ITPD20120186A1 - Giunzione con tenuta in vuoto - Google Patents
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Description
GIUNZIONE CON TENUTA IN VUOTO
OGGETTO
Oggetto del presente brevetto à ̈ un nuovo metodo o tecnica di giunzione con tenuta in vuoto (o VTTJ - Vacuum Tight Threaded Junction) per la realizzazione di giunzioni eterogenee o omogenee, tra materiali saldabili o non saldabili, compatibile con condizioni di alto vuoto.
SCOPO
La nuova tecnica à ̈ stata sviluppata nell’ambito della ricerca sulla fusione termonucleare controllata, con lo scopo di realizzare affidabili giunzioni rame-acciaio con tenuta da vuoto in componenti sottoposti ad alto flusso termico. La nuova tecnica à ̈ utilizzabile anche in numerose altre applicazioni industriali, per realizzare giunzioni con materiali anche diversi da acciaio e rame, che possono richiedere o meno la tenuta in vuoto e su componenti che possono essere o meno sottoposti ad alti flussi termici.
STATO DELL’ARTE
Sono attualmente note varie tecniche di giunzione di materiali metallici, dove dette giunzioni possono essere di tipo eterogeneo od omogeneo.
Parlando di saldatura tra materiali metallici si intende un processo per il quale i due materiali da saldare sono uniti attraverso la formazione di legami di tipo atomico e/o molecolare, per l'azione di calore e/o pressione.
E' nota la saldatura a gas, che utilizza un gas combustibile combinato con un comburente, ossia ossigeno, per produrre una fiamma che costituisce la sorgente di calore necessaria alla fusione del metallo della giunzione.
La tradizionale saldatura a gas ha delle limitate applicazioni, poiché l'apporto termico à ̈ relativamente basso e pertanto gli spessori saldabili tra loro sono limitati.
E' anche nota la saldatura all'arco, che utilizza il calore generato da un arco elettrico tra un elettrodo e il pezzo da saldare per ottenere la fusione. Tale tecnica à ̈ però utilizzabile solo con alcuni tipi di materiali.
E' anche nota la saldatura per resistenza, che utilizza la resistenza elettrica dei componenti che devono essere saldati per avere il calore necessario, e dove la giunzione avviene applicando anche un'opportuna pressione.
E' nota la tecnica di saldatura per attrito, nella quale il calore viene generato per attrito, ottenuto per sfregamento del meccanico tra le superfici dei componenti da saldare, ad esempio derivante dalla rotazione relativa tra le componenti. Le parti da saldare vengono poi unite applicando una pressione sufficiente a generare il legame. Tale tecnica à ̈ però utilizzabile solo con alcuni tipi di materiali, ed à ̈ sensibile allo stato metallurgico dei materiali da saldare.
E' nota la tecnica di saldatura ad ultrasuoni, dove le superfici da saldare sono sottoposte ad una forza normale statica e ad una forza tangenziale oscillante con una determinata frequenza.
E' nota la tecnica di saldatura a fascio di elettroni, nota come "electron beam welding", un processo di fusione sotto vuoto che genera una fusione locale dei materiali utilizzando un fascio di elettroni che realizzano un reticolo comune trasformando l'energia cinetica degli elettroni in energia termica all'impatto con i materiali da fondere.
Tale tecnica à ̈ estremamente costosa, richiede attrezzature ingombranti e non trasportabili e inoltre necessita di personale specializzato per eseguirla. Sono note anche altre tecniche di saldatura come: saldatura al laser, al plasma, per esplosione, "friction stir welding"
Sono anche note tecniche di brasatura o saldo-brasatura che non prevedono la fusione del metallo base. In tali processi, un metallo avente una temperatura di fusione più bassa dei materiali da unire viene fatto fondere e fluire per riempire le capillarità delle superfici da unire. Le giunzioni ottenute in questo modo hanno però limitata resistenza meccanica oltre ad altri inconvenienti.
VANTAGGI RISPETTO ALLO STATO DELL’ARTE
I vantaggi principali della tecnica VTTJ, rispetto a tecniche note quali la saldatura per attrito, la saldatura a fascio di elettroni e la brasatura, sono i seguenti:
•Semplicità della costruzione e costo ridotto.
•Essendo una lavorazione condotta a freddo, ossia a temperatura ambiente, non sussiste il rischio di compromettere le caratteristiche dei materiali e conseguentemente il comportamento della giunzione a causa di surriscaldamenti localizzati. Questi ultimi potrebbero infatti causare:
*diminuzione della tensione di snervamento e di rottura dei materiali, dovuta a ricottura e/o ricristallizzazione; questo può accadere in particolare su materiali duttili e/o basso fondenti come il rame; ;*cricche dovute a interfasi fragili; questo può accadere in particolare su materiali alto legati, come gli acciai inossidabili.
•Affidabilità della giunzione non dipendente dalla qualità dei materiali, perché non ci sono trasformazioni metallurgiche nell’area della giunzione durante la costruzione, essendo la stessa realizzata completamente a freddo. •Possibilità di utilizzare una grande varietà di composizioni e stati metallurgici dei materiali di base, perché non ci sono vincoli legati all’influenza di questi fattori sull’affidabilità della giunzione. D’altra parte, vincoli consistenti legati alla composizione e allo stato metallurgico dei materiali di base sono presenti utilizzando altre tecniche come la saldatura per attrito, la saldatura a fascio di elettroni e la brasatura.
•Buona compatibilità con piccole dimensioni.
•Buona compatibilità con possibili operazioni successive, come elettrodeposizione e saldatura a fascio di elettroni.
POSSIBILI APPLICAZIONI
In generale, la tecnica VTTJ à ̈ adatta per realizzare un’ampia gamma di giunzioni eterogenee e omogenee tra materiali saldabili o non saldabili. A titolo di esempio, la tecnica VTTJ potrebbe essere utilizzata per realizzare giunzioni su scambiatori di calore, impianti idraulici, caldaie, sistemi di riscaldamento ecc. nelle industrie manifatturiera, chimica, alimentare, farmaceutica, petrolifera, nelle centrali elettriche ecc.
Alcuni possibili utilizzi nell’ambito della fusione nucleare sono:
•Griglie di accelerazione per iniettori di neutri; applicazione per la quale à ̈ stata sviluppata la tecnica.
•Componenti in linea degli iniettori di neutri, quali neutralizzatori, assorbitori degli ioni residui e calorimetri.
•Componenti delle sorgenti di ioni, quali schermi di Faraday, piastra posteriore ecc.
•Assorbitori di elettroni.
•Moduli della parete interna della camera toroidale (Blanket).
•Moduli del divertore.
DESCRIZIONE
Si tratta di un metodo o tecnica per la realizzazione di giunzioni eterogenee o omogenee, tra materiali saldabili o non saldabili. Tale giunzione avviene in particolare tra un primo corpo, comprendente almeno una parte tubolare o tubo e realizzato in un primo materiale e un secondo corpo realizzato in un secondo materiale e comprendente un foro per l'inserimento di detto tubo del primo corpo.
Detto primo materiale in cui à ̈ realizzato detto primo corpo e detto secondo materiale in cui à ̈ realizzato detto secondo corpo possono essere materiali uguali o diversi, tra loro saldabili oppure non saldabili.
La nuova tecnica comprende le seguenti fasi:
- realizzazione di una filettatura su almeno parte della parete esterna di detti tubo del primo corpo, per l'avvitamento di detto tubo su una corrispondente parte filettata solidale a o realizzata su detto secondo corpo;
- realizzazione di almeno un foro su detto secondo corpo, individuante un condotto per l'inserimento di almeno parte di detto tubo;
- realizzazione, in prossimità o in corrispondenza dell'imboccatura di detto foro di detto del secondo corpo, di almeno una rientranza anulare cilindrica;
- realizzazione, su detta parete esterna di detto tubo del primo corpo, di almeno un anello conico convergente verso l'estremità del tubo stesso,
e dove detto anello conico e detta rientranza anulare cilindrica sono di forma e dimensioni tali che, una volta inserito almeno parzialmente detto tubo del primo corpo in detto foro del secondo corpo e avvitando detto tubo su detto secondo corpo, detto anello conico viene forzato in detta rientranza anulare realizzando una deformazione plastica di detto anello conico stesso e/o di detta rientranza anulare.
Viene quindi realizzata la tenuta per interferenza tra detto primo corpo e detto secondo corpo.
Si fa di seguito particolare riferimento alle figure allegate, a titolo di esempio non limitativo.
In figura 1 Ã ̈ rappresentato in sezione il primo corpo (A), in forma di elemento tubolare o tubo (A1).
In figura 2 Ã ̈ rappresentato in sezione il secondo corpo (B), in forma di piastra con foro (B1) individuante un condotto di inserimento di parte (A2) di detto tubo (A1).
In figura 3 Ã ̈ rappresentato in sezione il primo corpo (A) giunto al secondo corpo (B).
In figura 4 Ã ̈ rappresentata in sezione, nel dettaglio, la zona di giunzione per interferenza meccanica tra detto primo corpo (A) e detto secondo corpo (B). In figura 5 Ã ̈ rappresentato in sezione il primo corpo (A) giunto al secondo corpo (B), con elettrodeposizione (D) in una prima realizzazione.
In figura 6 Ã ̈ rappresentato in sezione il primo corpo (A) giunto al secondo corpo (B), con elettrodeposizione (D) in una seconda realizzazione.
In figura 7 Ã ̈ rappresentato in sezione il primo corpo (A) giunto al secondo corpo (B), dove detto primo corpo (A) e detto secondo corpo (B) sono realizzati secondo una soluzione alternativa, con cordolino (A6, B4) rilevato per la successiva saldatura, rappresentato nel dettaglio in figura 8.
In figura 9 Ã ̈ schematizzata una sezione del primo corpo (A) con una parte (A8) a sezione non circolare per la presa da parte di un utensile di avvitamento.
La nuova tecnica di giunzione comprende le fasi di seguito descritte, ad esempio per realizzare una giunzione tra un corpo (A), ad esempio un elemento tubolare o tubo (A1) in un primo materiale, ad esempio in acciaio, e un corpo (B) realizzato in un secondo materiale, ad esempio di rame in forma di piastra.
1. Su detta piastra (B) di rame à ̈ realizzato, mediante fresatura, almeno un foro (B1), ad esempio cilindrico o comunque individuante un condotto per l'inserimento di parte di detto tubo (A1), in particolare per l'inserimento almeno dell'estremità (A2) di detto tubo (A1).
2. Il tubo (A1) di acciaio da fissare a detta piastra o corpo (B) di rame viene almeno in parte filettato (A3) sulla sua parete esterna (A4), ad esempio in prossimità di detta estremità (A2) da inserire in detto foro (B1) della piastra o corpo (B).
3. Detto foro (B1) Ã ̈ preferibilmente anch'esso almeno in parte internamente filettato (B3) corrispondentemente a detta filettatura (A3) di detto tubo (A1).
4. Sull'imboccatura di detto foro (B1) della piastra o corpo (B) di rame viene realizzata almeno una rientranza anulare cilindrica (B2), mentre il tubo (A1) di acciaio viene tornito in modo da realizzare, in una certa posizione lungo la sua parete esterna (A4), un anello conico (A5) convergente verso l'estremità (A2) del tubo (A1) stesso. Detto anello conico (A5) à ̈ ad esempio realizzato all'inizio di detta filettatura (A3), dalla parte opposta rispetto all'estremità (A2) del tubo (A1).
Detto anello conico (A5) e detta rientranza anulare cilindrica (B2) sono di forma e dimensioni tali che, una volta avvitato il tubo (A1) nel foro (B1) della piastra (B), detto anello conico (A5) viene forzato nella rientranza anulare (B2) realizzando la deformazione plastica della piastra (B) e/o del tubo (A), in funzione del materiale in cui sono realizzati.
In questo modo à ̈ anche realizzata la tenuta per interferenza meccanica tra detto tubo (A1) e detta piastra (B).
In particolare, detto anello conico (A5) ha l'estremità inferiore avente diametro (A5a) minore rispetto al diametro (B2d) della rientranza anulare (B2), per permettere l'inserimento, mentre l'estremità superiore ha diametro (A5b) maggiore rispetto al diametro (B2d) della rientranza anulare (B2), per realizzare l'interferenza (A6).
Nella soluzione preferita, detto diametro massimo (A5b) dell'anello conico (A5) à ̈ di circa 0.1-0.2 mm più grande rispetto al diametro (B2d) della rientranza anulare cilindrica (B2). Le dimensioni possono comunque variare in funzione della geometria della giunzione e dei materiali utilizzati.
4. Il tubo (A1) in acciaio viene avvitato nel corrispondente foro (B1) della piastra (B) di rame. Durante l'avvitamento, in genere approssimativamente negli ultimi giri, avviene la deformazione plastica della rientranza anulare (B2) cilindrica nel foro (B1) della piastra (B) di rame, e si realizza la tenuta. Se il materiale del primo corpo (A) à ̈ più tenero del secondo corpo (B), ci sarà una deformazione plastica sull’anello conico (A5), che potrà egualmente realizzare la tenuta. Se i materiali del primo corpo (A) e del secondo corpo (B) sono di durezza simile o se detto primo corpo (A) e detto secondo corpo (B) sono dello stesso materiale, la deformazione plastica avverrà sia su detta rientranza anulare (B2) sia sull’anello conico (A5), e analogamente ai casi precedenti si realizzerà la tenuta per deformazione plastica.
TEST EFFETTUATI
Test di tenuta nel vuoto condotti con cercafughe sono stati eseguiti su numerosi prototipi utilizzando elio come gas campione. Questi test hanno evidenziato che le giunzioni così realizzate non hanno alcuna perdita. In seguito, analoghi test sono stai effettuati dopo una sollecitazione ciclica con pressione interna di 30 bar ripetuta per 10 volte, evidenziando di nuovo la totale assenza di perdite. Infine, analoghi test sono stati effettuati dopo un trattamento termico di un’ora a 200°C, evidenziando anche in questo caso la totale assenza di perdite.
POSSIBILI OPERAZIONI SUCCESSIVE
Si prevede che la presente tecnica possa comprendere le ulteriori fasi di elettrodeposizione, saldatura a fascio di elettroni o brasatura eseguite dopo l'avvitamento del tubo (A1) di acciaio nel corpo (B) di rame, allo scopo di rendere la giunzione compatibile con l'impiego in condizioni particolarmente severe, per esempio con elevati carichi meccanicostrutturali e termici.
Ad esempio si può prevedere che lungo il bordo di giunzione (C) e nella zona immediatamente circostante sia elettrodepositata una fascia (D) di materiale adeguato, ad esempio uno strato in rame.
Tale strato di rame (D) ulteriormente depositato ha la principale funzione di garantire la tenuta in vuoto anche in condizioni di sollecitazioni meccaniche e/o termiche particolarmente severe.
Si può anche prevedere che, prima di avvitare detto tubo (A) nel corpo (B) in rame venga eseguita una elettrodeposizione di un sottile strato di rame sul tubo di acciaio, in corrispondenza di detto anello conico (A5) e in prossimità di esso, nella parte non filettata, per aumentare l'aderenza della successiva elettrodeposizione.
Per effettuare più agevolmente l’elettrodeposizione del rame, si può prevedere che la zona del tubo immediatamente superiore all’anello conico sia raccordata all’anello stesso con un raccordo (A7) di raggio adeguato. In alternativa o in aggiunta si può prevedere che ciascuno dei bordi congiunti di detto tubo (A1) e di detto corpo (B) in rame, ossia detto anello conico (A5) e detta rientranza anulare (B2) sono realizzati su un bordo o cordolino (A6, B4) rilevato per facilitare la successiva saldatura a fascio di elettroni.
In figura 8 à ̈ indicata con una freccia (B5) la posizione dove à ̈ preferibile effettuare la saldatura a fascio di elettroni.
Si può prevedere che detto tubo (A1) sia almeno in parte (A8) a sezione non circolare, per la presa da parte di utensili per l'avvitamento di detto tubo (A1) in detto secondo corpo (B), dove detta parte (A8) a sezione non circolare à ̈ posizionata ad una certa distanza da detto anello conico (A5). Queste sono le modalità schematiche sufficienti alla persona esperta per realizzare il trovato, di conseguenza, in concreta applicazione potranno esservi delle varianti senza pregiudizio alla sostanza del concetto innovativo.
Pertanto con riferimento alla descrizione che precede e alle tavole accluse si esprimono le seguenti rivendicazioni.
Claims (11)
- RIVENDICAZIONI 1.Metodo o tecnica per la realizzazione di giunzioni eterogenee o omogenee, tra materiali saldabili o non saldabili, tra: • un primo corpo (A) realizzato in un primo materiale e comprendente almeno una parte tubolare o tubo (A1) e • un secondo corpo (B) realizzato in un secondo materiale e comprendente un foro (B1) per l'inserimento di almeno parte (A2) di detto tubo (A1) del primo corpo (A), detti primo e secondo materiale essendo materiali uguali o diversi, caratterizzato dal fatto di comprendere: - realizzazione di una filettatura (A3) su almeno parte della parete esterna (A4) di detto tubo (A1) del primo corpo (A), per l'avvitamento di detto tubo (A1) ad una corrispondente parte filettata (B3) solidale a o realizzata su detto secondo corpo (B); - realizzazione, in prossimità o in corrispondenza dell'imboccatura di detto foro (B1) di detto secondo corpo (B), di almeno una rientranza anulare cilindrica (B2); - realizzazione, su detta parete esterna (A4) di detto tubo (A1) del primo corpo (A), di almeno un anello conico convergente (A5) verso l'estremità (A2) del tubo (A1) stesso, e dove detto anello conico (A5) e detta rientranza anulare (B2) cilindrica sono di forma e dimensioni tali che, una volta inserito almeno parzialmente detto tubo (A1) del primo corpo (A) in detto foro (B1) del secondo corpo (B) e avvitando detto tubo (A1) in detto secondo corpo (B), detto anello conico (A5) viene forzato in detta rientranza anulare (B2) realizzando una deformazione plastica di detto anello conico (A5) stesso e/o di detta rientranza anulare (B2) e quindi la tenuta per interferenza tra detto primo corpo (A) e detto secondo corpo (B).
- 2. Metodo o tecnica, come da rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto anello conico (A5) ha estremità inferiore avente diametro (A5a) minore rispetto al diametro (B2d) della rientranza anulare (B2), per permettere l'inserimento, mentre l'estremità superiore ha diametro (A5b) maggiore rispetto al diametro (B2d) della rientranza anulare (B2), per realizzare l'interferenza (A6).
- 3. Metodo o tecnica, come da rivendicazioni 1, 2, caratterizzato dal fatto che detto tubo (A1) à ̈ filettato (A3) almeno in prossimità della sua estremità (A2) atta ad essere inserita in detto foro (B1) del secondo corpo (B).
- 4. Metodo o tecnica, come da rivendicazioni 1, 2, 3, caratterizzato dal fatto che detto anello conico (A5) à ̈ realizzato in prossimità di detta filettatura (A3) di detto tubo (A1), dalla parte opposta a detta estremità (A2) del tubo (A1) stesso.
- 5. Metodo o tecnica, come da rivendicazioni 1, 2, 3, 4 caratterizzato dal fatto che detto foro (B1) di detto secondo corpo (B) Ã ̈ almeno in parte internamente filettato (B3) corrispondentemente a detta filettatura (A3) di detto tubo (A1), per l'avvitamento del tubo (A1) stesso in detto foro (B1).
- 6. Metodo o tecnica, come da rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere le ulteriori fasi di elettrodeposizione e/o saldatura a fascio di elettroni o brasatura eseguite dopo la giunzione di detto tubo (A1) a detto secondo corpo (B).
- 7.Metodo o tecnica, come da rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lungo il bordo (C) di giunzione tra detto tubo (A1) e detto secondo corpo (B) e nella zona immediatamente circostante à ̈ elettrodepositata una fascia o strato (D) di rame o materiale adeguato, avente la funzione di garantire la tenuta in vuoto anche in condizioni di sollecitazioni meccaniche e carichi termici elevati.
- 8.Metodo o tecnica, come da rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere anche un'elettrodeposizione preventiva di materiale su detto tubo (A1), in corrispondenza di detto anello conico (A5) e in prossimità di esso, nella parte non filettata, per aumentare l'aderenza della successiva elettrodeposizione, detta elettrodeposizione preventiva essendo eseguita prima della giunzione di detto primo tubo (A1) a detto secondo corpo (B).
- 9.Metodo o tecnica, come da rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascuno dei bordi congiunti di detto tubo (A1) e di detto secondo corpo (B), ossia detto anello conico (A5) e detta rientranza anulare (B2) sono realizzati su un bordo o cordolino (A6, B4) rilevato per facilitare la successiva saldatura tra essi.
- 10.Metodo o tecnica, come da rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo corpo (A) à ̈ un tubo (A1) e detto secondo corpo (B) à ̈ un corpo in forma di piastra, su una superficie del quale à ̈ realizzato detto foro (B1) internamente filettato individuante il condotto di inserimento di detto tubo (A1).
- 11.Metodo o tecnica, come da rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto tubo (A1) sia almeno in parte (A8) a sezione non circolare, per la presa da parte di utensili per l'avvitamento di detto tubo (A1) in detto secondo corpo (B).
Priority Applications (8)
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