к.т.н., доц. Перевозникова Я.В., асс. Вавилина Н.А.,

к.т.н., инж. Перекрестов А.П., студ. Болотникова С.Н.

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия

Технологический подбор параметров диффузионной сварки при равномерном давлении по криволинейным и цилиндрическим поверхностям деталей

Коммутационные аппараты используются для формирования необходимых схем выдачи от электростанций и передачи на расстояние мощности и схем электроснабжения потребителей. При номинальном напряжении не более 35кВ масса и габариты аппаратов, используемых для распределения электроэнергии между потребителями, относительно невелики. Это позволяет изготовлять распределительные устройства или отдельные их элементы (ячейки) полностью в заводских условиях. Распределительные устройства, изготовляемые укомплектованными блоками для монтажа на месте эксплуатации, называют комплектными распределительными устройствами. Наиболее ответственным элементом их схем является высоковольтный выключатель, предназначенный для включения и отключения токоведущих элементов электроэнергетических систем в нормальных (отключение рабочего тока) и аварийных (отключение тока короткого замыкания) режимах и, тем самым, для предотвращения развития аварий в электроэнергетических системах. В последнее время интенсивно развиваются конструкции вакуумных выключателей. Их отличительная особенность - гашение дуги при первом же переходе тока через нуль (после расхождения контактов). Вакуумные выключатели - это устройства, в которых операции включения и выключения сильноточных электрических цепей осуществляются в вакууме порядка 10^-3Па и выше. Вакуумные выключатели обладают преимуществами компактности, произвольности рабочего положения, низкого энергопотребления механизма управления, пожаро- и взрывобезопасности, быстрого и надежного срабатывания, широкого диапазона допустимой температуры, окружающей вакуумную дугогасительную камеру среды (70…2000°С), повышенной износостойкости контактов и стойкости к ударным и вибронагрузкам, бесшумности и отсутствия выбросов продуктов горения дуги. Кроме того, вакуумные выключатели характеризуются автономностью, большим сроком службы и не нуждаются в ремонте, что обусловливает их широкое применение для выключения цепей при напряжениях от 3,3 до 35кВ, в т. ч. в условиях частых коммутаций. Главными компонентами вакуумных выключателей являются оболочка (обеспечивающая изоляцию при разделении контактов), неподвижный и подвижный контакты, контактные наконечники, сильфон (обеспечивающий движение контактов) и защитный экран (предохраняющий сильфон и оболочку от продуктов искрения) [1].

Различают контакты двух видов - разрывные и скользящие. В вакуумных дугогасительных камерах применяются торцевые разрывные контакты, поскольку при трущихся контактах возможно образование микрочастиц материала. Кроме того, при торцевых контактах промежуток между контактами в отключенном положении равен их перемещению. Контактные наконечники, принимающие участие в прерывании тока цепи, играют решающую роль в ее замыкании и размыкании. Это наиболее важные детали вакуумного выключателя. Они должны удовлетворять следующим требованиям: хорошая механическая прочность; хорошая теплопроводность; малые усилия разрыва при приваривании контактов; слабая и равномерная эрозия при искрении; хорошая электропроводность; низкие токи отсечки; прерывание высоких токов замыкания при перегрузках; низкая упругость пара.

Ни один из известных материалов сам по себе не может удовлетворять всем этим требованиям. Например, медь способна обеспечить хорошую тепло- и электропроводность, но она неудовлетворительна по контактной эрозии, усилию разрыва сварки и т.д., а хром не может удовлетворить требованиям хорошей электропроводности и низких уровней токов отсечки, хотя и способен прерывать очень большие токи. Для вакуумных выключателей электрических цепей с напряжением 11кВ и выше широко используются медно-вольфрамовые и медно-хромовые контакты. При этом используются преимущества меди (способность проводить большие токи, низкое удельное электрическое сопротивление) и вольфрама или хрома (износостойкость и тугоплавкость). Получающийся материал обладает довольно высокой электропроводностью и лучше противостоит износу. Для получения таких контактов применяются методы порошковой металлургии. В контактах, изготовленных такими методами, объединяются свойства различных компонентов в одном композиционном материале (псевдосплаве - гетерогенной изотропной системе из невзаимодействующих или мало взаиморастворимых в жидком и твердом состояниях металлических или металлоподобных фаз, имеющей каркасную или матричную структуры). Это дает возможность не только заменить контакты из классических благородных материалов спеченными композитами, но и улучшить их эксплуатационные свойства (стойкость к износу и обгоранию) и уменьшить расход материала на их производство [2]. Разные сочетания с некоторыми добавками, предназначенными для получения лучшей плотности, оптимальных результатов и облегчения массового производства обеспечивают очень хорошие характеристики и находят широкое применение (например, контакты Cr-Cu-W марки МП, разработанные для вакуумных дугогасительных камер с номинальными токами до 2кА, обеспечивают высокую электрическую прочность и отключающую способность в сочетании с малой привариваемостью контактов за счет небольшой добавки вольфрама (3%), уменьшающей свариваемость контактов в два-три раза). Для контактов высоковольтных сильноточных выключателей используют псевдосплавы каркасного строения (имеющие структуру взаимопроникающих каркасов из тугоплавкого и легкоплавкого компонентов), полученные методом пропитки (заполнением пор формовки из более тугоплавкого компонента расплавленным легкоплавким) жидкой медью пористого предварительно спеченного тугоплавкого каркаса, которые обладают высокой прочностью и практически не содержат пор.

Основные трудности, которые сдерживают развитие вакуумных выключателей по параметрам, связаны с теплоотводом от контактов, как при рабочем токе, так и в процессе дугогашения. Для улучшения теплоотвода от рабочих поверхностей контактных деталей их основание выполняется из меди, а рабочие поверхности образованы слоем дугостойкого псевдосплава толщиной 4…5 мм. Такая комбинированная деталь обладает в 5 раз большим сроком службы, чем изготовленная целиком из порошкового псевдосплава. При использовании этого типа контактов реализуется возможность экономии дорогих и дефицитных материалов. При этом существенно снижаются потери металлов во время производства контактов, решается задача производства контактных деталей одновременно с контактодержателем и обеспечивается более совершенное крепление композиционного рабочего слоя на токоподводящей части контактодержателя. Существует много методов формирования биметаллических контактов. Их определяет требуемая форма и распределение на них рабочего слоя. Одним из самых универсальных в этом смысле методов является диффузионная сварка в вакууме или в среде восстановительных газов [3].

Такие отличительные особенности диффузионной сварки, как обычно небольшие скорости нагрева и охлаждения, отсутствие фазовых превращений типа «твердое тело – жидкость», диффузионный отжиг способствуют получению наиболее низкой энергии и наиболее близкого к равновесному состояния в зоне соединения материалов, а значит и получению наиболее термодинамически стабильного неразъемного соединения по сравнению с известными способами сварки и пайки. Наряду и в связи с данным достоинством у диффузионной сварки можно выделить ряд важных преимуществ, а именно: нагрев соединяемых изделия происходит в вакууме или защитно-восстановительной технологической среде, что улучшает его механические свойства, повышает прочность и срок службы, а также качество соединения; относительно низкая температура нагрева (0,5…0,9 температуры плавления наиболее легкоплавкого из соединяемых материалов) позволяет получать узлы прецизионные и с минимальными деформациями; отсутствие оплавления, окалины и шлака, что позволяет обойтись без последующей механической обработки и практически не нарушить в сварном соединении физико-механические свойства свариваемых материалов; непосредственное взаимодействие соединяемых материалов друг с другом устраняет необходимость в применении флюсов, электродов, присадочной проволоки припоев и т.п., что дает возможность в значительной степени удешевить производство; возможность сварки материалов, соединение которых другими способами затруднено или невозможно; получение принципиально новых конструкций сварных узлов; незначительное изменение свойств основного материала; малая вероятность образования трещин; диффузионные соединения по прочности, пластичности, вакуумной плотности, термической и коррозийной стойкости полностью отвечают требованиям, предъявляемым к любым ответственным конструкциям.

Однако, как и всем существующим способам соединения, диффузионной сварке присущи и некоторые недостатки. Особое значение в последнее время для отечественной промышленности приобретает такой фактор, как необходимость применения дорогостоящего специального оборудования для диффузионной сварки. Однако этот недостаток можно избежать при применении диффузионной сварки с термическими системами давления (ТСД) [2].

Принцип действия систем этого типа основан на явлении термического натяга, возникающего при изменении температуры деталей с различными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР). При создании давления во время нагрева ТКЛР охватываемой детали должен быть больше, чем охватывающей. Возникающие при этом напряжения сжатия оказываются вполне достаточными для осуществления процесса диффузионного соединения данных деталей. Охватывающей деталью может быть не только какой-то элемент свариваемого изделия, но и различные термокомпрессионные устройства (технологические приспособления, оснастки), стягивающие элементы которых изготовлены из материала с ТКЛР меньшим, чем у свариваемых деталей [4]. При соответствующем подборе материалов деталей устройств, а также зазоров в соединении, можно получить практически любую величину усилия сжатия, необходимого для соединения деталей. Важными достоинствами этих устройств являются простота конструкции и низкая стоимость, а также возможность создания равномерного давления при сварке по криволинейным и цилиндрическим поверхностям для деталей любой толщины и габаритов. Область же применения диффузионного соединения материалов с ТСД в этом случае практически не отличается от таковой у классической диффузионной сварки при аналогичных характеристиках используемого оборудования и соответствующем подборе технологических режимов.

Рассмотрим основные принципы выбора материалов для деталей технологического приспособления диффузионной сварки с ТСД [3]. В зависимости от функционального назначения детали ее материал и конструкция должны быть такими, чтобы параметры ее термомеханического нагружения в процессе сварки оказывались не выше таковых, ограничивающих определенную область механического поведения материала данной детали, а именно: область А - реономная составляющая деформации отсутствует (при определенном допуске) - пуансон-фланцы и концентратор; область В - реономная составляющая с упрочнением - зажимные клинья оснастки для сварки малогабаритных деталей и стягивающие стойки; область С - реономная деформация без упрочнения (кратковременная ползучесть) - при определенных условиях может быть допустимой только для клиньев универсальной или специальной оснасток (не считая компенсатора). Аналогично и для склерономной составляющей деформации можно выделить следующие области механического поведения материала: А - упругое поведение - пуансон-фланцы, концентратор, зажимные клинья оснастки для сварки малогабаритных деталей и стягивающие стойки; В - пластическое с упрочнением - клинья универсальной или специальной оснасток (при определенных условиях); С - идеально пластическое (при определенных скоростях деформирования) - ни для каких деталей оснастки (за исключением компенсатора в определенных условиях). Дополнительным требованием ко всем материалам приспособления является достаточно низкая упругость паров данных материалов, если технологической средой является вакуум, и достаточно высокая жаростойкость данных материалов в применяемой газовой технологической среде.

В настоящее время для диффузионной сварки с ТСД элементов контактов вакуумных выключателей, представляющих собой диски из меди М0б и спеченного медно-хромового композиционного материала марки ХД50В-МП, применяется технологическое приспособление (термокомпрессионное устройство), схема которого представлена на рис.1.

Рис. 1. Приспособление для диффузионной сварки с ТСД контактов вакуумных выключателей: 1 - верхний пуансон-фланец (сталь 12Х18Н10Т); 2 – прокладки (слюда); 3 - нижний пуансон-фланец (сталь 12Х18Н10Т); 4 – стягивающие элементы (ковар 29НК); 6 – зажимные клинья (сталь 12Х18Н9Т); 5 – центрирующий элемент (сталь 12Х18Н9Т); 7 - штифты для монтажа нескольких оснасток (ковар 29НК)

Однако используемые для деталей данного приспособления материалы не отвечают требованиям, предъявляемым к их свойствам для обеспечения процесса диффузионной сварки соединяемых деталей, и в первую очередь требованиям к жаропрочности, а также к ТКЛР при параметрах термомеханического нагружения, соответствующих диапазону значений режимов сварки. В результате подбором предварительного технологического зазора (зажима) и температурного режима не удается достичь области значений технологических параметров диффузионной сварки, необходимых для качественного соединения свариваемых материалов (рис.2). Как следствие, более половины, свариваемых в данных приспособлениях контактов расслаиваются по месту сварки при дальнейшей механической обработке.

Рис. 2. Зависимость удельного давления от температуры на первых стадиях диффузионной сварки: 1 – при применении существующего технологического приспособления при максимальной достижимой скорости нагрева на используемом оборудовании при различных значениях величины начального зазора (зажима) (слева от ∆₀ – зажим, справа – зазор) с учётом необходимого времени на прохождение первых стадий процесса; 2 – нижняя граница области значений технологических параметров диффузионной сварки данных материалов

Для исключения данного брака разработано технологическое приспособление для диффузионной сварки элементов контактов вакуумных выключателей, обеспечивающее необходимые значения технологических параметров сварки на используемом оборудовании. В данном приспособлении пуансон-фланцы и зажимные клинья изготовлены из жаропрочного дисперсионно-упрочненного никелевого сплава ХН62МВКЮ (ЭИ867), а стягивающие и центрирующий элементы – из молибдена (марки ЦМ-1 или других марок молибдена и его слаболегированных сплавов). Разработана оптимальная конструкция оснастки на основе критерия минимума объема (массы) ее деталей.

Литература

1. Расчет конструкций и база данных материалов для термокомпрессионных устройств / Г. В. Конюшков, А. П. Перекрестов, Я. В. Перевозникова, Н. М. Котина, С. В. Семенов, Н. А. Вавилина // Вопросы образования и науки: теоретический и методический аспекты: сб. науч. тр. по материалам Междунар. заоч. науч.-практ конф., 30 апр. 2012 г. : в 7 ч. - Тамбов, 2012. - С. 91-109.

2. Анализ и выявление причин низкого качества соединений, полученных при помощи термических систем давления (ТСД) / Я. В. Перевозникова, А. П. Перекрестов, Н. А. Вавилина // Materialy X miedzynarodowej naukowI-praktycznej konferencji "Kluczowe aspekty naukowej dzialalnosci - 2014", Przemysl, 07 - 15 stycznia 2014 roku. - Przemysl, 2014. - Vol. 20: Techniczne nauki. - С. 22-27.

3. Разработка технологических процессов диффузионной сварки в установках с термическими системами давления (ТСД) для изготовления биметаллических контактов вакуумных выключателей / Я. В. Перевозникова, А. П. Перекрестов, Н. А. Вавилина, А. В. Перевозников // Вакуумная наука и техника: материалы XXI науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. - М., 2014. - С. 247-249.

4. Математическая модель и методика определения расчетных режимов технологического процесса диффузионной сварки с термическими системами давления/ Я. В. Перевозникова, А. П. Перекрестов, Н. А. Вавилина // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2015. - № 79. - С. 72-75.