УСТАНОВКА ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ С НАГРЕВОМ СВАРИВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ В ВИБРОКИПЯЩЕМ СЛОЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ ЧАСТИЦ

Полезная модель относится к машиностроению, преимущественно к термической обработке деталей и может использоваться при изготовлении сложных конструкций методами диффузионной сварки.
Известен способ комбинированного изготовления металлических конструкций посредством запрессовки заготовок типа отверстие-вал с последующим спеканием. Предварительно подготовленные и спрессованные заготовки помещаются в герметизируемую камеру. Затем камера загружается в нагревательную печь, где осуществляется процесс спекания заготовок и получение неразъемного соединения [В.И. Муравьев, П.В. Бахматов, А.Ф. Мельничук. Исследование влияния диффузионных процессов взаимодействия порошковых частиц сплава 2М2А и листовых заготовок из сплава ВТ20 на свойства композиционных конструкций. Заготовительные производства в машиностроении. - 2011. - №1. - С.42-45]. Данный метод имеет ряд недостатков (низкая производительность, высокая длительность процесса), обусловленных применяемым источником нагрева.
2
Скорость нагрева в обычных нагревательных печах небольшая из-за низкого коэффициента теплоотдачи. Удельная производительность не превышает 250-500 кГ/мч. Кроме того печи громоздки, что не позволяет встраивать их в технологическую линию потока. В настоящее время процесс нагрева в печах ускоряют повышением температуры. Значительный перегрев (за 300-400°C) усложняет конструкцию печей, требует высокого подогрева газа и воздуха. Повышение производительности также достигается использованием специальных сред - расплава солей и легкоплавких материалов. Однако, старение соляных ванн, понижающее коэффициент теплоотдачи, химическое взаимодействие с поверхностью изделия, большой расход расплавленных сред от налипания, последующая очистка поверхностей изделия, взрывоопасность, сравнительно высокая стоимость сред ограничивают возможность их применения [А.Г. Братухин, В.И. Меркулов, М.А. Погосян и др. Приоритеты авиационных технологий. Научное издание в 2-х кн. Кн. 1. - М.: Изд-во МАИ, 2004, - 696 с. (с.583-584].
Известен способ термической обработки деталей в кипящем слое. Обрабатываемые детали помещаются в печь с кипящим слоем электропроводных графитизированных частиц, нагрев которых осуществляют пропусканием через них переменного тока промышленной частоты с помощью погруженных в слой угольных электродов. Псевдоожижение создается продувкой воздухом, азотом или аргоном. В качестве материала теплоносителя используют порошок грануляции 0,1-0,5 мм [А.Г. Братухин, В.И. Меркулов, М.А. Погосян и др. Приоритеты авиационных технологий. Научное издание в 2-х кн. Кн.1. - М.: Изд-во МАИ, 2004, - 696 с. (с.582-585)]. Использование кипящего слоя значительно ускоряет процесс термической обработки деталей. Однако, необходимость подачи псевдоожижающего газа не позволяет проводить процесс термообработки без подачи газа, в вакууме и др.
В условиях фазовых предпревращений ослабевают межатомные связи, что приводит к повышению скорости диффузионных процессов на этапе объемного взаимодействия поверхностей свариваемых заготовок.
Для повышения производительности и возможности использования в качестве источника нагрева кипящего слоя при вышеуказанном комбинированном способе изготовления металлических деталей типа отверстие-вал предлагается установка диффузионной сварки с нагревом свариваемых деталей в виброкипящем слое электропроводных частиц, создаваемом механическим, электромагнитным или акустическим вибратором при температуре фазового предпревращения материала свариваемых деталей.
Техническим результатом, достигаемым при использовании установки является повышение качества неразъемных соединений за счет нагрева деталей в вакууме, что исключает окисление деталей, и за счет увеличения скорости нагрева, что повышает скорость диффузии, т.е. скорость образования соединения.
Схема установки приведена на фиг., где 1 - металлический корпус; 2 - огнеупорная кладка; 3 - герметичный контейнер; 4 - плавкий затвор; 5 - крышка; 6 - терморегулятор; 7 - электродержатель; 8 - мановакууметр; 9 - угольный электрод; 10 - детали; 11 - виброкипящий слой; 12 - рабочая камера; 13 - геттер; 14 - сильфон; 15 - электромагнитный вибратор
Установка состоит из металлического каркаса 1 прямоугольной формы, выполненного из стального листа. Кладка печи 2 выполнена из огнеупорного шамотного кирпича. Для теплоизоляции между каркасом и кладкой укладывается листовой асбест. В пространство печи вставляются контейнеры 3 прямоугольной формы, заполненные геттером 13, выполненные из коррозионностойкой стали. Крышка 5 снабжена плавким затвором 4 для герметизации установки. Внутрь печи вставляется рабочая камера 12, выполненная из листовой коррозионностойкой стали, которая заполняется кипящим слоем 11, с погруженными в него деталями 10. Рабочая камера жестко соединена с вибратором 15 через шток. Для обеспечения герметичности и подвижности контейнер в нижней части соединен со штоком с помощью сильфона 14 из коррозионностойкой стали. Виброкипящий слой разогревается пропусканием через него электрического тока промышленной частоты, который подводится к двум погруженным в слой угольным электродам 9 через электродержатели 7.
Для проведения диффузионной сварки с нагревом свариваемых деталей в виброкипящем слое электропроводных частиц в крышке предусмотрено отверстие для замера давления в рабочей камере 12. Замер давления производится мановакуумметром 8, например, марки МВПЗ-УУ2 (ТУ 25-02.180335-84). Для вакуумирования необходимо использовать геттеры, например, титановую или магниевую стружку, которые предварительно загружаются в контейнеры 3. При нагревании гетеры интенсивно поглощают газы.
В качестве плавкого затвора используется порошок стекла или порошок защитных стеклоэмалевых покрытий с температурой плавления начиная от 550°C и выше.
Для контроля и автоматического регулирования температуры кипящего слоя установка снабжена термопарой и электронным регулирующим устройством 6.
Псевдоожижение слоя создается вибратором 15 (механическим, электромагнитным или акустическим) с частотой вибрации от 50 Гц и более. В нашем случае используется электромагнитный вибратор, представляющий собой массивный стальной диск диаметром 250 мм и толщиной 60 мм, к которому жестко прикреплен сердечник электромагнита с катушкой и на трех пружинах верхний диск с якорем. Питание обмотки электромагнита осуществлялось через выпрямитель типа Д7. Ток через обмотку электромагнита проходит только в течение одного полупериода, поэтому вибрация осуществляется с частотой 50 раз в секунду.
Подача электроэнергии на электроды осуществляется после закрывания крышки.
Процесс диффузионной сварки происходит следующим образом. В подготовленную печь устанавливаются контейнеры для геттеров. Затем в печь помещается рабочая камера, заполненная инертными электропроводными частицами. Шток рабочей камеры жестко скрепляется с электромагнитным вибратором. Засыпка титановой стружки осуществляется в контейнеры для геттеров. После засыпки титановой стружки осуществляется псевдоожижение слоя электропроводных инертных частиц, подачей электрического тока на электромагнитный вибратор. Предварительно подготовленные и запрессованные детали помещают в слой псевдоожиженных инертных электропроводных частиц. После загрузки деталей в рабочую камеру печь закрывается крышкой и на элекродержатели подается электрический ток для разогрева виброкипящего слоя. При разогреве виброкипящего слоя происходит расширение газов и их стравливание через затвор из стеклоэмалевый смеси. После разогрева до температуры плавления порошковой стеклоэмалевой смеси происходит расплавление плавкого затвора, надежная герметизация печи и автовакуумирование. После чего осуществляется диффузионное спекание деталей в автовакууме по заданному режиму (температуре предпревращения материала свариваемых заготовок и времени выдержки).
Таким образом, предлагаемая установка диффузионной сварки с нагревом свариваемых деталей в виброкипящем слое электропроводных частиц по сравнению с установкой для диффузионной сварки на основе традиционной электрической печи позволяет существенно повысить производительность процесса, за счет увеличения скорости и интенсивности нагрева заготовок. Кроме того значительное увеличение скорости разогрева заготовок интенсифицирует процессы образования объемного взаимодействия заготовок и заращивания микронепровар на границе между поверхностями заготовок, что повышает качество получаемого неразъемного соединения. В результате расширяются технические возможности и температурно-временные условий проведения диффузионной сварки деталей металлоконструкций.