Способ пайки изделий телескопического типа Советский патент 1977 года по МПК B23K1/00 B23K31/06 

(54) СПОСОБ ПАЙКИ ИЗДЕЛИЙ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОГО ТИПА

1

Изобретение относится к области пайки, в частности к способам пайки изделий телескопического типа из разнородных материалов.

Известен способ пайки телескопических соединений, у которых внутренняя деталь имеет меньший коэффициент термического расширения (КТР), чем внешняя 1. Способ включает сборку деталей без зазора или даже с натягом, установку припоя над линией контакта и нагрев до температуры, при которой вследствие разницы КТР возпикает достаточный зазор и происходит пайка.

Недостатком этого способа пайки является невозможность осуществления при расположении детали с большим КТР внутри, так как в этом случае при нагреве происходит прижатие деталей друг к другу, а не образование между ними зазора.

Известен также способ пайки телескопических соединений, у которых материал внутренней детали имеет КТР больший, чем у материала внешней детали, включающий сборку деталей с зазором, нагрев, выдержку при температуре пайки и охлаждение 2. Зазор при пайке по этому способу выбирают таким, fiTOбы при нагреве до температуры пайки он сузился за счет термического расширения деталей до величины оптимальной для капиллярного течения припоя.

К недостаткам этого способа следует отнести высокие требования к точности изготовления деталей для обеспечения строго заданного зазора большой величины и возникновение значительных внутренних напряжений в паяном шве в процессе охлаждения изделия после пайки.

Целью изобретения является уменьшение внутренних напряжений в шве при охлаждении изделий и снижение требований к допускам при изготовлении деталей.

Поставленная цель достигается тем, что при пайке изделий телескопического типа, у которых материал внутренней детали имеет КТР больший, чем материал внешней детали, сборку осуществляют с зазором, замыкающимся при нагреве ниже температуры пайки, а нагрев производят выще температуры пайки до температуры, обеспечивающей возникновение пластической деформации в материале контактирующих деталей, после чего производят охлаждение до температуры пайки, заполнение образовавшегося зазора припоем и дальнейшее охлаждение. Перед охлаждением до температуры пайки может быть произведен релаксационный отжиг.

Этот способ основан на использовании известных физических явлений, а именно пластического деформирования металлов и упругого последействия 3.

Физическая сущность предлагаемого способа видна из рассмотрения явлений, происходящих в изделии при нагреве и охлаждении.

При нагреве собранные с заданной величиной зазора детали изменяют свои размеры в соответствии с их КТР, т. е. внутренняя деталь расщиряется болыле внешней. В результате этого внутренняя деталь при нагреве приближается к внещней, уменьшая зазор, который нри некоторой температуре (ниже температуры пайки) полностью исчезает. По достижении температуры пайки расплавленный припой по этой причине остается без использования. После охлаждения изделий обнаруживают закристаллизовавшийся нрипой в канавке, но не в зазоре.

На чертеже показан термический цикл (линия авс соответствует нагреву до температуры пайки, линия cd - выдержке при ней, линия (ie- охлаждению).

Нагрев сопровол дается уменьшением зазора. При температуре TI зазор исчезает и поверхности вступают в контакт. Последующий нагрев выще температуры TI до температуры Тп создает поджатие паяемых деталей друг к другу.

В предлагаемом способе нагрев не ограничивают температурой пайки Г„, а продолжают до более высокой температуры TZ (см. точку f иа чертеже). Повыщеиие температуры сопровождается дополнительным прижатием паяемых деталей друг к другу. В материале прижатых деталей возникают контактные напряжения, обусловленные тем, что внутренняя деталь стремится расщириться до размеров, определяемых ее КТР, но этому расширению препятствует вступившая с ней в контакт внешняя деталь. В результате этого внутренняя деталь сжата внешней деталью, внешняя деталь растянута внутренней деталью. Если возникщие ири нагреве выще темиературы пайки Тп контактные напрял ения создают в материале деталей только упругие деформации, то после охлаждения до температуры пайки Тп эти деформации полностью исчезают и зазор между деталями не появляется. Если же при нагреве выще температуры пайки Тп коитактные напряжения создают упругие и пластические деформации, то при охлаждении до температуры пайки упругие деформации исчезают, а за счет пластических деформаций возникает между соединяемыми поверхностями зазор. Температуру нагрева TZ можно подобрать таким образом, чтобы возникающий за счет пластической деформации зазор имел при температуре пайки Тп необходимую величину для затекания в него расплавленного припоя. На чертеже охлаждение до температуры пайки Г„, выдержка при ней и охлаждение представлены линиями fg, gh и hi соответственно.

Возникающее упругое последействие в материале деталей при охлаждении их после пайки уменьщает внутреннее напряжение в таяных щвах.

В предложенном способе температуру нагрева свыше темиературы пайки Тп можно выбрать температуры TZ, обеспечивающей необходимую величину зазора за счет пластической деформации. На чертеже эта температура обозначена Т. Нулшую величину зазора при нагреве изделия до этой температуры получают, используя отжиг при температуре TZ, сопровождаюп1,ийся релаксацией контактных напряжений и переводом упругой деформации в пластическую. При этом снижение температуры (разность ,) и длительность отжига при температуре Гз выбирают из условия, чтобы уменьшение пластической деформации, вызванное синженнем темнературы, было компенсировано переводом упругой деформации в пластическую при релаксационном отжиге. Термический цикл пайки в этом случае на чертеже представлен линией aecjklmn, где авс/ - нагрев, jk - релаксационный отжиг, kl - охлаждение до температуры пайки, 1т - выдержка при температуре пайки, тп - охлаждение до комнатной температуры.

Примером применения предложенного способа является пайка титанового и стального колец по цилиндрическим новерхностям. Наружное кольцо изготовлено из титанового сплава ОТ4, внутреннее кольцо - из стали ЭР1811.

Наружное кольцо имеет следующие размеры, мм:

Диаметр наружный245

Л 9

229,6 но;

Диаметр внутренний

Ширина20

Внутреннее кольцо имеет следуюнще размеры, мм:

229,51о;2

Диаметр наружный Диаметр внутренний210

Ширина20

В кольцах предусмотрена проточка для установки припоя над зазором, образующимся после их сборки. Величина исходного (сборочного) зазора 0,15-0,25 мм. Наличие зазора упрощает сборку деталей, хотя предложенный способ применим и для сборки без зазора.

.При нагреве наружный диаметр внутреннего (стального) и внутренний диаметр наружного (титанового) колец изменяются следующим образом:

(l+acT T)

1

(1) (l+aT,AT)

где d к do - наружный диаметр внутреннего кольца при рассматриваемой и комнатной температурах;

D и 0 - внутренний диаметр наружного кольца при рассматриваемой и комнатной температурах;

осст и ат1-КТР стали ЭИ811 и титанового сплава ОТ4;

АГ - разность между рассматриваемой темнературой Т и комнатной температурой Го (20°С). Устранение зазора и возникновение контакта настунает нри . Это ус/ювие дает do()Do(, DO-do ((Zcido-OTi o) АГ Левая часть зависимости (2) представляет собой удвоенную величину исходного зазора 26. С учетол этого имеем 2б(аст о-ат1)о)А7 При минимальном значении заданного зазора бм1ш 0,15 м; условие (3) удовлетворяется, когда ЛТ 245°С. Следовательно, температура исчезновения зазора величиной 0,15 мм составляет 265°С {245°+ 20°). Действительно, при температуре265°С имеем: аст 14,2-10- и ат-.8,9-10-. Подставив в правую часть равенства (3) эти значения, а также значения 229,5 мм и о 229,6 мм, получим тождество с Аналогично доказывается, что при значении зазора бмакс 0,25 мм условие (3) удовлетворяется, когда Г 410° С (АГ 390°С, Ост 15-Ю-, ат1 9,4-10), т. е., что устранение зазора величиной 0,25 мм наступает при 410°С. Пайку колец осуществляют медно-серебряным припоем ПСр72 ГОСТ 8190-56 в виде проволоки диаметром 2,5 мм, устанавливаемой в проточку над зазором. Температура плавления припоя 779°С. Подготовку поверхностей под пайку производят известным способом, включающим травленне и нанесение покрытий. Собранное кольцо с установленным припоем помещают в контейнер, полость которого вакуумируют или заполняют аргоном. Контейнер загружают в электропечь и производят нагрев. При нагреве, как следует из расчета, уже при температуре 265-410°С сборочный зазор исчезает из-за большего температурного расщирения внутреннего кольца, чем кольца внещнего. На последующей стадии нагрева, вплоть до температуры пайки, составляющей 825± 5°С, происходит поджатие колец друг к другу. При дальнейшем нагреве до температуры 72 885°С нроисходит пластическая деформация материала колец. Последующее охлаждение до температуры пайки (Тп 825°С) и выдержка 5 мин при этой температуре приводят к образовапию зазора и затеканию в него припоя. При дальнейшем охлаждении изделия происходит кристаллизация припоя и образование иша. Однако нагрев до температуры 885°С сопровождается интенсивным взаимодействием припоя с паяемым материалом, приводящим к эрозии. Нагрев до температуры 885°С можно заменить нагревом до более низкой температуры с последующим релаксационным отжигом. Качественное заполнение припоем зазора и отсутствие эрозии получено при нагреве до температуры 865°С±5°С, отжиге при этой температуре в течение 15 мин, охлаждении до 825°С и выдержке 5 мии нри температуре 825°С. В результате пайки титаново-стальных колец по нредложенному способу получены качественные паяные соединения, без разрущения их внутренними напряжениями, в то время как при иснользованин известных снособов получить такие соединения без разрушений не удавалось. Формула изобретения 1.Способ пайки изделий телескопического типа, у которых материал внутренней детали имеет коэффициент термического расширения больший, чем материал внешней детали, включающий сборку деталей, нагрев, выдержку нри температуре пайки и охлаждение, отличающийся тем, что, с целью уменьшения внутренних напряжений в шве при охлаждении изделий и снижения требований к допускам при изготовлении деталей, сборку осуществляют с зазором, замыкающимся при нагреве ниже температуры пайки, а нагрев производят до температуры выше температуры пайки, обеспечивающей возникновение пластической деформации в материале контактирующих деталей, после чего производят охлаждение до температуры пайки и заполнение образовавщегося зазора припоем. 2.Способ пайки по п. 1, о т л и ч а ю щий ся тем, что, с целью снижения температуры нагрева, перед охлаждением до температуры пайки производят релаксационный отжиг. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1.Патент Швеции № 303417, кл. 49h 31/10, опубл. 1968. 2.Гладков А. С., Подвигина О. П. и Чернов О. В. Пайка деталей электровакуумных приборов. М., «Энергия, 1967, с. 90-97. 3.Смит М. К. Основы физики металлов. М., «Металлургия, 1962, с. 211, 319.