СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПАЯНОЙ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЙ КОНСТРУКЦИИ Российский патент 1998 года по МПК B23K1/00 B23K31/02 B23K103/18 

Изобретение относится к области сварки и пайки, в частности к способам изготовления паяной телескопической конструкции, и может найти применение в энергетическом машиностроении и других отраслях техники.

Известен способ изготовления паяной телескопической конструкции, состоящей из разнородных материалов, при котором внутрь собранной конструкции устанавливают кольцо с коэффициентом термического расширения, близким коэффициенту термического расширения материала внутренней оболочки, все это помещают на оправке, выполненной в виде усеченного конуса из материала, коэффициент термического расширения которого равен или больше коэффициента термического расширения материала наружной оболочки. После сборки осуществляют нагрев, при этом паяемые детали опускаются под действием собственного веса или дополнительной нагрузки по конусу, расширяющемуся в меньшем сечении. После пайки конструкцию вместе с оправкой охлаждают.

Однако этот способ не позволяет качественно спаять телескопические конструкции сложной конфигурации, когда, например, наружная оболочка содержит два элемента из разнородных материалов. Причиной является появление трещин в металле наружной оболочки вследствие одновременного воздействия на него расплавленного припоя и растягивающих напряжений, возникающих в процессе сварки двух элементов.

Задачей изобретения является получение качественной телескопической конструкции без трещин в основном металле на границе с паяным швом.

Для этого в способе изготовления паяной телескопической конструкции, состоящей из толстостенной наружной и тонкостенной внутренней оболочек из разнородных материалов, включающем сборку под пайку путем размещения конструкции на термокомпенсаторе, выполненном в виде усеченного конуса с посаженным на нем кольцом из материала с коэффициентом термического расширения, равным коэффициенту термического расширения материала внутренней оболочки, нагрев, пайку и охлаждение, наружную оболочку изготавливают из двух элементов из разнородных материалов, которые сваривают между собой, располагая один из них вне зоны пайки, причем элемент, расположенный вне зоны пайки, выполняют из материала с коэффициентом термического расширения, меньшим коэффициента термического расширения материала элемента, расположенного в зоне пайки, термокомпенсатор в виде усеченного конуса выполняют из материала с коэффициентом термического расширения, равным или большим коэффициента термического расширения материала элемента наружной оболочки, расположенного в зоне пайки, а в процессе сборки под пайку на наружной оболочке размещают с возможностью контактирования его с ее элементами и сварным швом дополнительный термокомпенсатор, выполненный из материала с коэффициентом термического расширения, равным коэффициенту термического расширения элемента, расположенного вне зоны пайки.

На чертеже представлено схематичное изображение корпуса в виде телескопической конструкции, спаянной в соответствии с предложенной технологией.

Способ в соответствии с изобретением осуществляют следующим образом.

Собирают корпус в виде телескопической конструкции, содержащей толстостенную наружную оболочку и тонкостенную внутреннюю оболочку 4. Толстостенная наружная оболочка выполнена сварной и содержит элементы 1 и 2 из разнородных материалов, причем коэффициент термического расширения материала элемента 2 меньше коэффициента термического расширения материала элемента 1. Предварительно элементы 1 и 2 наружной оболочки сваривают между собой с образованием толстого сварного шва 3. Сварной шов 3 выполняют с помощью сварочной проволоки, химический состав которой близок к химическому составу элемента 2 наружной оболочки, для того, чтобы получить прочность шва не менее 0,85 прочности основного металла. Между элементом 1 и внутренней оболочкой 4 располагают припой 5. С внутренней ее стороны устанавливают термокомпенсатор, выполненный в виде кольца 6 из материала с коэффициентом термического расширения, равным коэффициенту термического расширения внутренней оболочки 4 и усеченного конуса 7 из материала с коэффициентом термического расширения, равным или большим коэффициента термического расширения материала элемента 1. По наружному диаметру элемента 1 размещают дополнительный термокомпенсатор 8 так, чтобы он граничил с элементом 2 и сварным швом 3. Дополнительный термокомпенсатор 8 выполнен из материала, коэффициент термического расширения которого равен коэффициенту термического расширения материала элемента 2, а значит, и меньше коэффициента термического расширения материала элемента 1 наружной оболочки корпуса, находящегося в зоне пайки. Необходимость соблюдения этого условия обусловлена следующими соображениями. Элементы 1 и 2 связаны между собой толстым сварным швом 3, граничащим с дополнительным термокомпенсатором 8. Поскольку химический состав и физико-механические свойства материала сварного шва 3 аналогичны свойствам материала элемента 2, то в процессе пайки сварной шов 3 является передаточным звеном от действия элемента 2. В случае несоблюдения условия однотипности материалов элемента 2 и дополнительного термокомпенсатора 8 в последнем в процессе пайки корпуса появятся растягивающие напряжения от действия элементов 1, 2 и шва 3, что приведет к неравномерной деформации дополнительного термокомпенсатора 8 и как следствие к неспаю и появлению трещин в паяном соединении.

При изготовлении дополнительного термокомпенсатора 8 предварительно толщину его стенки рассчитывают в зависимости от толщины элемента 1 наружной оболочки и свойств выбранных материалов. Толщина стенки должна быть такой, чтобы в процессе пайки дополнительный термокомпенсатор 8 амортизировал усилия растяжения в элементе 1 от действия сварного шва и элемента 2. Толщину стенки дополнительного термокомпенсатора определяют из соотношения:

где δ_к - толщина стенки компенсатора,
δ_нар.об. - толщина элемента 1 наружной оболочки,
E_нар.об. - модуль упругости материала элемента 1 наружной оболочки,
α_нар.об. - коэффициент термического расширения материала элемента 1 наружной оболочки,
E_к - модуль упругости материала компенсатора,
α_к - коэффициент термического расширения материала компенсатора.

Процессы нагрева и пайки осуществляют в печи в среде защитного газа - аргона под давлением 0,1 - 0,3 кгс/см². Температуру пайки выбирают в зависимости от материала паяемых оболочек. В процессе охлаждения конструкции с температуры пайки в интервале кристаллизации припоя плотный контакт между элементом 1 наружной оболочки и внутренней оболочкой 4 сохраняется за счет действия термокомпенсатора 7.

Анализ паяных соединений конструкции показал на отсутствие в них таких дефектов, как трещины и неспаи. Устранение дефектов обусловлено отсутствием деформации элемента 1, находящегося в зоне пайки. Предотвращение образования дефектов в элементе 1 было достигнуто за счет использования дополнительного термокомпенсатора 8, коэффициент термического расширения материала которого меньше коэффициента термического расширения материала элемента 1 и идентичен коэффициенту термического расширения материала элемента 2 наружной оболочки и материала сварного шва 3. Это обеспечило в процессе пайки увеличение его размера в меньшей степени по сравнению с элементом 1 и в равной степени с элементом 2 и сварным швом 3.

Применение данного способа обеспечило 100% выход годной продукции за счет повышения герметичности паяных соединений.

Пример осуществления предложенного способа. Собирали корпус, содержащий наружную оболочку из сваренных между собой элемента 1 из никелевого сплава ЭИ-435 и элемента 2 из высоколегированной стали ВНС-25. Толщина оболочки - 30 мм. Сварной шов выполнен многослойным: с внутренней стороны с помощью электронно-лучевой сварки, с наружной - аргоно-дуговой в среде защитного газа. Сварку осуществляли с помощью сварочной проволоки на основе железа с добавками хрома и никеля и близкой по химическому составу к материалу элемента 2 наружной оболочки корпуса. Внутренняя его оболочка выполнена из серебряного сплава. Между ней и элементом 1 наружной оболочки, находящимся в зоне пайки, располагали припой на основе серебра. С внутренней стороны оболочки устанавливали термокомпенсатор 7, а на наружной оболочке - дополнительный термокомпенсатор 8, выполненный из стали ВНС-25. Толщина стенки его рассчитана с учетом полученных экспериментальных данных и равна 34 мм. Расчет проводили, выбирая характеристики стали ВНС-25 и никелевого сплава ЭИ-435 при температуре 600^oC, т.к. начиная с этой температуры их коэффициенты термического расширения максимально отличаются по величине. Зазор между стенками элемента 1 и дополнительным термокомпенсатором 8 составлял 0,1 мм. Пайку осуществляли в печи в атмосфере аргона при температуре 770±5^oC с выдержкой при ней 3 - 5 мин.

Металлографические исследования паяных соединений показали отсутствие в них дефектов: трещин и неспаев. Гидроиспытания не обнаружили негерметичности паяных конструкций.

Использование: изготовление паяных телескопических конструкций, может найти применение в энергетическом машиностроении. Наружную оболочку конструкции выполняют из двух сваренных между собой швом 3 элементов 1 и 2. Собирают наружную и внутреннюю оболочки и размещают их на термокомпенсаторе, который изготавливают из кольца 6 и усеченного конуса 7. Кольцо 6 изготавливают из материала с коэффициентом термического расширения (КТР), равным КТР материала оболочки 4. Усеченный конус 7 изготавливают из материала с КТР, равным или большим КТР материала элемента 1. На элементе 1 располагают дополнительный термокомпенсатор 8 с КТР, равным КТР элемента 2. Сборку нагревают, выполняют пайку и охлаждают. Получают соединение без трещин. 1 ил.

Способ изготовления паяной телескопической конструкции, состоящей из толстостенной наружной и тонкостенной внутренней оболочек из разнородных материалов, включающий сборку под пайку конструкции путем размещения ее на термокомпенсаторе, выполненном в виде усеченного конуса с посаженным на нем кольцом из материала с коэффициентом термического расширения, равным коэффициенту термического расширения внутренней оболочки, пайку и охлаждение, отличающийся тем, что наружную оболочку изготавливают из двух элементов из разнородных материалов, которые сваривают между собой, располагая один из них вне зоны пайки, причем элемент, расположенный вне зоны пайки, выполняют из материала с коэффициентом термического расширения, меньшим коэффициента термического расширения материала элемента, расположенного в зоне пайки, термокомпенсатор в виде усеченного конуса выполняют из материала с коэффициентом термического расширения, равным или большим коэффициента термического расширения материала элемента наружной оболочки, расположенного в зоне пайки, а в процессе сборки под пайку на наружной оболочке размещают с возможностью контактирования с ее элементами и сварным швом дополнительный термокомпенсатор, выполненный из материала с коэффициентом термического расширения, равным коэффициенту термического расширения элемента, расположенного вне зоны пайки.