СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОСУДОВ Российский патент 1997 года по МПК B23K20/00 

Изобретение относится к способам диффузионной сварки и может быть использовано для изготовления аппаратов и других биметаллических изделий, с размещенными под плакирующим слоем каналами для пропускания теплоносителя и применяющихся в различных отраслях машиностроения.

Известен способ изготовления биметаллических сосудов, плакированных изнутри металлом путем вакуумно-диффузионной сварки корпуса сосуда с заготовкой из материала покрытия, при котором перед сваркой внутрь сосуда помещают стальную предварительно отожженную в окислительной атмосфере рубашку, после чего уплотняют кромки рубашки и сосуда и создают между ними вакуум (см. например, авторское свидетельство СССР N 428904 МКИ В 23 К 20/00).

Однако при изготовлении сосудов с каналами на внутренней поверхности корпуса, при диффузионной сварке материал плакирующего слоя под действием давления, создаваемого технологической рубашкой, продавливается в каналы, частично перекрывая их, что приводит к необходимости увеличения глубины каналов и толщины плакирующего слоя, тем самым увеличивая материалоемкость сосудов и расход плакирующего материала.

Известен также способ изготовления биметаллических сосудов диффузионной сваркой, при котором внутрь сосуда устанавливают плакирующий слой, затем размещают технологическую рубашку, герметизируют их кромки, создают между свариваемыми поверхностями обечайки и плакирующего слоя вакуум, сборку размещают в компрессионной печи, производят кратковременное обжатие, нагревают до температуры сварки, сдавливают давлением газа, подаваемого в речь, и осуществляют изотермическую выдержку (см. например, авторское свидетельство СССР N 1799705 МКИ 5 В 23 К 20/00).

Недостатком такого способа является невозможность изготовления биметаллических сосудов с каналами на внутренней поверхности корпуса без значительного увеличения материалоемкости как плакирующего слоя, так и сосуда, поскольку при диффузионной сварке также происходит проседание плакирующего слоя и частичное перекрывание сечения канала.

По совокупности общих признаков в качестве прототипа выбран способ по авторскому свидетельству СССР N 1799705.

Задачей изобретения является создание способа, позволяющего снизить материалоемкость и уменьшить гидравлическое и тепловое сопротивление каналов, за счет чего достигается повышение эффективности оборудования.

Поставленная задача достигается тем, что по предлагаемому способу изготовления биметаллических сосудов диффузионной сваркой, при котором внутрь сосуда устанавливают плакирующий слой, затем размещают технологическую рубашку, герметизируют их кромки, создают между свариваемыми поверхностями обечайки и плакирующего слоя вакуум, сборку размещают в компрессионной печи, производят кратковременное обжатие, нагревают до температуры сварки, сдавливают давлением газа, подаваемого в печь, и осуществляют изотермическую выдержку, на внутренней поверхности сосуда выполняют канавки, после чего устанавливают плакирующий слой, перекрывающий канавки с образованием закрытых каналов термостатирования, в которые после окончания сварки подают жидкую среду под давлением в диапазоне от 2,5 до 45 МПа, обеспечивающим заданную величину деформации плакирующего слоя, после чего давление сбрасывают до атмосферного, после сброса давления часть деформированного плакирующего слоя удаляют, перед установкой плакирующего слоя и технологической рубашки в сосуд в технологической рубашке изготавливают канавки, выполненные зеркально относительно канавок сосуда, и после изотермической выдержки закрытые каналы термостатирования соединяют с источником давления, канавки в технологической рубашке изготавливают с размерами, большими канавок в сосуде, при этом основание выполняется эллиптической формы, а ширина канавок больше ширины канавок в сосуде на величину полутора толщин плакирующего материала.

За счет выполнения на внутренней поверхности сосуда канавок с последующей установкой плакирующего слоя, перекрывающего канавки с образованием закрытых каналов термостатирования, в которые после окончания сварки подают жидкую среду под давлением в диапазоне от 2,5 до 45 МПа, обеспечивающим заданную величину деформации плакирующего слоя, после чего давление сбрасывают до атмосферного, достигается пластическая деформация плакирующего слоя в направлении полости сосуда. За счет использования давления, в десятки раз превышающего рабочее давление термостатирующей среды, обеспечивается достижение в плакирующем слое остаточных деформаций, при которых восстанавливается живое сечение каналов, обеспечивается уменьшение их гидравлического сопротивления и плакирующий слой при эксплуатации работает под воздействием только упругих деформаций. Данный способ изготовления аппаратов позволяет снизить их материалоемкость за счет выполнения каналов необходимой глубины без запаса, рассчитанного на просадку плакирующего слоя при диффузионной сварке. При давлении ниже 2,5 МПа не возникают пластические деформации в плакирующем слое, перекрывающем каналы, а при давлении выше 45 МПа происходит отслоение плакирующего слоя от корпуса или его разрушение.

За счет удаления после сброса давления части деформированного плакирующего слоя внутренней поверхности достигается арочная форма сечения плакирующего слоя над каналами термостатирования, т.е. оптимальная с точки зрения прочностных показателей конструкция. Это позволяет снизить материалоемкость конструкции и повысить эффективность теплопередачи через плакирующий слой, толщина которого уменьшена в средней части канала.

Изготовление в технологической рубашке перед установкой плакирующего слоя и технологической рубашки в сосуд канавок, выполненных зеркально относительно канавок сосуда, и соединение после изотермической выдержки закрытых каналов термостатирования с источником давления ограничивает продавливание внешней стенки каналов внутрь сосуда и исключает отрыв плакирующего слоя от стенок сосуда в процессе формирования каналов.

Выполнение канавок в технологической рубашке с размерами, большими канавок в сосуде, и с основанием эллиптической формы, а шириной больше ширины канавок в сосуде на величину полутора толщин плакирующего слоя обеспечивает проведение диффузионной сварки плакирующего материала вблизи края канала и создает условия для формирования профиля сечения канала с арочной формой плакирующего слоя даже при величине деформирующего изнутри плакирующий слой гидравлического давления выше расчетного, что исключает работу плакирующего слоя на срез, приводящего к браку при формировании сечения каналов.

На фиг.1 показано взаимное расположение стенки корпуса сосуда, рубашки и материала покрытия; на фиг.2 то же после воздействия давлением на стенки канала (первый вариант); на фиг.3 то же после воздействия давления на стенки канала (второй вариант) и на фиг.4 показано сечение стенки аппарата после механической обработки.

Способ осуществляется следующим образом.

Перед сваркой на внутренней поверхности сосуда 1 выполняют канавки 2, затем в сосуд 1 устанавливают плакирующий слой 3 и помещают стальную предварительно отожженную в окислительной атмосфере рубашку 4, после чего уплотняют кромки рубашки 4 и сосуда 1 и создают между ними вакуум. Всю сборку помещают в компрессионной печи, поднимают давление для кратковременного обжатия отвакуумированных поверхностей, после чего давление сбрасывают до атмосферного. Затем включают нагрев и вновь повышают давление в компрессионной печи и после изотермической выдержки отключают нагрев и сбрасывают давление. После отжига в каналы 5 с помощью гидравлического насоса подают жидкую среду, например, воду или жидкие минеральные масла, и после достижения заданного давления в диапазоне от 2,5 до 45 МПа отсекают насос и контроль процесса ведут по показаниям манометра, соединенного с каналами 5. Под действием давления в каналах 5 плакирующий слой 3, перекрывающий каналы 5 со стороны полости сосуда 1 деформируется, принимая сводообразную форму. При этом внутренний объем каналов 5 увеличивается, что приводит к уменьшению давления в них. Это давление уменьшается до уровня, при котором силы упругой деформации будут уравновешивать внутренне давление в каналах. После прекращения снижения давления в течение заданного времени каналы 5 выдерживают под давлением, после чего соединяют с атмосферой, а жидкую среду удаляют. После сброса давления производят механическую обработку внутренней поверхности плакированного сосуда, при этом верхнюю часть выпуклости плакирующего слоя 3 срезают, и он после обработки принимает форму, показанную на фиг.4.

При необходимости повышения контактной нагрузки при диффузионной сварке, в рубашке 4 перед установкой выполняют канавки 6, которые геометрически расположены зеркально по отношению к канавкам 2, выполненным в сосуде. При этом ширина канавок 6 больше ширины канавок 2 на величину полутора толщин плакирующего слоя 3, а дно выполняют эллиптической формы. После изотермической выдержки под давлением канавки 6 соединяют с атмосферой, что облегчает извлечение рубашки 4 из сосуда 1 за счет выравнивания давления в полостях канавок, возникающего при охлаждении деталей.

Пример. Изготавливают обечайку с внутренним диаметром 1500 мм с теплообменными каналами шириной 8 мм и глубиной 4 мм. Расстояние между каналами 40 мм, рабочая высота обечайки 600 мм, толщина обечайки 28 мм, материал сталь 3. Устанавливают плакирующий слой из меди толщиной 3 мм. Рубашку изготавливают из листовой стали толщиной 4 мм и с пазами глубиной 2,5 мм. Герметизируют края сборки и вакуумируют. Затем повышают давление в компрессионной печи и производят обжатие сборки, при этом величина предварительного давления составляла 4 МПа при давлении сварки 3,8 МПа. Время выдержки сборки при предварительном давлении составляло согласно технологическому регламенту 26 мин при общей продолжительности диффузионной сварки 340 мин. После охлаждения сборки до температуры ниже 80^oC пазы в рубашке соединяли с атмосферой, в каналы под давлением 24 МПа подавали минеральное масло и выдерживали в течение 20 мин, после чего давление сбрасывали до атмосферного и внутреннюю поверхность обечайки подвергали механической обработке. При этом толщину плакирующего слоя доводили до 2,3 мм. Таким образом достигалось требуемое термическое сопротивление каналов и обеспечивалась необходимая механическая прочность при минимальной материалоемкости.

Предлагаемый способ обеспечивает изготовление аппаратов с уменьшенной материалоемкостью и каналами с минимальными тепловым и гидравлическим сопротивлением.

Использование: изобретение относится к способам диффузионной сварки и может быть использовано для изготовления аппаратов и других биметаллических изделий, с размещенными под плакирующим слоем каналами для пропускания теплоносителя и применяющихся в различных отраслях машиностроения. При изготовлении биметаллических сосудов диффузионной сваркой, на внутренней поверхности сосуда 1 выполняют канавку 2, затем в сосуд 1 устанавливают плакирующий слой 3 и помещают стальную предварительно отожженную в окислительной атмосфере рубашку 4, после чего уплотняют кромки рубашки 4 и сосуда 1 и создают между ними вакуум. Всю сборку помещают в компрессионной печи, поднимают давление для кратковременного обжатия отвакуумированных поверхностей, после чего давление сбрасывают до атмосферного. Затем включают нагрев и вновь повышают давление в компрессионной печи и после изотермической выдержки отключают нагрев и сбрасывают давление. После отжига в каналы 5 с помощью гидравлического насоса подают жидкую среду, например, воду или жидкие минеральные масла, и после достижения заданного давления в диапазоне от 2,5 до 45 МПа отсекают насос и контроль процесса ведут по показаниям манометра, соединенного с каналами 5. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления биметаллических сосудов диффузионной сваркой, при котором внутрь сосуда устанавливают плакирующий слой, затем размещают технологическую рубашку, герметизируют их кромки, создают между свариваемыми поверхностями обечайки и плакирующего слоя вакуум, сборку размещают в компрессионной печи, производят кратковременное обжатие, нагревают до температуры сварки, сдавливают давлением газа, подаваемого в печь, и осуществляют изотермическую выдержку, отличающийся тем, что на внутренней поверхности сосуда выполняют канавки, после чего устанавливают плакирующий слой, перекрывающий канавки с образованием закрытых каналов термостатирования, в которые после окончания сварки подают жидкую среду под давлением в диапазоне 2,5 45,0 МПа, обеспечивающим заданную величину деформации плакирующего слоя, после чего давление сбрасывают до атмосферного. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после сброса давления часть деформированного плакирующего слоя удаляют. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед установкой плакирующего слоя и технологической рубашки в сосуд в технологической рубашке изготавливают канавки, выполненные зеркально относительно канавок сосуда, и после изотермической выдержки закрытые каналы термостатирования соединяют с источником давления. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что канавки в технологической рубашке изготавливают с размерами, большими канавок в сосуде, при этом основание выполняется эллиптической формы, а ширина больше ширины канавок в сосуде на величину полутора толщин плакирующего материала.