СПОСОБ ПАЙКИ ТРУБ Российский патент 2000 года по МПК B23K1/00 B23K1/19 B23K101/06 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к пайке труб из разнородных материалов, имеющих значительное различие в коэффициентах термического расширения (КТР), преимущественно из ниобия и нержавеющей стали, и работоспособных при температурах до 2000^oC в агрессивных средах.

Известен способ пайки труб, работоспособных в агрессивных средах, заключающийся в том, что на торце одной трубы выполняют конические выступы, а на торце другой - конические пазы, после в часть образованного зазора, прилегающего к источнику нагрева, помещают припой с более высокой температурой плавления, а в другую часть - припой с более низкой температурой плавления, паяют при использовании источника нагрева, расположенного с внешней стороны труб (авт. свид. СССР N 373103, B 23 K 1/14).

Однако при применении известного способа невозможно спаять трубы, выполненные из материала с различными КТР, одна из которых выполнена из тугоплавкого металла, поскольку для этого требуется печь, обеспечивающая высокий вакуум при пайке и плотное прилегание труб друг к другу в процессе сборки.

Известен способ пайки труб, выполненных из материалов с различными КТР, а именно из тантала и нержавеющей стали, который описан в авт. свид. СССР N 1655675, кл. B 23 K 1/00. Он включает в себя сборку труб телескопическим методом - одна в другую - через втулку, образующую с наружной трубкой, выполненной из тантала, зазор. Припой, содержащий медь в виде кольца, устанавливают со стороны тантала. Пайку проводят в вакууме, в течение которой расплавленный припой заполняет зазор между паяемыми поверхностями. Паяное соединение работоспособно при термоциклировании нагрев - охлаждение.

Однако данный способ не обеспечивает получение плотного паяного соединения, поскольку в застойных его местах неизбежно появление пористости и, кроме того, образованный при сборке зазор в процессе пайки увеличивается в размере за счет разности КТР материалов труб, что может привести к появлению неспаев и рыхлот в паяном соединении.

Задача изобретения - создание технологии пайки труб, выполненных из ниобия и нержавеющей стали, используемых в конструкциях сборочных единиц агрегатов и работоспособных при температуре до 2000^oC в агрессивных средах.

Задача решена за счет того, что перед сборкой труб из материалов с различными коэффициентами термического расширения на паяемую поверхность трубы из тантала или ниобия наносят сначала слой медного покрытия толщиной 20 - 25 мкм и после термической обработки в вакууме наносят слой медного покрытия толщиной до 1 мм с последующей механической обработкой до получения ровной и гладкой поверхности, а на паяемую поверхность трубы из нержавеющей стали наносят слой никелевого покрытия толщиной 10 - 15 мкм. Паяемые поверхности выполняют конической формы, сборку осуществляют встык путем плотного прилегания паяемых поверхностей по конусу, причем труба, выполненная из тантала или ниобия, является охватываемой, а другая труба - охватывающей, размещение припоя, содержащего медь, проводят со стороны трубы из тугоплавкого металла, трубы паяют в вакууме при температуре 1015 - 1020^oC с выдержкой 5-7 мин, охлаждают их в вакууме до 50 ± 5^oC, a затем - на воздухе.

Технический результат - повышение плотности паяного соединения, а также обеспечение возможности использования спаянных труб в конструкциях сборочных единиц.

Согласно изобретению данный способ реализуется следующим образом.

На трубе, выполненной из тантала или ниобия, механическим методом образуют конический выступ, представляющий собой паяемую поверхность. На нее наносят слой медного покрытия толщиной 20 - 25 мкм. Процесс осуществляют из сернокислых растворов гальваническим методом. Нанесение покрытия возможно и другими методами, например осаждением из газовой фазы. Далее проводят термообработку трубы в вакуумной печи при разрежении не ниже 1•10^-4 мм рт.ст., в противном случае возможно окисление ниобия. Термообработку проводят при температуре 950 - 1000^oC с выдержкой 30 - 60 мин в зависимости от габаритов трубы. Термообработка необходима для обеспечения качественного сцепления покрытия с подложкой. После охлаждения на полученное покрытие наносят слой меди толщиной до 1 мм. Этот слой покрытия наносят плазменным напылением с помощью горелки. Дальнейшей механической полировкой добиваются получения ровной гладкой поверхности слоя.

На трубе из нержавеющей стали выполняют коническую выемку, представляющую собой паяемую поверхность. На нее гальваническим методом из сернокислых растворов наносят слой никелевого покрытия толщиной 10 - 15 мкм для улучшения растекания расплавленного припоя и формирования паяного соединения в процессе пайки.

Осуществляют сборку труб встык путем их плотной посадки по конусу так, чтобы труба из тантала или ниобия являлась охватываемой деталью, а труба из нержавеющей стали - охватывающей. Это обстоятельство необходимо, чтобы в процессе пайки не возникало дополнительного зазора, помимо сборочного, за счет разности КТР материалов труб. При сборке припой располагают со стороны трубы из тантала или ниобия. Это необходимо для быстрого затекания расплавленного припоя в зазор между паяемыми поверхностями. Пайку проводят в вакуумной печи с разрежением не ниже 1 • 10^-4 мм рт.ст. при температуре 1015 - 1020^oC с выдержкой 5-7 мин. Охлаждают изделие в том же вакууме до 50 ± 5^oC, затем на воздухе.

Пример 1.

На трубе, выполненной из ниобия марки 5 ВМЦ, выполняют конический выступ, а на трубе, выполненной из нержавеющей стали марки 1X24H5T, - коническую выемку. На паяемую коническую поверхность трубы из ниобия наносили гальваническим методом слой медного покрытия толщиной 20 мкм. Термообработку проводили в вакууме 1,5 • 10^-4 мм рт.ст. при температуре 950^oC с выдержкой 30 мин. После охлаждения на полученное покрытие наносили слой меди толщиной 1 мм плазменным напылением. С помощью полировки получали ровную и гладкую поверхность медного покрытия толщиной 500 мкм. На паяемую поверхность в виде конической выемки трубы из нержавеющей стали гальваническим методом наносили слой никелевого покрытия толщиной 10 мкм. Использовали припой, выполненный из сплава на основе меди марки ПМ17А, в виде полосы. Пайку проводили в вакууме 1,5 • 10^-4 мм рт.ст. при температуре 1015^oC с выдержкой 5 мин. Охлаждали сначала в вакууме до температуры 50 ± 5^oC, а затем - на воздухе.

Металлографические исследования показали отсутствие пористости, рыхлот и неспаев в паяном шве. Испытания конструкции в сборочной единице энергетического агрегата показали, что она работоспособна при температуре 1800^oC в агрессивной среде.

Пример 2.

Паяемые трубы выполнены из тех же материалов, что и в примере 1. На паяемые поверхности труб наносили слои медного покрытия методами, что и в примере 1. На паяемую поверхность трубы из ниобия сначала наносили слой толщиной 25 мкм, а затем после термообработки при 1000^oC с выдержкой 60 мин в вакууме наносили слой толщиной 1 мм. Механической полировкой доводили толщину слоя до 600 мкм. На паяемую поверхность трубы из нержавеющей стали наносили слой никелевого покрытия толщиной 15 мкм. Пайку проводили с использованием припоя той же марки, что и в примере 1, в вакууме 1,2 • 10^-4 мм рт. ст. при температуре 1020^oC с выдержкой 7 мин.

Испытания показали, что спаянная конструкция работоспособна в агрессивной среде при температуре 1900^oC.

Способ может быть использован при изготовлении труб из разнородных материалов со значительным различием коэффициентов термического расширения, преимущественно, из тантала или ниобия и нержавеющей стали, предназначенных для работы в агрессивных средах. Паяемые поверхности выполняют конической формы. На паяемую поверхность трубы из тантала или ниобия наносят слой медного покрытия толщиной 20 - 25 мкм. После термообработки в вакууме наносят слой медного покрытия толщиной до 1 мм. На паяемую поверхность трубы из нержавеющей стали наносят слой никелевого покрытия толщиной 10-15 мкм. Собирают встык при плотной посадке по конусу. Припой располагают со стороны трубы из тантала или ниобия. Пайку проводят в вакууме 1•10^-4 мм рт. ст. Охлаждают в вакууме и затем на воздухе. Высокая плотность и прочность паяных соединений, используемых в конструкциях сборочных единиц агрегатов, обеспечивает их работоспособность при температуре до 2000^oС в агрессивных средах. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ пайки труб из материалов с различными коэффициентами термического расширения, одна из которых выполнена из нержавеющей стали, включающей сборку труб с размещением припоя, содержащего медь, со стороны тугоплавкого металла и пайку в вакууме, отличающийся тем, что другую трубу выполняют из тантала или ниобия, паяемые поверхности выполняют конической формы, перед сборкой на паяемую поверхность трубы из нержавеющей стали наносят слой никелевого покрытия толщиной 10 - 15 мкм, а на паяемую поверхность другой трубы наносят сначала слой медного покрытия толщиной 20 - 25 мкм, затем после термической обработки в вакууме наносят слой медного покрытия толщиной до 1 мм с последующей механической обработкой до получения ровной и гладкой поверхности, при этом сборку труб осуществляют встык путем плотного прилегания по паяемым поверхностям с обеспечением охвата трубой из нержавеющей стали трубы из тантала или ниобия, пайку проводят в вакууме при температуре 1015 - 1020^oC с выдержкой 5 - 7 мин, а охлаждение - в вакууме до температуры 50±5^oC, а затем на воздухе. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой медного покрытия толщиной 20 - 25 мкм наносят гальваническим методом, а слой медного покрытия толщиной до 1 мм - методом плазменного напыления. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что термическую обработку осуществляют в вакууме не ниже 1•10^-4 мм рт. ст. при температуре 950 - 1000^oC с выдержкой 30 - 60 мин. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что пайку осуществляют в вакууме при разрежении не ниже 1•10^-4 мм рт. ст.