсткості, є зменшення еквівалентних напружень в менш жорсткому матеріалі в зоні стику і зростання до максимальних значень поза його зоною. В літературі такий ефект відомий як зміцнення менш міцного матеріалу в контакті з більш міцним. У даному випадку це пояснюється формуванням у менш жорсткому матеріалі біля стику напруженого стану, близького до всебічного стиску, про що свідчить розподіл головних напружень. При такому НС рівень еквівалентних напружень, а також деформацій зменшуються.