Способ пайки двухслойных паяных конструкций Российский патент 2019 года по МПК B23K1/12 B23K1/19 B23K103/18 

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и, в частности, к способу пайки двухслойных паяных конструкций.

Предшествующий уровень техники

Двухслойные паяные конструкции, например секции камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), состоят из стальной наружной и внутренней оребренной оболочек, при этом внутренняя оболочка выполнена из меди или медных сплавов. Соединение указанных оболочек осуществляется диффузионной пайкой с использованием гальванического медно-серебряного припоя, который наносится на стенку из медного сплава (см. авт. свид. СССР №1830318, МПК В23К 1/00, 1993).

Согласно этому способу диффузионной пайки изделий гальваническим серебром, выполняют сборку паяемых деталей под пайку с образованием полости между ними, герметизацию полости посредством сварки, размещение припоя, нагрев до температуры пайки с одновременным созданием давления защитного газа в печи и вакуумирование полости между стенками паяемых деталей. Нагревают до температуры пайки и охлаждают. Данное техническое решение принимаем в качестве аналога.

Недостаток данного аналога состоит в том, что нанесение гальванического припоя процесс трудоемкий, требует тщательной подготовки поверхности под покрытие, приборов для измерения толщины нанесенного покрытия, постоянного контроля состава электролита.

Известно также применение припоя при соединении указанных оболочек в виде фольги (см. Г.Г. Гахун «Конструирование и проектирование жидкостных ракетных двигателей, М., Маш., стр. 111, 1989 г.).

Известен также способ изготовления двухслойной паяной конструкции, состоящей из внешней силовой оболочки, выполненной из стали или сплава на никелевой основе, и внутренней оребренной оболочки, выполненной из меди или сплава на основе меди, включающий закрепление пластинчатого припоя марки ПМ17 между паяемыми оболочками, сборку конструкции под пайку, вакуумирование полости между оболочками, создание давления защитного газа в печи, нагрев конструкции до температуры пайки и ее охлаждение, причем пластины припоя закрепляют на вершинах ребер внутренней оболочки точечной электросваркой, а перед их размещением осуществляют нанесение на внешнюю поверхность внутренней оболочки конструкции гальванического покрытия из никеля с толщиной слоя, достаточной для предотвращения рассеивания тепла при закреплении пластин припоя электросваркой, при этом в качестве защитного газа используют аргон с давлением 0,05 МПа, а пайку осуществляют при температуре 1010°С, а толщина никелевого покрытия составляет 30…45 мкм, кроме того, припой ПМ17 содержит мас. %: Ni - 14, Mn - 17, Sn - 6, Cu остальное (см. патент RU №2581335, МПК В23К 1/00, 20.04.2016).

Использование данного способа пайки двухслойной конструкции позволяет использовать листовой припой вместо гальванического и тем самым снизить трудозатраты при пайке, а также использовать точно необходимое количество припоя.

Недостаток этого способа пайки состоит в том, что при непрерывном нагреве конструкции до температуры 1000±10°С происходит интенсивное выделение атомов Мп из припоя ПМ17, которые проникают в поверхностный внутренний слой оребренной медной стенки, что, как показали эксперименты, приводит к ухудшению теплопроводности этой стенки и, как следствие, к ее прогару.

Задачей изобретения является снизить проникновение атомов марганца Мп в процессе пайки из припоя ПМ17 в оребренную поверхность медной оболочки в процессе пайки.

Эта задача решена за счет того, что способ пайки двухслойной паяной конструкции состоящей из наружной силовой оболочки, выполненной из стали или сплава на никелевой основе, и внутренней оребренной оболочки, выполненной из меди или сплава на основе меди, имеющей каналы регенеративного охлаждения, включает в себя закрепление пластинчатого припоя ПМ17 на внутреннюю поверхность наружной оболочки, сборку двухслойной конструкции под пайку, герметизацию полости между двумя оболочками сварными швами, помещение в печь, заполнение ее защитным газом под давлением, вакуумирование полости между оболочками и нагрев конструкции до температуры пайки и ее последующее охлаждение, при этом пайку конструкции осуществляют в две стадии: вначале осуществляют нагрев до температуры 750°С±10°С в течение 30 минут, и выдерживают при этой температуре 10 минут, а затем в течение 55 минут доводят температуру конструкции до температуры пайки 1000°С±10°С и выдерживают эту температуру в течение 20 минут, а охлаждение конструкции осуществляют также в две стадии: с 1000°С до 400°С проводят принудительное охлаждение, а с 400°С до 20°С проводят охлаждение на воздухе, причем при пайке поддерживают давление защитного газа в печи, равным 0,06 МПа, а вакуум в полости между оболочками поддерживают при 5⋅10^-2 мм рт.ст. за счет непрерывной работы вакуумной системы в режиме откачки.

Кроме того, пластинчатый припой ПМ17 закрепляют на внутренней поверхности наружной оболочки с помощью точечной электросварки.

Технический результат состоит в том, что в процессе пайки по предлагаемому способу снижается количество атомов марганца Мп, проникающих во внутреннюю поверхность медной оболочки, что позволяет повысить теплопроводность этой стенки. Согласно изобретению данный способ осуществляют следующим образом.

Паяют конструкцию - имитатор, состоящий из наружной силовой оболочки, выполненной из сплава на основе Ni-Cr, и внутренней оребренной оболочки, выполненной из сплава на основе меди. При этом на внутреннюю поверхность внешней оболочки точечной сваркой закрепляют припой ПМ17, затем конструкцию собирают под пайку с образованием между паяемыми деталями внутренней полости, герметизируют ее двумя сварными швами по торцам. Затем собранную конструкцию помещают в печь, и подают инертный газ - аргон под давлением 0,06 МПа.

Одновременно с подачей в печь аргона соединяют внутреннюю полость между оболочками с вакуумной системой, которая создает вакуум 5⋅10^-2 мм. рт.ст. и которая работает в режиме непрерывной откачки. Затем осуществляют нагрев и пайку конструкции в две стадии: вначале осуществляют нагрев до температуры 750°С±10°С в течение 30 минут, и выдерживают при этой температуре 10 минут, а затем в течение 55 минут доводят температуру конструкции до температуры пайки 1000°С±10°С и выдерживают эту температуру в течение 20 минут, а охлаждение конструкции осуществляют также в две стадии: с 1000°С до 400°С проводят принудительное охлаждение, а с 400°С до 20°С проводят охлаждение на воздухе.

За счет выполнения двухрежимного нагрева и двухрежимного охлаждения конструкции, а также непрерывной работы вакуумной системы в процессе пайки сведено к минимуму проникновение атомов Mn в поверхностный слой медной оболочки. Металлографические исследования подтвердили, что теплопроводность медной стенки после пайки уменьшилась на незначительную величину.

Промышленное применение

Изобретение предназначено для использования в ракетной технике, например, для изготовления корпусов камер сгорания ЖРД. Возможно его применение в других отраслях техники, где используются паяные конструкции.

Изобретение может быть использовано при пайке двухслойных конструкций, в частности для изготовления корпусов камер сгорания ЖРД, состоящих из наружной силовой оболочки, выполненной из стали или сплава на никелевой основе, и внутренней оребренной оболочки, выполненной из меди или сплава на основе меди. Нагрев конструкции до температуры пайки осуществляют в две стадии: сначала до температуры 750°С±10°С в течение 30 мин с выдержкой при этой температуре 10 мин, а затем в течение 55 мин доводят температуру до 1000°С±10°С и выдерживают в течение 20 мин. Охлаждение конструкции проводят также в два этапа: сначала принудительное охлаждение до 400°С, а затем на воздухе. За счет выполнения двухрежимного нагрева конструкции при непрерывной работе вакуумной системы существенно сокращается общее время нагрева конструкции, что позволяет свести к минимуму проникновение атомов Mn в поверхностный слой медной оболочки и сократить время пайки. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ пайки двухслойной паяной конструкции, состоящей из наружной силовой оболочки, выполненной из стали или сплава на никелевой основе, и внутренней оребренной оболочки, выполненной из меди или сплава на основе меди, имеющей каналы регенеративного охлаждения, включающий в себя закрепление пластинчатого припоя ПМ17 на внутреннюю поверхность наружной оболочки, сборку двухслойной конструкции под пайку, герметизацию полости между двумя оболочками сварными швами, помещение в печь, заполнение ее защитным газом под давлением, вакуумирование полости между оболочками, нагрев конструкции до температуры пайки и ее последующее охлаждение, отличающийся тем, что пайку конструкции осуществляют в две стадии, причем вначале осуществляют нагрев до температуры 750°С±10°С в течение 30 минут и выдерживают при этой температуре 10 минут, а затем в течение 55 минут доводят температуру конструкции до температуры пайки 1000°С±10°С и выдерживают эту температуру в течение 20 минут, охлаждение конструкции осуществляют в две стадии, причем с 1000°С до 400°С проводят принудительное охлаждение, а затем – охлаждение на воздухе, при этом при пайке поддерживают давление защитного газа в печи равным 0,06 МПа, а вакуум в полости между оболочками поддерживают 5⋅10^-2 мм рт.ст. за счет непрерывного режима откачки вакуумной системы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пластинчатый припой ПМ17 закрепляют на внутренней поверхности наружной оболочки с помощью точечной электросварки.