УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИКСАЦИИ И ПРИЖИМА ДЕТАЛЕЙ В ПРОЦЕССЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВАКУУМНОЙ ПАЙКИ В ПЕЧАХ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Область техники
Полезная модель может быть использована в процессе высокотемпературной пайки изделий в вакуумных печах сопротивления, например, вольфрамовой облицовки компонентов дивертора термоядерного реактора ИТЭР.
Уровень техники
Пайка изделий в вакуумных печах сопротивления, в том числе с использованием высокотемпературных твердых припоев, широко применяется в промышленности. При этом, если для фиксации спаиваемых деталей применяются какие-либо устройства, то в процессе пайки они подвергаются воздействию такой же температуры, как и сами спаиваемые детали, и, следовательно, должны быть достаточно жаропрочными. Помимо жаропрочности, конструкция таких устройств должна учитывать тепловое расширение как фиксируемых деталей, так и самого устройства, неизбежное во время выполнения пайки. Обычно эта проблема решается созданием необходимых технологических зазоров и/или изготовлением фиксирующих устройств из материала, имеющего сходный с материалом деталей коэффициент теплового расширения.
Однако в случае, когда требуется пайка изделия сложной формы, состоящего из большого количества деталей или узлов, изготовленных из различных материалов, обеспечение фиксации частей изделия по зонам пайки и обеспечение их достаточного взаимного прижима становится весьма сложной инженерной задачей. Эта задача еще более усложняется, если температура пайки настолько высока, что использование в фиксирующем устройстве в качестве упругих элементов, металлических пружин даже из тугоплавких металлов и сплавов, становится проблематичной.
Именно такая ситуация имеет место при пайке вольфрамовой облицовки обращенных к плазме элементов (ОПЭ) Центральной Сборки Дивертора ИТЭР, в процессе которой необходимо осуществлять одновременною пайку нескольких десятков вольфрамовых облицовочных плиток к многослойному теплоотводящему основанию сложной формы. Пайка выполняется в вакуумных печах сопротивления при температуре 970°С. Конструкции устройств для фиксации плиток облицовки на теплоотводящем основании ОПЭ, где в качестве обеспечивающих прижим плиток и компенсацию разности теплового расширения упругих элементов используются жаропрочные пружины рессорного типа из тугоплавких сплавов в общих чертах представлены в Nikolay Litunovsky et al, Development of the armoring technique for ITER Divertor Dome, Fusion Engineering & Design 86 (2011) pp.1749-17 и в Nikolay Litunovsky et al., Repair of manufacturing defects in the armor of plasma facing units of the ITER Divertor Dome, Fusion Engineering & Design 88 (2013) pp.1739-1743.
Существенным недостатком данных фиксирующих устройств является крайне быстрый выход из строя упругих элементов - металлических пружин, которые после одно-двукратного использования теряли свои упругие свойства вследствие высокотемпературной пластической деформации. Несмотря на все предпринятые усилия по оптимизации формы пружин и поискам наилучшего материала для их изготовления существенно увеличить их срок службы не удалось.
Техническим результатом использования представляемой полезной модели является устранение указанного недостатка высокотемпературных фиксирующих оснасток и получение стабильного усилия прижима в процессе пайки при температуре до 970°С.
Раскрытие полезной модели
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для фиксации деталей в процессе пайки, помимо металлической пружины из жаропрочного сплава, устанавливается газовая пружина, представляющая собой герметизированный сильфон, заполненный инертным газом. При этом заполнение сильфона инертным газом (удобней и дешевле всего для этих целей использовать аргон) перед герметизацией производится без создания в нем избыточного давления, и работать в качестве газовой пружины он начинает только после начала вакуумирования печи с паяемой сборкой и увеличивает создаваемое усилие по мере нагрева печи, и, соответственно, увеличения температуры заключенного в сильфон газа. Металлическая пружина в данном устройстве устанавливается параллельно с газовой и используется только для создание начального прижимного усилия при сборке деталей под пайку.
Согласно закону Шарля давление заключенного в замкнутый объем идеального газа увеличивается пропорционально росту его температуры. Поэтому с учетом того, что инертные газы по своим физическим свойствам близки к идеальным, усилие, создаваемое газовой пружиной в вакууме достаточно точно определяется формулой
T
2
где F - усилие сильфонной газовой пружины при температуре пайки, кгс/см;
0
2
F - абсолютное давление инертного газа в сильфоне при его герметизации, кгс/см;
Т - температура пайки, °С;
0
Т - температура инертного газа в сильфоне при его герметизации, °C;
D - внутренний диаметр наружных гофр сильфона, см.
0
0
П
2
Из вышеприведенной формулы следует, что газовая пружина из сильфона с диаметром D=20 мм, наполненная инертным газом до нормального атмосферного давления F ≈ 1 кгс/см и герметизированная при Т=20°С, при температуре пайки Т=970°С будет создавать прижимное усилие около 13,2 кгс.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется следующими графическими материалами: Рисунок 1 - конструкция газовой пружины на основе сильфона; Рисунок 2 - устройство для фиксации, общий вид; Рисунок 3 - прижимной кулачок.
Газовая пружина на основе сильфона (Рисунок 1) состоит из четырех деталей -стандартного тонкостенного сильфона из нержавеющей стали 1, нижнего и верхнего фланцев 2 и 3, и заглушки 4.
При сборке газовой пружины к сильфону 1 сначала привариваются нижний и верхний фланцы 2 и 3. Затем, после проверки герметичности сварного соединения, внутренняя полость пружины заполняется инертным газом через отверстие в верхнем фланце и окончательно герметизируется завариванием в это отверстие заглушки 4.
Шток, имеющийся у нижнего фланца газовой пружины служит для передачи прижимного усилия на спаиваемые детали.
Устройство для фиксации деталей во время пайки (Рисунок 2), в составе которого используется газовая пружина, имеет следующую конструкцию:
Газовая пружина на основе сильфона 5 помещена в гильзу 6, закрытую сверху приварной крышкой 7 с регулировочным болтом 8. Гильза 6 приварена к перекладине 9 так, чтобы шток газовой пружины проходил через отверстие, имеющиеся в середине перекладины. Длина штока газовой пружины подобрана таким образом, чтобы он упирался в верхнюю поверхность плоской линейной металлической пружины 10, которая зафиксирована своими концами в прямоугольных пазах, имеющихся в нижних боковых приливах перекладины. В средней части пружины 10 имеется продольная прорезь, через которую проходит верхняя часть прижимного кулачка 11 (форма прижимного кулачка пояснена на Рисунке 3), которая фиксируется в прорези штока газовой пружины при помощи штифта 12.
Остальными деталями приспособления, обеспечивающими фиксацию и эластичное сжатие спаиваемых деталей, являются ложемент 13, тяговые шпильки 14 и гайки 15, при помощи которых происходит регулировка высоты устройства, фиксация деталей под пайку, а также устанавливается начальное усилие их сжатия.
Осуществление полезной модели
Устройство для фиксации деталей в процессе пайки работает следующим образом: Детали, подготовленные к проведению высокотемпературной вакуумной пайки, устанавливаются в устройство для фиксации на ложемент 13. Регулировочный болт 8 в крышке 7 гильзы газовой пружины выкручивается в крайнее верхнее положение. Затем при помощи гаек 15 детали изделия фиксируются в устройстве и на них создается необходимое начальное усилие за счет деформации металлической пружины 10. После этого, закручиванием регулировочного болта 8 выбирается его свободный ход и создается небольшая деформация газовой пружины. После этого изделие помещается в печь для выполнения пайки.
После вакуумирования печи, по мере ее разогрева, усилие, создаваемое газовой пружиной, будет увеличиваться. Так как шток сильфона газовой пружины одновременно связан как с прижимным кулачком, давящим непосредственно на спаиваемые детали, так и металлической пружиной, обеспечивающей начальную фиксацию спаиваемых деталей перед пайкой. Поэтому прижимные усилия, производимые металлической и газовой пружиной суммируются. При этом суммирование усилий обеих пружин происходит только в сторону сжатия спаиваемых деталей. Металлическая пружина своей жесткостью не может мешать работе газовой пружины т.к. пазы в перекладине 9, в которые вставлены концы металлической пружины, открыты снизу, и металлическая пружина просто не имеет опоры, чтобы противодействовать газовой,
Таким образом, обеспечивается надежное и эластичное сжатие деталей на самом ответственном этапе пайки, при температуре, когда припой находится в расплавленном состоянии.
По окончании пайки гайки 15 ослабляются, устройство для фиксации снимается с изделия.