СПОСОБ ПАЙКИ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2000 года по МПК B23K1/00 

Изобретение относится к области пайки телескопических конструкций, преимущественно колец, содержащих толстостенное внутреннее и тонкостенное наружное кольца и работающих в теплонапряженных условиях.

Известен способ пайки телескопических конструкций, содержащих толстостенное внутреннее и тонкостенное наружное кольца с соотношением толщин их стенок 10: 1, выполненных из дисперсионно-твердеющего сплава на никель-хромовой основе. Способ заключается в том, что на внутреннюю поверхность наружного кольца располагают припой, собирают кольца с натягом, помещают в контейнер, герметизируют его и паяют в камерной печи в защитной среде. В начале нагрева под пайку разница температур колец составляет около 400^oC. При температуре 630-680^oC - температуре нижнего предела фазовых превращений - производят выдержку для сокращения указанной разницы температуры до величины не выше 40^oC. Дальнейший нагрев до температуры пайки проводят при сохранении достигнутого перепада температур колец. Последние паяют при 1230 - 1240^oC. Спаянные конструкции охлаждают с печью до 870-920^oC - температуры верхнего предела фазовых превращений. Выдержка при этой температуре обеспечивает разницу температур колец в интервале фазовых превращений не выше 40^oC (см. авт. свид. СССР N 923781, кл. B 23 K 1/00).

Однако при пайке конструкций, собранных с натягом и выполненных из материалов, не претерпевающих фазовых превращений с изменением объема в процессе нагрева под пайку, использование известного режима ступенчатого нагрева с выдержкой для выравнивания температур колец может привести к пластической деформации наружного кольца в процессе нагрева и нарушению его геометрии. Это обстоятельство объясняется тем, что при проведении выравнивающей выдержки до температуры начала плавления припоя происходит увеличение напряженного состояния в наружном кольце и, как следствие, появление пластической деформации с образованием зазора. В результате в паяных соединениях появляются различного рода дефекты: непропаи, пористость и др.

Задача изобретения - создание такой технологии пайки телескопических конструкций с разнотолщинными паяемыми деталями, собранными с натягом и выполненными из материалов, не претерпевающих фазовых изменений при нагреве в процессе пайки, которая обеспечила бы устранение пластической деформации наружного кольца при нагреве до температуры пайки.

Задача решена за счет того, что при пайке телескопической конструкции, содержащей толстостенное внутреннее и тонкостенное наружное кольца, припой размещают на внутренней поверхности наружного кольца, собирают кольца под пайку с натягом, производят нагрев конструкции в защитной среде, до достижения температуры пайки проводят выравнивающую выдержку, обеспечивающую разницу температур колец не выше 40^oC, пайку и охлаждение проводят в защитной среде, при этом выравнивающую выдержку осуществляют после достижения температуры начала плавления припоя, а до ее достижения поддерживают разницу температур колец, удовлетворяющую соотношению

где ΔT разница температур наружного и внутреннего колец;
δ - величина сборочного натяга;
D - внутренний диаметр наружного кольца;
α - коэффициент термического расширения материала колец, при этом после охлаждения в защитной среде проводят охлаждение на воздухе.

Поддержание разницы температур, удовлетворяющей указанному выше соотношению при нагреве до температуры начала плавления припоя, позволяет устранить напряженное состояние в наружном кольце, возникшее при сборке.

Технический результат - повышение выхода годной продукции за счет устранения дефектов в паяных соединениях.

Способ, согласно изобретению, осуществляют следующим образом.

Паяют кольца, представляющие собой телескопическое соединение, содержащее толстостенное внутреннее кольцо и тонкостенное наружное кольцо. Выполняют оба кольца из высокопрочной стали или сплава. На паяемые поверхности обоих колец наносят слой защитного никелевого покрытия толщиной 10 - 15 мкм гальваническим методом из сернокислых растворов. Припой используют в виде полосы, которую устанавливают на внутреннюю поверхность наружного кольца и прихватывают к нему точечной электросваркой. Внутреннее кольцо устанавливают в сборочном приспособлении. Наружное кольцо с припоем нагревают в печи и нагретым надевают на внутреннее кольцо, при этом фиксируется положение колец по отношению друг к другу. При охлаждении в собранной под пайку конструкции возникает натяг, обусловленный полем допуска на изготовление колец и размещением припоя между ними. Внутренний диаметр наружного кольца увеличивается за счет его упругой деформации. Далее собранную конструкцию помещают в контейнер, в котором создают вакуум 5•10^-2 мм рт.ст., обеспечивающий защиту припоя и поверхности колец от окисления в процессе нагрева. Контейнер с конструкцией помещают в камерную индукционную печь и проводят пайку. При нагреве температура колец увеличивается неодинаково, поэтому скорость нагрева регулируют таким образом, чтобы вплоть до температуры начала плавления припоя разность температур между кольцами поддерживалась в соответствии с отношением:

где ΔT - разница температур между кольцами,
δ - величина натяга,
D - внутренний диаметр наружного кольца,
α - коэффициент термического разности температур осуществляют путем, например, регулирования мощности нагревателя печи. При таком режиме нагрева внутренний диаметр наружного кольца за счет его термического расширения увеличивается и становится больше наружного диаметра внутреннего кольца на величину удвоенной толщины полосы припоя. По этой причине наружное кольцо находится в ненапряженном состоянии и, как следствие этого, пластической деформации не происходит. Разница температур колец (ΔT) зависит от степени натяга, диаметра сопрягаемых деталей и материала, из которого они выполнены. В интервале температур начала и конца плавления припоя, когда он находится в пластичном состоянии, проводят выравнивание температур обоих колец за счет изотермической выдержки. По мере выравнивания температур колец зазор, в котором расположен припой, уменьшается, полужидкий припой частично из него выдавливается, образуя галтели. В результате устанавливается оптимальный капиллярный зазор. Время выдержки подбирают так, чтобы перепад температур между кольцами не превышал 40^oC. Затем осуществляют дальнейший нагрев конструкции до температуры пайки, при этом перепад температур колец поддерживается неизменным. Температура и время выдержки при пайке зависят от материалов колец и припоя. После окончания пайки изделие охлаждают в контейнере до 150 - 200^oC, а затем - на воздухе.

Пример 1.

Паяли конструкцию, в которой наружное и внутреннее кольца выполнены из мартенситной высокопрочной стали марки ВНС-25. На паяемые поверхности обеих деталей наносили слои никелевого покрытия толщиной 10 мкм. В качестве припоя использовали сплав на основе меди марки ПСр5,5. Температура начала плавления припоя - 870^oC, температура конца плавления припоя - 940^oC. Припой выполнен в виде полосы толщиной 0,15 мм и шириной 11 мм. Его устанавливали на внутреннюю поверхность наружного кольца, внутренний диаметр которого составлял 300 мм. Сборку колец осуществляли с натягом, определенным из расчета удвоенной толщины полосы припоя и допуска при изготовлении колец, т.е. равным 0,45 мм. При таком натяге наружное кольцо упруго деформируется с величиной деформации, равной 0,15%, и растягивающим напряжением, равным 30 кгс/мм². Внутренний его диаметр за счет упругой деформации увеличен на 0,45 мм. Собранную конструкцию помещали в контейнер, в котором создавали вакуум 5•10^-2 мм рт. ст. Контейнер помещали в печь. Нагрев в печи проводили до температуры 870^oC при постоянстве поддержания разницы температур между кольцами (ΔT), равной 150±10^oC. При температуре наружного кольца 870-890^oC производили выравнивающую выдержку до достижения разницы температур между деталями не более 40^oC. Время выдержки - 10-15 мин. Далее осуществляли нагрев до температуры пайки при соблюдении достигнутой разницы температур. Конструкцию паяли при температуре 1010±10^oC в течение 10±1 мин. По окончании пайки конструкцию охлаждали в вакууме до 150^oC, затем - на воздухе.

Пример 2.

Паяли кольца, выполненные из стали ВНС-25. На паяемые поверхности колец наносили слои никелевого покрытия толщиной 15 мкм. Припой марки ПСр5,5 использован в виде ленты толщиной 0,15 мм и шириной 9 мм. Внутренний диаметр наружного кольца 203 мм в свободном состоянии. Установку припоя и сборку конструкции осуществляли аналогично описанному в примере 1. Величина натяга составляла 0,45 мм. В собранном виде наружное кольцо упруго деформировано (растянуто), при этом величина относительной деформации составила 0,22%, а растягивающее напряжение - 45 кгс/мм². Нагрев и пайку проводили в контейнере в вакууме 5•10^-2 мм рт.ст. Нагрев до температуры 870^oC производили в режиме, обеспечивающем превышение температуры (ΔT) наружного кольца перед температурой внутреннего кольца на величину, равную 220±20^oC. При температуре наружного кольца 890-900^oC осуществляли выравнивающую выдержку до достижения разницы температур колец не более 40^oC, и эту разницу температур поддерживали до температуры пайки. Паяли конструкцию при температуре 1010±10^oC в течение 9-10 мин. Охлаждали конструкцию в вакууме до 200^oC, а затем - на воздухе.

Были проведены металлографические исследования паяных соединений конструкций, изготовленных по технологиям, описанным в приведенных выше примерах. Анализ показал на отсутствие в них таких дефектов, как пористость, неспаи, трещины, а также на увеличение соосности спаянных колец. Испытания в экстремальных условиях (высокие температура, давление и вибрация) не выявили разрушений в области паяного соединения.

Изобретение может быть использовано при пайке роторов, содержащих толстостенное внутреннее и тонкостенное наружное кольца и работающих в теплонапряженных условиях. Предварительно на паяемые поверхности обоих колец наносят защитное никелевое покрытие. Сборку конструкции осуществляют с натягом заданной величины. Нагрев до температуры начала плавления припоя осуществляют при поддержании разницы температуры колец, удовлетворяющей определенному соотношению. После достижения температуры начала плавления припоя проводят изотермическую выравнивающую выдержку, обеспечивающую разницу температур колец не более 40°С. Эту разницу температур поддерживают до температуры пайки. Пайку и охлаждение производят в защитной среде.

Способ пайки телескопических конструкций, содержащих толстостенное внутреннее и тонкостенное наружное кольца, преимущественно роторов, включающий размещение припоя на внутренней поверхности наружного кольца, сборку колец под пайку с натягом, нагрев конструкции в защитной среде, при котором до достижения температуры пайки проводят выравнивающую выдержку, обеспечивающую разницу температур колец не выше 40^oC, пайку и охлаждение в защитной среде, отличающийся тем, что выравнивающую выдержку проводят после достижения температуры начала плавления припоя, а до ее достижения поддерживают разницу температур колец, удовлетворяющую соотношению

где ΔT - разница температур наружного и внутреннего колец;
δ - величина натяга в соединении колец;
D - внутренний диаметр наружного кольца;
α - коэффициент термического расширения материала колец,
при этом после охлаждения в защитной среде проводят охлаждение на воздухе.