Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ ПАЙКОЙ

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 D_тп=D_и(1+α(Т_п-Т_о)), где D_тп - внутренний диаметр охватывающего элемента при температуре пайки; D_и - исходный перед нагревом внутренний диаметр охватывающего элемента; α - коэффициент линейного расширения металла (для стали составляет 12,35·10^-6 градус^-1); Т_п температура пайки; Т_о - 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 HRC_э.

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.