РОЗДІЛ 4 Дослідження властивостей паяних з’єднань 4.1. Методи і зразки для випробовування механічних властивостей
Випробування механічних властивостей паяних з’єднань, як правило, проводяться в три етапи. На першому етапі визначають механічні властивості в лабораторії на стандартних установках і зразках. До цих випробувань належать визначення межі міцності при розтягуванні і в’язкість при ударі. Такі випробування проводять при виборі припою, режимів паяння і термообробки.
Другий етап передбачає більш поглиблене випробування вибраного варіанта паяного з’єднання. Визначають статичні і динамічні характеристики з’єднання – межу утоми при динамічному циклічному навантаженні при розтягуванні, скручуванні, при розтягуванні з вигином, межу витривалості при статичному розтягуванні при високій температурі. В разі потреби створюють методику і устаткування для випробовування механічних властивостей паяних з’єднань при динамічному навантаженні, схема дії якого наближається до реально діючої в паяному вузлі.
На третьому етапі випробовують дослідні зразки реальних паяних вузлів, навантажуючи їх статично або динамічно. Такі етапи випробувань проходять паяні вузли, що відповідають за надійність і довговічність роботи в складних технічних виробах – літаках, компресорах, насосах і їм подібних, в яких постійно або періодично при роботі діють високі динамічні вібраційні навантаження.
Широке застосування мають п’яні з’єднання внапуск. Вони переважно навантажені розтягуванням, і в паяному з’єднанні діє напруга зрізу. Форма і розміри плоских зразків, паяних внапуск, показані на рис. 4.1 і в табл. 4.1. Недоліком їх є несиметрично прикладене навантаження при розтягуванні, внаслідок чого в паяному шві діє не тільки зріз, але й вигин і частково відрив. У циліндричному зразку (рис.4.2) навантаження в основному направлене на зріз паяного шва.
Рисунок 4.1 – Форма плоского зразка для випробування паяного шва на зріз
Таблиця 4.1 – Розміри зразка за рис. 4.1
?
b = 4?
l
2,0
8,0
170
2,5 – 3,0
10 - 12
220
3,5 – 4,0
14 - 16
220
4,5 – 5,0
18 - 20
220
6,0 – 7,0
24 - 28
280
Розміри зразків, зокрема розмір напуску, для визначення межі міцності на зріз ( ?з ) повинні бути такими, щоб руйнувався шов, а не основний метал. Для визначення ?з в паяному зразку видаляють механічною обробкою галтелі паяного з’єднання, тому що вони впливають на показник ?з.
Рисунок 4.2 – Форма циліндричного зразка для випробування паяного шва на зріз: 1 – паяний шов; 2 – циліндрична підставка
а
б
Рисунок 4.3 – Зразки для механічних випробувань стикових паяних з’єднань на розтягування (а) і удар (б)
Механічні властивості стикових паяних з’єднань випробовують на зразках, розміри яких регламентовані стандартами ГОСТ 23047 і ГОСТ 23046 (рис. 4.3).
Дослідженнями [122] було встановлено, що розташування паяного шва в зразку для випробування на удар під кутом 450 з надрізом, як показано на рис. 4.3 б, забезпечує меншу розбіжність у показаннях порівняно із зразком, в якому надріз розташовується у стиковому з’єднанні по паяному шву. Зразок із косим (450) надрізом був рекомендований до затвердження стандартом.
Для виготовлення таких зразків потрібно паяти заготовки (рис. 4.4) із листа товщиною 12-14 мм і довжиною, що дозволяє виготовити 5-7 зразків з розмірами за рис. 4.3. Випробування такої кількості зразків дає статистичну оцінку – розбіг показників і середнє значення – властивостей паяного з’єднання.
Рисунок 4.4 – Паяна заготовка для виготовлення зразка на розтягування (а) і удар (б)
Заготовка може мати циліндричну форму (рис. 4.5). У такій заготовці можна гарантовано регулювати розмір паяльного зазору, що важливо при паянні з наповнювачем із порошку, внесеним перед паянням у паяльний зазор.
Рисунок 4.5 – Схема паяного зразка: 1 – паяльний зазор з наповнювачем; 2, 4 – місця вирізки зразків для випробувань на розтягування й удар; 3 – припій
У комплексі всіх видів випробувань випробування на удар є найбільш чутливим до зміни властивостей з'єднання. Підтвердженням цього є дослідження [123] впливу основних факторів паяння – температури Тп, тривалості витримки при паянні t, розміру паяльного зазору h, розрідження в камері вакуумної печі p - в області можливих рівнів факторів при паянні в вакуумі сталі 07Х16Н6 паладієвим припоєм ПЖК-1000. У результаті дослідження виявили, що найбільше змінюється ударна в'язкість з'єднання (табл. 4.2).
Таблиця 4.2 – Вплив режиму паяння сталі 07Х16Н6 припоєм ПЖК-1000 на механічні властивості паяного з'єднання
Параметри режиму
паяння
Межа міцності, МПа
Межа теку-чості, МПа
Межа утоми, МПа
Ударна в’язкість, Дж/см2
Тп, 0С
t, хв
h, мм
p, Па
1280
10
0,1
0,1Па
1140
890
280
71
1240
20
0,25
1,3Па
1050
760
350
86
1320
0,1
0,25
1,3Па
1130
880
330
72
1240
0,1
0,25
0,01Па
1010
830
310
88
1320
20
0,05
0,1Па
1180
860
300
30
1240
0,1
0,05
0,1Па
1190
880
320
53
1320
0,1
0,05
0,01Па
1130
870
360
35
Чутливість S
0,16
0,15
0,25
0,93
Оцінку результатів дослідів проводили за величиною чутливості S, визначеною з рівняння
,
де PУ- max, Ру- mіn і Ру-сер – відповідно максимальне, мінімальне й середнє арифметичне значення характеристик механічних властивостей з'єднань для всіх дослідів. Найбільшу чутливість до зміни режиму паяння має ударна в'язкість з'єднання. Цю характеристику доцільно використовувати як основну при попередній оцінці матеріалів і режимів паяння.
Необхідними для визначення придатності паяного з'єднання в умовах вібраційного навантаження є дані про утомну міцність. На рис. 4.6 показані зразки для випробувань на утому паяних з'єднань при різних видах навантаження. Зразки типу 4.6 а) застосовуються при випробуванні обертового зразка з консольним навантаженням. Зразки типу 4.6 б) застосовуються при осьовому циклічному симетричному або асиметричному навантаженні. Надріз на паяному шві виконують, коли потрібно виявити чутливість паяного з’єднання до дії концентратора напруги.
а
б
Рисунок 4.6 – Зразки для випробувань паяних з'єднань на утому при консольному навантаженні з обертанням (а) і осьовому циклічному навантаженні (б)
Випробовування на утому зразків форми рис. 4.6 а проводять на машині типу МУП-10 при обертанні зразка під дією консольного навантаження. При цьому схема навантаження обумовлює складну напругу зрізу з вигином. Критерієм межі міцності утоми є напруга, при якій не відбувається руйнування паяного з’єднання після проходження 106 циклів навантаження.
Випробування на утому зразків за формою рис. 4.6 б проводять на машині-пульсаторі фірми «Amsler» 10HF, яка діє за схемою симетричного або асиметричного навантаження при розтягуванні – стисканні. Межею міцності утоми беруть напругу, при якій не руйнується з’єднання після 106 циклів навантаження.
На рис. 4.7 показаний паяний зразок з тавровим з'єднанням для випробувань на розтягання або утомну міцність при консольному циклічному навантаженні.
Рисунок 4.7 – Зразок для випробувань таврового паяного з'єднання на розтягування або утомну міцність при консольному циклічному навантаженні
Випробування таврових з'єднань на утому при розтягуванні проводять на тихохідній машині МУП-100 порівняно зі зразками з основного металу. За базу випробувань взятий один мільйон циклів. При консольному циклічному навантажені на стінці тавра закріплюють тензодатчики, за показами яких реєструють напругу, що спричиняє появу тріщини в з’єднанні або в основному металі.
Прикладом спеціального випробування може бути визначення розмірів телескопічного паяного з’єднання циліндричних деталей для гарантованого забезпечення його межі втоми на рівні основного металу або визначення необхідного запасу міцності. Дослідження зводяться до визначення розміру напуску деталі більшого діаметра на поверхні циліндра деталі меншого діаметра, а також визначення радіуса переходу між ними. Телескопічні паяні з’єднання застосовуються при виготовленні колінчастих валів, штоків та інших деталей.
Межу міцності утоми і вплив на неї радіуса переходу між циліндричними поверхнями телескопічного з’єднання при циклічному навантаженні розтягуванням можна визначити на пульсаторі МУП-100, використавши зразок, показаний на рис. 4.8.
Рисунок 4.8 – Стиковий і телескопічний паяні зразки для випробувань на втому при розтягуванні
При дослідженні паяного телескопічного з,єднання деталей із сталі 35 виявили таке (табл. 4.3).
Таблиця 4.3 – Утомна міцність телескопічного паяного з'єднання сталі 35 з галтельним переходом по металу шва
Діаметр більшої
деталі, мм
Діаметр меншої
деталі, мм
Радіус
галтелі, мм
Межа міцності
утоми при
розтягуванні, мм
Примітка
38
27
3
190
Руйнування
по шву
65
46
3
209
Те саме
65
46
5
266
Руйнування
по основному
металу
65
46
8
270
Те саме
Прикладом є дослідження утоми телескопічного з’єднання зразків із сталі 35 (табл. 4.4).
Таблиця 4.4 – Утомна міцність телескопічного паяного з'єднання сталі 35 при вигині
Розміри зразка, мм
Межа
міцності
утоми,
МПа
Примітка
r
l
d
D
3
3
27
38
247
Руйнування по основному металу
3
6
27
38
260
Те саме
8
5
46
65
283
Те саме
3
5
46
65
252
Те саме
3
5
48
48
188
Те саме
5
3
48
58
211
Те саме
5
2
48
58
180
Те саме
Аналіз випробувань (табл. 4.3, 4.4) показує, що при l = 0 межа утоми при розтягуванні становить 190-209 МПа. Руйнування відбувається по шву. При збільшенні параметра l > 3 мм руйнування відбувається по основному металу. При цьому виконується умова l/d > 0,1. На межу міцності утоми впливає радіус галтелі. У стиковому з'єднанні (l =0) (рис. 4.9 а) при r < 3 мм тріщина зароджується в спаї й переходить у метал шва. При збільшенні радіуса галтелі межа утоми підвищується, й руйнування відбувається по основному металу. При значенні r = 5 мм вплив параметра l уже несуттєвий. Перевищення більшого діаметра D над меншим d більше 5 мм у телескопічному з'єднанні із втулкою (рис.4.9 б) достатнє для забезпечення рівноміцності.
Поряд з лабораторними випробуваннями зразків на заключному етапі випробовують моделі паяних вузлів, а за потреби, і їх натурні зразки. Прикладом може бути випробування паяних робочих коліс відцентрових компресорів (рис. 4.10).
Діаметр паяних робочих коліс знаходиться в межах 240-800 мм. Робочі колеса працюють при високому рівні вібраційного навантаження. Руйнування колеса призводить до значних матеріальних втрат, оскільки відцентрові компресори є потужними установками, задіяними в безперервних технологічних процесах.
У робочих колесах паяні шви з’єднують диски з лопатками, при обертанні ротора з колесами в них виникають складні об’ємні мало- і багатоциклічні напруги. При статичному навантаженні паяні з’єднання лопаток з дисками теж зазнають дії складних напруг, тому що поверхні дисків, а отже, і розташування швів має тривимірне просторове розташування.
а
б
в
Рисунок 4.9 – Схема телескопічного паяного з'єднання (а, б) для випробувань на утому при циклічному навантаженні за схемою (в)
Рисунок 4.10 – Деталі сталевих робочих коліс відцентрових компресорів перед паянням
На рис.4.11 показана схема випробування робочого колеса при осьовому статичному або динамічному навантаженні.
Рисунок 4.11 – Схема випробування паяного колеса при осьовому статичному або циклічному навантаженні
Для випробування натурних зразків коліс необхідна потужна випробувальна гідравлічна машина з пульсатором із зусиллям 100 тонн при статичному і 50 тонн при циклічному навантаженні. Такі можливості має машина МУП-100. На рис. 4.12 показаний основний диск паяного колеса зі сталі 34ХН1М після випробувань при осьовому навантаженні. Руйнування колеса відбулося в основному по металу лопаток.
Рисунок 4.12 – Основний диск паяного колеса із сталі 34ХН1М після статичних випробувань при осьовому навантаженні
При розгінних випробуваннях натурних дослідних паяних коліс реєструють напруги в деталях колеса, визначають при якій частоті обертання з'являються залишкові деформації, при якій швидкості відбувається руйнування колеса і який характер має руйнування. Макроструктура зламу дозволяє визначити особливості формування паяних швів, наявність характерних дефектів та інші відомості, необхідні для прийняття рішення про придатність або необхідність зміни в конструкції й технології. Розгінні випробування натурних дослідних паяних коліс проводять у спеціальних установках, в яких колесо обертається з великою швидкістю у броньованій вакуумній камері. Вакуум в камері випробувань необхідний для того, щоб зменшити потужність приводу установки.
а
б
Рисунок 4.13 – Характер руйнування при розгінних випробуваннях робочих коліс зі сталі 34ХН1М, паяних припоями систем Pd-Nі-Cr (а) і Pd-Nі-Fe (б)
Дослідження уламків деталей зруйнованих при розгінних випробуваннях коліс дозволяє оцінити міцність і пластичність паяних з'єднань. На рис. 4.13 показані зруйновані при розгінних випробуваннях колеса зі сталі 34ХН1М, паяні припоями систем Pd-Nі-Cr і Pd-Nі-Fe. Паяні цими припоями з’єднання при лабораторних випробуваннях мали близькі, прийнятні за вимогами, однакові механічні властивості. При випробуванні колеса, паяного припоєм Pd-Nі-Cr, руйнування відбулося при коловій швидкості 400 м/с крихко по паяних швах, що з'єднують лопатки й покриваючий диск. Диски коліс не зруйнувалися, лопатки відділилися від основного диска. Колесо, паяне припоєм системи Pd-Nі-Fe, зруйнувалося при коловій швидкості 570 м/с із іншим характером руйнування. Покриваючий диск зруйнувався від осьових напруг по всьому полотну й відірвався по лопатках. При цьому на покриваючому диску залишилися припаяні фрагменти лопаток. Аналіз характеру руйнування коліс дає об'єктивні дані про перевагу припою Pd-Nі-Fe при паянні коліс зі сталі 34ХН1М.
,
