Содержание к диссертации
Введение
1 Сравнительный анализ известных способов калибровки и пайки 10
1.1 Типы паяных соединений трубопроводов 10
1.2 Материалы, используемые в системах трубопроводов ЛА 18
1.3 Методы изготовления соединений трубопроводов, предназначенных под пайку 29
1.4 Анализ известных способов калибровки 32
1.5 Классификация известных способов пайки 46
1.6 Дефекты паяных соединений трубопроводных систем 53
1.7 Задачи исследований 59
2 Математическое моделирование процесса калибровки раздачей концов труб 60
3 Разработка и исследование перспективных схем калибровки, пайки, отбортовки отверстий под пайку, изготовления тройников 79
3.1 Разработка и исследование технологического процесса фор мообразования труб для обеспечения равномерного зазора при пайке 79
3.2 Исследование режимов изготовления прессованных колец из порошка припоя ВПр-16 88
3.3 Способы и устройства изготовления тройниковых соедине ний и отбортовки отверстий на трубных заготовках 95
4. Исследование влияния температуры нагрева на свойства трубных заготовок из титановых сплавов ОТ4 и ОТ4-1 116
Общие выводы по работе 125
Список использованных источников 127
- Материалы, используемые в системах трубопроводов ЛА
- Дефекты паяных соединений трубопроводных систем
- Исследование режимов изготовления прессованных колец из порошка припоя ВПр-16
- Способы и устройства изготовления тройниковых соедине ний и отбортовки отверстий на трубных заготовках
Введение к работе
В последнее время при проектировании новых боевых авиационных комплексов наблюдается устойчивая тенденция к использованию все более стойких и прочных материалов, например из титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей для изготовления элементов трубопроводов топливных, газовых и других систем.
Трубопроводы работают в условиях сложного нагружения. Они испытывают действия высоких давлений, пульсирующих нагрузок и гидравлических ударов, поэтому к ним предъявляются высокие требования по механическим свойствам материала, качеству внешних и внутренних поверхностей, сохранению формы сечения, а также минимальному утонению стенок трубы.
Кроме того, надежная, безаварийная работа летательных аппаратов (ЛА) во многом зависит не только от использования материала трубопроводов, но и от качества их соединения. Поэтому к соединениям трубопроводов предъявляются повышенные требования, в особенности работающим в агрессивных средах, переменных температурах и при вибронагрузках.
Из отечественной и зарубежной практики широко известно механическое соединение тонкостенных трубопроводов посредством резьбы. Недостаток такого соединения трубопроводов - высокая трудоемкость изготовления соединительной арматуры и низкая надежность стыков из-за релаксации напряжений в резьбовом соединении.
Указанные недостатки отсутствуют при соединении тонкостенных стальных трубопроводов сваркой, с помощью которой образуются более надежные и работоспособные стыки трубопроводных систем. Однако и этот метод соединения трубопроводов имеет существенные недостатки, а именно, высокую трудоемкость подготовки деталей под сварку и сравнительно низкую их вибропрочность.
Как показывает производственный опыт, соединения, паянные высокотемпературными припоями, при более низкой трудоемкости изготовления обладают более высокой вибронрочностью. Паяные соединения более рабо-
тоспособны, чем сварные, не только в статических, но и в динамических условиях, условиях переменных и вибрационных нагружений. Последнее объясняется конструкцией паяного шва, имеющего более плавный переход соединяемых труб, и образующего соединение с повышенными демпфирующими свойствами.
Надежность паяных соединений зависит от точности выполнения технологических требований, одним из которых является создание гарантированного капиллярного зазора между трубой и арматурой, от этого зависит герметичность соединения и долговечность трубопровода. Поставляемые трубы имеют отклонения по форме, диаметру и толщине стенок, поэтому концы труб перед пайкой должны быть откалиброваны до необходимого размера и формы.
На предприятиях применяются различные способы калибровки. Наиболее универсальным является способ обжатия секторным пуансоном и матрицей, при котором получены стабильные результаты по точности диаметров.
Проведенные исследования по калибровке концов тонкостенных труб холодным пластическим деформированием показали, что в процессе нагрева под пайку происходит искажение формы калиброванного участка, приводящее к ухудшению качества соединения. Термокалибровка и термофиксация концов труб устраняют искажение формы, но усложняют процесс подготовки труб под пайку. Применяемые в настоящее время способы калибровки тонкостенных труб отличаются большой трудоемкостью и не обеспечивают стабильных результатов, особенно - для труб из титановых сплавов.
Таким образом, разработка и исследование перспективных технологий изготовления паяных соединений трубопроводов ЛА из высокопрочных материалов является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы: повышение качества и снижение трудоемкости изготовления паяного трубопровода за счет разработки и про-
мышленного внедрения перспективных технологий изготовления паяных соединений элементов трубопроводов ЛА.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложена уточненная методика расчета технологических параметров процесса калибровки раздачей соединительных патрубков для пайки, разработанная на основе численного метода В.И. Одинокова, учитывающая параметры деформационного и скоростного упрочнения материала, упругую составляющую при разгрузке, силы трения и температуру деформирования;
разработана и исследована эффективная технология формообразования концов труб под пайку, позволяющая получить равномерный капиллярный зазор между трубой и арматурой;
разработана и исследована перспективная технология пайки трубопровода точно дозированными кольцами припоя.
Практическая значимость работы:
на основании результатов численного моделирования и экспериментальных исследований разработан технологический процесс и технологические рекомендации по калибровке раздачей концов труб под пайку;
разработан способ получения равномерного зазора при пайке, заключающийся в выполнении точечных центрирующих выступов на концах труб. Проведены экспериментальные работы, позволяющие определить размеры и расположение точечных выступов на трубах. Разработана и изготовлена оснастка для формовки точечных центрирующих выступов. Разработанная технология подготовки труб под пайку позволила улучшить качество паяных соединений трубопровода;
- отработана перспективная технология изготовления прессованных
колец для пайки труб из титановых сплавов. Определены режимы запрес
совки и спекания колец;
- разработано оригинальное устройство для испытания трубных загото
вок при различных температурах деформирования;
- на основе проведенных экспериментальных исследований предложены новые способы изготовления тройников и отбортовки отверстий, а также устройства для их осуществления, которые подтверждены изобретениями.
Реализация результатов работы. Способы и устройства для изготовления паяных соединений запатентованы в Российской Федерации, нашли практическое применение в ОАО «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение им. Ю.А. Гагарина» (г. Комсомольск-на-Амуре). Экономический эффект от внедрения разработанной технологии составит 910966 руб. в год.
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на Первой научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» (Москва, 2002 г.); Межрегиональной научно-технической конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (Хабаровск, 2001 г.); Дальневосточном инновационном форуме с международным участием «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (Хабаровск, 2003 г.); 4-ой международной конференции «Лазерные технологии и средства их реализации» (Санкт-Петербург, 2003 г.); Второй научно-технической конференции «Проблемы механики сплошных сред и смежные вопросы технологии» (Владивосток, 2003 г.); XX научно-технической конференции ОАО «КнААПО им. Ю.А. Гагарина» «Созданию самолетов - высокие технологии», (Комсомольск-на-Амуре, 2004 г.).
Публикации. Основные результаты исследований предлагаемой диссертации отражены в 10 работах, в том числе, в 6 научно-технических публикациях и 4 патентах.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы, содержит 140 страниц основного текста, 40 рисунков, 19 таблиц.
В данной работе в первой главе выполнен сравнительный анализ патентной и научно-технической литературы по существующим способам пайки, калибровки, раздачи тонкостенных трубных заготовок.
Обзор и анализ проведенных работ позволил сделать выводы о необходимости решения следующих задач:
теоретического и экспериментального исследования процессов калибровки раздачей концов труб под пайку;
разработки и исследования способа, позволяющего получить равномерный капиллярный зазор при пайке между арматурой и трубопроводом;
исследования возможности применения порошковых припоев в виде колец при пайке титанового трубопровода;
разработки и исследования способов изготовления тройниковых соединений и отбортовки отверстий на трубных заготовках при изготовлении паяных трубопроводных систем методом высокотемпературной пайки;
исследования возможности раздачи титанового трубопровода с нагревом в воздушной среде.
Во второй главе на основе численного метода решения дифференциальных уравнений упруго-пластических деформаций, предложенного В.И. Одиноковым, построена уточненная математическая модель процесса калибровки раздачей концов труб.
В третьей главе были разработаны и исследованы способы: подготовки труб под пайку, пайки трубопровода точно дозированными кольцами из припоя ВПр-16, изготовления тройниковых соединений и отбортовки отверстий на трубных заготовках.
В четвертой главе приведены экспериментальные исследования влияния температуры нагрева на свойства трубных заготовок из титановых сплавов ОТ4 и ОТ4-1 при формообразовании деталей под паяное телескопическое соединение без защитной атмосферы.
Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:
Бойко В.М., Марьин Б.Н., Чернышев А.В. Формообразование концов труб для обеспечения равномерного зазора при пайке // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2002. № 8. - С. 22 - 24.
Марьин СБ., Чернышев А.В. Устройство для испытаний трубной заготовки при различных температурах // Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов: Материалы межрегиональной научно-технической конференции (4-6 декабря 2001 г., Хабаровск). - Хабаровск: Изд-во Хабаровского гос. техн. универ., 2001. - С. 106-107.
Бойко В.М., Марьин Б.Н., Чернышев А.В. Способ калибровки при пайке тонкостенных труб // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2002. №9.-С. 26-28.
4. Чернышев А.В., Коршиков Е.В. Математическое моделирование
процессов раздачи концов труб // Проблемы механики сплошных сред и
смежные вопросы технологии машиностроения: Сборник докладов второй
конференции (Владивосток, 31 августа - 6 сентября 2003 г.) - Комсомольск-
на-Амуре: ИМиМ ДВО РАН, 2003. - С. 86 - 95.
Бойко В.М., Марьин СБ., Чернышев А.В. Формообразование концов труб для обеспечения равномерного зазора при пайке // Авиационная промышленность. 2004, № 2. - С. 72-74.
Бойко В.М., Чернышев А.В., Коршиков Е.В. Исследование процессов калибровки тонкостенных труб для обеспечения равномерного зазора при пайке // Созданию самолетов - высокие технологии: Материалы XX научно-технической конференции ОАО "КнААПО им. Ю.А. Гагарина" (Комсомольск-на-Амуре, 2004 г.). - М.: Изд. "Можайск-Терра", 2005. - С. 103-106.
Устройство для испытания трубной заготовки при различных температурах: Патент 2187794 РФ МКИ С2 7 G 01 N 3/10, G 01 В 11/16 / Муравьев В.И., Чернышев А.В., Меркулов В.И., и др. - № 2000125978/28(027580). За-явл. 16.10.2000. Опубл. 20.08.2002. Бюл. № 23.
Способ пайки тонкостенных труб при телескопическом соединении: Патент 2193477 РФ МКИ С1 7 В 23 К 1/00//В 23 К 101: 06 / Марьин Б.Н., Муравьев В.И., Чернышев А.В., Меркулов В.И. - № 2001110930/02 (011374). Заявлено 20.04.2001. Опубл. 27.11.2002. Бюл. № 33
Устройство для отбортовки отверстий на трубных заготовках: Патент 2240885 РФ МКИ С2 7 В 21 D 19/00. № 2002102300/02 / Марьин СБ., Чернышев А.В. - Заявлено 25.01.2002. Опубл. 27.11.2004. Бюл. № 33.
10. Способ соединения тонкостенных труб пайкой: Патент 2240902 РФ
МКИ С2 7 В 23 К 1/00//В 23 К 101:06 / Бойко В.М., Марьин Б.Н., Чернышев
А.В. - № 2002129854/02. Заявлено 06.11.2002. Опубл. 27.11.2004. Бюл. № 33.
Материалы, используемые в системах трубопроводов ЛА
Трубопроводы относятся к конструкциям ответственного назначения, от надежности которых зависят безотказность и ресурс изделия, и должны иметь 3-х кратный запас по прочности. Для окончательного выбора материала трубопровода и оценки конструктивных характеристик соединений трубопроводов необходимо знать пределы выносливости различных материалов труб в состоянии их поставки, а оценку производить по эффективному коэффициенту концентрации напряжений [43]: т где aSx - предел выносливости трубы; -і - предел выносливости соединения.
Критерием работоспособности соединений трубопроводов, работающих с переменными напряжениями, является запас прочности, определяемый по формуле: где а - максимальная амплитуда напряжений, определяемая при эксплуатации или при наземных или летных испытаниях серийных изделий; где " И " - составляющие переменных напряжений, которые определяются в результате тензометрирования трубопроводов с расположением датчиков в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
В таблице 1 приведены характеристики выносливости труб в состоянии поставки. Значения пределов прочности аа для материалов 12Х18Н10Т и ОТ-4 составляют 540...560 (54...56) и 480...680 (48...68) МПа (кгс/мм2) соответственно.
Из таблицы 1 [43] видно, что значения crZf титанового сплава ОТ-4 не меньше, чем у традиционной стали 12Х18Н10Т, широко применяемой в настоящее время для трубопроводов авиационных гидрогазовых систем. При проектировании трубопроводных систем, зная расход жидкости йхи скорость ее движения V, связанную с переходом давлений на участках трубопроводных систем, необходимо определить площадь проходного сечения
Далее, в зависимости от рабочего давления, надо выбрать материал с учетом предела прочности ав, удельной массы у и толщины стенки Smin трубы, а затем определить статическое минимальное разрушающее давление: где dy - внутренний диаметр трубы.
Расчет и нормы рабочих давлений гидросистемы в бесшовных трубопроводах из стали 12Х18Н10Т, титановых сплавов ОТ4, ОТ4-1, алюминиевых сплавов Амг2М, Амгб, АМгЗ, работающих под равномерным давлением
внутри трубы и различных температурах, принимаются в соответствии с ОСТ 100243-77 [8].
Наряду с традиционными материалами, такими как алюминиевые сплавы и стали, в системах жизнеобеспечения изделий последних разработок широко применяются трубопроводы, выполненные из титановых труб, которые удовлетворяют по массовым и эксплуатационным характеристикам требованиям разработчика ЛА. Титановые сплавы обладают более высокими характеристиками удельной прочности по сравнению с алюминиевыми сплавами и сталями, высокой коррозионной стойкостью и достаточным сопротивлением усталости и отличаются возможностью эффективного использования в условиях повышенных температур, при которых применение алюминиевых сплавов невозможно или нецелесообразно. Особенно актуально использование титановых сплавов в трубопроводах высокого давления, в которых алюминиевые сплавы становятся неработоспособными, а стали, не могут конкурировать из-за меньших удельных прочностных характеристик, либо в трубопроводах, работающих с агрессивными средами.
В результате экспериментальных исследований и их статистической обработки по определению влияния на усталостную прочность деталей и труб, нагруженных пульсирующим движением жидкости и различных конструктивно-технологических факторов, таких как диаметр, отклонение от округлости (овальности), радиусов изгиба с различными отклонениями от округлости (овальности) в местах их гиба, а также способов изгиба деталей из труб и в зависимости от их функционального назначения для практических целей, рекомендуется использовать данные, приведенные в табл. 2.
В таблице 3 [43] приведены сравнительные данные о физических свойствах титановых сплавов и свойствах наиболее распространенных алюминиевых сплавов и сталей. Из таблицы 3 следует, что по удельной механической прочности, отнесенной к весовой плотности, титановые сплавы стоят на первом месте.
На рисунке 3 изображены кривые выносливости для гладких образцов и образцов с надрезом из титановых и алюминиевых сплавов. По относительной выносливости гладкие образцы титановых сплавов имеют существенно лучшие характеристики, чем такие же образцы из алюминиевых сплавов.
Температура плавления и коэффициент теплового расширения дают основание полагать, что в условиях различных температурных колебаний титановые сплавы будут значительно стабильнее алюминиевых и стальных сплавов. Эта зависимость показана на рисунке 4 [43].
Если в авиации используется главным образом высокая удельная прочность титановых сплавов, то для других отраслей промышленности главный стимул применения титана - его высокая коррозионная стойкость при низких и высоких температурах. Титан стоек в азотной кислоте, а также ряде других кислот при таких концентрациях и температурах, которые ведут к быстрому разрушению других конструкционных металлов, в том числе и нержавеющих сталей. Антикоррозионная стойкость титановых сплавов так же велика в морской воде и растворах хлористых солей. Несмотря на очевидные преимущества титановых сплавов, процесс изготовления деталей из них более трудоемкий, чем из алюминиевых, в силу присущих титановым сплавам технологических свойств: 1. Высокий предел прочности и высокий предел текучести, близкий к пределу прочности, что определяет узкий диапазон пластического деформи рования и высокую упругую отдачу материала. 2. Низкая пластичность при комнатной температуре. 3. Активное взаимодействие титана с газами при повышенных температурах, что приводит к образованию газонасыщенного слоя, существенно ухудшающего эксплуатационные характеристики материала, и к необходимости защиты металла от этого воздействия при технологических процессах и применения в ряде случаев вакуумного обжима. Влияние температуры нагрева и времени выдержки на интенсивность образования газонасыщенного слоя показано в таблице 4 [91].
Дефекты паяных соединений трубопроводных систем
Анализ брака паяного трубопровода показал, что основными дефектами являются: непропаи, пористость, наплывы припоя (рисунок 17). Причиной дефектов является неоднородность зазора из-за плохой калибровки и сборки трубопровода. її Рисунок 17- Дефекты паяных соединений: «з, б- непропаи, поры; в - перекос труб Дефекты пайки трубопровода, которые могут быть допущены без исправления: - уменьшение галтели до размеров соединительного зазора; - невыход припоя глубиной 0,3 мм на длине 15 % по периметру торца проходника для труб с рабочим давлением 200 кПа и до 10 % для труб с рабочим давлением свыше 200 кПа; - одна пора или раковина диаметром до 0,5 мм по окружности галтели; - шероховатость поверхности галтели паяного соединения, не вызванная окислением припоя при пайке; - наплывы и натеки припоя на трубу и проходники в зоне галтелей высотой не более 0,5 мм, шириной до 4 мм с сектором по периметру трубы не более 120 с плавным переходом на трубу при условии соблюдения режимов пайки по температуре и размеров соединительных зазоров; - смещение переходника относительно стыка труб ±1,5 мм при величине зазора по стыку 0,2 - 2,0 мм для проходников с проточками и перекрытие труб проходником на 10-i мм при зазоре по стыку 4+1 мм для проходников без проточек; - остатки каркаса припоя после пайки не вызванные окислением припоя; - в зонах /„, //„ - непропай общей площадью до 15 % от площади данной зоны, если непропай расположены не ближе 4 мм от торца проходника; - в зонах 1вн, Пт- непропай общей площадью до 25 % от площади данной зоны; - равномерно распределяемая пористость во всех зонах при диаметре отдельных пор до 1,5 мм, при суммарной площади, не превышающей 15 % для зон /,, и //„ и 25 % для зон 1вн и Пвн от площади данной зоны; - цвета побежалости наружной и внутренней поверхностей труб до соломенного в зоне пайки и синего цвета в переходных зонах, подвергаемых нагреву при расположении окисления до синего цвета на размере не ближе 5 мм от галтели паяного соединения; - наличие цветов побежалости до светло-синего на поверхности про ходников от выходящего из сверлений защитных камер аргона. Нормы допустимых дефектов при стационарной пайке трубопровода Могут быть допущены без исправления следующие дефекты: - уменьшение галтели до размеров соединительного зазора; шероховатость поверхности галтели паяного соединения не вызванная окислением припоя; - наплывы и натеки припоя на арматуру в зоне галтелей высотой не более 0,5 мм по всему периметру паяемого соединения с плавным переходом при соблюдении режима пайки по температуре и выдерживании размеров соединительных зазоров; - уменьшение величины нахлестки телескопического соединения после пайки до 1 мм; - остатки каркаса припоя после пайки и подпайки, не вызванные окислением припоя при пайке или использованием при пайке колец припоя с окисленной во время отжига поверхностью; - равномерно распределенная пористость суммарной площадью не более 15 % от площади проникновения припоя в нахлестку при диаметре отдельных пор до 15 мм; - цвета побежалости наружной и внутренней поверхности труб и арматуры до соломенного в зоне пайки и синего цвета в переходных зонах, подвергаемых нагреву, при расположении окисления до синего не ближе 5 мм от галтели паяного соединения. Дефекты паяных соединений и причины их возникновения показаны на рисунке 18. Дефекты Причины возникновения
Припой не смачивает поверлност& металла в зоне лайки Наплывы или на тс/и/ припоя Припой не затекает в зазор (при хороше» смачивании) Отсутствие галтели припоя в соединениях, лаянных внахлестку Неполное заполнение шда припое» {про хороше скачивании) Шероховатая поверхность паяного шва Прожог основного металла Пористость шва Включение ерлюса в паяном шве Трещины В паяном шве Трещиньї в паяемом металле Смещения и переносы в паяных соединениях Рисунок 18 - Дефекты паяных соединений и причины их возникновения: 1 - недопустимо глубокий вакуум; 2 - низкая восстановительная способность газа; 3 - недостаточно активный флюс или мало его количество; 4 - наличие окисной пленки, жира и других загрязнений; 5- недостаточный нагрев поверхности изделия; 6 - большая разница температур плавления припоя и флюса; 7 - малый зазор; 5 - большой зазор; 9- перекос соединения; 10 - недостаточное количество припоя; 11 - высокая температура нагрева; 12 - слишком длительный нагрев; 13 - испарение компонентов припоя и флюса; 14 - выделение газов из паяемого металла; 15 - попадание в паяный шов пленок окислов паяемого металла; 16 - температура плавления припоя ниже температуры плавления флюса; 17 - заполнение шва припоя с двух сторон; 75 - удельный вес флюса больше удельного веса припоя; 19 - смещение деталей при затвердевании припоя; 20 - быстрое охлаждение после пайки; 21 -значительная разница в коэффициентах теплового расширения припоя и металла; 22 - образование хрупкой диффузионной зоны; 23 - интенсивная диффузия припоя в основной металл; 24 - неравномерный местный нагрев паяемого металла с малой теплопроводностью; 25 - плохое скрепление деталей перед пайкой Недопустимые дефекты Не могут быть допущены в паяных соединениях следующие дефекты: - трещины, свищи, прожоги основного материала, проплавы в материале труб и арматуры; растворение основного материала труб и арматуры припоем: в зоне галтели более 10 %, в зоне паяного соединения более 5 % толщины стенки трубопровода; - наличие альфированного слоя, т.е. превышение микротвердости поверхности более чем на 25 % относительно микротвердости сердцевины основного материала трубопровода; - трещины в припое галтели, в зонах Ієн, Пен, In, Пи, в зоне паяной нахлестки (для телескопических соединений труб с арматурой). Исправление дефектов пайки Паяные соединения с дефектами, превышающими нормы, могут быть исправлены путем однократного повторного нагрева или замены путем вырезки. Повторным нагревом могут быть исправлены соединения с такими дефектами, как полный или частичный невыход припоя из соединительного зазора, наличие раковин и непропаев сверх допустимых норм, отсутствие герметичности, если данные дефекты не вызваны окислением поверхностей в зоне паяного соединения и при соблюдении величины соединительных зазоров. Проведенный анализ технологий изготовления паяных соединений трубопровода и дефектов позволил сделать выводы о необходимости решения следующих задач. 1) Теоретического и экспериментального исследования процессов калибровки концов труб под пайку. 2) Разработки способа и оснастки, позволяющих получить равномерный зазор при пайке между арматурой и трубопроводом. 3) Отработки технологии изготовления прессованных колец из припоя ВПр-16 для пайки труб из титановых сплавов с целью определить режимы запрессовки и спекания колец и исследовать физико-механические свойства колец и паяных соединений. 4) Разработки перспективных способов отбортовки отверстий на трубных заготовках и изготовления тройников, для безарматурной пайки. 5) Исследование влияния температуры нагрева на свойства трубных заготовок из титановых сплавов ОТ4 и ОТ4-1 при формообразовании деталей под паяное телескопическое соединение без защитной среды, для определения интервала температур формообразования при котором не происходит значительного изменения механических свойств, а также газонасыщения и охрупчивания поверхностного слоя.
Исследование режимов изготовления прессованных колец из порошка припоя ВПр-16
Большой практический интерес представляет внедрение пайки трубопровода точно дозированными кольцами из припоя ВПр-16. При отработке технологии изготовления прессованных колец из порошка припоя необходимо было: - определить оптимальные режимы запрессовки с учетом легкого съема колец без разрушения и отслаивания; - определить оптимальные режимы спекания с учетом получения колец с достаточной прочностью и необходимыми размерами; - провести исследования физико-механических свойств колец и паяных соединений.
Применяемый припой ВПр-16 (ТУ 14-1-4111-86) представляет собой порошок на основе титана, содержащий 21...24 % меди, 11... 14 % циркония, 8...10% никеля и не более 0,7 % примесей [91]. Порошкообразные припои наиболее выгодны по себестоимости изготовления, экономичности применения и точности дозирования, так как позволяют получать необходимую форму припоя методом прессования. Кроме того, они используются в виде пасты, наносимой на поверхность деталей с помощью дозаторов. Припой само флюсующийся предназначен для пайки титановых сплавов в вакууме или в атмосфере инертных газов (аргона или гелия). Температура пайки 960 С. При пайке трубопроводов используются прессованные кольца припоя и паста, наносимая в специальные канавки переходников.
Для прессованных колец были изготовлены опытные пресс-формы (рисунок 30) на три типоразмера, по которым были отработаны размеры с учетом усадки. термической обработкой до твердости HRC 55...60. Кольца припоя изготавливаются следующим образом. Порошок припоя разводится растворителем Р-5 (ГОСТ 7827-74) при длительном перемешивании до полувлажного состояния. В полученную массу вводится 4...8 % акрилового лака АК-113 (ГОСТ 23832-79). Полученная смесь после периодического (с интервалом 20...30 мин) перемешивания в течение 2...3 ч просеивается через сито (латунная сетка по ГОСТ 3584-73 с ячейкой 0,75...1,2 мм) до получения гранул. Приготовленный порошок может храниться в полиэтиленовом пакете не более четырех суток.
Качество и размеры кольца припоя зависят от точности дозировки порошка. При недостаточном количестве порошка кольца получаются рыхлыми без четких краев, отсутствует металлический блеск наружного диаметра кольца. При повышенном количестве порошка увеличивается высота кольца. Масса М в гранулах порошка для каждого типоразмера приводится в таблице 10. Схема для расчета необходимого количества припоя показана рисунке 31.
Плотность кольца и его размеры зависят от правильного выбора режима прессования: при недостаточном усилии прессования кольцо получается рыхлое и увеличенное по высоте, при усилии выше оптимального затруднена выемка кольца из пресс-формы.
Оптимальное усилие рассчитывается по формуле В таблице 10 приводятся оптимальные режимы прессования для каждого типоразмера кольца.
При получении неплотных колец необходимо плавно увеличить усилие на 10...20 кН и проверить качество кольца.
Перед началом и после прессования каждого кольца нижний и верхний пуансоны, а также штырь матрицы протираются спиртом (ГОСТ 13800-71). С помощью дозатора в пресс-форму, установленную на прессе, засыпается порошок припоя, затем плавно поднимается давление до оптимального значения и дается выдержка в течение 1...3 с. Далее кольцо снимают и перекладывают на оправку для отжига, предварительно обезжиренную ацетоном (ГОСТ 2768-79). Для термической обработки кольцо устанавливают в приспособление на оправки (оснастка из стали 12Х18Н10Т или из любого титанового сплава), предварительно обезжиренные ацетоном. Отжиг осуществляется в вакууме или в атмосфере аргона при температуре (820 ± 10) С в течение 30 мин. Разгрузка производится после охлаждения до температуры 100...150 С. Кольца должны иметь светло-серый цвет без побежалости. При наличии колец с красным оттенком необходимо повторить их термообработку. Изготовленные кольца проверяются визуально (100 %) и должны иметь характерный серый цвет в соответствии с эталоном, два-три кольца каждого типоразмера от каждой партии проверяются на соответствие размерам. Допускаются эл-липсность не более 0,2 мм и отношение по высоте ±0,1 мм. В процессе изготовления колец необходимо контролировать режимы прессования и отжига, дозировку порошка, чистоту приспособлений, размеры пуансона и матрицы. Готовые кольца упаковываются в полиэтиленовые пакеты не больше чем по 20 шт. в каждый.
С целью повышения механической прочности режимы спекания колец подбирались с учетом получения заданных размеров. Как известно, процесс спекания обусловлен процессами диффузии и протекаете три стадии. Первая стадия - активное уплотнение материала, вторая - малоактивная усадка и третья - резкое затухание процесса главным образом за счет внутреннего давления газов, находящихся в замкнутых порах. Спекание колец производилось при температурах, близких к температуре плавления.
Высокая активность титана и циркония, входящих в состав припоя, требовала защиты от окисления, поэтому спекание осуществлялось в среде аргона и в вакууме. После прессования и спекания были замерены размеры колец. При этом выяснилось, что с увеличением диаметра колец происходит увеличение коэффициента упругого расширения колец после прессования (рисунок 32). Причем упругое последействие в продольном направлении (направлении прессования) примерно в 2...3 раза больше, чем в поперечном. При спекании колец происходит их усадка, которая характеризуется изменением размеров колец (увеличением либо уменьшением). Как видно из
Способы и устройства изготовления тройниковых соедине ний и отбортовки отверстий на трубных заготовках
При изготовлении паяных трубопроводных систем методом высокотемпературной пайки для соединения трубопроводов между собой применяются муфты, крестовины, тройники и другие детали. Типовые представители таких деталей показаны в таблице 11. Для получения вышеуказанной формы применяются различные технологические процессы: гибка, развальцовка, от-бортовка, ротационная вытяжка, протяжка, раздача и обжим.
В процессе проведения экспериментов производился выбор схемы деформирования и инструмента, определялись распределения деформаций, утонения стенок патрубков, изучались образцы, полученные данными способами. Кроме того, производилась оценка предельных возможностей процесса и, наконец, использование результатов экспериментов для выявления возможностей применения данных способов изготовления деталей, находящихся в особых условиях эксплуатации. Проводился следующий комплекс экспериментальных исследований: а) выбор оборудования, проектирование и изготовление штампа с уче том оптимальной схемы нагрева и формы трубчатой заготовки; б) исследование физико-механических характеристик патрубков; в) исследование точности геометрических параметров и состояния по верхности изготовленных патрубков; д) проведение испытаний на герметичность и прочность. Выбор оборудования, технологической оснастки и нагрев Использование нагрева заготовки в процессе изготовления разветвленного патрубка, дает возможность не только повысить пластичность материала, а, следовательно, получить и большую степень деформирования, а также регулировать толщину стенки вдоль очага деформации за счет создания переменного температурного поля.
Для осуществления местного нагрева был выбран индукционный нагрев токами высокой частоты, как наиболее скоростной и обеспечивающий оптимальный перепад температур. При индукционном способе нагрев металла происходит в результате воздействия вихревых токов, наводящихся в материале переменным электромагнитным полем индуктора. Интенсивность индукционного нагрева металлов определяется чистотой и напряженностью электромагнитного поля. Для ориентировочного определения величины необходимой мощности питающего генератора можно пользоваться формулой . нагрева, с; Q - количество электроэнергии, квт-ч, необходимое для нагрева G кг металла до заданной температуры. Для сквозного прогрева пуансонов и труб до температуры 450...970 С удельный расход электроэнергии составляет A Q = 0,5 кВт-ч/кг, поэтому значение Q определяется из равенства Следует отметить, что точное вычисление необходимой мощности питающего генератора можно провести только по тепловому расчету с учетом нагрева оснастки. Эффективность индукционного нагрева зависит от правильности выбора частоты тока. Толщина слоя, в котором выделяется основная масса тепловой энергии, создаваемой индуктированными в металле вихревыми токами (глубина проникновения тока), обратно пропорциональна корню квадратному из частоты. Повышение частоты тока, хотя и позволяет сконцентрировать электромагнитную энергию в малом объеме, приводит к необходимости удлинять цикл нагрева вследствие уменьшения глубины проникновения тока. Удлинение же цикла нагрева приводит к расширению зоны нагрева за счет теплопроводности материала оснастки. Понижение частоты тока по сравнению с ее оптимальным значением влечет за собой увеличение удельной мощности, подводимой к нагреваемой трубе. При экспериментальных исследованиях был выбран ламповый генератор типа ВЧИ 4-10 с номинальной мощностью 10 кВт и частотой 440 кГц. Значительное превышение частоты генератора по сравнению с оптимальной было выбрано с целью получения более концентрированной зоны нагрева при высоких частотах.
Индукционный нагрев основан на передаче электромагнитной энергии на расстояние без проводов. Коэффициент полезного действия этой передачи, а также концентрация энергии только в участках, подлежащих нагреву, в значительной степени зависит от формы индуктора (нагревателя) и его взаиморасположения с нагреваемой трубой.
Наиболее важными элементами при отработке процесса формовки трубы с местным индукционным нагревом являются нагревательные индукторы. В процессе работы было изготовлено и испытано более десятка различных индукторов. Типы индукторов были одновитковыми и многовитковыми, изготавливались из меди марки М-1 и М-2.
В данной работе более удобными для экспериментирования оказались индукторы, согнутые из медной трубки.
Методы замера дифференцированной термической интенсификации
Как отмечалось выше, одним из основных факторов, определяющих качество деформированных труб и возможности процесса, является нагрев. Поэтому теоретические и экспериментальные исследования тех или иных факторов процесса проводились в зависимости от величины нагрева. Замер температуры заготовки производился термопарами контактного типа хромель-алюминий, которые имеют предел измеряемой температуры до 1100 С и тепловизионным комплексом «ИРТИС»-900. Для исследования степени неравномерного нагрева в стенку контроль
