СПОСОБ ПАЙКИ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 1998 года по МПК B23K1/00 B23K31/02 B23K103/18 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к технологии соединения телескопических оболочек из разнородных материалов с помощью высокотемпературной пайки.

Известен способ пайки двухслойных телескопических конструкций, содержащих оболочки из разнородных материалов [1]. В известном способе соединяемые оболочки герметизируют по торцам, образующуюся полость вакуумируют, нагревают в печи в атмосфере инертного газа - аргона под давлением и после пайки охлаждают в защитной среде, не снижая давления газа. В процессе пайки происходит взаимное прижатие оболочек за счет перепада давления снаружи и внутри конструкции.

Однако при пайке по известной технологии теплонапряженных конструкций, оболочки которых выполнены из плохо паяемых материалов, например, таких как серебро и никель, не удается создать плотного контакта между соединяемыми поверхностями из-за недостаточного избыточного давления для поджатия оболочек. В результате появляются трещины в паяном шве и разгерметизация конструкции.

В известном способе [2] пайки толстостенной наружной и тонкостенной внутренней оболочек, выполненных из плохо паяемых материалов, решена проблема плотного их поджатия за счет использования термокомпенсатора, размещенного перед пайкой внутри паяемой конструкции. Термокомпенсатор выполнен из материала, коэффициент термического расширения которого равен коэффициенту термического расширения наружной оболочки. Это обстоятельство позволяет в процессе кристаллизации припоя при охлаждении конструкции с температуры пайки термокомпенсатору поджимать внутреннюю оболочку к наружной, не вызывая в ней напряжений и исключая ее отрыв от наружной оболочки.

Однако при использовании известного способа не удается качественно спаять телескопические конструкции сложной конфигурации, толстостенная наружная оболочка которых содержит сваренные между собой элементы из разнородных материалов, находящиеся вне и в зоне пайки. Причиной является наличие трещин в металле элемента наружной оболочки, находящегося в зоне пайки, вследствие одновременного воздействия на него расплавленного припоя и растягивающих напряжений, вызванных разницей коэффициентов термического расширения материалов сварных элементов наружной оболочки.

Задача изобретения - изготовление паяных телескопических конструкций, содержащих толстостенную сварную наружную оболочку из разнородных материалов, без трещин в паяном соединении, обес- печивающем их высокую степень герметичности.

Задача решена за счет того, что элемент наружной оболочки, находящийся вне зоны пайки, выполнен из материала с коэффициентом термического расширения, меньшим коэффициента термического расширения материала элемента, находящегося в зоне пайки, на наружной оболочке размещают дополнительный термокомпенсатор, граничащий с ее элементами и сварным швом и выполненный из материала с коэффициентом термического расширения, равным коэффициенту термического расширения материала элемента, находящегося вне зоны пайки.

Технический результат - повышение выхода годной продукции за счет повышения герметичности паяных соединений конструкций.

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

Корпус включает толстостенную наружную оболочку из разнородных материалов, содержащую соединенные между собой элемент 1, находящийся в зоне пайки, и элемент 2, находящийся вне зоны пайки, с помощью сварного шва 3, а также внутреннюю оболочку 4. Последняя соединена с элементом 1 наружной оболочки с помощью пайки припоем 5. С внутренней стороны оболочки 4 установлены тонкое разрезное кольцо 6 и термокомпенсатор 7. На наружной оболочке размещен дополнительный термокомпенсатор 8, граничащий с элементами 1, 2 и сварным швом 3.

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 кольцо 6 и термокомпенсатор 7. 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%-ный выход годной продукции за счет повышения герметичности паяных соединений.

Пример. 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 выполняли многослойным: с внутренней стороны с помощью электронно- лучевой сварки, с наружной - аргонодуговой 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 внутренней 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 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 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.

Изобретение может применяться для соединения телескопических оболочек из разнородных материалов с помощью высокотемпературной пайки. Собирают телескопическую конструкцию, содержащую тонкостенную внутреннюю и толстостенную наружную оболочки, причем последняя выполнена сварной из разнородных материалов. Коэффициент термического расширения (КТР) материала элемента 2 наружной оболочки меньше ее элемента 1. С внутренней стороны внутреней оболочки 4 устанавливают термокомпенсатор 7. На наружной оболочке - дополнительный термокомпенсатор 8. Он выполнен из материала, КТР которого равен КТР материала элемента 2 наружной оболчки. Пайку осуществляют в печи в атмосфере инертного газа. В процессе пайки дополнительный термокомпенсатор 8 амортизируют усилия растяжения в элементе 1 от действия сварного шва и элемента 2 и не оказывает значительного воздействия на элемент 1. Способ позволяет повысить выход годной продукции за счет повышения герметичности паяных соединений. 1 ил.

Способ пайки телескопических конструкций, содержащих толстостенную наружную и тонкостенную внутреннюю оболочки из разнородных материалов, включающий сборку конструкции, ее нагрев, пайку и охлаждение при принудительном поджатии внутренней оболочки к наружной за счет давления размещенного внутри термокомпенсатора, отличающийся тем, что проводят сборку конструкций, наружная оболочка которых выполнена сварной из элементов, материалы которых имеют различные коэффициенты термического расширения, при этом ее размещают так, что элемент с меньшим коэффициентом термического расширения находится вне зоны пайки, а элемент с большим коэффициентом термического расширения - в зоне пайки, на наружной оболочке размещают дополнительный компенсатор, сопряженный с ее элементами и со сварным швом и выполненный из материала с коэффициентом термического расширения, равным коэффициенту термического расширения элемента, находящегося вне зоны пайки.