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

Аналогічні результати отримано при ДЗ сплаву Inconel 718. Механічні властивості з'єднань задовольняють технічні вимоги і знаходяться на рівні не нижче 90 % характеристик основного металу (при 550 єС границя міцності більша 900 МПа, а довговічність при 785 МПа більше 50 годин, а, зазвичай, більше 100 годин і до руйнування зразки не доводились). ДЗ сплаву ЧС 88У-ВИ з легованими цирконієм або гафнієм поверхнями також забезпечує границю міцності при 900 єС не нижче 90 % рівня основного металу.

Вперше показано, що обробка НВЕП дозволяє проводити легування поверхні сплавів елементами, що знижують температуру плавлення сплаву. Це сприяє утворенню з'єднань з формуванням спільних зерен у зоні стику

У шостому розділі проаналізовано формування залишкових напружень та деформацій при дифузійному зварюванні. Показано, що при ДЗ різнорідних матеріалів однією з важливих проблем є утворення залишкових деформацій і напружень, які у вузлах з пластичних матеріалів зазвичай призводять до спотворення форми і зміни розмірів, а при з'єднанні крихких матеріалів часто викликають утворення тріщин і руйнування з'єднань. Останнє обумовлено дією осьових напружень, які досягають максимальних значень на зовнішній або внутрішній поверхні втулки (у циліндрі - на зовнішній поверхні) поблизу площини стику. НД стан біля поверхонь близький до плосконапруженого, осьові напруження близькі за величиною і зворотні за знаком окружним, а радіальні і дотичні близькі до нуля. Тому величина осьових напружень для вузлів з матеріалів з однаковою (або близькою) жорсткістю, що залежить відрізниці ТКЛР (?б), інтервалу зміни температури (?Т), модуля пружності матеріалів (Е) і коефіцієнта Пуассона (µ), орієнтовно може бути знайдена за формулою:

уу мах ±?б•?Т•Е(1+µ)/2.

Осьові напруження - в матеріалі з меншим ТКЛР при охолоджені і з більшим ТКЛР при нагріванні розтягуючі, що обумовлено формою вигину утворюючої поблизу стику. При однаковій жорсткості матеріалів, що з'єднуються, криві вигину утворюючих кососиметричні щодо лінії стику.

У з'єднаннях вузлів з матеріалів з модулями пружності, що істотно відрізняються, форма вигину утворюючих змінюється, відповідно змінюються рівень максимальних напружень і точка їх розташування на поверхні. На зовнішній поверхні в матеріалі з меншою жорсткістю кривизна змінюється мало, але вона розповсюджується на велику довжину, зниження жорсткості в цьому матеріалі зменшує рівень осьових напружень, точка їх максимуму дещо віддаляється від площини стику. У матеріалі з більшою жорсткістю зона кривизни утворюючої навпаки зменшується, її рівень поблизу стику зростає, що призводить до збільшення рівня максимальних осьових напружень, точка цього максимуму наближається до площини стику.

Характер викривлення внутрішньої поверхні втулки при охолодженні більш складний, що обумовлено зустрічним впливом двох чинників: різним зменшенням товщини і середнього радіусу втулки з боку одного та іншого матеріалів за рахунок різниці їх ТКЛР. В результаті рівень максимальних осьових напружень в цьому випадку інший, але із зменшенням співвідношення жорсткостей він теж зменшується, але не так інтенсивно, ніж на зовнішній поверхні. Тому, якщо при Е2/Е1=1 максимальні напруження розтягу на зовнішній поверхні перевищують такі на внутрішній, то вже при Е2/Е1=0,55 вони стають однаковими, а при Е2/Е1=0,1 максимальні напруження розтягу на внутрішній поверхні удвічі перевищують напруження на зовнішній. Відповідно, і точка вірогідного крихкого руйнування після охолодження переходить на внутрішню поверхню.

Порівняння результатів досліджень вузлів з матеріалів, що відрізняються тільки величиною значення модуля пружності жорсткішого матеріалу, показало, що при охолодженні вузлів з матеріалів з різними ТКЛР, характер розподілу напружень і деформацій по перерізу залежить від співвідношення модулів пружності Е2/Е1. При цьому деформації не залежать, а рівень напружень змінюється прямо пропорційно величині модуля пружності жорсткішого з матеріалу Е1.

При охолодженні під тиском поле осьових напружень, зберігаючи свій характер, який обумовлений зміною температури, зміщується в бік стиску. При зменшенні співвідношення жорсткостей матеріалів, поле змінюється головним чином з боку матеріалу з меншим модулем пружності, при цьому величина напружень розтягу помітно зменшується, що знижує ризик руйнування з'єднання в процесі охолодження. У матеріалі з більшим ТКЛР осьові напруження стиску у поєднанні з радіальними і окружними напруженнями розтягу призводить до збільшення еквівалентних напружень до 1,5...2 разів, що сприяє інтенсивнішому розвитку пластичних деформацій і зменшенню залишкових напружень у всьому вузлі після розвантаження.

Рівень залишкових осьових напружень на зовнішній поверхні втулки практично не залежить від величини відносного радіусу, на внутрішній поверхні він помітно зростає лише при малих значеннях відносного радіусу (r/b < 1). Зі зростанням відносної висоти ці напруження збільшуються на обох поверхнях, особливо інтенсивно при малих співвідношеннях h/b (до 0,5).

При моделюванні НД стану з урахуванням деформацій повзучості при дифузійному зварюванні різнорідних матеріалів підтверджено основні закономірності його формування, встановлені для стадії пружної деформації і утворення деформацій короткочасної (миттєвої) пластичності, але повзучість матеріалу збільшує величину деформацій і зменшує напруження.

Так, повільне охолодження вузла мідь-графіт за рахунок повзучості міді помітно зменшує рівень максимальних напружень розтягу і зменшує вірогідність крихкого руйнування графіту. Це свідчить про те, що при виготовленні металокерамічних і металографітових з'єднань застосування металів з високою релаксаційною здатністю, зокрема мідь, може бути альтернативою використанню металів з низькими ТКЛР типу інвар і ковар, якщо вузол повинен володіти високими тепло- і електропровідністю. Це дуже важливо для пристроїв високої потужності, що підводять або знімають струм, коли неможливо застосовувати низькотемпературні припої, наприклад в електродах електропечей, прохідних ізоляторах свердловинних пристроїв і ін.

Якщо за умовами експлуатації вузла необхідно застосовувати міцніший метал, в порівнянні з міддю, без вимог високої електропровідності, зокрема в металокерамічних вузлах, то найдоцільніше використовувати титан, що має порівняно низький опір повзучості при малому ТКЛР.

З погляду зменшення залишкових напружень дещо ефективнішим є ступінчасте охолодження, коли швидке зменшення температури чергується з подальшою витримкою для реалізації процесів повзучості і релаксації в металі. Природно, що ступінь зниження температури в межах однієї сходинки повинен визначатися розрахунком, таким чином, щоб максимальні осьові напруження розтягу, що виникають в крихкому матеріалі після зниження температури не перевищували (з урахуванням коефіцієнта запасу) границю міцності на розтяг (вигин).

Встановлені закономірності впливу різних чинників на НД стан з'єднань з різнорідних матеріалів, як в процесі їх формування при ДЗ, так і після охолодження зварних вузлів, є базовими при виборі матеріалів, режимів з'єднання, загальних принципів проектування вузлів і технологій.

Так наприклад, виконаний аналіз чотирьох конструктивних варіантів дифузійно-зварного з прокладками, що розплавляються, вузла складеного катода для іонно-плазмового напилення (мідна основа + витратна частина з лігатури цирконію) показав, що рівень максимальних залишкових напружень розтягу в цирконії при різних конструктивних варіантах змінюється в широких межах (від 45 до 135 МПа). Це дозволило рекомендувати оптимальний варіант, що забезпечує мінімальний ризик крихкого руйнування після охолодження. Виготовлення експериментальної партії вузлів підтвердило правильність рекомендацій.

У вузлі металографітового кільця (графіт + сталь) порівняння залишкового напруженого стану трьох варіантів товщини сталевої частини (1, 3 і 6 мм) дозволило встановити, що найбільш несприятливі залишкові напруження після паяння утворюються при малій висоті сталевого кільця, коли великі напруження розтягу створюються як в осьовому напрямку (вздовж утворюючої) на внутрішній і зовнішній поверхнях, так і в окружному на верхній торцевій поверхні графітового кільця. Відповідно крихке руйнування останнього може відбутися як вздовж, так і впоперек кільця, що підтверджено досвідом з'єднання таких кілець.

В сьомому розділі відображено основні закономірності і принципи вибору та сформульовано показники кількісної оцінки оптимальних конструкції і технології ДЗ циліндричних вузлів з різнорідних матеріалів.

Виконані дослідження показали, що НД стан в зоні стику залежить як від властивостей матеріалів, так і від геометричних, конструктивних і інших чинників, а також параметрів режиму зварювання:

Загальними для всіх циліндричних вузлів закономірностями, є наявність:

- НД стану в зоні стику, близького до об'ємного;

- зони з мінімальними дотичними і еквівалентними напруженнями і мінімальними ПД;

- нерівномірного розподілу напружень і деформацій вздовж стику;

- максимумів поблизу циліндричних поверхонь, причому максимум біля зовнішньої поверхні більший, ніж біля внутрішньої. У вузлах з різними діаметрами деталей типу В-Ф пік напружень значно збільшується за рахунок конструктивного концентратора;

-мінімуму ПД в точці, де дотичні напруження дорівнюють нулю, а еквівалентні напруження мінімальні.

На основі результатів роботи проведено оптимізацію ряду вузлів та розроблено технології виготовлення корпусів електромагнітів, металокерамічних вузлів гермовводів та прохідних ізоляторів, іонно-плазмові катоди, металографітові підшипники ковзання тощо. Освоєно технології ДЗ з активацією поверхонь за рахунок термічних і структурних напружень, модифікації, у тому числі легування поверхонь, низькоенергетичними високострумовими електронними пучками. Розроблено технології УКФА 2519.00001 та УКФА 680 210.01 ТП, що захищені 3-ма патентами. Основні технології виготовлення корпусів електромагнітів і металокерамічних вузлів, які за технічними характеристиками не поступаються світовому рівню, що дозволило вітчизняним підприємствам відмовитись від їх імпорту. При цьому значно спрощуються технології і знижується вартість вузлів порівняно з імпортними.

Для реалізації розроблених технологій виготовлення деталей створено високо вакуумну універсальну установку УВВУ-КПІ, у якій передбачено використання низькоенергетичних високострумових пучків, що дозволить розширити використання в Україні перспективних імпульсних технологій обробки матеріалів.

Висновки

1. У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення актуальної науково-технічної проблеми, що полягає у встановленні закономірностей отримання з'єднань, при дифузійному зварюванні матеріалів з фізико-механічними властивостями, що відрізняються, для заготовок, близьких до кінцевої форми виробу. Показано, що стабільність якості і геометричних розмірів виробів може бути досягнута за рахунок управління напружено-деформованим станом, рівнем залишкових напружень і модифікуванням поверхонь з'єднання.

2. Встановлено, що для деформаційної активації поверхонь з'єднання електротехнічної і неіржавіючої сталей можна використовувати ефект формування деформацій зсуву в стику. Цьому сприяє виникнення дотичних напружень, обумовлених зміною ТКЛР і приблизно на порядок збільшення швидкості повзучості електротехнічної сталі (з 4,3·10-5 с-1 до 4,9·10-6 с-1) при нагріванні або охолодженні в температурному інтервалі переходу б-Fe в -Fe. Це дозволило отримати з'єднання сталей 10895 і 12Х18Н10Т рівноміцні електротехнічній сталі і зменшити температуру дифузійного зварювання щодо прийнятої, до температури термічної обробки (950…1000 °С) цієї сталі.

Аналогічний ефект спостерігається і при з'єднанні деталей з жароміцних дисперсійнотвердіючих сплавів, які знаходяться в різному структурному стані (загартованому і зістареному), не тільки за рахунок відмінності їх ТКЛР (у інтервалі 950...1150 °С для загартованого сплаву ТКЛР не перевищує 28·10-6 °С-1, а для зістареного більший за 40·10-6°С -1), а і структурних деформацій, що відбуваються при температурах розчинення зміцнюючих фаз. Так, при дифузійному зварюванні деталей із сплаву ЧС88У-ВИ, що знаходяться в різному структурному стані при досягненні температури 1150 °С, еквівалентні пластичні деформації в стику, з боку загартованої деталі, складають від 0,15 до 0,4 %, що дозволяє отримати з'єднання з міцністю на рівні 90…95 % міцності жароміцного сплаву.

3. Встановлено, що при дифузійному зварюванні різнорідних матеріалів у вузлах типу «втулка-втулка» і «втулка-фланець» на ділянці між внутрішньою поверхнею втулки і половиною її товщини, як і у вузлах типу «циліндр-циліндр» в центрі стику, існує зона з мінімальними пластичними деформаціями. Ця зона, по аналогії з термінологією, що застосовується в теорії обробки металів тиском, названа «зоною деформаційного застою».

4. Показано, що можливість формування якісного з'єднання, яка визначається характером розподілу, рівнем пластичних деформацій і залишкових напружень в зоні стику, може бути оцінена такими показниками як: коефіцієнт рівномірності розподілу пластичних деформацій уздовж стику К; відносна величина зони деформаційного застою х0; ступінь локалізації пластичних деформацій в зоні стику уо; граничний запас міцності по залишковим напруженням.

5. Показано, що у випадках, коли значення показника відносної величини зони деформаційного застою наближається до 1 і величина пластичної деформації недостатня для забезпечення деформаційної активації поверхонь, в проектних розмірах заготовки, яка підлягає зварюванню, необхідно передбачити припуск для видалення цієї зони із з'єднання або забезпечувати активування поверхонь іншими методами.

6. Показано, що вирівнювання величини пластичних деформацій при з'єднанні різнорідних матеріалів (значення показника К підвищується, максимум до 1) і їх локалізація в зоні стику (значення показника уо наближається до нуля) досягається накладанням теплозмін з одночасним прикладенням зусилля стиснення, що дозволило запропонувати технологію дифузійного зварювання, яка забезпечує підвищення рівня міцності з'єднань. Так, при зварюванні з постійним тиском 15 МПа сталей 10895 і 12Х18Н10Т міцність з'єднань без термоциклування не перевищує 255 МПа, а з термоциклуванням (1000-700-1000 °С) при накладенні 3-х термоциклів складає більше за 360 МПа.

7. У початковий період утворення з'єднання, коли пластичні деформації розподілені уздовж стику практично рівномірно, необхідно здійснювати навантаження стисненням з термоциклуванням. На стадії витримки для зменшення загальних деформацій вузлів доцільно поступово зменшувати зусилля стиснення, що пов'язано з релаксацією напружень за рахунок деформацій повзучості матеріалів, яка протікає в умовах нерівномірного розподілу напружень.

8. Встановлено, що модифікування після електроіскрового різання або чистової механічної обробки низькоенергетичними високострумовими електронними пучками забезпечує формування гладких оплавлених поверхонь з величиною значення Rz до 0,3 мкм при щільності енергії пучка 20...25 Дж/см2 для сталей і до 20 Дж/см2 для сплаву ЧС88У-ВИ, при цьому модифіковані шари мають кристалічну будову, високу дисперсність зерен, щільність дислокацій до 1011…2·1011 см-2, підвищену твердість, що свідчить про високий енергетичний рівень структури. Найбільший ефект досягається у разі модифікування обох поверхонь. Так об'ємна частка спільних зерен в стику при дифузійному зварюванні сталей 10895 і 12Х18Н10Т (нагрівання до температури 950 °С, нетривала витримка і охолодження) майже на порядок більше в порівнянні з модифікуванням тільки поверхні стали 12Х18Н10Т і майже в 3 рази більше, ніж при модифікуванні тільки поверхні стали 10895.

9. Встановлена можливість з'єднання дисперсійнотвердіючих жароміцних сплавів дифузійним зварюванням з прошарками, що розплавляються, шляхом обробки низькоенергетичним високострумовим електронним пучком поверхні деталей із заздалегідь нанесеним, з метою легування, шаром елементів, що знижують температуру плавлення сплавів, наприклад Zr, Hf, Nb. Це дозволило виключити виготовлення припоїв, проблему їх встановлення в важкодоступних місцях, забезпечити плавний перехід від основного матеріалу до легованого шару завтовшки від 20 до 50 мкм, а також виключити необхідність проведення тривалого дифузійного відпалу паяних з'єднанні.

10. При з'єднанні металів з керамікою рекомендовано використовувати ступінчасте охолодження при керованому прикладанні навантаження. Величина інтервалу зменшення температури при ступінчастому охолодженні визначається з умови не перевищення напруженнями розтягу, що діють в кераміці, її міцності, при цьому прикладання тиску стиснення зменшує напруження розтягу в матеріалі з меншим ТКЛР (кераміці) і зменшує ризик його крихкого руйнування, що реалізовано при виготовленні металокерамічних гермовводів електронно-променевих гармат.

11. При проектуванні і виготовленні корпусів електромагнітних клапанів гідросистем літаків використаний ефект локалізації пластичних деформацій в зоні стику при дифузійному зварюванні з накладенням теплозмін, що дозволило підвищити тиск їх руйнування (до 980 ат. при необхідних (50+10) ат.) і скоротити час зварювання щонайменше в два рази.

Розроблені рекомендації щодо дифузійного зварювання різних матеріалів використано для оптимізації конструкції і технології виготовлення вузлів складених іонно-плазмових катодів, металокерамічних ізоляторів, метало-графітових підшипників і ін. які за своїми характеристиками не поступаються світовому рівню.

Основні публікації за темою дисертації

1. Совершенствование технологии диффузионной сварки корпусов электромагнитных клапанов / В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, М.В. Матвиенко, Б.В. Бугаенко, В.Ю. Волошин // Захист металургійних машин від поломок: Зб. наук. праць. - Маріуполь: ПДТУ. - 2006 - Вип. 9. - С. 178_183.

Докторантом, на основі аналізу результатів досліджень, запропоновано шляхи вдосконалення технології дифузійного зварювання виробів.

2. Квасницкий В.В. О кинетике образования соединения при диффузионной сварке в вакууме нержавеющей стали с армко-железом / В.В. Квасницкий // Зб. наук. праць НУК. - 2007. - № 4. - С. 51_57.

3. Моделирование напряженно-деформированного состояния при диффузионной сварке электромагнитных клапанов / В.В. Квасницкий, М.В. Матвиенко, Ал.В. Лабарткава, Г.В. Ермолаев, В.Ф. Квасницкий // Проблеми техніки: Науково-виробничий журнал Одеського націон. морського ун-ту. - Одеса: ОНМУ. - 2007. - № 1. - С. 87_96.

Докторантом запропоновано розрахункову модель та узагальнено результати комп'ютерного моделювання.

4. Квасницький В.В. Моделювання напружено-деформованого стану при дифузійному зварюванні матеріалів з різними фізико-механічними властивостями / В. Квасницький, Г. Єрмолаєв, М. Матвієнко // Машинознавство: Всеукр. щоміс. наук.-техн. і виробн. журнал. - 2007. - № 7. - С. 30_39.

5. Квасницкий В.В. Напряженно-деформированное состояние при диффузионной сварке узла втулка-втулка из разнородных материалов / В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, М.В. Матвиенко // Зб. наук. праць НУК. - 2007. - № 2. - С. 50_56.

В роботах 4 і 5 докторантом запропоновано розрахункову модель та визначено вплив фізико-механічних властивостей матеріалів на формування напружено-деформованого стану з'єднань.

6. Напряженно-деформированное состояние при диффузионной сварке металлов с различными физико-механическими свойствами применительно к деталям цилиндрической формы / В.В. Квасницкий, М.В. Матвиенко, Ал.В. Лабарткава, Т.А. Пивоварова // Зб. наук. праць НУК. - 2007. - № 3. - С. 61_67.

7. Квасницкий В.В. Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния при диффузионной сварке разнородных материалов применительно к узлам цилиндр-цилиндр и втулка-втулка / В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, М.В. Матвиенко // Зб. наук. праць НУК. - 2007. - № 5. - С. 57_65.

В роботах 6 і 7 докторантом визначено методики розрахунків та узагальнено результати теоретичних досліджень.

8. Махненко В.И. Влияние физико-механических свойств соединяемых материалов и геометрии деталей на распределение напряжений при диффузионной сварке в вакууме / В.И. Махненко, В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев // Автоматическая сварка. - 2008. - № 1. - С. 5-11.

Докторантом запропоновано розрахункові моделі та визначено вплив геометрії деталей та фізико-механічних властивостей матеріалів на розподіл напружень при формуванні зварних з'єднань.

9. Квасницкий В.В. Влияние напряженно-деформированного состояния на параметры режима диффузионной сварки разнородных сталей / В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, М.В. Матвиенко // Зб. наук. праць НУК. - 2007. - № 1. - С. 33_40.

Докторантом узагальнено результати досліджень.

10. Общие закономерности формирования напряженного состояния при диффузионной сварке деталей цилиндрической формы / В.Д. Кузнецов, В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, М.В. Матвиенко // Зб. наук. праць НУК. - 2007. - № 6. - С. 62_73.

Докторантом, на основі аналізу результатів теоретичних досліджень за допомогою комп'ютерного моделювання, узагальнено закономірності формування напруженого стану зварних з'єднань вузлів циліндричної форми.

11. Оценка применимости метода компьютерного моделирования к исследованию напряженно-деформированного состояния цилиндрических узлов / В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, М.В. Матвиенко, Б.В. Бугаенко, В.Ф. Квасницкий // Автоматика, автоматизация, электротехнические комплексы и системы: Научно-техн. журнал. - Херсон: ХНТУ. - 2008. - № 2. - С. 5-9.

Докторантом розроблено методику оцінки і виконано аналіз і порівняння результатів аналітичних рішень та комп'ютерного моделювання.

12. Влияние пластических деформаций на напряженно-деформированное состояние при диффузионной сварке узлов втулка-фланец / В.И. Махненко, В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, М.В. Матвиенко // Зб. наук. праць НУК. - 2008. - № 2. - С. 55-61.

Докторантом узагальнено результати комп'ютерного моделювання.

13. Квасницкий В.В. Влияние выточек во втулке на напряжённо-деформированное состояние узла втулка-фланец при диффузионной сварке / В.В. Квасницкий // Зб. наук. праць НУК. - 2008. - № 3. - С. 59-63.

14. Квасницкий В.В. Влияние относительного радиуса цилиндрических деталей на напряженное деформированное состояние при диффузионной сварке разнородных материалов / В.В. Квасницкий // Проблеми техніки: Наук.-виробн. журнал. - 2008. - № 3. - С. 121_129.

15. Экспериментальное исследование деформирования сварного узла типа втулка-втулка из разнородных материалов / В.В. Квасницкий, Ю.Г. Золотой, А.В. Лабарткава, М.В. Матвиенко, А.С. Карпенюк // Зб. наук. праць НУК. - 2008. - № 4 - С. 65-73.

Докторантом запропоновано експериментальний зразок, визначено режими випробувань, розрахункова модель, узагальнено результати експериментальних досліджень та проведено їх порівняння з результатами комп'ютерного моделювання.

16. Квасницкий В.В. Влияние геометрии деталей из разнородных материалов на напряженно-деформированное состояние при диффузионной сварке / В.В. Квасницкий // Зб. наук. праць НУК. - 2008. - № 5. - С. 42_46.

17. Махненко В.И. Напряжённо-деформированное состояние соединений при диффузионной сварке материалов с различными физико-механическими свойствами / В.И. Махненко, В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев // Автоматическая сварка. - 2008. - № 8. - С. 5-10.

Докторантом узагальнено результати теоретичних досліджень по впливу фізико-механічних властивостей матеріалів на формування напружено-деформованого стану з'єднань.

18. Квасницкий В.В. Влияние пластических деформаций на напряжённо-деформированное состояние при диффузионной сварке разнородных материалов / В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, М.В. Матвиенко // Зб. наук. праць Національного університету кораблебудування (НУК) імені адмірала Макарова. - 2008. - № 1. -

19. С. 100-107.

Докторантом узагальнено результати комп'ютерного моделювання.

20. Влияние деформаций ползучести на напряженно-деформированное состояние при диффузионной сварке разнородных материалов / В.В. Квасницкий, А.В. Лабарткава, М.В. Матвиенко, Е.Н. Волкодаева, А.В. Гетманцев // Зб. наук. праць НУК. - 2008. - № 6. - С. 41_49.

Докторантом запропоновано схему та методику розрахунків, визначено важливі для дифузійного зварювання стадії деформацій повзучості та узагальнено результати досліджень.

21. Квасницкий В.В. Сравнение и оценка эффективности вариантов нагружения при диффузионной сварке цилиндрических узлов из разнородных материалов // В.В. Квасницкий // Проблеми техніки: Наук.-виробн. журнал.. - 2008. - № 4. - С. 70-79.

22. Квасницкий В.В. Влияние деформаций ползучести на напряженно-деформированное состояние при сжатии в условиях диффузионной сварки разнородных материалов / В.В. Квасницкий, М.В. Матвиенко, Г.В. Ермолаев // Зб. наук. праць НУК. - 2009. - № 1. - С. 98_105.

Докторантом узагальнено результати теоретичних досліджень.

23. Махненко В.И. Напряженно-деформированное состояние узлов цилиндрической формы при диффузионной сварке / В.И. Махненко, В.В. Квасницкий // Автоматическая сварка. - 2009. - № 2. - С. 5-10.

Докторантом узагальнено результати комп'ютерного моделювання напружено-деформованого стану циліндричних вузлів.

24. Кузнецов В.Д. Напряженно-деформированное состояние при диффузионной сварке разнородных металлов в узлах втулка-фланец / В.Д. Кузнецов, В.Ф. Квасницкий, М.В. Матвиенко // Вестник НТУУ „КПИ”. Машиностроение. - 2008. - № 55 - C. 134-142.

Докторантом запропоновано розрахункову модель, та узагальнено результати комп'ютерного моделювання.

25. Григоренко Г.М. Актуальные проблемы исследования физико-механических свойств материалов для сварных и паянных конструкций / Г.М. Григоренко, В.В. Квасницкий, С.Г. Григоренко и др. // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК, 2009, № 5. - С.78-85.

Докторантом запропоновано методики проведення досліджень з використанням установки Gleeble-3800, узагальнено результати експериментальних досліджень.

26. Квасницкий В.В. Применение модифицирования поверхностей воздействием низкоэнергетических сильноточных электронных пучков при диффузионной сварке и пайке с давлением / В.В. Квасницкий, // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК. - 2009, № 2. - С. 96-105.

27. Кузнєцов В.Д. Роль термодеформационных процессов и модифицирование поверхностей при диффузионной сварке и пайке с давлением / В.Д. Кузнецов, В.В. Квасницкий // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК. - 2009, № 3. - С. 111-222.

Докторантом узагальнено результати теоретичних та експериментальних досліджень.

28. Квасницкий В.В. Кинетика напряжённо-деформированного состояния в зоне стыка при диффузионной сварке разнородных материалов при совместном сжатии и термоциклировании / В.В. Квасницкий // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК, 2009, № 65. - С. 62-69.

29. Квасницкий В.В. Оптимизация конструкции металлокерамического узла на основе моделирования напряженно-деформированного состояния / В.В. Квасницкий, Ал.В. Лабарткава // Проблеми техніки: Науково-виробничий журнал. - Одеса: ОНМУ. - 2009. - № 1. - С. 82_89.

Докторантом узагальнено результати комп'ютерного моделювання, визначено оптимальні параметри процесу з'єднання та товщина коварових фланців.

30. Напряженно-деформированное состояние двухслойных втулок из разнородных материалов / В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, А.В. Лабарткава, Фам Ван Туан // Адгезия расплавов и пайка материалов: Сб. научн. тр. - 2007. - Вып. 40. - С. 91_97.

Докторантом узагальнено результати теоретичних досліджень.

31. Квасницкий В.В. Влияние прочности и сопротивления ползучести металла на остаточное напряжённо-деформированное состояние металлокерамических соединений / В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, Ал.В. Лабарткава // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК. - 2009, № 4. - С. 20-28.

Докторантом визначено граничні умови розрахунків, узагальнено результати теоретичних досліджень та проведено їх порівняння з літературними даними.

32. Матвієнко М. Удосконалення технології дифузійного зварювання корпусів електромагнітів шляхом визначення напружено-деформованого стану / М. Матвієнко, В. Квасницький // Машинознавство: Всеукр. щоміс. наук.-техн. і виробн. журн. - 2009, № 8 (146). - С. 43-47.

33. Махненко В.И. Особенности формирования напряжённо-деформированного состояния соединений разнородных материалов, полученных диффузионной сваркой / В.И. Махненко, В.В. Квасницкий // Автоматическая сварка. - 2009, № 8. - С. 11-16.

В роботах 31 і 32 докторантом на основі аналізу результатів комп'ютерного моделювання надано рекомендації по оптимізації параметрів процесу з'єднання деталей.

34. Патент на корисну модель № 23414. Спосіб дифузійного зварювання матеріалів / В.В. Квасницький, М.В. Матвієнко, Г.В. Єрмолаєв, В.Ф. Квасницький, Б.В. Бугаєенко, В.Ю. Волошин. Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова. ИА. В23К 20/14. Заявл. 25.12.2006. Опубл. 25.05.2007. Бюл. 7.

Докторантом запропоновано розроблений спосіб дифузійного зварювання матеріалів на основі проведених досліджень.

35. Патент на корисну модель № 47368 Спосіб дифузійного зварювання металів / М.М. Коваль, Ю.Ф. Іванов, В.В. Квасницький, В.Ф. Квасницький, Л.І. Маркашова, М.В. Матвієнко. Заяв. 31.08.09. № u200909042. МПК (2009), В23К 20/14. Опубл. 25.01.2010. Бюл. № 2.

Докторантом розроблено спосіб дифузійного зварювання матеріалів із модифікуванням поверхонь з'єднання низькоенергетичними високострумовими електронними пучками.

36. Патент на винахід, № 81583. Спосіб дифузійного зварювання матеріалів / В.В. Квасницький, М.В. Матвієнко, Г.В. Єрмолаєв, В.Ф. Квасницький, Б.В. Бугаєнко, В.Ю. Волошин. Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова. ИА. МПК (2008). В23К 20/14. Заявл. 21.11.2006. Опубл. 10.01.2008. Бюл. 1.

Докторантом запропоновано розроблений спосіб дифузійного зварювання матеріалів на основі проведених досліджень.

37. Применение сильноточного электронного пучка для модифицирования поверхности железа, нержавеющей стали и жаропрочного сплава / В.В. Квасницкий, В.Д. Кузнецов, Н.Н. Коваль, Ю.Ф. Иванов, А.Д. Терехов, Л.И. Маркашова, В.Ф. Квасницкий // Электронная обработка материалов: Научн. и произв.-техн. журнал. - Кишинев: Институт прикладной физики АН Республики Молдова - 2009. - № 3. - С. 14_20.

Докторантом досліджено вплив модифікування поверхонь та режимів обробки на властивості та структуру оброблених поверхневих шарів.

38. A High-Current Elektron Beam Application for the Surface Modification of Iron, Stainless Steel and Heat Resistant Alloys / V.V. Kvasnitskii, V.D. Kuznetsov, N.N. Koval, Yu.F. Ivanov, A.D. Teresov, L.I. Markashova, V.F. Kvasnitskii // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. Allerton Press. inc. - 2009, Vol. 45, № 3. - P. 180_185.

Докторантом визначено вплив режимів модифікування поверхонь на їх властивості та структуру.

39. Квасницкий В.В. Влияние соотношения размеров цилиндрических деталей из разнородных материалов на напряженно-деформированное состояние при диффузионной сварке / В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, М.В. Матвиенко // Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах: Сб. тр. четвертой междунар. конф. 27-30 мая 2008 г., пос. Кацивели, Украина. Под ред. проф. В.И. Махненко. - Киев: ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины. - 2009. - С. 23_27.

Докторантом запропоновано розрахункові моделі та узагальнено результати досліджень.

40. Квасницкий В.В. Оптимизация напряженно-деформированного состояния при диффузионной сварке разнородных материалов / В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, М.В. Матвиенко // Там же. - С. 28_33.

41. Квасницкий В.В. Оптимизация конструкции металлокерамического гермоввода на основе моделирования напряженного состояния и разработка технологии пайки / В.В. Квасницкий, Ал.В. Лабарткава // Там же. - С. 34_37.

В роботах 39 і 40 на основі аналізу теоретичних та експериментальних досліджень докторантом запропоновано оптимальні параметри процесу з'єднання та форми заготовок.

42. Квасницкий В.В. Напряжённо-деформированное состояние двухслойных втулок из разнородных материалов / В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, Ан.В. Лабарткава // Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах: Сб. тр. четвёрной междунар. конф. 27-30 мая 2008 г., пос. Кацивели, Украина. Под ред. проф. В.И. Махненко. - Киев: ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины. - 2009. - С. 38-41.

Докторантом запропоновано розрахункові моделі, визначено граничні умови розрахунків, узагальнено результати досліджень.

43. Махненко В.И. Напряженно-деформированное состояние при диффузионной сварке материалов с разными физико-механическими свойствами / В.И. Махненко, В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев // Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах: Сб. тр. четвертой междунар. конф. 27-30 мая 2008 г., пос. Кацивели, Украина. Под ред. проф. В.И. Махненко. - Киев: ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины. - 2009. -С. 95_102.

44. Компьютерное моделирование напряжённо-деформированного состояния при диффузионной сварке / Г.В. Ермолаев, В.В. Квасницкий, М.В. Матвиенко, А.В. Лабарткава, В.Ф. Квасницкий // Быстрозакалённые материалы и покрытия: Сб. тр. 5-й Всероссийск. с междунар. участ. научн.-техн. конф. 12-13 дек. 2006 г. Научно-техн. семинар ,,Диффузионная сварка и её роль в соврем. технике'', посв. 100-летию Н.Ф. Казакова. - М.: ,,МАТИ'' - РГТУ им. К.Э. Циолковского. - 2006. - С. 24-28.

В роботах 42 і 43 докторантом проведено аналіз та узагальнено результати досліджень.

45. Structure and Properties of Armco Iron and Stainless Steel, Manufactured by High-Current Low-Energy Electronic Beam / N.N. Koval, Yu.F. Ivanov, V.V. Kvasnitskyy, V.F. Kvasnitskyy, L.I. Marcashova // 9th International Conferenceon Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows: Proceedings / Ed. By Nikolai Koval and Alexander Ryabchikov. - Tomsk: Publishing house of the IAO SB RAS, 2008. - P.p. 274- 277.

Докторантом узагальнено результати експериментальних досліджень.

46. Mathematical Simulation of the Thermal Tension Material State in the High-Current Electronic Beam Pulse Surfacing / L.M. Dykhta, V.V. Kvasnitskyy, N.N. Koval, Yu.F. Ivanov, V.F. Kvasnitskyy // 9th International Conferenceon Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows: Proceedings / Ed. By Nikolai Koval and Alexander Ryabchikov. - Tomsk: Publishing house of the IAO SB RAS, 2008. - P.p. 278- 281.

Докторантом визначено початкові та граничні умови моделювання, запропоновано розрахункові моделі та узагальнено результати досліджень.

47. Хизнеченко Ю.Н. Применение метода конечных элементов для анализа напряжённо-деформированного состояния, вызванного локальным нагревом при использовании дефектов литья деталей из жаропрочных никелевых сплавов / Ю.Н. Хизниченко, В.В. Квасницкий // Современные сварочные и родственные технологии и их роль в развитии производства: Матер. Междунар. конф. - Николаев: УГМТУ. - 2003.- С. 75-77.

48. Квасницкий В.В. Влияние пластических деформаций на напряжённо-деформированное состояние при диффузионной сварке деталей цилиндрической формы из разнородных материалов / В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, М.В. Матвиенко // Сварка и родственные технологии в третьем тысячилетии: Тез. стенд. докл. Междунар. конф. - К.: ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины. - 2008. - С. 138-139.

В роботах 46 і 47 докторантом запропоновано розрахункові моделі, визначено граничні умови розрахунків, узагальнено результати досліджень.

49. Квасницький В.В. Удосконалення технології дифузійного зварювання корпусів електромагнітів на основі аналізу напружено-деформованого стану / В. Квасницький, М. Матвієнко // 9-й Міжнар. симпоз. укр. інж.-механіків у Львові: Праці. - Львів: 2009. - С. 213-214.

Докторантом узагальнено результати досліджень та на їх основі запропоновано шляхи підвищення якості виробів.

50. Вовченко А.И. Оптимизация конструкции и технологии пайки керамического проходного изолятора высоковольтного импульсного конденсатора / А.И. Вовченко, В.В. Квасницкий, А.В. Лабарткава // Проблемы сварки и родственных процессов и технологий: Матер. Междунар. научно-техн. конф., посвящ. 50-летию кафедры сварочн. пр-ва НУК и 75-летию ИЭС им. Е.О. Патона: Николаев: НУК, 2009. - С. 32.

51. Оптимизация конструкции металлографитовых подшипников скольжения на основе анализа напряжений в паяных узлах / В.М. Емельянов, В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев А.В. Лабарткава, М.В. Матвиенко // Там же. - С. 50.

52. Разработка конструкции и технологии изготовления составного катода для ионно-плазменного напыления тугоплавких металлов / В.В. Квасницкий, М.В. Матвиенко, И.А. Колесар, С.В. Дмитренко // Там же. - С. 59.

В роботах 49 - 50 докторантом запропоновано розрахункові моделі, узагальнено результати досліджень та на їх основі визначено оптимальні розміри і параметри режиму з'єднання деталей.

53. Формирование остаточных напряжений в торцовых соединениях графита и меди и их влияние на технологию диффузионной сварки и пайки узлов / В.В. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, А.В. Лабарткава, М.В. Матвиенко, Б.В. Бугаенко, А.М. Костин // Там же. - С. 57.

Докторантом узагальнено результати експериментальних досліджень.

Анотація

Квасницький В.В. Дифузійне зварювання з керованим напружено-деформованим станом і модифікуванням поверхонь з'єднання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.06 «Зварювання та споріднені процеси і технології» Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Київ, 2010.

Дисертація присвячена вивченню закономірностей формування напружено-деформованого стану при дифузійному зварюванні різнорідних матеріалів.

Встановлено, що дифузійне зварювання з термоциклуванням підвищує рівномірність розподілу і сприяє локалізації пластичних деформацій в стику.

Запропоновано показники, що визначають умови, формування якісних з'єднань, а також шляхи зниження залишкових напружень у вузлах з різнорідних матеріалів.

Модифікування поверхонь з'єднання високострумними високострумовими електронними пучками сприяє формуванню з'єднань, а легування поверхні жароміцних сплавів дозволяє зменшити температуру зварювання.

На основі виконаних досліджень розроблено рекомендації по конструюванню вузлів, технології дифузійного зварювання, освоєно виробництво промислових виробів, модернізовано устаткування.

Ключові слова: дифузійне зварювання, напружено-деформований стан, термоциклування, модифікування, технологія.

Аннотация

Квасницкий В.В. Диффузионная сварка с управлением напряжённо-деформированным состоянием и модифицированием соединяемых поверхностей. - Рукопись.

Диссертация на соискания учёной степени доктора технических наук по специальности 05.03.06 «Сварка и родственные процессы и технологии» Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Киев, 2010.

Диссертация посвящена изучению закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния при диффузионной сварке разнородных материалов и остаточных напряжений с учётом различных факторов и влияния напряженно-деформированного состояния и модифицирования соединяемых поверхностей с применением обработки низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками на формирование соединений с целью совершенствования технологий диффузионной сварки и повышения качества соединений.

Методом компьютерного моделирования исследовано НД состояние при ДС с учётом влияния пластических деформаций, изменения температуры, внешней нагрузки, геометрии и конструктивных факторов узлов. Для проведения моделирования на установке Gleeble-3800 определяли физико-механические свойства, уравнения и параметры ползучести исследованных металлов. Установлено, что при ДС материалов с разными физико-механическими свойствами в зоне стыка создается сложное НД состояние с неравномерным распределением осевых, радиальных, окружных, касательных и эквивалентных напряжений. При постоянной температуре диффузионной сварки разнородных материалов в менее жестком материале в зоне стыка образуется напряженное состояние, близкое к всестороннему сжатию, при котором уровень эквивалентных напряжений и пластических деформаций уменьшается в этой зоне и достигает максимального значения вне её, то есть появляется эффект, известный в литературе, как упрочнение менее прочного материала в контакте с более прочным, что ухудшает формирование соединений.

Показано, что эффективным способом локализации пластических деформаций в зоне стыка, обеспечивающим уровень эквивалентных напряжений значительно выше номинальных, является изменение температуры в условиях сжатия. Характер и уровень НД состояния при заданном интервале изменяющихся температур в наибольшей мере определяют внешнее давление и различие ТКЛР материалов. Аналогичный эффект локализации напряжений и деформаций сдвига в зоне стыка имеет место при соединении жаропрочных сплавов, находящихся в аустенизированном и состаренном состояниях и испытывающих при температурах сварки структурные превращения, сопровождающиеся изменением объёма.

Установлено, что при ДС разнородных материалов в условиях изменяющейся температуры в стыке между втулками и втулками с фланцами на некотором расстоянии от внутренней поверхности втулки формируется зона с касательными напряжениями и деформациями сдвига, близкими к нулю, как и в центральной зоне при сварке цилиндров, что не позволяет использовать деформационный механизм активации соединяемых поверхностей. Показано, что диффузионная сварка с термоциклированием повышает равномерность распределения пластических деформаций по стыку и обеспечивает качество соединений при снижении температуры сварки.

На базе установленных закономерностей предложены коэффициенты, определяющие условия, формирования качественных соединений, а также пути снижения остаточных напряжений в узлах из разнородных материалов (ступенчатое охлаждение под давлением с релаксацией напряжений в пластичном металле, выбор конструкции узла).

Исследования ДС с модифицированием поверхностей пучками при использовании сильноточных низкоэнергетических электронных пучков показали, что такая обработка обеспечивает высокую чистоту поверхности, не хуже механического полирования, субмикрокристаллическую структуру, близкую на отдельных участках к наноструктуре, плотность дислокаций до 2·1011 см-2, что свидетельствует о высоком энергетическом уровне поверхностного слоя, способствует формированию соединений, позволяет снизить температуру сварки сталей 10895 и 12Х18Н10Т до температуры обработки стали 10895 с обеспечением прочности соединений на уровне прочности стали 10895, а легирование поверхности жаропрочных сплавов Inconel 718 и ЧС 88Л позволяет снизить максимальную температуру сварки ниже температуры.

Применение легирования поверхностного слоя цирконием, гафнием или другими элементами с применением низкоэнергетических сильноточных электронных пучков позволяет получить расплавляющиеся прослойки, обеспечивающие прочность соединений жаропрочного сплава, не ниже 90 % прочности основного металла.

На основе выполненных исследований разработаны рекомендации по конструированию узлов, технологии диффузионной сварки, освоено производство промышленных изделий, создана в НТУУ ,,КПИ'' установка для диффузионной сварки, предусматривающая возможность использования модифицирования материалов с применением низкоэнергетических сильноточных электронных пучков.

Ключевые слова: диффузионная сварка, напряжённо-деформированное состояние, термоциклирование, модифицирование, технология.

Abstract

Kvasnytskyy V.V. Diffusion welding with controllable mode of deformation and modification of connectable surfaces. - Manuscript.

Thesis for the degree of Doctor's degree on speciality 05.03.06 “Welding and related processes and technologies”. National technical university of Ukraine “Kyiv Politechnical Institute”, Kyiv, 2010.

Qualification work is devoted to investigation regularities of formation mode of deformation by diffusion welding of dissimilar materials.

It was determined that diffusion welding with thermocycling raises equitability and favoures locating of plastic deformation in joint.

Characteristic, which define conditions of qualitative joints, and ways of lowering residual strains in joints of dissimilar materials, were proposed.

Modification of joint surfaces with high-current low-energy electron beams promotes formation of joints, and alloying of surfaces of high-temperature alloys make it possible to bring down the temperature of welding.

On basis of investigation executed guidelines on construction of joints, on technology of diffusion welding were developed, production of products of industry was coped with, equipment was modernized.

Key words: diffusion welding, mode of deformation, thermocycling, modification, technology.

Размещено на Allbest.ru

...