МОБИЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ

Полезная модель относится к оборудованию для сварки под давлением, а именно к установкам для диффузионной сварки и может быть использована для создания прецизионных узлов, включающих детали из разнородных материалов, в частности, в приборостроительной и машиностроительной отраслях.
Известно изобретение (патент РФ 2397053, 2011), установка содержит камеру нагрева, нагреватели, токоведущие шины, изоляторы и пакетное устройство, состоящее из системы сжатия узлов-заготовок, нижней и верхней токопроводящих плит. Биметаллическая пластина закреплена в камере нагрева и выполнена из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. Один конец металлической вставки соединен с биметаллической пластиной, а другой ее конец расположен между узлами-заготовками. Изобретение направлено на повышение качества соединяемых деталей за счет обеспечения требуемой степени вакуума.
Недостатком данного технического решения является техническая сложность устройства и трудности в приложении равномерного давления на свариваемые детали.
Наиболее близким аналогом данного изобретения является устройство для диффузионной сварки (патент РФ 2237559, 2001). Устройство содержит вакуумную камеру для сварки в ней заготовок, источник нагрева заготовок и малогабаритный пресс. Камера выполнена в виде переносного контейнера, приспособленного для нагрева в промышленной печи. Малогабаритный пресс выполнен в виде одногофрового сильфона, заглушенного по торцам толстостенными дисками, к которым приварены по наружному контуру тонкостенные мембраны, и заполнен веществом, расширяющимся при нагреве. Пресс помещен в контейнер для совместного сжатия вместе с заготовками.
Недостатком данного устройства является техническая сложность установки, необходимость внешнего источника нагрева, сложность регулирования давления, воздействующего на свариваемые детали.
Задачей полезной модели является разработка мобильного модуля для диффузионной сварки, работающего по принципу обратной связи.
Технический результат заключается в повышении качества изделий получаемых методом диффузионной сварки и существенного удешевления стоимости готовой продукции.
Технический результат достигается за счет создания линии обратной связи между свариваемыми деталями, которая позволяет динамически уравновесить давление, воздействующее на свариваемые детали, что предотвращает разрушение свариваемых деталей и сводит к минимуму пластическую деформацию деталей. Таким образом, усилие сжатия обеспечивает плотный контакт заготовок друг с другом, при этом, не оказывая на них постоянного усилия, которое оказывает отрицательное влияние на свариваемые детали. Отказ от дорогостоящего оборудования, необходимого для диффузионной сварки, обеспечивает удешевление стоимости готовой продукции.
Сущность полезной модели поясняется из описания конструкции и работы приведенного далее со ссылками на позиции чертежей, где:
на фиг. 1 изображен мобильный модуль для ДС в разрезе, где:
1 - переходник верхний;
2 - каркас мембраны;
3 - мембрана;
4 - корпус камеры нагрева;
5 - каркас;
6 - теплоотвод;
7 - захваты;
8 - экран керамический;
9 - нагреватель молибденовый;
10 - зажим центрирующий;
11 - термопара;
12 - шток;
13 - свариваемые детали;
21 - накопитель охлаждающей жидкости;
22 - трубка;
на фиг. 2 изображен внешний вид модуля для ДС, где:
14 - трубка для передачи давления по обратной связи;
15 - вводы для подачи охлаждающей жидкости (воды);
16 - ввод для подачи питания (электричества);
17 - канал для подачи давления;
18 - манометр;
19 - стойка;
20 - замок;
на фиг. 3 изображен график изменения давления, воздействующего на свариваемые детали с течением времени, при осуществлении ДС с применением обратной связи.
Назначением ПМ является расширение технологических возможностей устройства и повышения качества сварного соединения за счет балансировки усилия сжатия, воздействующего на свариваемые детали. Установка имеет небольшие габариты: максимальный диаметр корпуса камеры нагрева без учета стойки и штуцеров составляет 150 мм, а высота установки со стойкой равна 370 мм, что позволяет устанавливать ее в вакуумную камеру. Установка имеет ввод для подачи питания 16, ввод для подачи охлаждающей жидкости 15 и канал для подачи давления 17. Трубка 14 для передачи давления по обратной связи между свариваемыми деталями с внешней стороны установки через переходник посредством сварного соединения крепится к каркасу мембраны 2. Мембрана 3, изготовленная из прецизионного дисперсного сплава 36НКВХБТЮ, приварена к каркасу мембраны. Каркас мембраны, мембрана, переходник крепятся к корпусу камеры нагрева 4 посредством резьбового соединения. Камера нагрева как сборочная единица включает каркас 4, экран керамический 8, нагреватель молибденовый 9. Шток 12 с одной стороны закреплен в центре мембраны 2. С противоположной стороны штока 12 установлен центрирующий зажим 10 для установки свариваемой детали. Шток и зажим изготавливаются из различных марок титанового сплава, например, ВТ6, для минимизации диффузии между ними. В нижней части корпуса камеры нагрева 4 установлен накопитель охлаждающей жидкости 21, выполненный в виде кольца с соосно расположенной кольцевой выемкой и конусообразными краями. Сборочная единица установлена на конусообразной стойке 19, снабженной замком 20. С противоположной стороны сборочной единицы соосно расположена аналогичная конструкция для закрепления и приложения давления ко второй свариваемой детали. Центральная часть установки ДС, в которой производятся нагрев и сварка деталей, с внешней стороны закрыта керамическим экраном 8 цилиндрической формы. Внутри экрана 8 на каркасе 5 при помощи захватов 7 крепится молибденовый нагреватель 9 W-образной формы. В зону нагрева подведена термопара 11 для контроля температуры в сварочной зоне. Для контроля давления в процессе сварки установлен манометр 18.
Перед началом работы осуществляют сборку модуля ДС. Сборку деталей (переходник верхний 1, каркас мембраны 2, мембрана 3, шток 12) осуществляют посредством аргонно-дуговой сварки (ГОСТ 2601-84).
Центральная часть ДС состоит из нагревателя 9, установленного при помощи захватов 7, термопары 11, керамического экрана 8, штуцера подачи охлаждения 15. Перечисленные узлы хранят в собранном состоянии, и они не требуют специальной подготовки перед началом работы.
Перед началом диффузионной сварки, исходя из геометрии свариваемых деталей, происходит разработка и изготовление центрирующих зажимов 10 (что делает данный модуль универсальным), в которые впоследствии будут установлены свариваемые детали.
Затем, в зависимости от температуры, при которой будут проводить ДС, выбирают толщину теплоотвода 6. Теплоотводы изготавливают из медных сплавов, которые имеют высокую теплопроводность, что позволяет свести к минимуму воздействие температуры нагрева на мембрану. После производят сборку штока с теплоотводом и центрирующим зажимом посредством резьбового соединения. Аналогичным образом производят сборку нижнего узла системы.
Нижний узел вкручивают в корпус камеры нагрева 4. Затем осуществляют загрузку свариваемых деталей в центрирующий зажим. После чего, верхний узел вкручивают в корпус камеры нагрева до упора. Далее устанавливают трубку передачи давления 17 и манометр 18. Собранную систему помещают в стойку 19 посредством сочленения «шип-паз» и смыкают замком 20.
Собранный модуль помещают в вакуумную камеру. Предварительно в камеру помещают провода подачи давления, подачи охлаждения и электропитания, и затем их подключают к модулю. Подачу электропитания осуществляют через трансформатор и ВЧ-генератор.
-2
-3
Свариваемые детали 13 устанавливают в центрирующие зажимы 10. Модуль ДС помещают в вакуумную камеру и вакуумируют до 10…10 Па. Подают питание на молибденовый нагреватель 9 и производят нагрев заготовки до необходимой температуры. Температуру нагрева контролируют при помощи термопары 11.
После достижения необходимой температуры свариваемых деталей в системе создают давление воздуха, равное 21,5 МПа +/- 0,01. Прикладываемое давление вызывает перемещение мембраны 3, которая взаимодействуя со штоками, вызывает их перемещение в сторону свариваемых деталей и обеспечивает необходимое для ДС давление. Давление контролируют при помощи манометра 18. Далее осуществляют выдержку в течение 30 с в соответствии с выбранным режимом ДС. В течение процесса под действием высокой температуры происходит объемное расширение деталей, вызывающее перемещение штока, который свою очередь вызывает перемещение мембраны. Передача давления между деталями осуществляется по трубке 14. Тем самым происходит перераспределение давления, прикладываемого к свариваемым деталям по замкнутой системе, что обеспечивает динамическое балансирование усилия сжатия на свариваемые заготовки. Таким образом, реализуется обратная связь.
По окончании времени процесса ДС отключают питание нагревателя, без съема усилия сжатия происходит разгерметизация вакуумной камеры. Далее через штуцер 15 производят подачу в модуль жидкости для охлаждения сварного изделия. Для обеспечения равномерной подачи и предотвращения попадания на нагретые детали охлаждающей жидкости по трубке 22 подают в накопитель 21, после его заполнения жидкость переливается через стенки накопителя 21 и плавно стекает по стенкам камеры нагрева. После чего снимается усилие сжатия.
По окончании процесса модуль отключают от систем подачи энергии и извлекают из вакуумной камеры, выкручивают нижнюю часть модуля с полученным изделием. Затем изделие и модуль охлаждают до комнатной температуры.
Установка проста в изготовлении и обслуживании, повышает производительность труда и качество сварки. Пример осуществления ПМ.
Производили диффузионную сварку кольца из стали 12Х18Н10Т и кольца из вакуум-плотной керамики на основе глинозема ВК94 (ТУ11-78 аЯ0.027.002), для создания узла, работающего в критических условиях механических нагрузок, фиг.3.
Прочность соединения должна быть не менее 200 МПа.
Применение известных способов диффузионной сварки на специализированном оборудовании приводит к образованию соединения с микродефектами, поскольку оказывает постоянное усилие сжатия, вследствие чего разрушает узел в процессе сварки за счет увеличения усилия сжатия в ходе теплового расширения свариваемых деталей. При этом прочность соединения существенно падает, что не позволяет в дальнейшем использовать узел в условиях критических механических нагрузок.
При применении сварочного модуля с обратной связью, в котором применяется технология диффузионной сварки с обратной связью для равномерного распределения усилия сжатия на свариваемые детали, недостатков не обнаружено.
В течение процесса под действием высокой температуры, порядка 900°С, тепловое давление совместно с объемным расширением, расширило заготовки, что привело к перемещению штоков, которые в свою очередь связаны с мембранами, через которые осуществляли сжатие заготовок. Сообщение между заготовками реализовано через медную трубку расположенной с внешней стороны установки. Тем самым осуществлялось перераспределение давления, прикладываемого к свариваемым деталям по замкнутой системе, что обеспечивало динамическое балансирование усилия сжатия на свариваемые заготовки. Таким образом, усилие сжатия обеспечивало плотный контакт заготовок друг с другом, при этом, не оказывая на них постоянного усилия, которое оказывало отрицательное влияние на свариваемые детали.
Таким образом, предлагаемая малогабаритная установка позволяет сбалансировать усилие сжатия и обеспечивает плотный контакт заготовок друг с другом, не оказывая на них постоянного усилия, оказывающего отрицательное влияние на свариваемые детали.
На фиг. 3 показана динамика изменения давления, прикладываемого на свариваемые детали с течением времени прохождения процесса ДС. По мере того как, увеличивается температура свариваемых деталей растет их внутреннее давление. Через 15 с достигается максимальная температура нагрева 900 +/- 10°С, далее давление в системе уравновешивается. Таким образом, достигается оптимальное значение усилия сжатия, воздействующего на свариваемые детали.