Способ изготовления биметаллических труб пайкой


 

B23K101/06 - Пайка или распаивание; сварка; плакирование или нанесение покрытий пайкой или сваркой; резка путем местного нагрева, например газопламенная резка; обработка металла лазерным лучом (изготовление изделий с металлическими покрытиями экструдированием металла B21C 23/22; нанесение облицовки или покрытий литьем B22D 19/08; литье погружением B22D 23/04; изготовление составных слоистых материалов путем спекания металлического порошка B22F 7/00; устройства для копирования и регулирования на металлообрабатывающих станках B23Q; покрытие металлов или материалов металлами, не отнесенными к другим классам C23C; горелки F23D)

Владельцы патента RU 2537979:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики Уральского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение может быть использовано при изготовлении пайкой биметаллических труб из сталей и сплавов. Охватывающий элемент изготавливают с внутренним диаметром, который меньше наружного диаметра охватываемого элемента вместе с нанесенным на его поверхность припоем, но при этом больше наружного диаметра охватываемого элемента без припоя. Припой наносят на наружную поверхность охватываемого элемента. Проводят коаксиальную сборку элементов путем осевого перемещения охватываемого элемента относительно образующей охватывающего элемента. Перед коаксиальной сборкой элементов осуществляют нагрев только охватывающего элемента до температуры пайки, а в процессе коаксиальной сборки элементов одновременно осуществляют их пайку с последующим охлаждением. Способ обеспечивает повышение качества паяного шва при снижении трудоемкости пайки.

 

Изобретение относится к способам изготовления многослойных труб, в частности к способам изготовления биметаллических труб из сталей и сплавов пайкой.

Известен способ изготовления биметаллической трубы (Патент РФ №2438842, МПК7 В23К 1/008, В23К 101/06, В32В 15/01, Бюл. №1 от 10.01.2012), заключающийся в сборке составной заготовки в виде двух разнородных коаксиально размещенных труб, внутренняя из которых короче наружной на 1-2 мм. Вакуумно-плотным швом заваривают зазор на торцевом конце сборки, где концы труб находятся в одной плоскости. Затем приваривают заглушку вакуумно-плотным швом на другом конце сборки. Устанавливают сборку в вертикальном положении так, чтобы заглушка стала дном сборки, и помещают на внутреннее дно заглушки припой. Затем приваривают вакуумно-плотным швом к верхней части сборки патрубок, соединенный с форвакуумным насосом и баллоном с безокислительным газом. Откачивают воздух из сборки. Помещают сборку в вертикальную трубчатую печь, нагревают до расплавления припоя. Нагнетают жидкий припой в вакуумированный зазор с помощью сжатого газа. Кристаллизацию припоя в зазоре осуществляют путем медленного поднятия сборки из печи.

Основными недостатком этого способа является сложность и трудоемкость проведения сборки и пайки, требующей применения сложного вакуумного оборудования и вертикальной трубчатой печи.

Аналогом данного способа изготовления труб пайкой также является способ изготовления многослойной трубы (А.с. №1247214, В23К 31/06, 1986, БИ №28, «Способ изготовления многослойной трубы») при котором трубу собирают из отдельных втулок, образующих внутренний, средний и наружный слои, из разных материалов. Втулки каждого охватывающего слоя перекрывают стыки втулок охватываемого слоя. На наружные поверхности втулок внутреннего и среднего слоев нанесен припой. При сборке втулки внутреннего слоя размещают на сердечнике оправки. Сердечник представляет собой стержень, длиной незначительно превышающей длину требуемой многослойной трубы. На одном конце стержня выполнен бурт с диаметром, меньшим наружного диаметра трубы, на другом - резьба. Втулки составляющих трубных заготовок слоев надевают на сердечник до упора в бурт. Втулки собирают с минимальным зазором. После этого на сердечник оправки надевают прижимную и пружинную шайбы и гайкой плотно поджимают втулки трубных заготовок торцами друг к другу.

Наружную поверхность составленной многослойной трубы последовательно с малым шагом оплавляют сварочной дугой, для чего труба получает вращательное, а сварочная дуга поступательное движение. Тепло сварочной дуги проникает внутрь и способствует последовательному локальному расплавлению всех припоев между составляющими трубу втулками. Расплавляясь, припой заполняет зазоры между втулками, в то же время под действием сжимающих напряжений остывающего наружного слоя последний получает радиальную усадку между слоями втулок.

Основными недостатками данного способа являются высокая трудоемкость сборки; значительное снижение производительности пайки в случае пайки длинномерных труб за счет организации локального нагрева многослойной сборки; оплавленная наружная поверхность с литой структурой металла, имеющего низкие механические свойства.

Наиболее близким способом по технической сущности к заявляемому является способ изготовления слоистых трубчатых изделий (А.с. №1103437, В23К 31/06, 1989, БИ №16, «Способ изготовления слоистых трубчатых изделий»), включающий изготовление охватываемого и охватывающего элементов, нанесение припоя на наружную поверхность охватываемого элемента, коаксиальную сборку охватываемого элемента с охватывающим элементом путем осевого перемещения охватываемого элемента относительно образующей охватывающего элемента, нагрев до температуры пайки с осадкой охватывающего элемента на охватываемый элемент путем растяжения охватывающего элемента вдоль его оси, причем осадку охватывающего элемента производят до пайки при температуре меньшей температуры плавления припоя, и охлаждение.

Основными недостатками способа прототипа являются необходимость осадки охватывающего элемента путем растяжения вдоль его оси для уменьшения зазора между его внутренней поверхностью и наружной поверхностью охватываемого элемента с нанесенным припоем, т.к. для коаксиальной сборки внутренний диаметр охватывающего элемента изготавливают большим, чем наружный диаметр охватываемого элемента с нанесенным припоем. Необходимость осевого растяжения значительно ограничивает возможность применения данного способа для толстостенных и длинномерных труб. Высокая трудоемкость и низкая производительность локального кольцевого нагрева приводит к неравномерному нагреву по длине собранных элементов, что вызывает образование дефектов в паяном шве в виде непропаев (мест, где припой отсутствует).

Задачей изобретения является снижение трудоемкости способа изготовления биметаллических труб пайкой и повышение качества паяного шва.

Поставленная задача решается тем, что заявляемый способ включает в себя изготовление охватываемого элемента, нанесение припоя на его наружную поверхность, после нанесения припоя на наружную поверхность охватываемого элемента изготавливают внутреннюю поверхность охватывающего элемента диаметром меньшим диаметра наружной поверхности охватываемого элемента вместе с нанесенным на нее припоем, но большим диаметра наружной поверхности охватываемого элемента без припоя, нагрев до температуры пайки охватывающего элемента без охватываемого элемента, коаксиальную сборку охватываемого элемента с охватывающим элементом путем осевого перемещения охватываемого элемента относительно образующей охватывающего элемента проводят после нагрева перед охлаждением.

Снижение трудоемкости заявляемого способа достигается за счет того, что нагреву до температуры пайки, которая, как известно, выше температуры полного расплавления припоя на 50-100°С, подвергается охватывающий элемент без охватываемого элемента, причем нагревают весь охватывающий элемент (например, в печи). Это позволяет использовать в качестве охватывающих элементов толстостенные трудно деформируемые заготовки. Снижению трудоемкости изготовления также способствует проведение коаксиальной сборки охватываемого элемента с охватывающим элементом перед охлаждением, совмещая сборку и пайку элементов между собой.

Повышение качества паяного шва заявляемого способа достигается за счет того, что внутреннюю поверхность охватывающего элемента изготавливают после нанесения припоя на наружную поверхность охватываемого элемента диаметром меньшим диаметра наружной поверхности охватываемого элемента вместе с нанесенным на нее припоем, но большим диаметра наружной поверхности охватываемого элемента без припоя.

Известно, что при нагреве металлические тела увеличивают свои размеры согласно зависимости, подставив в которую внутренний диаметр охватывающего элемента, получим Dтп=Dи(1+α(Тпо)), где Dтп - внутренний диаметр охватывающего элемента при температуре пайки; Dи - исходный перед нагревом внутренний диаметр охватывающего элемента; α - коэффициент линейного расширения металла (для стали составляет 12,35·10-6 градус-1); Тп температура пайки; То - температура перед нагревом (температура окружающей среды, в первом приближении - комнатная).

При нагреве внутренний диаметр охватывающего элемента будет увеличиваться. При достижении температуры пайки он станет больше диаметра охватываемого элемента вместе с нанесенным на его поверхность припоем, что обеспечивает коаксиальную сборку охватываемого элемента с охватывающим элементом путем осевого перемещения охватываемого элемента относительно образующей охватывающего элемента. Для этого необходимо изготовить внутреннюю поверхность охватывающего элемента после нанесения припоя на наружную поверхность охватываемого элемента диаметром меньшим диаметра наружной поверхности охватываемого элемента вместе с нанесенным на нее припоем, но большим диаметра наружной поверхности охватываемого элемента без припоя.

Если изготовить внутреннюю поверхность охватывающего элемента диаметром меньшим диаметра наружной поверхности охватываемого элемента, то осуществить коаксиальное размещение в полости охватывающего элемента охватываемого элемента с нанесенным на его поверхность припоем путем его перемещения вдоль образующей охватывающего элемента не удается, т.к. при температуре пайки будет отсутствовать зазор между элементами.

Если изготовить внутреннюю поверхность охватывающего элемента большим диаметром, чем диаметр наружной поверхности охватываемого элемента вместе с нанесенным на нее припоем, то между элементами будет зазор. При температуре пайки этот зазор между элементами будет еще больше. Сборку осуществить можно, но после охлаждения зазор между элементами останется, что приведет к отсутствию паяного шва, т.е. отсутствию соединения между элементами, обусловливая отсутствие и качества.

При таком ограничении внутреннего диаметра охватывающего элемента толщина припоя, нанесенного на наружную поверхность охватываемого элемента, не должна быть больше половины величины, на которую увеличится внутренний диаметр охватывающего элемента при нагреве до температуры пайки.

В процессе коаксиального размещения охватываемого элемента в полости нагретого охватывающего элемента расположенный на его наружной поверхности припой, находящийся в твердом состоянии, контактируя с нагретым охватывающим элементом, нагревается и частично переходит в жидкое состояние, т.к. температура охватывающего элемента выше температуры плавления припоя, что обеспечивает перемещение охватываемого элемента и припоя относительно внутренней поверхности охватывающего элемента и пайку за счет перемещения и смачивания припоем его внутренней поверхности.

При охлаждении диаметральные размеры охватывающего элемента уменьшаются, что создает сжимающее усилие на кристаллизующийся припой, вытесняя его избыток между охватывающим и охватываемым элементами на их торцевые поверхности, а после кристаллизации припоя - сжимающие напряжения в паяном шве.

Вытеснение избытка припоя между охватывающим и охватываемым элементами на их торцевые поверхности исключает образование в паяном шве непропаев, а сжимающие напряжения - образование трещин, повышая тем самым качество паяного шва.

Пример реализации заявляемого способа при изготовлении двухслойной биметаллической трубы.

Охватываемый элемент изготавливался в виде трубы из инструментальной стали марки 4Х5МФСА диаметрами 23 мм × 30 мм и длиной 500 мм. Охватываемый элемент предварительно прошел закалку и имел перед пайкой твердость 40-42 HRCэ.

В качестве припоя выбрали кадмий с температурой плавления 321°С, который наносился на наружную поверхность охватываемого элемента методом цианистого кадмирования (анод - пластина кадмия) по следующей технологии. На первом этапе поверхность подвергалась электрохимическому обезжириванию в растворе состава: NaOH+Na2СО3+Na3РO4. Время обезжиривания составило 10 мин. Далее проводилось травление в растворе соляной кислоты. Цианистое кадмирование осуществлялось в растворе состава: CdO+NaCN+Na2SO4+NiSO4, в течение 10 минут. Толщина покрытия кадмия составила 0,05-0,06 мм (на сторону), а наружный диаметр охватываемого элемента вместе с припоем - 30,1-30,12 мм.

Охватывающий элемент изготавливался в виде трубы из стали марки 38Н3МФА диаметрами 30,05 мм × 100 мм и длиной 500 мм, т.е. больше внутреннего диаметра охватывающего элемента (30 мм), но меньше, чем наружный диаметр охватываемого элемента вместе с припоем.

Охватывающий элемент нагревался в печи до температуры 420°С. При данной температуре его внутренний диаметр составил 30,186 мм, т.е. большую величину, чем наружный диаметр охватываемого элемента с нанесенным припоем. Затем в процессе одной технологической операции внутрь него коаксиально осевым перемещением установили охватываемый элемент, проводя при этом пайку. После остывания двухслойная заготовка трубы была механически обработана по внутренней и наружной поверхностям в требуемые размеры - 24 мм × 98 мм и длину 500 мм.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает снижение трудоемкости способа изготовления биметаллических труб пайкой и повышает качество паяного шва, позволяя использовать толстостенные трубы в качестве охватывающего элемента.

Способ изготовления пайкой биметаллических труб, включающий изготовление охватывающего и охватываемого элементов, нанесение припоя на наружную поверхность охватываемого элемента, коаксиальную сборку элементов путем осевого перемещения охватываемого элемента относительно образующей охватывающего элемента, нагрев до температуры пайки и охлаждение, отличающийся тем, что охватывающий элемент изготавливают с внутренним диаметром, который меньше наружного диаметра охватываемого элемента вместе с нанесенным на его поверхность припоем и при этом больше наружного диаметра охватываемого элемента без припоя, а перед коаксиальной сборкой элементов осуществляют нагрев только охватывающего элемента до температуры пайки, причем в процессе коаксиальной сборки элементов одновременно осуществляют их пайку с последующим охлаждением.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к технологии соединения оцинкованных труб путем пайко-сварки и может быть использовано для пайко-сварки оцинкованных труб, успешно применяемых при прокладке коммуникационных трубопроводов и аппаратостроении, судостроении, в обогревательных системах и канализационных трубопроводах.

Изобретение относится к машиностроению , конкретно к неразъемным соединениям труб. .

Изобретение относится к конструкции неразъемных соединений труб, преимущественно к паяным и сварным соединениям, и может быть использовано при изготовле - нин трубопроводов для перемещения жидкостей , газов и т.д.

Изобретение может быть использовано при изготовлении слоистых структур сложного профиля сваркой взрывом, например тонкостенных цилиндрических и эллиптических оболочек из биметаллов.
Изобретение может быть использовано при изготовлении слоистых тонкостенных титановых конструкций из листового материала, в частности, выпускных окон энергетических установок для вывода пучка электронов.

Способ электронно-лучевой сварки разнородных металлов или сплавов предназначен для изготовления сварных конструкций больших толщин. Способ включает направление электронного пучка на свариваемый стык с лицевой его стороны.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для повышения износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей изделий. Изобретением решается задача оптимизации процесса наплавки и повышения триботехнических характеристик наплавленной поверхности изделий.

Способ и машина для контактной точечной сварки с фигурным ходом верхнего электрода могут быть использованы для сварки сеток, каркасов и других изделий из проволоки, арматуры, стержней, труб, полос металла и различного длинномерного металлопроката.

Группа изобретений может быть использована при осуществлении твердой пайки алюминиевых деталей, например теплообменников. Используемый при пайке алюминия флюс содержит основной флюс, используемый для твердой пайки, который включает K2AlF5 или прекурсор, образующий K2AlF5, во время пайки, и Li-соль в количестве, соответствующем значению от 80% до 120% количества, которое стехиометрически необходимо для превращения всего K2AlF5 в K2LiAlF6 во время пайки.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для повышения износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей изделий. Изобретением решается задача оптимизации процесса наплавки внутренних цилиндрических поверхностей.
Изобретение относится к дуговой сварке и может быть использовано в различных отраслях промышленности при сварке преимущественно неповоротных кольцевых швов трубопроводов.
Изобретения могут быть использованы при пайке алюминиевых деталей, например теплообменников. К базовому флюсу, включающему фторалюминат калия, в котором содержание K3AlF6 равно или меньше 5 вес.%, добавляют литий или соединения в виде фторалюмината лития, в частности LiF или Li3AlF6, содержащие катионы Li.

Изобретение относится к области корпусного судостроения и может быть применено при соединении сваркой деталей большой толщины. Способ формирования стыка соединяемых деталей большой толщины из титановых сплавов при электронно-лучевой сварке включает образование подкладки из припуска одной из деталей.

Изобретение может быть использовано для соединения реактивной пайкой металлических элементов, а именно первого элемента в виде концевой крышки (5, 6) вакуумного патрона со вторым элементом в виде цилиндрического корпуса (4) с использованием присадочного сплава.
Наверх