СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ ИЗДЕЛИЙ С ВНУТРЕННИМИ КАНАЛАМИ Российский патент 2003 года по МПК B23K20/08 

Изобретение относится к технологии получения изделий с внутренними полостями с помощью энергии взрыва и может быть использовано для изготовления фильтрующих элементов, теплообменников, подшипников скольжения и т.п.

Известен способ получения сверхпроводящих изделий с внутренней полостью сваркой взрывом, при котором устанавливают соосно трубчатый полостеобразующий элемент с удаляемым наполнителем и трубчатую облицовку, в зазор между ними засыпают порошок сверхпроводящего материала и инициируют наружный заряд взрывчатого вещества, между зарядом взрывчатого вещества и трубчатой облицовкой соосно размещают защитную трубчатую прослойку, в зазор между ней и трубчатой облицовкой засыпают тонкодисперсный керамический порошок, берут взрывчатое вещество со скоростью детонации 1580-3800 м/с, а процесс ведут при отношении удельной массы взрывчатого вещества к сумме удельных масс защитной трубчатой прослойки, тонкодисперсного керамического порошка, трубчатой облицовки и порошка сверхпроводящего материала, равном 0,51-0,81 (Патент РФ 1827089, опубл. 20.02.96, М. кл. В 23 К 20/08).

Недостатком данного способа является использование в его технологической схеме полостеобразующего элемента в виде трубы, остающегося в сваренном изделии, что ограничивает применение этого способа, поскольку стенка полостеобразующего элемента затрудняет теплообмен между порошковым материалом и веществом, которое располагают в полости сваренного изделия при его эксплуатации. Кроме того, указанный способ пригоден лишь для получения изделий с одной сквозной или несквозной внутренней полостью с большим поперечным сечением и непригоден для получения многоканальных изделий с поперечным сечением каналов менее 0,01 мм², что значительно ограничивает технологические области применения данного способа.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения сваркой взрывом изделий с внутренними каналами, при котором в защитной трубчатой прослойке с внутренней полостью, заполненной керамическим порошком, соосно размещают трубчатую облицовку с полостеобразующим материалом, заполненную прессуемым порошком, в качестве полостеобразующего материала используют полимерные волокна, которые протягивают через отверстия в трубчатой облицовке на расстоянии друг от друга не менее 2-5 диаметров волокон с образованием слоев, после заполнения облицовки прессуемым порошком устанавливают верхний и нижний металлические диски, затем полученную сборку размещают во внутренней полости защитной трубчатой прослойки, ограниченной предварительно запрессованным в нее нижним пуансоном, после заполнения ее керамическим порошком, затем устанавливают верхний пуансон, а сварку осуществляют путем ударного нагружения за счет разгона цилиндрического ударника пороховым метательным устройством, ствол которого установлен соосно полученной заготовке, и удара его в верхний пуансон со скоростью 400-600 м/с при отношении его удельной массы к сумме удельных масс верхнего пуансона, слоя керамического порошка, расположенного между верхним пуансоном и верхним металлическим диском, верхнего металлического диска, слоя прессуемого порошка, нижнего металлического диска и слоя керамического порошка между нижним пуансоном и нижним металлическим диском, равном 0,3-0,42, после чего удаляют полостеобразующий материал путем нагрева полученной заготовки до температуры, превышающей температуру термического разложения полимерного волокна не менее чем в 1,25-2 раза, при этом в качестве полимерных волокон используют капрон, а в качестве керамического порошка используют песок (Патент РФ 2152859, опубл. 20.07.00, М. кл. 7 В 23 К 28/08 - прототип).

Недостатком данного способа является послойное размещение в схеме прессования полостеобразующего материала в виде полимерных волокон, которые протягивают через отверстия в трубчатой облицовке на расстоянии друг от друга не менее 2-5 диаметров волокон, что приводит к получению внутренних каналов в сваренном изделии разной длины: их длина уменьшается по мере удаления от осевой части изделия, в связи с этим проницаемость внутренних каналов для жидкостей и газов сказывается неодинаковой по объему изделия, а это значительно сужает круг технологических областей применения данного способа.

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что обусловлено послойным размещением в его технологической схеме полостеобразующего материала в виде полимерных волокон, протягиваемых через отверстия в трубчатой облицовке, а это приводит к полученную в сваренных изделиях внутренних каналов переменной длины, а это снижает эффективность использования изделий в качестве фильтров, теплообменников и подшипников скольжения.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения сваркой взрывом изделий с внутренними каналами одинаковой протяженности на базе новой схемы прессования, обеспечивающей преобразование продольного фронта ударной волны в поперечный фронт волны, что создает новые технологические условия воздействия на трубчатую облицовку с формированием высокой плотности порошкового материала и снижением повреждений полимерных волокон полостеобразующего материала, тем самым обуславливается регламентируемая проницаемость внутренних каналов изделия, высокая плотность порошковой матрицы, что значительно улучшает эффективность работы изделий при использовании их в теплообменниках, узлах трения, фильтрующих элементов.

Техническим результатом заявленного способа является создание на основе продольного размещения в трубчатой облицовке полостеобразующего материала в виде полимерных волокон, удаляемых после сварки термическим воздействием, применения в технологической схеме стального конического обтекателя, цилиндра из высокопластичного металла, выбора оптимальных размеров трубчатой облицовки, скорости ударника и отношения его массы к массе цилиндра из высокопластичного металла, новой структуры импульсов давления в свариваемом материале, обеспечивающей высокую плотность порошковой матрицы по объему изделия, стабильность длины внутренних каналов, возможность получения изделий с поперечным сечением каналов менее 0,01 мм².

Указанный технический результат достигается тем, что заявлен способ получения сваркой взрывом изделий с внутренними каналами, при котором в защитной трубчатой прослойке с внутренней полостью соосно размещают трубчатую облицовку с полостеобразующим материалом в виде полимерных волокон, удаляемых после сварки путем нагрева, заполненную прессуемым порошком, а полостебразующий материал в виде полимерных волокон размещают в трубчатой облицовке, ориентируя их вдоль осевого канала трубчатой облицовки, в верхней части трубчатой облицовки устанавливают стальной конический обтекатель с углом при вершине конуса 60-90^o, и заполняют трубчатую облицовку прессуемым порошком, затем полученную сборку размещают во внутренней полости цилиндра из высокопластичного металла, расположенной симметрично продольной оси цилиндра, и устанавливают защитную трубчатую прослойку, причем наружный диаметр трубчатой облицовки составляет 0,35-0,44 внутреннего диаметра защитной трубчатой прослойки, и после установки разделительной прокладки осуществляют сварку путем ударного нагружения за счет разгона цилиндрического ударника пороховым метательным устройством, ствол которого установлен соосно получаемой заготовке, и удара в его разделительную прокладку со скоростью 550-650 м/с при отношении его массы к массе цилиндра из высокопластичного металла, равном 0,2-0,24, при этом в качестве высокопластичного металла предложено использовать свинец.

В таких условиях взрывного воздействия в трубчатой облицовке, заполненной прессуемым порошком и полимерными волокнами, возникает новая структура ударных волн, которая обеспечивает получение изделий с высокоплотной металлической матрицей, с стабильной длиной волокон, расположенных вдоль оси изделия, что в свою очередь после удаления полостеобразующего материала обеспечивает получение изделий с развитой сетью каналов малого сечения и стабильной длиной каналов, что позволяет использовать новую схему прессования и изготовленные изделия в промышленных целях для изготовления фильтров, теплообменников подшипников скольжения и т.п.

Новый способ получения сваркой взрывом изделий с внутренними каналами имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по строению получаемых изделий, так и по конструкции элементов схемы сварки взрывом, новой совокупности технологических приемов воздействия на прессуемый объект и режимов осуществления способа. Так, предложено размещать полостеобразующий материал в виде полимерных волокон в трубчатой облицовке, ориентируя их вдоль осевого канала трубчатой облицовки, что позволяет использовать для этих целей волокна примерно равной длины, а это после сварки взрывом и удаления полостеобразующего материала способствует получению изделия с стабильной длиной каналов, что, в свою очередь, способствует стабилизации проницаемости каналов по всему объему изделия. Предложено в верхней части трубчатой облицовки устанавливать стальной конический обтекатель с углом при вершине конуса 60-90^o, а затем сборку, состоящую из трубчатой облицовки, заполненной прессуемым порошком и волокнами полостеобразующего материала, конического обтекателя и заглушки, размещать во внутренней полости цилиндра из высокопластичного металла, расположенной симметрично его продольной оси. Это способствует в процессе сварки взрывом преобразованию продольного фронта прессования в поперечный, направленный к оси изделия; цилиндр из высокопластичного металла выполняет в стадии взрывного воздействия роль среды, передающей давление, а в стадии разгрузки защищает сваренное изделие от повреждений.

В случае использования стального конического обтекателя с углом при вершине конуса более 90^o возможна нежелательная продольная деформация трубчатой облицовки, что приводит к браку изделия; при использовании конического обтекателя с углом при вершине конуса менее 60^o возможно его разрушение в процессе сварки взрывом. Предложено наружный диаметр трубчатой облицовки изготавливать равным 0,36-0,44 внутреннего диаметра защитной трубчатой прослойки, что обеспечивает в процессе сварки взрывом равномерную деформацию трубчатой облицовки и одинаковое уплотнение порошка по всей длине изделия.

Предложено осуществлять сварку путем ударного нагружения за счет разгона цилиндрического ударника пороховым метательным устройством, ствол которого установлен соосно получаемой заготовке, и удара его в разделительную прокладку со скоростью 550-650 м/с при отношении его массы к массе цилиндра из высокопластичного металла, равном 0,2-0,24, что в процессе сварки взрывом обеспечивает необходимый уровень давления в прессуемом объеме, способствует стабилизации плотности порошкового материала по длине изделия, получению плотности порошковой матрицы, близкой к предельной. Предложено в качестве высокопластичного металла использовать свинец, что способствует получению при сварке взрывом необходимого уровня давления во всех частях свариваемой заготовки и сохранности изделия в стадии спада давления.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков решения, позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков в заявленном объекте по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "Новизна" по действующему законодательству.

Для проверки заявленного изобретения требованию "Изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение соответствует требованию "Изобретательский уровень".

На фиг.1 изображена схема сварки взрывом изделий с внутренними каналами, ее фронтальный осевой разрез; на фиг.2 - поперечный разрез сваренного изделия.

Предлагаемый способ получения сваркой взрывом изделий с внутренними каналами осуществляется в следующей последовательности. Изготавливают трубчатую облицовку 1, например, из стали и защитную трубчатую прослойку 2, например, из стали с внутренним диаметром, соответствующим внутреннему диаметру ствола порохового метательного устройства. При этом наружный диаметр трубчатой облицовки должен составлять 0,35-0,44 внутреннего диаметра защитной трубчатой прослойки. Изготавливают стальной конический обтекатель 3 с углом при вершине конуса, равным 60-90^o.

Берут пучок полимерных волокон полостеобразующего материала, например, из капрона и прикрепляют концы волокон с одной стороны пучка, например, с помощью клея к плоской части стального конического обтекателя. Размещают полостеобразующий материал в виде полимерных волокон 4 в трубчатой облицовке, ориентируя их вдоль осевого канала трубчатой облицовки, а в верхней части трубчатой облицовки устанавливают стальной конический обтекатель с прикрепленными к его торцу полимерными волокнами. Заполняют трубчатую облицовку на большую часть длины, например, с помощью электровибратора, прессуемым порошком 5, например металлическим. Удаляют выступающие за трубчатую облицовку концы полимерных волокон, например, электрическим резаком, устанавливают заглушку 6, например, из свинца. Полученную сборку 1 размещают во внутренней полости цилиндра из высокопластичного металла - свинца 7, расположенной симметрично продольной оси цилиндра 7, а затем устанавливают защитную трубчатую прослойку. Полученную таким образом сборку 2 устанавливают соосно со стволом 8 порохового метательного устройства на стальном основании 9, размещенном на песчаном грунте 10.

Устанавливают на поверхности цилиндра из высокопластичного металла 7 разделительную прокладку 11, например, из стали, размещают в стволе порохового метательного устройства пороховой заряд с ударником и выстреливают ударником 12, например, из свинца, который в результате выстрела соударяется с разделительной прокладкой, при этом процесс сварки ведут при скорости ударника 550-650 м/с и при отношении его массы к массе цилиндра из высокопластичного металла, равном 0,2-0,24.

После взрывного воздействия извлекают, например, с помощью пресса спрессованную сборку 1, отрезают, например, с помощью токарного станка верхнюю часть заготовки с коническим обтекателем, а также нижнюю часть вместе с заглушкой, а затем оставшуюся среднюю часть подвергают нагреву, например, в электропечи при температуре, превышающей температуру термического разложения полимерных волокон полостеобразующего материала не менее чем в 1,25-2 раза. Нагрев ведут до полного удаления полимерных волокон из порошковой матрицы.

В результате получают изделие с сквозными внутренними каналами 13, ориентированными вдоль сдеформированной трубчатой облицовки 14, при этом обеспечивается у порошковой матрицы 15 плотность, близкая к предельной, а также высокая стабильность длины внутренних каналов по объему изделия. Изделие может быть использовано как с сдеформированной трубчатой облицовкой 14, так и без нее, поскольку эту облицовку можно при необходимости удалить механической обработкой.

Пример 1 (см. таблицу, опыт 1).

Трубчатую облицовку изготавливали из стали 12Х18Н10Т. Длина облицовки - 50 мм, внутренний диаметр - 17 мм, наружный диаметр Добл.н = 22 мм, что составляет 0,44 внутреннего диаметра защитной трубчатой прослойки Дпр.в. Защитную трубчатую прослойку выполняли из стали Ст.3, длина прослойки была 90 мм, ее наружный диаметр Дпр.н = 80 мм, внутренний диаметр Дпр.в = 50 мм. Внутренний диаметр ствола порохового метательного устройства был также равен 50 мм.

Изготавливают стальной конический обтекатель из стали Ст.3; угол при вершине конуса 60^o, диаметр цилиндрической части равен 22 мм, длина цилиндрической части конуса - 5 мм. В качестве полимерных волокон полостеобразующего материала использовали волокна капрона диаметром 0,1 мм. Брали пучок, состоящий из 350 волокон длиной 90 мм, и прикрепляли концы волокон с одной стороны пучка с помощью клея к плоской торцевой части стального конического обтекателя. Размещали пучок полостеобразующего материала в виде полимерных волокон в трубчатой облицовке, устанавливали в верхней части трубчатой облицовки стальной конический обтекатель с прикрепленными к его торцу полимерными волокнами. С помощью специального приспособления распрямляли волокна и равномерно распределяли их по внутреннему объему трубчатой облицовки и заполняли трубчатую облицовку с помощью электровибратора прессуемым порошком на длину 44 мм, в качестве которого использовали электролитический порошок кобальта марки ПК-1 с насыпной плотностью 3,3 г/см³, с средним размером частиц 6-9 мкм. Удаляли выступающие из порошка концы полимерных волокон электрическим резаком, устанавливали свинцовую заглушку толщиной 3 мм, диаметром 17 мм. Полученную сборку 1 размещали во внутренней полости цилиндра из высокопластичного металла - свинца. Диаметр цилиндра был 50 мм, высота 79 мм. Внутренняя полость цилиндра по конфигурации и размерам соответствовала сборке 1 и выполнялась симметричной его продольной оси. Объем металлической части цилиндра Кцил = 131,7 см³, плотность свинца Псв = 11,34 г/см³, масса цилиндра Мцил = Псв•Kцил = 11,34•131,7 = 1493,5 г. Устанавливали защитную трубчатую прослойку. Полученную таким образом сборку 2 устанавливали соосно со стволом порохового метательного устройства на стальном основании, размещенном на песчаном грунте. Стальное основание в виде цилиндра выполняли из стали Ст.3 диаметром 150 мм, высотой 200 мм.

Устанавливали на поверхности цилиндра из высокопластичного металла разделительную прокладку из стали Ст.3 толщиной 2 мм, диаметром 50 мм. Прокладка способствует получению симметричного по отношению к свариваемой заготовке фронта прессования. В стволе порохового метательного устройства размещали пороховой заряд взрывчатого вещества массой 50 г, в качестве которого использовали бездымный охотничий порох "Барс", и цилиндрический ударник из свинца диаметром 50 мм, толщиной 13,5 мм. Объем ударника при указанных размерах Куд = 26,49 см³, масса ударника Муд = Псв•Куд = 11,34•26,49 = 300 г. Сварку взрывом осуществляли за счет разгона цилиндрического свинцового ударника пороховым метательным устройством и удара его в стальную разделительную прокладку. При выбранных параметрах заряда и ударника скорость ударника была 650 м/с, а отношение его массы Муд к массе цилиндра из высокопластичного металла Мцил была Муд/Мцил = 300:1493,5=0,2. Скорость ударника контролировали электроконтактным методом с использованием измерителя временных интервалов Ч3-34А.

После взрывного воздействия извлекали с помощью гидравлического пресса спрессованную сборку 1, отрезали на токарном станке верхнюю часть заготовки с коническим обтекателем и нижнюю часть вместе с заглушкой, а затем оставшуюся цилиндрическую часть подвергали нагреву в муфельной электропечи в течение 45 минут при температуре 640^oС, что превышает температуру термического разложения капрона в два раза. Такая термообработка обеспечивает удаление полимерных волокон из порошковой матрицы.

В результате получили изделие с 350 сквозными внутренними каналами, ориентированными вдоль трубчатой облицовки, при этом поперечное сечение каждого канала было около 0,008 мм², плотность порошковой матрицы из кобальта составляла 90-95% от предельного значения для монолитного материала, нестабильность длины внутренних каналов не превышает 3-6 % по длине изделия.

Пример 2 (см. таблицу, опыт 2).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Внутренний диаметр трубчатой облицовки был равен 15 мм, наружный диаметр Добл.н = 20 мм, что составляет 0,4•Дпр. в. Угол при вершине конуса стального конического обтекателя был равен 70^o, диаметр его цилиндрической части - 20 мм. В трубчатой облицовке размещали 320 полимерных волокон полостеобразующего материала. Заглушку изготавливали диаметром 15 мм. Высота цилиндра из высокопластичного металла была 74,3 мм, объем металлической части цилиндра Кцил = 145,8 см³, масса цилиндра Мцил = Псв•Кцил = 11,34•145,8 = 1440 г. Масса порохового заряда взрывчатого вещества была 45 г, скорость ударника была 600 м/с, а отношение его массы к массе цилиндра из высокопластичного металла была Муд/Мцил = 300:1440 = 0,208.

Результаты испытаний полученных изделий те же, что в примере 1, но число сквозных внутренних каналов в изделии 320.

Пример 3 (см. таблицу, опыт 3).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Внутренний диаметр трубчатой облицовки был 14 мм, наружный диаметр Добл.н = 18 мм, что составляет 0,36 Дпр.в. Угол при вершине конуса стального конического конического обтекателя равен 90^o, диаметр его цилиндрической части - 18 мм. В трубчатой облицовке размещали 300 полимерных волокон полостеобразующего материала. Заглушку изготавливали диаметром 14 мм. Высота цилиндра из высокопластичного металла была 64 мм, объем металлической части цилиндра Кцил = 110,8 см³, масса цилиндра Мцил = Псв•Кцил = 11,34•110,8=1256 г. Масса порохового заряда взрывчатого вещества была 40 г, скорость ударника составляла 550 м/с, а отношение его массы к массе цилиндра из высокопластичного металла была Муд/Мцил - 300:1256=0,24. Результаты испытаний полученных изделий те же, что в примере 1, но число сквозных внутренних каналов в изделии 300.

При получении изделий по прототипу (см. таблицу, опыт 4) нестабильность длины каналов в объеме изделия достигает значений 45-50%.

Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий:
- способ получения сваркой взрывом изделий с внутренними каналами, предназначенный для изготовления фильтрующих элементов, теплообменников, подшипников скольжения и т.п., впервые обеспечил получение качественных многоканальных изделий цилиндрической формы с высокой стабильностью длины внутренних каналов (нестабильность длины внутренних каналов не превышает 3-6% по длине изделия), при этом плотность порошковой матрицы весьма высока и составляет 90-95% от предельного значения, способ обеспечивает возможность получения внутренних каналов с поперечным сечением менее 0,01 мм²;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощь вышеописанных технологических приемов, условий и режимов его реализации;
- способ получения сваркой взрывом изделий с внутренними каналами, воплощенный в заявленном изобретении, при его осуществлении обеспечивает получение усматриваемого заявителем достигаемого технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "Промышленная применимость".

Изобретение может быть использовано для изготовления фильтрующих элементов, теплообменников, подшипников скольжения и т.п. Полостеобразующий материал в виде полимерных волокон размещают в трубчатой облицовке, ориентируя их вдоль ее осевого канала. В верхней части трубчатой облицовки устанавливают стальной конический обтекатель с углом при вершине конуса, равным 60-90^o. Заполняют трубчатую оболочку прессуемым порошком. Полученную сборку размещают во внутренней полости цилиндра из высокопластичного металла и устанавливают защитную трубчатую прослойку. После установки разделительной прокладки осуществляют сварку путем ударного нагружения за счет разгона цилиндрического ударника пороховым метательным устройством, ствол которого установлен соосно получаемой заготовке, и удара его в разделительную прокладку со скоростью 550-650 м/с при отношении его массы к массе цилиндра из высокопластичного металла, равном 0,2-0,24. Схема прессования, при которой продольный фронт ударной волны преобразовывают в поперечный фронт, обеспечивает высокую плотность порошковой матрицы и регламентированную проницаемость внутренних каналов изделия. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Способ получения сваркой взрывом изделий с внутренними каналами, при котором в защитной трубчатой прослойке с внутренней полостью соосно размещают трубчатую облицовку с полостеобразующим материалом в виде полимерных волокон, удаляемых после сварки путем нагрева, заполненную прессуемым порошком, отличающийся тем, что полостеобразующий материал в виде полимерных волокон размещают в трубчатой облицовке, ориентируя их вдоль осевого канала трубчатой облицовки, а в верхней части трубчатой облицовки устанавливают стальной конический обтекатель с углом при вершине конуса, равным 60-90°, и заполняют трубчатую оболочку прессуемым порошком, затем полученную сборку размещают во внутренней полости цилиндра из высокопластичного металла, расположенной симметрично продольной оси цилиндра и устанавливают защитную трубчатую прослойку, причем наружный диаметр трубчатой облицовки составляет 0,36-0,44 внутреннего диаметра защитной трубчатой прослойки, и после установки разделительной прокладки осуществляют сварку путем ударного нагружения за счет разгона цилиндрического ударника пороховым метательным устройством, ствол которого установлен соосно получаемой заготовке, и удара его в разделительную прокладку со скоростью 550-650 м/с при отношении его массы к массе цилиндра из высокопластичного металла, равном 0,2-0,24.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве высокопластичного металла используют свинец.