19161

Неразборные соединения конструкций

Лекция

Производство и промышленные технологии

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ УСТРОЙСТВ Лекция 910 Неразборные соединения конструкций Конструкционные материалы Для правильного конструирования низкотемпературных устройств необходимо принимать во внимание свойства материалов которые применяются в криог...

Русский

2013-07-11

101 KB

4 чел.

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ УСТРОЙСТВ

Лекция 9,10

Неразборные соединения конструкций

Конструкционные материалы

Для правильного конструирования низкотемпературных устройств необходимо принимать во внимание свойства материалов, которые применяются в криогенной технике (как металлических, так и неметаллических), и способы их неразъемного и разъемного соединения.

Механические свойства металлов и сплавов заметно изменяются при понижении температуры. При этом прочностные характеристики (пределы прочности, текучести, упругости), как правило, улучшаются, в то время как показатели пластичности (ударная вязкость, относительное удлинение и сужение) существенно ухудшаются.

Пластичность характеризует способность материала перераспределять напряжения в зонах концентрации напряжений, например, в сварных швах. Опыт эксплуатации криогенного оборудования показал, что относительное удлинение, обеспечивающее эксплуатационную надежность, должно быть не менее 15 %. Одним из основных легирующих элементов, эффективно влияющих на характеристики сталей в области криогенных температур, является никель. Повышение его содержания приводит к росту предела текучести, временного сопротивления и, главным образом, ударной вязкости (при криогенных температурах) сталей.

Основным конструкционным материалом в устройствах, работающих при низких (особенно гелиевых) температурах, являются стали аустенитного  класса. Наибольшее распространение получили аустенитные стали  марок 10Х18Н9Т, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т. Они характеризуются устойчивостью к нагревам при штамповке, горячей гибке и сварке, что обеспечивается присадкой титана и высокими антикоррозийными свойствами за счет большого содержания хрома (1720 %) и незначительного количества углерода (менее 0,12 %) Эти стали имеют небольшой коэффициент теплопроводности. Используются для изготовления обечаек, крышек, днищ, фланцев, труб, болтов, гаек и т.д.

Показатели прочности цветных металлов и сплавов заметно возрастают с понижением температуры. При этом в отличие от сталей ударная вязкость и пластичность уменьшаются незначительно, а в отдельных случаях (например, для алюминия, меди и некоторых марок латуни) даже улучшаются. Для изготовления экранов с высокой теплопроводностью, а также держателей исследуемых объектов обычно используется медь марки М1. Из этого же материала могут изготавливаться гелиевые и азотные емкости криогенных устройств.

Конструкционные сплавы алюминия с марганцем (АМц) и магнием (АМг), отличаясь достаточно высокой пластичностью, легко деформируются и надежно свариваются аргонодуговой сваркой. Из алюминиево-магниевых сплавов АМг5 и АМг6 повышенной прочности и алюминиево-марганцевого сплава АМцС с улучшенной свариваемостью могут изготавливаться внешние корпуса гелиевых криостатов.

Из неметаллических материалов, применяемых в криогенной технике, наибольшее значение имеют пластмассы.

Важнейшие свойства пластмасс: низкая плотность (в 58 раз меньше, чем у стали и меди, и в 2 раза меньше, чем у алюминия), сравнительно высокая удельная прочность (иногда выше, чем у металлов), низкая теплопроводность, немагнитность и радиопрозрачность, износоустойчивость и химическая стойкость, хорошие электроизоляционные и антифрикционные свойства.

По механическим свойствам пластмассы можно условно разделить на три группы: низкой прочности (с разрушающим напряжением при растяжении р до 60 МПа), средней прочности (р = 60100 МПа) и высокой прочности (р > 100 МПа). К первой группе относятся полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, фторопласт, аминопласты и др.; ко второй – капрон, текстолит, гетинакс, полиамиды, асботекстолит и др.; к третьей – стеклопластики, стекловолокнит АГ-4С, стеклотекстолит и др.

При понижении температуры у большинства пластмасс равномерно возрастают прочность и твердость и равномерно понижаются пластичность и ударная вязкость.

Механические свойства пластмасс с наполнителем в значительной степени зависят от свойств, количества и ориентации волокон наполнителя.

Хорошим материалом по хладостойкости служит фторопласт, успешно используемый вплоть до очень низких температур. Следует иметь в виду, что при температурах выше 200 о С из фторопласта начинается выделение фтористых соединений.

Текстолит и гетинакс часто применяют в криогенных устройствах как прокладочный, теплоизоляционный, электроизоляционный и малофрикционный материал. В частности, из текстолита изготовляют различные уплотнительные кольца движущихся элементов и подшипники скольжения, работающие без смазки при температурах вплоть до гелиевых температур.

Весьма перспективными материалами для криогенной техники могут быть стеклопластики, которые по прочности приближаются к сталям.

Неразборные соединения элементов конструкций криостатов осуществляются с помощью сварки, пайки и склеивания.

9.1. Сварные соединения

Для герметичного соединения деталей в вакуумной и криогенной технике могут применяться следующие виды сварок: а) газовая ацетиленовая; б) электродуговая; в) газодуговая в защитной среде; г) холодная методом пластической деформации; д) диффузионная в вакууме и сварка трением; е) электронно-лучевая.

Применение того или иного вида сварки определяется материалом, конструкцией стыкуемых деталей и толщиной их стенок. В криогенной технике, как правило, используется электродуговая сварка в среде аргона (аргонодуговая сварка). С ее помощью соединяются детали, выполненные из нержавеющей стали, меди, алюминиевых сплавов.

При разработке конструкций, соединяемых с помощью сварки, необходимо руководствоваться следующими правилами:

механическая обработка сварных швов не рекомендуется, так как она может привести к появлению течей;

подварка дефектоного шва производится путем его срезки и наложения нового шва;

пересечение сварных швов по возможности следует избегать;

двухсторонние швы крайне нежелательны, так как в этом случае затрудняется проверка на герметичность;

наложение сварного шва желательно производить со стороны вакуумного объема;

при сварке деталей, имеющих сравнимую толщину, желательно предусматривать выточки, пазы и бортики. Это позволяет однозначно зафиксировать взаимное расположение деталей друг относительно друга (рис. 9.1);

при сварке материалов различной толщины необходимо приводить их в месте сварки приблизительно к одинаковой толщине (рис. 9.2). В противном случае возможен неоднородный прогрев деталей, что приведет к плохому качеству сварного шва.

Примеры конструкций плоских, цилиндрических и угловых сварных вакуумных соединений даны в литературе.

Рис. 9.2(а) и 9.2(б) соответствуют случаю сварного соединения деталей, имеющих одинаковую (или сравнимую) толщину. На рис. 9.2(а) показана сварка деталей встык, на рис. 9.2(б) – по торцу. Если толщина дна больше, чем толщина стенки, необходимо применять способы, показанные на рис. 9.1(в) и 9.1(г). В этих случаях для обеспечения равенства толщин в точке сварки в более массивной детали делается либо технологическая канавка (рис. 9.2(в)), либо производится выборка лишнего материала (рис. 9.2(г)). В низкотемпературных устройствах достаточно часто возникает необходимость сварки тонкостенных трубок и относительно массивных деталей – фланцев, крышек, днищ и т.п. В этих случаях либо применяется правило одинаковых толщин за счет проточек и буртиков (рис. 9.3(а–в)), либо  используется дополнительная деталь вкладыш (рис. 9.3(г)) или стакан (рис. 9.4).


9.2. Паяные соединения

По сравнению со сваркой, герметичная пайка металлов позволяет значительно уменьшить температуру разогрева соединяемых металлов. Могут быть спаяны некоторые металлы и сплавы, не дающие герметичных сварных соединений: сталь и латунь, алюминий и никель. Припой должен иметь высокую механическую прочность, пластичность, коррозийную стойкость, смачиваемость и жидкотекучесть при температуре плавления. Это обеспечивает его проникновение в зазоры между соединяемыми деталями. По относительной тугоплавкости припоев пайка делится на твердую и мягкую. Припои, плавящиеся при температуре ниже 300 оС, используются при мягкой пайке, а припои с температурой плавления более 300 оС – при твердой. Для получения паяных соединений с хорошим тепловым контактом часто применяют чистый индий. Основные марки и характеристики припоев, используемых к криогенной технике, приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Химический состав и температура плавления мягких припоев

Марки припоев

Химический состав, %

Температура плавления, оС

Sn

Pb

Cu

Sb

Bi

Cd

Начало

Конец

ПОС-30

30

67,8

0,2

2

-

-

183

256

ПОС-40

40

57,9

0,1

2

-

-

183

235

ПОС-61

61

38,0

0,1

0,9

-

-

183

183

Сплав Вуда

12,5

25

-

-

50

12,5

68

70

Таблица 9.2

Химический состав и температура плавления твердых припоев

Марки припоев

Химический состав, %

Температура плавления, оС

Cu

Ag

Zn

Начало

Конец

ПСр-25

40

25

35

745

775

ПСр-40

30

40

30

660

725

ПМЦ-48

48

-

52

850

865

ПМЦ-54

54

-

46

876

880

Для получения герметичных соединений важно, чтобы температурный интервал кристаллизации материала не превышал 50 оС. При большем значении припои склонны к ликвидации и не обеспечивают герметичного соединения.

Пайка может осуществляться на воздухе и в защитной среде. При пайке на воздухе для защиты поверхностей от окисления применяют флюсы. Для мягкой пайки флюсом является смесь равных долей ZnCl2 и HCl или раствор канифоли в спирте. Для мягкой пайки нержавеющей стали флюсом может быть ортофосфорная кислота. Твердая пайка нержавеющей стали осуществляется с флюсом, содержащим 40 % фтористого калия и 60 % борной кислоты. Для твердой пайки конструкционных сталей, меди, латуни, бронзы в качестве флюса может применяться обезвоженная бура. Для предотвращения последующей коррозии рекомендуется тщательно смывать флюсы после окончания пайки.

Для получения герметичных спаев большое значение имеет равномерность нагрева и охлаждения сборочного узла. Детали при сварке должны быть сконструированы, либо собраны и установлены в приспособлениях, обеспечивающих их взаимную неподвижность при пайке. Паяные соединения не обеспечивают высокой механичной прочности на растяжение. Наиболее надежны в отношении прочности паяные соединения, работающие на срез.

В ряде конструкций паяные соединения используются для обеспечения надежного теплового контакта деталей.

Приведем общие правила применения паяных соединений:

паяные соединения выполняют только в тех случаях, когда невозможно применить сварку (соединения разнородных металлов, тонкостенных материалов, запрет на сильный нагрев и т.д.);

при пайке разнородных материалов предпочтение следует отдавать такому варианту, где материал с меньшим коэффициентом термического расширения охватывается материалом с большим коэффициентом термического расширения. При охлаждении такой конструкции слой припоя оказывается нагруженным на сжатие;

при пайке необходимо предусмотреть выход горячих газов из замкнутого объема;

на деталях, соединяемых с помощью пайки, необходимо предусмотреть площадку или небольшую проточку для растекания припоя (рис. 9.5).

Следует отметить, что в реальных лабораторных условиях паяные соединения применяется гораздо чаще сварных.

9.3. Склеивание

В низкотемпературных устройствах склеивание применяют для соединения оптических окон с металлической конструкцией, укрепления подложек на держателе образца, прикрепления к металлическим деталям деталей из текстолита или гетинакса.

В качестве клеев чаще всего используются эпоксидные смолы с добавлением пластификатора и наполнителя. Хорошо зарекомендовали себя клеи БФ, резиновый клей, клей ПВА, а также силиконовые герметики.

9.4. Влияние низких температур на механические свойства сварных и паяных соединений

Многочисленные испытания позволяют сделать заключение, что с понижением температуры механические свойства сварных швов изменяются примерно аналогично свойствам основного металла. Но так как сварной шов место концентрации напряжений и загрязнений, то обычно хрупкое состояние наступает в шве (или в зоне термического влияния) раньше, чем в основном металле.

Сварные швы углеродистых сталей утрачивают пластичность и становятся хрупкими при температуре 230 – 220 К, швы легированных сталей — при температурах ниже 200 К. Сварные соединения высоколегированных сталей аустенитного класса и большинства цветных металлов менее чувствительны к понижению температуры и остаются достаточно пластичными до очень низких (гелиевых) температур.

Для повышения пластичных показателей при низких температурах сварных изделий из углеродистых и малолегированных сталей рекомендуется применять в качестве наплавляемого металла высоколегированные стали аустенитного класса. Так, например, при сварке стали 06НЗ электродами ЗИО-8 (25 % Сг и 13 % N1) сварной шов имеет при 90 К ударную вязкость 500 – 880 Дж/м2, а основной металл – 350 – 640 Дж/м2.

При автоматической сварке под слоем флюса с применением сварочной проволоки ЭП-690 сварное соединение имеет при температуре Т  300 К временное сопротивление В > 625 МПа и ударную вязкость аН > 1760 кДж/м2; при 77 К – В = 1170 МПа, аН = 490 кДж/м2; при 4 К – В = 1390 МПа, аН = 392 кДж/м2.

Термообработка сварных изделий существенно улучшает работоспособность конструкции при пониженных температурах, смещая порог хладноломкости в сторону более низких температур.

Как уже отмечалось, наряду со сваркой в изделиях, предназначенных для работы при низких температурах, широко применяются паяные соединения.

Прочность оловянно-свинцовых припоев возрастает с понижением температуры, но одновременно уменьшается их пластичность из-за фазового превращения олова. Припои с повышенным содержанием свинца имеют более высокие значения ударной вязкости и поэтому более надежны при низких температурах.

Многолетний опыт эксплуатации низкотемпературных устройств показал, что соединения, выполненные как легкоплавкими, так и тугоплавкими (медно-цинковыми или серебряными) припоями, достаточно хорошо работают вплоть до гелиевых температур.

PAGE  8

Рис. 9.5. Герметичное паяное соединение трубки и фланца

Рис. 9.3. Сварные соединения тонкостенной трубки и массивной детали

Рис. 9.4. Сварка трубки фланца и стакана: 1 тонкая трубка; 2 – фланец; 3 стакан

Рис. 9.1. Примеры соединений сваркой деталей имеющих сравнимую толщину.

Желательно использование вариантов б), г), е) – фиксация взаимного расположения свариваемых деталей

Рис. 9.2. Примеры соединения сваркой обечайки и дна


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13864. Эссе по политической этике на тему «Мораль в произведении Уильяма Голдинга «Повелитель мух» 28.98 KB
  Эссе по политической этике на тему Мораль в произведении Уильяма Голдинга Повелитель мух Имя Уильяма Голдинга отчего то не столь популярно в мире. Подразумеваю что редко можно встретить его в одном ряду например с Хемингуэем Маркесом Ремарком Фицджеральдом
13865. Приговор Pussy Riot 46.5 KB
  Фирсова В.А. Политология 4 курс Приговор Pussy Riot. В начале работы хотелось бы сказать несколько слов о Pussy Riot. Панк рок группа была создана в 2011 году и за сравнительно небольшое время своего существования успела воплотить в жизнь огромное количество акц
13866. Книга Гарриет Бичер-Стоу «Хижина дяди Тома» 22.17 KB
  Халаим Дина Книга Гарриет БичерСтоу Хижина дяди Тома попытка показать институт рабовладения в США жизнь невольников и других людей отношение к этой ситуации совершенно с иной стороны и донести до общества того времени идею что невольники это такие ж
13867. Анализ видео-материалов, посвященных митингам протеста в контексте выборной кампании 2011-12 гг. 68.5 KB
  ернядьевой Екатерины Анализ видеоматериалов посвященных митингам протеста в контексте выборной кампании 201112 гг. 2011 2012 года в отличие от ряда предыдущих лет начала века характеризуется небывалой активностью выступлений на улицах и площадях. Эти выст...
13868. Анализ художественного фильма «Мечтатели» режиссера Б.Бертолуччи 47 KB
  Анализ художественного фильма Мечтатели режиссера Б.Бертолуччи. Фильм Б.Бертолуччи неизменного классика интеллектуального европейского кино был снят в 2003 году по одноименной книге Гилберта Адэра. Режиссер находясь под впечатлением от событий 1968 года снимает сра
13869. Кен Кизи «Полет над гнездом кукушки» 49.5 KB
  Ябуровой Натальи Политология 4 курс Эссе Кен Кизи Полет над гнездом кукушки Книга повествует о психбольнице в которой заправляет бывшая военная медсестра мисс Гнусен. Военные сестры пытаются устроить военный госпиталь. Они сами немного больные1. Так
13870. Энгельс Ф. Положение рабочего класса в Англии 36 KB
  Энгельс Ф. Положение рабочего класса в Англии До начала промышленного переворота рабочие были людьми почтенными и хорошими отцами семейств вели нравственную жизнь. Дети целый день проводили дома с родителями и воспитывались в повиновении к ним и в страхе божием. Патр
13871. Языковая реальность как архепроявление бытия в «Чжуан-цзы», как форма жизни в философии Людвига Витгенштейна 79.76 KB
  Эссе на тему: Языковая реальность как архепроявление бытия в Чжуанцзы как форма жизни в философии Людвига Витгенштейна Часть 1. Языковая реальность как архепроявление бытия в Чжуанцзы В шестом веке до н. э. два направления китайской философии развились ...