Способ изготовления биметаллических сосудов

Патент 2087286

Авторы

Реферат

Изобретение относится к способам диффузионной сварки и может быть использовано для изготовления аппаратов и других биметаллических изделий, с размещенными под плакирующим слоем каналами для пропускания теплоносителя и применяющихся в различных отраслях машиностроения. Сущность изобретения: перед диффузионной сваркой на внутренней поверхности сосуда 1 выполняют канавки 2, например, путем механической обработки. Затем на наружную поверхность плакирующего слоя 3 наносят выступы 4. Отжигают плакирующий слой для снятия напряжений наклепа. Зачищают наружную поверхность плакирующего слоя от окалины и загрязнений и устанавливают в сосуд 1. После чего плакирующий слой подвергают механической деформации до полной деформации выступов. Затем в сосуд помещают стальную предварительно отожженную в окислительной атмосфере технологическую рубашку 5. После чего уплотняют кромки рубашки 5 и сосуда 1 и создают между ними вакуум. Всю сборку помещают в компрессионной печи, включают нагрев и повышают давление в компрессионной печи и после изотермической выдержки отключают нагрев и сбрасывают давление. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Известен способ изготовления биметаллических сосудов, плакированных изнутри металлов путем вакуумно-диффузионной сварки корпуса сосуда с плакирующим слоем, при котором перед сваркой внутри сосуда устанавливают гладкую обечайку, после чего внутрь ее помещают стальную предварительно отожженную в окислительной атмосфере рубашку, уплотняют кромки рубашки и сосуда и создают между ними вакуум (авт.свид. СССР N 428904 B 23 K 20/00).

Однако при изготовлении сосудов с каналами на внутренней поверхности корпуса, при диффузионной сварке материал плакирующего слоя под действием давления, создаваемого технической рубашкой, продавливается в каналы, частично перекрывая их, что приводит к необходимости увеличения глубины каналов и толщины плакирующего слоя, тем самым увеличивая материалоемкость сосудов и расхода плакирующего материала.

Известен также способ изготовления биметаллических сосудов диффузионной сваркой, при котором внутрь сосуда устанавливают плакирующий слой, затем размещают технологическую рубашку, герметизируют их кромки, создают между свариваемыми поверхностями обечайки и плакирующего слоя вакуум, сборку размещают в компрессионной печи, производят кратковременное обжатие, нагревают до температуры сварки, сдавливают давлением газа, подаваемого в печь, и осуществляют изотермическую выдержку (авт. свид. СССР N 1799705 B 23 K 20/00).

Недостатком такого способа является невозможность изготовления биметаллических сосудов с каналами на внутренней поверхности корпуса без значительного увеличения материалоемкости как плакирующего слоя, так и сосуда, поскольку при диффузионной сварке также происходит проседание плакирующего слоя и частичное перекрывание сечения канала. Стенка канала, образованная планкирующим слоем, не обеспечивает эффективность теплопередачи из-за недостаточной турбулилизующей способности гладкой поверхности по сравнению с поверхностями, имеющими неровности, с которыми взаимодействует поток теплоносителя.

По совокупности общих признаков в качестве прототипа выбран способ авторскому свидетельству СССР N 1799705.

Задачей изобретения является создание способа, позволяющего снизить материалоемкость и обеспечить интенсификацию процесса теплообмена, снизить расход плакирующего материала путем увеличения механической прочности.

Поставленная задача достигается тем, что по предлагаемому способу изготовления биметаллических сосудов диффузионной сваркой, при котором внутрь устанавливают плакирующий слой, затем размещают технологическую рубашку, герметизируют их кромки, создают между свариваемыми поверхностями обечайки и плакирующего слоя вакуум, сборку размещают в компрессионной печи, производят кратковременное обжатие, нагревают до температуры сварки, сдавливают давлением газа, подаваемого в печь, и осуществляют изотермическую выдержку, на внутренней поверхности сосуда выполняют канавки, на наружную поверхность плакирующего слоя перед установкой внутрь сосуда выполняют выступы выпуклой частью наружу и производят отжиг с последующей зачисткой поверхности, после чего устанавливают плакирующий слой, перекрывающий канавки с образованием закрытых каналов термостатирования, и деформируют рифления, находящиеся на участках, расположенных между канавками, выступы выполняют под углом друг к другу с высотой 0,1-0,3 глубины канавок, герметизацию технологической рубашки осуществляют путем установки на ее торцах колец из материала с коэффициентом линейного расширения выше коэффициента линейного расширения материала рубашки, кольца выполняют с внутренними каналами, в которые подводят охлаждающую среду после окончания изотермической выдержки и сброса давления в компрессионной печи, кольца заключают в стальной кожух, выступы выполняют в виде участка точечной деформации (пуклевок), выступы выполняют в виде ряда расположенных последовательно пуклевок с углублением на внешней поверхности выполняют в шахматном порядке.

Выполнение на внутренней поверхности сосуда канавок и нанесения на наружную поверхность плакирующего слоя перед установкой внутрь сосуда выступов выпуклой частью наружу и проведение отжига с последующей зачисткой перед установкой его в сосуд, в результате чего перекрываются канавки с образованием закрытых каналов термостатирования и деформация выступов, находящиеся на участках термостатирования с теплопередающей поверхностью, обращенной внутрь сосуда и обладающей рядом преимуществ в сравнении с известными способами: повышенной эффективностью теплообмена за счет турбулизации потока теплоносителя при взаимодействии с выступами на теплопередающей поверхности плакирующего слоя; обеспечивающих снижение материалоемкости за счет уменьшения общей толщины плакирующего слоя благодаря наличию выступов, т.е. участков с увеличенной толщиной, выполняющих функции ребер жесткости, повышающих механическую прочность теплопередающей стенки каналов.

Выполнение выступов под углом друг к другу с высотой 0,1 0,3 глубины канавок при минимальном увеличении гидравлического сопротивления каналов обеспечивает турбулизацию потока при его различных скоростях, что позволяет снизить материалоемкость сосудов. При этом уменьшается тепловое сопротивление каналов, за чего достигается повышения эффективности термостатирования сосудов. Геометрические размеры и взаимное расположение выступов зависят от плотности и скорости потока термостатирующей среды, перепада температур на стенках канала, размеров канала и определяется тепловым и гидравлическим расчетами.

Осуществление герметизации технологической рубашки путем установки на ее торцах колец из материала с коэффициентом линейного расширения выше коэффициента линейного расширения материала рубашки упрощает процесс герметизации кромок плакирующего слоя, рубашки и корпуса. В этом случае герметизация осуществляется за счет нагрева, поскольку коэффициент линейного расширения у кольца выше, чем у рубашки и корпуса, то при нагреве сборки кольцо, расширяется от нагрева, создает необходимый для герметизации натяг. При охлаждении сборки кольцо, наоборот, уменьшается в диаметре и отдаляет кромки рубашки от плакирующего слоя, что упрощает процесс сборки и разборки, делая процесс менее трудоемким.

Выполнение колец с внутренними каналами, в которые подводят охлаждающую среду, после окончания изотермической выдержки и сброса давления в компрессионной печи позволяет ускорить процесс разборки за счет создания дополнительной разности температур в кольце и корпусе.

Заключение колец в стальной кожух позволяет исключить окисление материала кольца при нагреве в компрессионной печи и увеличить количество циклов применения одного и того кольца, тем самым уменьшить расход цветных металлов.

Выполнение выступов в виде участков точечной деформации (пуклевок) обеспечивает уменьшение затрат на нанесение выступов на поверхность плакирующего слоя и повышает качество сварки за счет уменьшения усилий обратной деформации.

Выполнение выступов в виде ряда расположенных последовательно пуклевок с углублениями на внутренней поверхности плакирующего слоя меньше толщины удаляемого при механической обработке слоя обеспечивает получение выступов, необходимой конфигурации, а следовательно, более эффективную турбулизацию потока при снижении энергетических затрат на формообразование выступов.

Выполнение пуклевок в шахматном порядке обеспечивает аналогичный описанному выше эффект турбулизации потока, но достигается более простыми и произвольными приемами.

На фиг. 1 показано взаимное расположение стенки корпуса сосуда, плакирующего слоя и технологической рубашки; на фиг. 2 то же после воздействия давлением на стенки канала (первый вариант); на фиг. 3 сечение по А-А; на фиг. 4 сечение сборки в зоне краевого кольца; на фиг. 5 вариант выполнения выступов в виде пуклевок; на фиг. 6 конфигурация сечения пуклевок (сечение Б-Б) и плакирующий слой после механической обработки, отмеченной пунктирной линией, на фиг. 7 вариант взаимного расположения пуклевок в шахматном порядке.

Способ осуществляется следующим образом.

Перед диффузионной сваркой на внутренней поверхности сосуда 1 выполняют канавки 2, например, путем механической обработки, затем на наружную поверхность плакирующего слоя 3 наносят с помощью штемпелей или роликов выступы 4, отжигают плакирующий слой для снятия напряжений наклепа при температуре отжига для данного материала, зачищают наружную поверхность плакирующего слоя от окалины и загрязнений с помощью известных устройств и устанавливают в сосуд 1, после чего плакирующий слой подвергают механической деформации, например прикатывают валиком, либо воздействуют давильным роликом до полной деформации выступов, взаимодействующих с межканавочным пространством внутренней поверхности сосуда. Затем в сосуд помещают стальную предварительно отожженную в окислительной атмосфере технологическую рубашку 5, которая снабжена разъемом, обеспечивающим создание натяга между технологической рубашкой 5 и плакирующим слоем 3. После этого с помощью механических устройств уплотняют кромки рубашки 5 и сосуда 1 и создают между ними вакуум. Всю сборку помещают в компрессионную печь, поднимают давление для кратковременного обжатия отвакуумированных поверхностей, после чего давление сбрасывают до атмосферного. Затем включают нагрев и вновь повышают давление в компрессионной печи и после изотермической выдержки отключают нагрев и сбрасывают давление.

При механическом обжатии и при обжатии в процессе диффузионной сварки в компрессионной печи происходит деформация стенки каналов, образованной плакирующим слоем, который частично вдавливается в полость канавок. Для компенсации этого вдавливания глубина канавок выполняется глубже требуемой на величину деформации плакирующего слоя, а для уменьшения величины вдавливания плакирующего слоя в канавку технологическая рубашка выполняется с толщиной, способной компенсировать давление в компрессионной печи. Последующая диффузионная сварка плакирующего слоя с поверхностью сосуда происходит в обычном режиме. Величина и продолжительность кратковременного обжатия зависят от пластических свойств плакирующего слоя, толщины плакирующего слоя и определяются опытным путем в каждом случае.

На технологической рубашке 5 могут быть установлены кольца 6 из материала с коэффициентом линейного расширения большим, чем у материала корпуса 1 и технологической рубашки 5, например, из меди или медных сплавов. В этом случае кольцо 6 помещают в канавке кольца 7, изготовленного из стали и приваренного к рубашке 5. Кольцо 6 снабжено кольцевым каналом 8 и сообщающимся с ним радиальными каналами, перекрытыми заглушками 9. При нагреве сборки в компрессионной печи под действием тепла кольцо 6, расширяясь, создает дополнительное давление по краям рубашки 5, обеспечивая более надежную герметизацию стыка рубашки 5 и сосуда 1. После охлаждения до температуры порядка 80^oC вместо заглушек 9 к кольцу 7 подсоединяют трубопроводы подвода и отвода хладагента и за счет уменьшения линейных размеров кольца 6 отделяют края рубашки 5 от плакирующего слоя 3.

Пример.

Изготавливают обечайку с внутренним диаметром 1500 мм с теплообенными каналами шириной 8 мм и глубиной 4 мм. Расстояние между каналами 40 мм, рабочая высота обечайки 600 мм, толщина обечайки 28 мм, материал-сталь 3. Устанавливают плакирующий слой из меди толщиной 5 мм с выполненными на его внешней поверхности пуклевок высотой 1,5 мм и шириной 2 мм. После чего производят выглаживание поверхности плакирующего слоя правильным роликом до полного прилегания плакирующего слоя к стенке сосуда и устанавливают технологическую рубашку 5, которую изготавливают из листовой стали толщиной 6 мм. Герметизирую края сборки и вакуумируют. Затем повышают давление в компрессионной печи и производят обжатие сборки, при этом величина предварительного давления составляла 4,2 МПа при давлении давлении сварки 3,7 МПа. Время выдержки сварки при предварительном давдении составляло согласно технологическому регламенту 28 мин при общей продолжительности диффузионной сварки 320 мин, после чего давление сбрасывали до атмосферного и внутреннюю поверхность обечайки подвергали механической обработке. При этом толщину плакирующего слоя доводили до 3,6 мм. Таким образом достигалось требуемое термическое сопротивление каналов и обеспечивалась необходимая механическая прочность при минимальной материалоемкости.

Предлагаемый способ обеспечивает изготовление аппаратов с уменьшенной материалоемкостью и каналами с минимальными тепловым и гидравлическим сопротивлением.

Формула изобретения

1. Способ изготовления биметаллических сосудов диффузионной сваркой, при котором внутрь сосуда устанавливают плакирующий слой, затем размещают технологическую рубашку, герметизируют их кромки, создают между свариваемыми поверхностями обечайки и плакирующего слоя вакуум, сборку размещают в компрессионной печи, производят кратковременное обжатие, нагревают до температуры сварки, сдавливают давлением газа, подаваемого в печь, и осуществляют изотермическую выдержку, отличающийся тем, что на внутренней поверхности сосуда выполняют канавки, на наружной поверхности плакирующего слоя перед установкой внутрь наносят выступы выпуклой частью наружу и производят отжиг с последующей зачисткой поверхности, после чего устанавливают плакирующий слой, перекрывая канавки с образованием закрытых каналов термостатирования и деформируют выступы, находящиеся на участках, расположенных между канавками.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выступы выполняют под углом друг к другу с высотой 0,1 0,3 глубины канавок.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что герметизацию технологической рубашки осуществляют путем установки на ее торцах колец из материала с коэффициентом линейного расширения выше коэффициента линейного расширения материала рубашки.

4. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что кольца выполняют с внутренними каналами, в которые подводят охлаждающую среду после окончания изотермической выдержки и сброса давления в компрессионной печи.

5. Способ по пп.3 и 4, отличающийся тем, что кольца заключают в стальной кожух.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выступы выполняют в виде участков точечной деформации (пуклевок).

7. Способ по пп.1 и 6, отличающийся тем, что выступы выполняют в виде ряда расположенных последовательно пуклевок с углублением на внешней поверхности менее удаляемого при механической обработке слоя.

8. Способ по пп.1 и 7, отличающийся тем, что пуклевки выполняют в шахматном порядке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7