способ пайки телескопических конструкций

Формула изобретения

Способ пайки телескопических конструкций, содержащих толстостенное внутреннее и тонкостенное наружное кольца, преимущественно роторов, включающий размещение припоя на внутренней поверхности наружного кольца, сборку колец под пайку с натягом, нагрев конструкции в защитной среде, при котором до достижения температуры пайки проводят выравнивающую выдержку, обеспечивающую разницу температур колец не выше 40^oC, пайку и охлаждение в защитной среде, отличающийся тем, что выравнивающую выдержку проводят после достижения температуры начала плавления припоя, а до ее достижения поддерживают разницу температур колец, удовлетворяющую соотношению



где T - разница температур наружного и внутреннего колец;

- величина натяга в соединении колец;

D - внутренний диаметр наружного кольца;

- коэффициент термического расширения материала колец,

при этом после охлаждения в защитной среде проводят охлаждение на воздухе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области пайки телескопических конструкций, преимущественно колец, содержащих толстостенное внутреннее и тонкостенное наружное кольца и работающих в теплонапряженных условиях.

Известен способ пайки телескопических конструкций, содержащих толстостенное внутреннее и тонкостенное наружное кольца с соотношением толщин их стенок 10: 1, выполненных из дисперсионно-твердеющего сплава на никель-хромовой основе. Способ заключается в том, что на внутреннюю поверхность наружного кольца располагают припой, собирают кольца с натягом, помещают в контейнер, герметизируют его и паяют в камерной печи в защитной среде. В начале нагрева под пайку разница температур колец составляет около 400^oC. При температуре 630-680^oC - температуре нижнего предела фазовых превращений - производят выдержку для сокращения указанной разницы температуры до величины не выше 40^oC. Дальнейший нагрев до температуры пайки проводят при сохранении достигнутого перепада температур колец. Последние паяют при 1230 - 1240^oC. Спаянные конструкции охлаждают с печью до 870-920^oC - температуры верхнего предела фазовых превращений. Выдержка при этой температуре обеспечивает разницу температур колец в интервале фазовых превращений не выше 40^oC (см. авт. свид. СССР N 923781, кл. B 23 K 1/00).

Однако при пайке конструкций, собранных с натягом и выполненных из материалов, не претерпевающих фазовых превращений с изменением объема в процессе нагрева под пайку, использование известного режима ступенчатого нагрева с выдержкой для выравнивания температур колец может привести к пластической деформации наружного кольца в процессе нагрева и нарушению его геометрии. Это обстоятельство объясняется тем, что при проведении выравнивающей выдержки до температуры начала плавления припоя происходит увеличение напряженного состояния в наружном кольце и, как следствие, появление пластической деформации с образованием зазора. В результате в паяных соединениях появляются различного рода дефекты: непропаи, пористость и др.

Задача изобретения - создание такой технологии пайки телескопических конструкций с разнотолщинными паяемыми деталями, собранными с натягом и выполненными из материалов, не претерпевающих фазовых изменений при нагреве в процессе пайки, которая обеспечила бы устранение пластической деформации наружного кольца при нагреве до температуры пайки.

Задача решена за счет того, что при пайке телескопической конструкции, содержащей толстостенное внутреннее и тонкостенное наружное кольца, припой размещают на внутренней поверхности наружного кольца, собирают кольца под пайку с натягом, производят нагрев конструкции в защитной среде, до достижения температуры пайки проводят выравнивающую выдержку, обеспечивающую разницу температур колец не выше 40^oC, пайку и охлаждение проводят в защитной среде, при этом выравнивающую выдержку осуществляют после достижения температуры начала плавления припоя, а до ее достижения поддерживают разницу температур колец, удовлетворяющую соотношению



где T разница температур наружного и внутреннего колец;

- величина сборочного натяга;

D - внутренний диаметр наружного кольца;

- коэффициент термического расширения материала колец, при этом после охлаждения в защитной среде проводят охлаждение на воздухе.

Поддержание разницы температур, удовлетворяющей указанному выше соотношению при нагреве до температуры начала плавления припоя, позволяет устранить напряженное состояние в наружном кольце, возникшее при сборке.

Технический результат - повышение выхода годной продукции за счет устранения дефектов в паяных соединениях.

Способ, согласно изобретению, осуществляют следующим образом.

Паяют кольца, представляющие собой телескопическое соединение, содержащее толстостенное внутреннее кольцо и тонкостенное наружное кольцо. Выполняют оба кольца из высокопрочной стали или сплава. На паяемые поверхности обоих колец наносят слой защитного никелевого покрытия толщиной 10 - 15 мкм гальваническим методом из сернокислых растворов. Припой используют в виде полосы, которую устанавливают на внутреннюю поверхность наружного кольца и прихватывают к нему точечной электросваркой. Внутреннее кольцо устанавливают в сборочном приспособлении. Наружное кольцо с припоем нагревают в печи и нагретым надевают на внутреннее кольцо, при этом фиксируется положение колец по отношению друг к другу. При охлаждении в собранной под пайку конструкции возникает натяг, обусловленный полем допуска на изготовление колец и размещением припоя между ними. Внутренний диаметр наружного кольца увеличивается за счет его упругой деформации. Далее собранную конструкцию помещают в контейнер, в котором создают вакуум 510^-2 мм рт.ст., обеспечивающий защиту припоя и поверхности колец от окисления в процессе нагрева. Контейнер с конструкцией помещают в камерную индукционную печь и проводят пайку. При нагреве температура колец увеличивается неодинаково, поэтому скорость нагрева регулируют таким образом, чтобы вплоть до температуры начала плавления припоя разность температур между кольцами поддерживалась в соответствии с отношением:



где T - разница температур между кольцами,

- величина натяга,

D - внутренний диаметр наружного кольца,

- коэффициент термического разности температур осуществляют путем, например, регулирования мощности нагревателя печи. При таком режиме нагрева внутренний диаметр наружного кольца за счет его термического расширения увеличивается и становится больше наружного диаметра внутреннего кольца на величину удвоенной толщины полосы припоя. По этой причине наружное кольцо находится в ненапряженном состоянии и, как следствие этого, пластической деформации не происходит. Разница температур колец (T) зависит от степени натяга, диаметра сопрягаемых деталей и материала, из которого они выполнены. В интервале температур начала и конца плавления припоя, когда он находится в пластичном состоянии, проводят выравнивание температур обоих колец за счет изотермической выдержки. По мере выравнивания температур колец зазор, в котором расположен припой, уменьшается, полужидкий припой частично из него выдавливается, образуя галтели. В результате устанавливается оптимальный капиллярный зазор. Время выдержки подбирают так, чтобы перепад температур между кольцами не превышал 40^oC. Затем осуществляют дальнейший нагрев конструкции до температуры пайки, при этом перепад температур колец поддерживается неизменным. Температура и время выдержки при пайке зависят от материалов колец и припоя. После окончания пайки изделие охлаждают в контейнере до 150 - 200^oC, а затем - на воздухе.

Пример 1.

Паяли конструкцию, в которой наружное и внутреннее кольца выполнены из мартенситной высокопрочной стали марки ВНС-25. На паяемые поверхности обеих деталей наносили слои никелевого покрытия толщиной 10 мкм. В качестве припоя использовали сплав на основе меди марки ПСр5,5. Температура начала плавления припоя - 870^oC, температура конца плавления припоя - 940^oC. Припой выполнен в виде полосы толщиной 0,15 мм и шириной 11 мм. Его устанавливали на внутреннюю поверхность наружного кольца, внутренний диаметр которого составлял 300 мм. Сборку колец осуществляли с натягом, определенным из расчета удвоенной толщины полосы припоя и допуска при изготовлении колец, т.е. равным 0,45 мм. При таком натяге наружное кольцо упруго деформируется с величиной деформации, равной 0,15%, и растягивающим напряжением, равным 30 кгс/мм². Внутренний его диаметр за счет упругой деформации увеличен на 0,45 мм. Собранную конструкцию помещали в контейнер, в котором создавали вакуум 510^-2 мм рт. ст. Контейнер помещали в печь. Нагрев в печи проводили до температуры 870^oC при постоянстве поддержания разницы температур между кольцами (T), равной 15010^oC. При температуре наружного кольца 870-890^oC производили выравнивающую выдержку до достижения разницы температур между деталями не более 40^oC. Время выдержки - 10-15 мин. Далее осуществляли нагрев до температуры пайки при соблюдении достигнутой разницы температур. Конструкцию паяли при температуре 101010^oC в течение 101 мин. По окончании пайки конструкцию охлаждали в вакууме до 150^oC, затем - на воздухе.

Пример 2.

Паяли кольца, выполненные из стали ВНС-25. На паяемые поверхности колец наносили слои никелевого покрытия толщиной 15 мкм. Припой марки ПСр5,5 использован в виде ленты толщиной 0,15 мм и шириной 9 мм. Внутренний диаметр наружного кольца 203 мм в свободном состоянии. Установку припоя и сборку конструкции осуществляли аналогично описанному в примере 1. Величина натяга составляла 0,45 мм. В собранном виде наружное кольцо упруго деформировано (растянуто), при этом величина относительной деформации составила 0,22%, а растягивающее напряжение - 45 кгс/мм². Нагрев и пайку проводили в контейнере в вакууме 510^-2 мм рт.ст. Нагрев до температуры 870^oC производили в режиме, обеспечивающем превышение температуры (T) наружного кольца перед температурой внутреннего кольца на величину, равную 22020^oC. При температуре наружного кольца 890-900^oC осуществляли выравнивающую выдержку до достижения разницы температур колец не более 40^oC, и эту разницу температур поддерживали до температуры пайки. Паяли конструкцию при температуре 101010^oC в течение 9-10 мин. Охлаждали конструкцию в вакууме до 200^oC, а затем - на воздухе.

Были проведены металлографические исследования паяных соединений конструкций, изготовленных по технологиям, описанным в приведенных выше примерах. Анализ показал на отсутствие в них таких дефектов, как пористость, неспаи, трещины, а также на увеличение соосности спаянных колец. Испытания в экстремальных условиях (высокие температура, давление и вибрация) не выявили разрушений в области паяного соединения.