Способ пайки изделий телескопического типа
Иллюстрации
Реферат
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 111 556002
Союз Советских
Социалистических
Республик (61) Дополнительное к авт, свид-ву (22) Заявлено 08.08.75 (21) 2165637/27 с присоединением заявки № (23) Приоритет
Опубликовано 30.04.77. Бюллетень № 16
Дата опубликования описания 13.06.77 (51) М. Кл.в В 23К 1/00
В 23К 31/06
Государственный комитет
Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621.791.3 (088.8) (72) Автор изобретения
А. Я. Куфайкин (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПАЙКИ ИЗДЕЛИЙ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОГО ТИПА
Изобретение относится к области пайки, в частности к способам пайки изделий телескопического типа из разнородных материалов.
Известен способ пайки телескопических соединений, у которых внутренняя деталь имеет меньший коэффициент термического расширения (КТР), чем внешняя (1). Способ включает сборку деталей без зазора или даже с натягом, установку припоя над линией контакта и нагрев до температуры, при которой вследствие разницы КТР возникает достаточный зазор и происходит пайка.
Недостатком этого способа пайки является невозможность осуществления при расположении детали с большим КТР внутри, так как в этом случае при нагреве происходит прижатие деталей друг к другу, а не образование между ними зазора.
Известен также способ пайки телескопических соединений, у которых материал внутренней детали имеет КТР больший, чем у материала внешней детали, включающий сборку деталей с зазором, нагрев, выдержку при температуре пайки и охлаждение (2). Зазор при пайке по этому способу выбирают таким, чтобы при нагреве до температуры пайки он сузился за счет термического расширения деталей до величины оптимальной для капиллярного течения припоя.
К недостаткам этого способа следует отнести высокие требования к точности изготовления деталей для обеспечения строго заданного зазора большой величины и возникновение значительных внутренних напряжений в паяном шве в процессе охлаждения изделия после пайки.
Целью изобретения является уменьшение внутренних напряжений в шве при охлажде1п нии изделий и снижение требований к допускам при изготовлении деталей.
Поставленная цель достигается тем, что при пайке изделий телескопического типа, у которых материал внутренней детали имеет
15 КТР больший, чем материал внешней детали, сборку осуществляют с зазором, замыкающимся при нагреве ниже температуры пайки, а нагрев производят выше температуры пайки до температуры, обеспечивающей возникновение пластической деформации в материале контактирующих деталей, после чего производят охлаждение до температуры пайки, заполнение образовавшегося зазора припоем и дальнейшее охлаждение. Перед охлаждением до температуры пайки может быть произведен релаксационный отжиг.
Этот способ основан на использовании известных физических явлений, а именно пластического деформирования металлов и упру30 гого последействия (3).
556002
Зо
60 б5
Физическая сущность предлагаемого способа видна из рассмотрения явлений, происходящих в изделии при нагреве и охлаждении.
При нагреве собранные с заданной величиной зазора детали изменяют свои размеры в соответствии с их КТР, т. е. внутренняя деталь расширяется больше внешней. В результате этого внутренняя деталь при нагреве приближается к внешней, уменьшая зазор, который при некоторой температуре (ниже температуры пайки) полностью исчезает. По достижении температуры пайки расплавленный припой по этой причине остается без использования. После охлаждения изделий обнаруживают закристаллизовавшийся припой в канавке, но не в зазоре.
На черте>ке показан термический цикл (линия авс соответствует нагреву до температуры пайки, линия cd — выдержке при ней, линия de — охлаждению) .
Нагрев сопровождается уменьшением зазора. При температуре Т зазор исчезает и поверхности вступают в контакт. Последующий нагрев выше температуры Т, до температуры
Т„создает поджатие паяемых деталей друг к другу.
В предлагаемом способе нагрев не ограничивают температурой пайки Т„, а продолжают до более высокой температуры Т> (см. точку f на чертеже). Повышение температуры сопровождается дополнительным прижатием паяемых деталей друг к другу, В материале прижатых деталей возникают контактные напряжения, обусловленные тем, что внутренняя деталь стремится расшириться до размеров, определяемых ее КТР, но этому расширению препятствует вступившая с ней в контакт внешняя деталь. В результате этого внутренняя деталь сжата внешней деталью, внешняя деталь растянута внутренней деталью. Если возникшие при нагреве выше температуры пайки T„контактные напряжения создают в материале деталей только упругие деформации, то после охлаждения до температуры пайки Т„эти деформации полностью исчезают и зазор между деталями «е появляется.
Если же при нагреве выше температуры пайки Т„контактные напряжения создают упругие и пластические деформации, то при охлаждении до температуры пайки упругие деформации исчезают, а за счет пластических деформаций возникает между соединяемыми поверхностями зазор. Температуру нагрева
Т можно подобрать таким образом, чтобы возникающий за счет пластической деформации зазор имел при температуре пайки Т„необходимую величину для затекания в него расплавленного припоя. На чертеже охлаждение до температуры пайки Т„, выдержка при ней и охлаждение представлены линиями fa.
gh u hi соответственно.
Возникающее упругое последействие в материале деталей при охлаждении их после пайки уменьшает внутреннее напряжение в чаяных швах.
В предло>кенном способе температуру нагрева свыше температуры пайки Т„можно выбрать ниже температуры Т, обеспечивающей необходимую величину зазора за счет пластической деформации. На чертеже эта температура обозначена Т . Нужную величину зазора при нагреве изделия до этой температуры получают, используя отжиг при температуре Т,, сопровождающийся релаксацией контактных напряжений и переводом упругой деформации в пластическую. При этом сни>кенпе температуры (разность T» — T;,) и длительность отжига при температуре Т. выбирают из условия, чтобы уменьшение пластической деформации, вызванное снижением температуры, было компенсировано переводом упругой деформации в пластическую при релаксационном отжиге, Термический цикл пайки в этом случае на чертеже представлен линией aocjklmn, где ascj — нагрев, jk — релаксационный отжиг, kl — охлаждение до температуры пайки, lm — выдержка при температуре пайки, mn — охлаждение до комнатной температуры.
Примером применения предложенного спосооа является пайка титанового и стального колец по цилиндрическим поверхностям. Наружное кольцо изготовлено из титанового сплава ОТ4, внутреннее кольцо — пз стали
3И811.
Наружное кольцо имеет следующие размеры, мм:
Диаметр наружный 245 — 0,2
Диаметр внутренний 229,б o,i
Ширина 20
Внутреннее кольцо имеет следующие размеры, мм: о,i
Диаметр наружный 229,5:од
Диаметр внутренний 210
Ширина 20
В кольцах предусмотрена проточка для установки припоя над зазором, образующимся после их сборки. Величина исходного (сборочного) зазора 0,15 — 0 25 мм. Наличие зазора упрощает сборку деталей, хотя предло>кенный способ применим и для сборки без зазора. . При нагреве наружный диаметр внутреннего (стального) и внутренний диаметр наружного (титанового) колец изменяются следующим образом: с1 = с4 (1+а„ЬТ) ) (1)
7> =Do (1+ат;ЛТ) где d и d<, — наружный диаметр внутреннего кольца при рассматриваемой и комнатной температурах;
D u Do — внутренний диаметр наружного кольца при рассматриваемой и комнатной температурах; ас, и ат — КТР стали ЗИ811 и титанового сплава ОТ4;
AT — разность между рассматриваемой температурой Т и комнатной температурой
То (20 С) 556002
20 откуда
Устранение зазора и возникновение контакта наступает при d=D. Это условие дает
dp(1+астЛТ) =Dp(1+атйТ), Dp с4= (а,й,— ат Dp) ЬТ (2) Левая часть зависимости (2) представляет собой удвоенную величину исходного зазора
2б. С учетом этого имеем
26= (и с4 — атiDp) ХТ (3) При минимальном значении заданного зазораа б„„„, = 0,15 >i и условие (3) удовлетворяется, когда ОТ=245 С. Следовательно, температура исчезновения зазора величиной
0,15 и: составляет 265 С (245 +20 ) . Действительно, при температуре265 С имеем: а„=
=14,2 10 — и а.;;==8,9.10 — . Подставив в правую часть равенства (3) эти значения, а также значения dp=229 5 мм и Dp=229 6 мм, получим тождество с 26„„„„„,. Аналогично доказывается, что при значении зазора 6><»p=
=0,25 мм условие (3) удовлетворяется, когда
Т=410 С (ЛТ=390 С, а;,,=15 10, ат =
=9,4 10 — ), т. е., что устранение зазора величиной 0,25 мм наступает при 410 С.
Пайку колец осуществляют медно-серебряным припоем ПСр72 ГОСТ 8190-56 в виде проволоки диаметром 2,5 мм, устанавливаемой в проточку над зазором. Температура плавления припоя 779 С.
Подготовку поверхностей под пайку производят известным способом, включающим травление и нанесение покрытий. Собранное кольцо с установленным припоем помещают в контейнер, полость которого вакуумируют или заполняют аргоном. Контейнер загружают в электропечь п производят нагрев. При нагреве, как следует из расчета, уже при температуре 265 — 410 С сборочный зазор исчезает из-за большего температурного расширения внутреннего кольца, чем кольца внешнего. На последующей стадии нагрева, вплоть до температуры пайки, составляющей 825 5 С, происходит поджатие колец друг к другу. При дальнейшем нагреве до температуры T>=885 Ñ происходит пластическая деформация материала колец. Последующее охлаждение до температуры пайки (Т„=
=825 С) и выдержка 5 мин при этой температуре приводят к образованию зазора и затеканию в него припоя. При дальнейшем ох25
50 лаждении изделия происходит кристаллпзаL IH п1 ппоя и образование шва.
Однако нагрев до температуры 885 С сопровождается интенсивным взаимодействием припоя с паяемым материалом, приводящим к эрозии. Нагрев до температуры 885 С можно заменить нагревом до более низкой температуры с последующим релаксационным отжигом. Качественное заполнение припоем зазора и отсутствие эрозии получено при нагреве до температуры 865 С+-5 С, отжиге при этой температуре в течение 15 мин, охлаждении до 825 С и выдержке 5 мин при температуре 825 С.
В результате пайки титаново-стальных колец по предложенному способу получены качественные паяные соединения, без разрушения их внутренними напряжениями, в то время как при использовании известных способов получить такие соединения без разрушений не удавалось.
Ф ор мула изобретения
1, Способ пайки изделий телескопического типа, у которых материал внутренней детали имеет коэффициент термического расширения больший, чем материал внешней детали, включающий сборку деталей, нагрев, выдержку при температуре пайки и охлаждение, отличающийся тем, что, с целью уменьшения внутренних напряжений в шве при охлаждении изделий и снижения требований к допускам при изготовлении деталей, сборку осуществляют с зазором, замыкающимся при нагреве ниже температуры пайки, а нагрев производят до температуры выше температуры пайки, обеспечивающей возникновение пластической деформации в материале контактирующих деталей, после чего производят охлаждение до температуры пайки и заполнение образовавшегося зазора припоем.
2. Способ пайки по п. 1, о тл и ч а ю щий с я тем, что, с целью снижения температуры нагрева, перед охлаждением до температуры пайки производят релаксационный отжиг.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. Патент Швеции Хр 303417, кл. 49h 31/10, опубл. 1968.
2. Гладков А. С., Подвигина О. П. и Чернов О. В. Пайка деталей электровакуумных приборов. М., «Энергия», 1967, с. 90 — 97.
3. Смит М. К. Основы физики металлов. М., «Металлургия», 1962, с. 211, 319.
556002 о >
b ф
q
Составитель Ф. Конопелько
Техред О. Тюрина
Редактор Н. Суханова
Корректор Л. Брахнина
Типография, пр. Сапунова, 2
Заказ 1108/9 Изд, № 415 Тираж 1204 Подписное
ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР
IIo делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5