Однопостовая установка для диффузионной сварки в вакууме коротких труб внахлестку

 

Установка предназначена для сварки коротких труб внахлестку, которые практически не поддаются сварке плавлением, такие как титан-сталь, цирконий-сталь и т.д. Сокращение времени нагрева и охлаждения заготовки и как следствие повышение производительности установки и снижение общего потребления электроэнергии достигается тем, что опора, к которой во время сварки силовым штоком поджимается свариваемая заготовка, выполнена в виде роликового раскатника. Над нагревателем в верхней части камеры соосно силовому штоку установлен приводной вал. Привод силового штока размещен под камерой и имеет рабочий ход до верхнего торца нагревателя. На конце силового штока закреплена сменная подставка для установки и крепления свариваемой заготовки. Между роликовым раскатником и нагревателем установлен смещаемый в сторону тепловой экран. Роликовый раскатник выполнен с несколькими раскатными роликами, закрепленными на концах длинных штанг, оси которых расположены равномерно по окружности относительно оси вращения раскатника. Нагреватель установлен над дном вакуумной камеры на высоте, превышающей высоту свариваемой заготовки. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к сварочной технике, в частности к однопостовым установкам для диффузионной сварки в вакууме коротких труб внахлестку из разнородных материалов, которые практически не поддаются сварке плавлением, например, такие трубчатые соединения как титан-сталь, цирконий-сталь и т.д.

Известные однопостовые установки для диффузионной сварки в вакууме позволяют сваривать короткие трубы (втулки) внахлестку только по схеме создания сварочного сдавливания между свариваемыми поверхностями за счет разности коэффициентов термического расширения (КТР) свариваемых материалов, когда втулка с большим КТР помещается внутрь втулки с меньшим КТР, например втулка из нержавеющей стали типа 18-8 помещается во втулку из титанового сплава марки ВТ-1.

Однако такая схема с точки зрения работоспособности сварного соединения неоптимальная, т.к. при охлаждении сваренной заготовки в сварном соединении возникают весьма значительные радиальные отрывные напряжения, которые при толщине стенок свыше 1,5-2 мм часто приводят к потере герметичности сварного соединения уже на стадии охлаждения после сварки.

Более оптимальная схема диффузионного сварного соединения, когда втулка из материала с меньшим КТР вставляется внутрь втулки из материала с большим КТР, но она требует принудительной радиальной раздачи внутренней втулки для устранения образующегося при нагреве между втулками зазора и создания сварочного сдавливания между свариваемыми поверхностями втулок.

Такая схема диффузионной сварки коротких труб внахлестку известна (см. авт. св. 202404. МПК В 23 К 20/14, 1967 г.).

По этому авторскому свидетельству сваривались трубы по резьбе, при этом внутреннюю трубку из циркония, имеющего меньший КТР, запрессовывают в трубку из нержавеющей стали при помощи конусного дорна, перемещаемого по внутренней трубе при температуре диффузионной сварки (≈ 900^oС). В результате запрессовки конусного дорна внутренняя резьбовая втулка раздается на 1-1,5 мм на сторону, что позволяет выбрать механический зазор в резьбе, а также термический зазор, образовавшийся в результате более чем трехкратной разницы в КТР между нержавеющей сталью Х18Н10Т (КТР = 17,8•10^-6/^oC) и циркониевым сплавом с 2,5% Nb (КТР = 5,6•10^-6/^oC), а также позволяет обеспечить требуемую величину сварочного сдавливания свариваемых поверхностей.

Схема диффузионной сварки коротких труб внахлестку с применением конусного дорна для создания сварочного сдавливания не нашла широкого распространения из-за того, что для ее осуществления необходим большой ход силового штока, а все известные установки для диффузионной сварки в вакууме имеют рабочий ход всего 1-2 см из-за малого хода сильфона, обеспечивающего силовому штоку подвижное вакуумное уплотнение.

Также известна схема диффузионной сварки коротких труб внахлестку с использованием роликового раскатника (см. авт. св. 677851, МПК В 23 К 20/14, 1979 г.).

При этой схеме диффузионной сварки свариваемые отрезки труб собирают внахлестку, помещают сборку в вакуум и нагревают до температуры диффузионной сварки, после чего вводят по внутреннюю трубу вращающийся роликовый раскатник, у которого описанная вокруг роликов окружность должна превышать внутренний диаметр раскатываемой трубы на 1-3 мм в зависимости от схемы сборки и рельефа свариваемых поверхностей (гладкие, резьбовые и т.д.).

Известны роликовые раскатники, но неизвестны вакуумные установки для диффузионной сварки коротких труб внахлестку, в которых можно было бы устанавливать и закреплять заготовку из собранных труб, нагревать их и дистанционно развальцовывать стенку внутренней трубы при температуре диффузионной сварки, обеспечивая при этом необходимое усилие сдавливания между свариваемыми поверхностями.

Все известные однопостовые вакуумные установки для диффузионной сварки не позволяют сваривать короткие трубы внахлестку, т.к. в конструкциях этих установок отсутствуют устройства для создания сварочного сдавливания между свариваемыми поверхностями труб, собранных внахлестку.

Известна однопостовая установка для диффузионной сварки в вакууме, которая содержит вакуумную камеру, с системой обеспечения разряжения, высокочастотный нагреватель, силовой шток и упор, к которому силовым штоком поджимают свариваемые детали (см. Н.Ф. Казаков. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976 г., стр. 90-91).

Эта однопостовая установка для диффузионной сварки не приспособлена для диффузионной сварки коротких труб внахлестку.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретения, является создание однопостовой установки для диффузионной сварки в вакууме коротких труб внахлестку, в которой сварочное сдавливание свариваемых поверхностей труб должно осуществляться за счет роликовой раскатки внутренней трубы на длине нахлестки.

Технический результат заключается в том, что собранная для диффузионной сварки заготовка сначала устанавливается на сменную подставку, закрепленную на конце силового штока, потом после создания в камере рабочего разрежения за счет выдвижения силового штока вверх заготовка устанавливается в высокочастотный нагреватель, где она нагревается до температуры диффузионной сварки, а после нагрева за счет дальнейшего выдвижения с небольшой скоростью силового штока заготовка медленно надвигается на вращающийся роликовый раскатник.

В результате этого происходит раскатка внутренней трубы, которая постепенно раздается в диаметре по винтовой линии, точечно деформируясь в каждый момент под раскатными роликами преимущественно в трех точках при трехроликовом раскатнике. Такая схема деформации внутренней трубы позволяет уменьшить толщину стенки наружной трубы по сравнению со схемой раздачи, например с помощью конусного дорна, позволяет также сократить время нагрева и охлаждения заготовки, что в итоге повышает производительность установки, уменьшает в десятки раз усилие на силовом штоке, снижает вес наружной трубы, и снижает общее потребление электроэнергии, необходимое для сварки одной трубчатой заготовки.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной однопостовой установке для диффузионной сварки, содержащей вакуумную камеру с системой обеспечения разряжения, установленных в ней высокочастотного нагревателя с источником питания, силового штока с приводом, расположенного соосно нагревателю, и опоры в верхней части камеры, к которой во время сварки силовым штоком поджимается свариваемая заготовка: - опора выполнена в виде роликового раскатника, закрепленного на конце приводного вала, установленного в верхней части камеры над нагревателем соосно силовому штоку, привод которого размещен под камерой и имеет рабочий ход штока до верхнего торца нагревателя, а на конце штока закреплена сменная подставка для установки и крепления свариваемой заготовки, при этом между роликовым раскатником и нагревателем установлен смещаемый в сторону тепловой экран; - роликовый раскатник выполнен с несколькими раскатными роликами, закрепленным на концах длинных штанг, оси которых расположены равномерно по окружности относительно оси вращения раскатника; - нагреватель установлен над дном вакуумной камеры на высоте, превышающей высоту свариваемой заготовки; - сменная подставка закреплена на опорном стержне из колец, на торцевых поверхностях которых нанесено тепло изолирующее покрытие; - силовой шток выполнен с механическим приводом; - силовой шток выполнен с гидравлическим приводом; - тепловой экран выполнен из полированных металлических пластин, закрепленных на конце вертикального вала, рукоятка поворота которого выведена за пределы вакуумной камеры.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана однопостовая установка, когда силовой шток установлен в крайнем нижнем положении, позволяющем беспрепятственно устанавливать на сменную подставку заготовку из труб, собранных внахлестку, а на фиг. 2 показана установка, когда силовой шток поднял и установил свариваемую заготовку в высокочастотный нагреватель для нагрева ее до температуры диффузионной сварки, а на фиг. 3 показана установка, когда силовой шток поднимает нагретую до температуры диффузионной сварки заготовку и надвигает ее на раскатные ролики вращающегося раскатника, а тепловой экран при этом смещен в сторону для свободного подъема нагретой заготовки к раскатнику.

Однопостовая установка для диффузионной сварки в вакууме коротких труб внахлестку содержит вакуумную камеру 1 с системой обеспечения разряжения (не показана), высокочастотный нагреватель 2 с источником питания (не показан), роликовый раскатник 3, закрепленный на конце приводного вала 4, силовой шток 5 с приводом 6, сменную подставку 7 под свариваемую заготовку, раскатные ролики 8 на длинных штангах 9, тепловой экран 10 с поворотным валом 12 и рукояткой 13, опорный стержень 11 сменной подставки 7, люк 14 для загрузки и выгрузки свариваемой заготовки и смотровое стекло 15.

Боковые стенки вакуумной камеры 1 выполнены водоохлаждаемыми, что способствует быстрому охлаждению сваренной заготовки и повышает производительность установки. Высокочастотный нагреватель 2 установлен над дном вакуумной камеры 1 на высоте, превышающей высоту свариваемой заготовки, что упрощает и облегчает установку свариваемой заготовки на сменную подставку, особенно тяжелую заготовку из труб большого диаметра. Роликовый раскатник 3 с раскатными роликами 8 на длинных штангах 8 установлен под верхним фланцем камеры 1 соосно силовому штоку 5, что с одной стороны заменяет традиционный упор, а с другой стороны обеспечивает радиальную раздачу внутренней трубы в месте нахлестки с обеспечением сварочного сдавливания свариваемых поверхностей. Роликовый раскатник 3 крепится к приводному валу 4 с обеспечением центровки, что позволяет легко менять раскатники в зависимости от габаритов свариваемых труб. Силовой шток 5 с приводом 6, может иметь механический привод, например, типа винт-гайка, или реечный, а также гидравлический, когда силовым штоком является поршень. При этом длина рабочего вылета штока выбирается таким образом, чтобы торец штока мог достигать верхнего торца высокочастотного нагревателя, что позволяет надвигать нагретую заготовку на всю длину свариваемой нахлестки.

На торце штока 5 устанавливается преимущественно на резьбе сменная подставка 7 с опорным стержнем 11, выполненным в виде набора колец, торцы которых покрыты тепло изолирующим покрытием, например, в виде плазменного напыления из окиси хрома, что позволяет защитить от перегрева силовой шток 5 и исключить его тепловое заклинивание в направляющей втулке, установленной на выходе из корпуса привода 6.

Сменная подставка 7 выполнена с конусной боковой посадочной поверхностью, которая в сочетании с конусной поверхностью заготовки обеспечивает закрепление заготовки на штоке и ее центровку относительно оси штока.

Раскатные ролики 8, установленные на концах длинных штанг 9, выполнены сменными, что позволяет менять диаметр описанный вокруг них окружности в диапазоне до 80 мм только за счет перемены рабочих диаметров раскатных роликов.

Для защиты раскатника 3 от перегрева в результате инфракрасного излучения, исходящего от нагреваемой заготовки, между высокочастотным нагревателем и раскатником установлен тепловой экран 10 на поворачивающемся валу 12, рукоятка поворота 13 которого выведена за пределы камеры 1 на высоте, удобной для оператора-сварщика и не мешающей открытию люка 14. Габариты люка 14 выполнены таким образом, что позволяют легко устанавливать и снимать сваренную заготовку, а также менять съемную подставку 7 и раскатник 3. Большое смотровое стекло 15 позволяет легко контролировать процесс нагрева и раскатки внутренней трубы заготовки.

Установка работает следующем образом.

Обезжиренные и собранные трубы через люк 14 устанавливают на сменную подставку 7, закрывают люк 14 и создают в камере рабочее разрешение, например 5•10^-6 мм ртутного столба, после этого включают подъем штока 5 до тех пор, пока заготовка полностью не войдет в высокочастотный нагреватель 2. После чего подъем штока останавливают и включают высокочастотный нагрев заготовки до температуры диффузионной сварки материалов труб.

Температуру нагрева контролируют с помощью термопары, закрепленной на заготовке, или с помощью пирометра, установленного вне камеры у смотрового окна 15.

После нагрева заготовки до температуры диффузионной сварки отводят в сторону тепловой экран 10 с помощью рукоятки 13, после чего включают подъем силового штока 5 с нагретой до температуры диффузионной сварки заготовкой. Одновременно с подъемом штока 5 включают вращение роликового раскатника 3. Диаметр описанной окружности вокруг раскатных роликов выбирают на 1-3 мм больше внутреннего диаметра раскатываемой трубы в зависимости от зазоров в нахлестке, образующихся при сборке и нагреве.

Силовой шток 5, движущийся со скоростью 0,1-0,2 мм на один оборот раскатника 3, надвигает на раскатные ролики внутреннюю трубку, которая последовательно деформируется роликами 8 по винтовой линии и сдавливает свариваемые поверхности труб в области нахлестки. После того как будет раскатана вся длина нахлестки привод силового штока 5 переключают на движение вниз.

Движение силового штока вниз прекращают, когда заготовка полностью окажется в охлаждаемом водой высокочастотном индукторе, что ускорит процесс ее охлаждения. Охладив заготовку примерно до 300^oС, ее опускают в нижнее положение, показанное на фиг.1. В камеру напускают воздух и с помощью теплоизолирующих рукавиц извлекают из камеры сваренную заготовку, а на ее место устанавливают новую заготовку и процесс сварки повторяют.

Однопостовая установка позволяет сваривать переходники из коротких труб внахлестку в широком диапазоне диаметров от 80 до 450 мм. Достигается это за счет смены раскатника или замены диаметров раскатных роликов, а также сменной подставки, а при необходимости и высокочастотного индуктора, если габариты свариваемой заготовки не будут входить в высокочастотный нагреватель или будут слишком малы для его диаметра.

Однопостовая установка для диффузионной сварки с вакуумной камерой, например диаметром 700 мм, позволяет сваривать за смену 6-8 заготовок, собранных внахлестку.

Установка проста в изготовлении и обслуживании, повышает производительность труда и качество сварки.

Формула изобретения

1. Однопостовая установка для диффузионной сварки в вакууме коротких труб внахлестку, содержащая вакуумную камеру с системой обеспечения разрежения, установленные в камере высокочастотный нагреватель с источником питания, силовой шток с приводом, расположенным на одной оси с нагревателем и размещенную в верхней части камеры опору, к которой во время сварки силовым штоком поджимается свариваемая заготовка, отличающаяся тем, что опора выполнена в виде роликового раскатника, закрепленного на конце приводного вала, установленного в верхней части камеры над нагревателем соосно силовому штоку, привод которого размещен под камерой и имеет рабочий ход штока до верхнего торца нагревателя, а на конце силового штока закреплена сменная подставка для установки и крепления свариваемой заготовки, при этом между роликовым раскатником и нагревателем установлен смещаемый в сторону тепловой экран.

2. Однопостовая установка по п.1, отличающаяся тем, что роликовый раскатник выполнен с несколькими раскатными роликами, закрепленными на концах длинных штанг, оси которых расположены равномерно по окружности относительно оси вращения раскатника.

3. Однопостовая установка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что нагреватель установлен над дном вакуумной камеры на высоте, превышающей высоту свариваемой заготовки.

4. Однопостовая установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что сменная подставка закреплена на опорном стержне из колец, на торцевых поверхностях которых нанесено теплоизолирующее покрытие.

5. Однопостовая установка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что силовой шток выполнен с механическим приводом.

6. Однопостовая установка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что силовой шток выполнен с гидравлическим приводом.

7. Однопостовая установка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что тепловой экран выполнен из полированных металлических пластин, закрепленных на конце вертикального вала, рукоятка поворота которого выведена за пределы вакуумной камеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3