СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ НЕРАЗЪЕМНЫЙ УЗЕЛ Российский патент 2000 года по МПК F16B4/00 F16B11/00 

Изобретение относится к технике соединения металлических и неметаллических деталей, работающих в неустановившихся или установившихся неравновесных тепловых режимах, и может использоваться в оптоэлектронике, электротехнике и других областях в случаях, когда тепловой поток распространяется через неметаллический и металлический элементы последовательно.

Такие неразъемные соединения представляют собой плоские или изогнутые поверхности металлических и неметаллических элементов, скрепленные посредством пайки или сварки, например, металла и графита, склеивания или спаивания, например, оптических элементов с металлическими подложками в оптике и лазерной технике, спаев металлов с неорганическими диэлектриками - стеклом, керамикой, слюдой и т.п., например, в электровакуумных газоразрядных и полупроводниковых приборах, электротехнических изделиях и конструкциях изделий других отраслей (Л.Т.Акишин и др. Пайка и сварка графита. М.: Металлургия, 1978, с. 54; Прецизионные сплавы. Справочник. Под ред. Б.В.Молотилова. М.: Металлургия, 1983, с. 207-258; В.А.Багин. Диффузионная сварка стекла и керамики с металлом. М.: Машиностроение, 1986, с. 157).

Наиболее близким к изобретению можно считать соединительный неразъемный узел по последнему источнику. Он содержит скрепленные пайкой металлический и неметаллический (керамический) элементы, выполненные в виде установленных одно в другое неразрывных колец - типа "кольцо в кольце".

Металлический и неметаллический элемент подвергаются тепловому воздействию, при котором тепловой поток распространяется последовательно: через керамику на металл.

При нагревании металлического элемента до определенных температур удлинения керамического и металлического колец близки и возникающие на поверхностях их контакта напряжения минимальны. Напряжения в контактной паре элементов из разных материалов зависят от разницы изменения их размеров, например, в конструкции "кольцо в кольце" длин окружностей или диаметров. С повышением температуры металлического кольца эти напряжения резко возрастают. Керамические материалы, как правило, выдерживают значительно меньшие напряжения на растяжение, чем на сжатие и имеют меньшие модули упругости, чем металлы. В результате возможно появление трещин и разрушение неметаллического элемента соединительного узла.

Известно, что для минимизации тепловых напряжений в соединениях неметалл-металл в качестве последнего используются сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения по ГОСТ 10994-84, в частности, инварные сплавы, у которых температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) близок к ТКЛР неметалла, применяемого в соединении. Однако при температурах выше точки Кюри (Т_с) ТКЛР инварных сплавов приближается к ТКЛР обычных сталей и значительно отличается от ТКЛР неметаллов, например кварцевой керамики. Поэтому в соединительном узле, содержащем металлический элемент из инварного сплава и неметаллический элемент, которые подвергаются высокотемпературному тепловому воздействию при последовательном распространении теплового потока от неметаллического элемента к металлическому, не исключается разрушение неметаллического элемента. Это в особенности характерно для узлов с соединением элементов изогнутой формы, в частности, типа "кольцо в кольце".

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении эксплуатационной надежности данного соединительного неразъемного узла, а именно - в предотвращении разрушения его неметаллического элемента.

Технический результат, который достигается изобретением, заключается в уменьшении напряжений, возникающих в узле.

Для этого, в соответствии с изобретением, металлический элемент неразъемного узла выполнен из соединенных между собой посредством перемычек частей, одна из которых, примыкающая к неметаллическому элементу, выполнена из несоприкасающихся друг с другом участков, а другая выполнена сплошной.

В объемных конструкциях, содержащих узлы из таких элементов, разделение на участки примыкающей к неметаллическому элементу части металлического элемента должно быть сосредоточено в направлениях наибольшего поверхностного контакта этих элементов или наименьшей эксплуатационной надежности.

Выполнение примыкающей к неметаллическому элементу части металлического элемента из несоприкасающихся друг с другом участков способствует устранению напряжений в контактах неметалла и металла. Металлические участки, отдаленные друг от друга и наиболее разогреваемые, поскольку тепловой поток распространяется от неметаллического элемента, имеют возможность расширяться в зазоры между участками. При этом скрепляющий элементы клей, герметик или припой деформируются, и касательные напряжения в паре неметалл-металл практически не возникают.

Напряжения же, зависящие от разницы изменения длин (или диаметров) внутренней сплошной части металлического элемента и неметаллического элемента, появятся. Однако здесь принципиальным является уменьшение степени нагрева внутренней сплошной части металлического элемента: чем ниже будет температура этой сплошной части, тем меньше будут растягивающие напряжения в неметаллическом элементе, а в случае, если изменение длины сплошной части металлического элемента будет меньше, чем неметаллического, то в последнем будут возникать только сжимающие напряжения, что практически также обеспечивает достижение цели.

В соответствии с указанными обстоятельствами соединение несоприкасающихся участков металлического элемента с его сплошной частью и осуществлено посредством перемычек, то есть конструктивных элементов, поперечное сечение которых значительно меньше, чем у соединяемых частей, что затрудняет теплопередачу и в каждый момент времени обеспечивает более низкую температуру сплошной части металлического элемента по сравнению с температурой его части, примыкающей к неметаллическому элементу. Поскольку длина перемычек (равно как и толщина уже описанных несоприкасающихся участков) выполнена весьма небольшой по сравнению с диаметром сплошного кольца, то их вклад в общее тепловое расширение металлического элемента незначителен.

Заявляемая конструкция особенно эффективна при использовании в качестве материала металлического элемента сплавов с заданным ТКЛР.

В связи с минимализацией напряжений на контактных участках элементов узла, часть металлического элемента, примыкающая к неметаллическому, может быть выполнена из иного, чем сплошная часть, сплава, например, более дешевого, в частности, из углеродистой стали (сварнолитой вариант конструкции).

Ввиду снижения напряжений в патентуемой конструкции, в ряде случаев металлический элемент может изготовляться не из дорогостоящих инварных сплавов, а из более дешевых, например из нержавеющих сталей типа Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72), имеющих примерно одинаковые с инварными сплавами показатели прочности, теплоемкости и теплопроводности.

Изобретение поясняется примером выполнения.

На фиг. 1 изображен патентуемый соединительный узел в разрезе; на фиг. 2 - то же, сечение по А-А с фиг. 1; на фиг. 3 - то же, вид по стрелке Б; на фиг. 4 - вариант выполнения соединительного узла, вид по стрелке Б; на фиг. 5 - график нагрева, дана температура наружной части элемента из кварца; на фиг. 6 - конструктивные элементы прототипа, пара кварц - сплав 32НКД; на фиг. 7 - конструктивные элементы заявляемой конструкции, пара кварц - сплав 32НКД.

Соединительный неразъемный узел содержит скрепленные герметиком неметаллический и металлический элементы, выполненные в виде установленных одно в другое конических колец (типа "кольцо в кольце"): наружного неметаллического кольца 1 и внутреннего металлического кольца 2. Металлический элемент выполнен из соединенных между собой частей посредством перемычек 3. Одна его часть, примыкающая к неметаллическому элементу, выполнена из несоприкасающихся друг с другом участков 4. Другая часть 5 металлического элемента выполнена сплошной. Таким образом, между участками 4 имеются зазоры 6.

В варианте, показанном на фиг. 4, участки 4 металлического элемента разделены как зазорами 6 по вертикали, так и зазорами 7 по горизонтали.

Металлический и неметаллический элементы (кольца 1 и 2) подвергаются тепловому воздействию, при котором тепловой поток распространяется последовательно: через наружное кольцо, а затем - внутреннее металлическое кольцо.

Тепло от примыкающих участков 4 металлического элемента через перемычки 3 передается сплошной части 5 внутреннего кольца 2. Участки 4, изменяя свои размеры, практически не оказывают силового воздействия на неметаллический элемент, так как выбирают зазоры 6 (а также 7), скользя по слою герметика между элементами. Происходящая совместно с этим деформация сплошной части 5 оказывается затруднена вследствие больших потерь мощности теплового потока на перемычках. В итоге тепловое расширение металлического элемента в целом также затрудняется, и минимизация напряжений в контакте неметалл-металл исключает разрушение неметаллического кольца, т.е. способствует повышению эксплуатационной надежности узла.

Повышение эксплуатационной надежности патентуемой конструкции относительно прототипа подтверждается следующими сравнительными данными.

Для сравнения были взяты одинаковые по размерам и форме базовых ("несущих") частей неметаллического и металлического элементов (типа "кольцо в кольце") соединительные неразъемные узлы. Наружные кольца были изготовлены из кварца, внутренние - из инварного сплава марки 32НКД по ГОСТ 10994-84.

Нагрев осуществляли по режиму, показанному на графике фиг. 5. На графике показана температура свободной (наружной) поверхности кварцевого кольца. На фиг. 6 приведены используемые в расчетах размеры элементов конструкции для прототипа, а на фиг. 7 - для заявляемого узла. Размеры указаны в мм.

ТКЛР сплава 32НКД определен на кварцевом дилатометре, поверенном по эталонным мерам. Среднеквадратичное отклонение ТКЛР не превышает 0,15 • 10^-6 K^-1.

ТКЛР стали типа 12Х18Н10Т принят по справочнику "Физические величины". Под ред. И.С.Григорьева и Е.З.Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.

Тепловой поток распространялся последовательно через наружное кварцевое кольцо на внутреннее металлическое. Толщины несоприкасающихся участков и длины перемычек металлического кольца незначительны по сравнению с диаметром его сплошной части и поэтому в тепловых расчетах их можно не учитывать.

Критерием эксплуатационной надежности считали разность линейных изменений размеров (Δ), определяемую из выражения:
Δ = Δl_мет-Δl_кварца, (1)
где Δl_мет - линейное изменение размеров сплошной части металлического кольца;
Δl_кварца - линейные изменения размеров кварцевого кольца.

При этом
Δl = α_293-x•l•ΔT, (2)
где α_293-x - средний ТКЛР в интервале температур 293-x;
X - средняя температура нагрева элемента, K;
l - длина элемента;
ΔT = 293-x - разность температур, K.

Если величина Δ из выражения (1) будет величиной отрицательной, то это означает, что элемент из кварца расширяется в каждый момент времени больше, чем металлический элемент, и испытывает сжимающие напряжения, что свидетельствует о достаточной эксплуатационной надежности.

Если величина Δ будет величиной положительной, то чем больше ее значение, тем большие напряжения на растяжение испытывает кварцевое кольцо, что свидетельствует о возможности разрушения кварцевого кольца и недостаточной эксплуатационной надежности.

В таблице 1 представлены результаты расчетов, выполненных с помощью пакета CAD-CAE - систем "ANSYS". В таблице 2 даны значения ТКЛР материалов, использованные для расчетов.

Из анализа результатов, представленных в таблице 1, следует:
1. В заявляемой конструкции при заданном тепловом режиме в кварцевом кольце, соединенном с кольцом из сплава 32НКД, растягивающие напряжения не возникают (строка 5), что подтверждает высокую эксплуатационную надежность, а в конструкции прототипа при аналогичной паре материалов растягивающие напряжения в кварцевом кольце возникают в интервале времени 140-180 сек (строка 4).

2. Использование заявляемой конструкции с металлическим кольцом из стали Х18Н10Т (графа 7) более эффективно для эксплуатационной надежности, чем прототипа из стали X18Н10Т (строка 6) и даже прототипа из сплава 32НКД (строка 4), При этом в сравнении (строка 7 - строка 4) изменение знака напряжений произойдет в интервале 200-240 сек против 140-180 сек, а абсолютные величины рассогласований будут существенно меньше в любой интервал времени. Это дает возможность снизить стоимость материала металлического элемента (например, замена дорогостоящих инварных сплавов на стали).

Изобретение относится к технике соединения металлических и неметаллических деталей, работающих в неравномерных тепловых режимах, и может быть использовано в оптоэлектронике, электротехнике и других областях. Соединительный неразъемный узел содержит металлический и неметаллический (1) элементы, подвергающиеся тепловому воздействию, при котором тепловой поток распространяется через них. Металлический элемент выполнен из соединенных между собой посредством перемычек (3) частей, из которых примыкающая к неметаллическому элементу выполнена из не соприкасающихся друг с другом участков (4), а другая выполнена, сплошной. Изобретение позволяет повысить эксплуатационную надежность соединения. 7 ил., 2 табл.

Соединительный неразъемный узел, содержащий металлический и неметаллический элементы, подвергающиеся тепловому воздействию, при котором тепловой поток распространяется через неметаллический и металлический элементы последовательно, отличающийся тем, что металлический элемент выполнен из соединенных между собой посредством перемычек частей, из которых примыкающая к неметаллическому элементу выполнена из не соприкасающихся друг с другом участков, а другая выполнена сплошной.