RU2087285C1

RU2087285C1 - Method of production of bimetallic vessels

Info

Publication number: RU2087285C1
Application number: RU95112018A
Authority: RU
Inventors: Н.С. Артемов; В.А. Богуш; В.Ф. Першин; А.Г. Ткачев
Original assignee: Тамбовское акционерное общество открытого типа "Комсомолец"
Priority date: 1995-07-11
Filing date: 1995-07-11
Publication date: 1997-08-20
Also published as: RU95112018A

Abstract

FIELD: diffusion welding, applicable for production of apparatuses and other bimetallic items with ducts located under the cladding layer used to pass the heat-transfer agent in various branches of mechanical engineering. SUBSTANCE: groove 2 is made on the inner surface of vessel 1, before diffusion welding then cladding layer 3 is installed in vessel 1, and steel jacket 4 preliminarily annealed in oxidizing atmosphere is placed in the vessel; after that the edges of jacket 4 and vessel 1 are packed, and vacuum is created between them. The whole assembly is placed in a compression furnace, pressure is raised for a short-time reduction of the vacuumized surfaces, after which pressure is relieved down to the atmospheric one. Then the heating system is switched on, and pressure in the compression furnace is raised again; after an isothermal holding the heating system is switched off and pressure is relieved. After annealing liquid medium, for instance water or liquid mineral oils, are fed to ducts 5 by means of a hydraulic pump; when the preset pressure within 2.5 to 45 MPa is attained, the pump is cut off, and the process is monitored by reference to a pressure gauge connected to ducts 5. EFFECT: facilitated procedure. 4 cl, 4 dwg

Description

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. The invention relates to methods for diffusion welding and can be used for the manufacture of apparatuses and other bimetallic products, with channels placed under the cladding layer for passing the coolant and used in various engineering industries.

Известен способ изготовления биметаллических сосудов, плакированных изнутри металлом путем вакуумно-диффузионной сварки корпуса сосуда с заготовкой из материала покрытия, при котором перед сваркой внутрь сосуда помещают стальную предварительно отожженную в окислительной атмосфере рубашку, после чего уплотняют кромки рубашки и сосуда и создают между ними вакуум (см. например, авторское свидетельство СССР N 428904 МКИ В 23 К 20/00). A known method of manufacturing bimetallic vessels, internally clad with metal by vacuum diffusion welding of the vessel body with a workpiece of coating material, in which before welding, a steel jacket is preliminarily annealed in an oxidizing atmosphere, then the edges of the shirt and vessel are sealed and a vacuum is created between them ( see, for example, USSR copyright certificate N 428904 MKI 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 технологической рубашкой, продавливается в каналы, частично перекрывая их, что приводит к необходимости увеличения глубины каналов и толщины плакирующего слоя, тем самым увеличивая материалоемкость сосудов и расход плакирующего материала. However, in the manufacture of vessels with channels on the inner surface of the body, during diffusion welding, the material of the cladding layer under the pressure created by the technological jacket is pressed into the channels, partially overlapping them, which leads to the need to increase the depth of the channels and the thickness of the cladding layer, thereby increasing the material consumption of the vessels and cladding material consumption.

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 речь, и осуществляют изотермическую выдержку (см. например, авторское свидетельство СССР N 1799705 МКИ 5 В 23 К 20/00). There is also known a method of manufacturing bimetallic vessels by diffusion welding, in which a cladding layer is installed inside the vessel, then a technological jacket is placed, their edges are sealed, a vacuum is created between the surfaces of the shell and cladding layer to be welded, the assembly is placed in a compression furnace, short-term compression is made, heated to the welding temperature , squeezed by the pressure of the gas supplied to the speech, and isothermal exposure is carried out (see, for example, USSR copyright certificate N 1799705 MKI 5 V 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. The disadvantage of this method is the inability to manufacture bimetallic vessels with channels on the inner surface of the body without a significant increase in the material consumption of both the cladding layer and the vessel, since diffusion welding also causes the cladding layer to sag and partially overlap the channel section.

По совокупности общих признаков в качестве прототипа выбран способ по авторскому свидетельству СССР N 1799705. According to the totality of common features, the method according to the copyright certificate of the USSR N 1799705 was selected as a prototype.

Задачей изобретения является создание способа, позволяющего снизить материалоемкость и уменьшить гидравлическое и тепловое сопротивление каналов, за счет чего достигается повышение эффективности оборудования. The objective of the invention is to provide a method that allows to reduce material consumption and to reduce the hydraulic and thermal resistance of the channels, due to which an increase in the efficiency of the equipment is achieved.

Поставленная задача достигается тем, что по предлагаемому способу 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, на внутренней поверхности сосуда выполняют канавки, после чего устанавливают плакирующий слой, перекрывающий канавки с образованием закрытых каналов термостатирования, в которые после окончания сварки подают жидкую среду под давлением в диапазоне от 2,5 до 45 МПа, обеспечивающим заданную величину деформации плакирующего слоя, после чего давление сбрасывают до атмосферного, после сброса давления часть деформированного плакирующего слоя удаляют, перед установкой плакирующего слоя и технологической рубашки в сосуд в технологической рубашке изготавливают канавки, выполненные зеркально относительно канавок сосуда, и после изотермической выдержки закрытые каналы термостатирования соединяют с источником давления, канавки в технологической рубашке изготавливают с размерами, большими канавок в сосуде, при этом основание выполняется эллиптической формы, а ширина канавок больше ширины канавок в сосуде на величину полутора толщин плакирующего материала. The problem is achieved by the fact that according to the proposed method for the manufacture of bimetallic vessels by diffusion welding, in which a cladding layer is installed inside the vessel, then a technological shirt is placed, their edges are sealed, a vacuum is created between the welded surfaces of the shell and cladding layer, the assembly is placed in a compression furnace, a short-term compression, heated to a welding temperature, squeezed by the pressure of the gas supplied to the furnace, and isothermally held, internally the surface of the vessel is grooved, after which a clad layer is installed that overlaps the grooves with the formation of closed thermostatic channels, into which, after welding, a liquid medium is supplied under pressure in the range from 2.5 to 45 MPa, which provides a predetermined deformation of the clad layer, after which the pressure is released to atmospheric pressure, after depressurization, a part of the deformed cladding layer is removed, before installing the cladding layer and technological shirt in a vessel in the technological jacket, there are grooves made mirror-like with respect to the grooves of the vessel, and after isothermal holding closed thermostatic channels are connected to a pressure source, grooves in the technological jacket are made with dimensions larger than grooves in the vessel, the base being elliptical in shape, and the width of the grooves is larger than the width of the grooves in the vessel by the size of one and a half thickness of the cladding material.

За счет выполнения на внутренней поверхности сосуда канавок с последующей установкой плакирующего слоя, перекрывающего канавки с образованием закрытых каналов термостатирования, в которые после окончания сварки подают жидкую среду под давлением в диапазоне от 2,5 до 45 МПа, обеспечивающим заданную величину деформации плакирующего слоя, после чего давление сбрасывают до атмосферного, достигается пластическая деформация плакирующего слоя в направлении полости сосуда. За счет использования давления, в десятки раз превышающего рабочее давление термостатирующей среды, обеспечивается достижение в плакирующем слое остаточных деформаций, при которых восстанавливается живое сечение каналов, обеспечивается уменьшение их гидравлического сопротивления и плакирующий слой при эксплуатации работает под воздействием только упругих деформаций. Данный способ изготовления аппаратов позволяет снизить их материалоемкость за счет выполнения каналов необходимой глубины без запаса, рассчитанного на просадку плакирующего слоя при диффузионной сварке. При давлении ниже 2,5 МПа не возникают пластические деформации в плакирующем слое, перекрывающем каналы, а при давлении выше 45 МПа происходит отслоение плакирующего слоя от корпуса или его разрушение. By making grooves on the inner surface of the vessel with the subsequent installation of a clad layer that overlaps the grooves with the formation of closed thermostatic channels, into which, after welding, a liquid medium is supplied under pressure in the range from 2.5 to 45 MPa, which provides a predetermined deformation of the clad layer, after whereupon the pressure is released to atmospheric, plastic deformation of the cladding layer is achieved in the direction of the vessel cavity. Due to the use of pressure ten times higher than the operating pressure of the thermostatic medium, the cladding layer achieves residual deformations at which the live section of the channels is restored, their hydraulic resistance is reduced, and the cladding layer during operation operates under the influence of only elastic deformations. This method of manufacturing devices allows to reduce their material consumption due to the implementation of channels of the required depth without margin, designed for subsidence of the cladding layer in diffusion welding. At a pressure below 2.5 MPa, plastic deformations do not occur in the cladding layer that overlaps the channels, and at a pressure above 45 MPa, the cladding layer is detached from the body or destroyed.

За счет удаления после сброса давления части деформированного плакирующего слоя внутренней поверхности достигается арочная форма сечения плакирующего слоя над каналами термостатирования, т.е. оптимальная с точки зрения прочностных показателей конструкция. Это позволяет снизить материалоемкость конструкции и повысить эффективность теплопередачи через плакирующий слой, толщина которого уменьшена в средней части канала. Due to the removal of a part of the deformed clad layer of the inner surface after depressurization, an arched sectional shape of the clad layer above the thermostatic channels is achieved, i.e. optimal design in terms of strength indicators. This allows to reduce the material consumption of the structure and increase the efficiency of heat transfer through the cladding layer, the thickness of which is reduced in the middle part of the channel.

Изготовление в технологической рубашке перед установкой плакирующего слоя и технологической рубашки в сосуд канавок, выполненных зеркально относительно канавок сосуда, и соединение после изотермической выдержки закрытых каналов термостатирования с источником давления ограничивает продавливание внешней стенки каналов внутрь сосуда и исключает отрыв плакирующего слоя от стенок сосуда в процессе формирования каналов. Fabrication in a technological jacket before installing the cladding layer and technological jacket in the vessel of grooves made mirror-like relative to the grooves of the vessel, and the connection after isothermal exposure of the closed thermostatic channels to the pressure source limits the extrusion of the external wall of the channels into the vessel and eliminates the separation of the cladding layer from the vessel walls during formation channels.

Выполнение канавок в технологической рубашке с размерами, большими канавок в сосуде, и с основанием эллиптической формы, а шириной больше ширины канавок в сосуде на величину полутора толщин плакирующего слоя обеспечивает проведение диффузионной сварки плакирующего материала вблизи края канала и создает условия для формирования профиля сечения канала с арочной формой плакирующего слоя даже при величине деформирующего изнутри плакирующий слой гидравлического давления выше расчетного, что исключает работу плакирующего слоя на срез, приводящего к браку при формировании сечения каналов. The implementation of the grooves in the technological jacket with dimensions larger than the grooves in the vessel and with an elliptical base and a width greater than the width of the grooves in the vessel by one and a half thicknesses of the cladding layer provides diffusion welding of the cladding material near the channel edge and creates the conditions for forming a channel cross-section profile with with the arch shape of the cladding layer, even with an internal deforming value, the cladding layer of hydraulic pressure is higher than the calculated one, which excludes the cladding layer working on a cut, etc. leading to marriage in the formation of the cross section of the channels.

На фиг.1 показано взаимное расположение стенки корпуса сосуда, рубашки и материала покрытия; на фиг.2 то же после воздействия давлением на стенки канала (первый вариант); на фиг.3 то же после воздействия давления на стенки канала (второй вариант) и на фиг.4 показано сечение стенки аппарата после механической обработки. Figure 1 shows the relative position of the wall of the vessel body, shirt and coating material; figure 2 the same after exposure to pressure on the walls of the channel (first option); figure 3 the same after the pressure on the walls of the channel (second option) and figure 4 shows a section of the wall of the apparatus after machining.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Перед сваркой на внутренней поверхности сосуда 1 выполняют канавки 2, затем в сосуд 1 устанавливают плакирующий слой 3 и помещают стальную предварительно отожженную в окислительной атмосфере рубашку 4, после чего уплотняют кромки рубашки 4 и сосуда 1 и создают между ними вакуум. Всю сборку помещают в компрессионной печи, 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. После отжига в каналы 5 с помощью гидравлического насоса подают жидкую среду, например, воду или жидкие минеральные масла, и после достижения заданного давления в диапазоне от 2,5 до 45 МПа отсекают насос и контроль процесса ведут по показаниям манометра, соединенного с каналами 5. Под действием давления в каналах 5 плакирующий слой 3, перекрывающий каналы 5 со стороны полости сосуда 1 деформируется, принимая сводообразную форму. При этом внутренний объем каналов 5 увеличивается, что приводит к уменьшению давления в них. Это давление уменьшается до уровня, при котором силы упругой деформации будут уравновешивать внутренне давление в каналах. После прекращения снижения давления в течение заданного времени каналы 5 выдерживают под давлением, после чего соединяют с атмосферой, а жидкую среду удаляют. После сброса давления производят механическую обработку внутренней поверхности плакированного сосуда, при этом верхнюю часть выпуклости плакирующего слоя 3 срезают, и он после обработки принимает форму, показанную на фиг.4. Before welding, grooves 2 are made on the inner surface of vessel 1, then a cladding layer 3 is installed in vessel 1 and a steel jacket 4 is preliminarily annealed in an oxidizing atmosphere, then the edges of the jacket 4 and vessel 1 are sealed and a vacuum is created between them. The entire assembly is placed in a compression furnace, the pressure is raised for short-term compression of the evacuated surfaces, after which the pressure is released to atmospheric. Then, the heating is turned on and the pressure in the compression furnace is again increased, and after isothermal holding, the heating is turned off and the pressure is released. After annealing, a liquid medium, for example, water or liquid mineral oils, is supplied to the channels 5 using a hydraulic pump, and after reaching the set pressure in the range from 2.5 to 45 MPa, the pump is cut off and the process is monitored according to the readings of the pressure gauge connected to the channels 5. Under the influence of pressure in the channels 5, the cladding layer 3, overlapping the channels 5 from the side of the cavity of the vessel 1 is deformed, taking a vaulted shape. In this case, the internal volume of the channels 5 increases, which leads to a decrease in pressure in them. This pressure decreases to a level at which the elastic deformation forces balance the internal pressure in the channels. After stopping the pressure reduction for a predetermined time, the channels 5 are kept under pressure, then connected to the atmosphere, and the liquid medium is removed. After depressurization, the machining of the inner surface of the clad vessel is machined, the upper part of the bulge of the clad layer 3 is cut off and after processing takes the form shown in FIG. 4.

При необходимости повышения контактной нагрузки при диффузионной сварке, в рубашке 4 перед установкой выполняют канавки 6, которые геометрически расположены зеркально по отношению к канавкам 2, выполненным в сосуде. При этом ширина канавок 6 больше ширины канавок 2 на величину полутора толщин плакирующего слоя 3, а дно выполняют эллиптической формы. После изотермической выдержки под давлением канавки 6 соединяют с атмосферой, что облегчает извлечение рубашки 4 из сосуда 1 за счет выравнивания давления в полостях канавок, возникающего при охлаждении деталей. If it is necessary to increase the contact load during diffusion welding, grooves 6 are made in the jacket 4 before installation, which are geometrically located mirror-like with respect to the grooves 2 made in the vessel. The width of the grooves 6 is greater than the width of the grooves 2 by one and a half thicknesses of the cladding layer 3, and the bottom is elliptical in shape. After isothermal holding under pressure, the grooves 6 are connected to the atmosphere, which facilitates the removal of the jacket 4 from the vessel 1 by equalizing the pressure in the cavities of the grooves that occurs when the parts are cooled.

Пример. Изготавливают обечайку с внутренним диаметром 1500 мм с теплообменными 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 3 мм. Рубашку изготавливают из листовой стали толщиной 4 мм и с пазами глубиной 2,5 мм. Герметизируют края сборки и вакуумируют. Затем повышают давление в компрессионной печи и производят обжатие сборки, при этом величина предварительного давления составляла 4 МПа при давлении сварки 3,8 МПа. Время выдержки сборки при предварительном давлении составляло согласно технологическому регламенту 26 мин при общей продолжительности диффузионной сварки 340 мин. После охлаждения сборки до температуры ниже 80^oC пазы в рубашке соединяли с атмосферой, в каналы под давлением 24 МПа подавали минеральное масло и выдерживали в течение 20 мин, после чего давление сбрасывали до атмосферного и внутреннюю поверхность обечайки подвергали механической обработке. При этом толщину плакирующего слоя доводили до 2,3 мм. Таким образом достигалось требуемое термическое сопротивление каналов и обеспечивалась необходимая механическая прочность при минимальной материалоемкости.Example. A shell is made with an inner diameter of 1500 mm with heat exchange channels 8 mm wide and 4 mm deep. The distance between the channels is 40 mm, the working height of the shell is 600 mm, the thickness of the shell is 28 mm, the material is steel 3. A cladding layer of copper 3 mm thick is installed. The shirt is made of sheet steel 4 mm thick and with grooves 2.5 mm deep. Seal the edges of the assembly and vacuum. Then, the pressure in the compression furnace is increased and the assembly is crimped, while the preliminary pressure was 4 MPa at a welding pressure of 3.8 MPa. The assembly holding time at a preliminary pressure was 26 minutes according to the technological regulations with a total duration of diffusion welding of 340 minutes. After the assembly was cooled to a temperature below 80 ^° C, the grooves in the jacket were connected to the atmosphere, mineral oil was supplied to the channels under a pressure of 24 MPa and held for 20 minutes, after which the pressure was released to atmospheric pressure and the inner surface of the shell was machined. The thickness of the cladding layer was adjusted to 2.3 mm. Thus, the required thermal resistance of the channels was achieved and the necessary mechanical strength was ensured with a minimum material consumption.

Предлагаемый способ обеспечивает изготовление аппаратов с уменьшенной материалоемкостью и каналами с минимальными тепловым и гидравлическим сопротивлением. The proposed method provides the manufacture of devices with reduced material consumption and channels with minimal thermal and hydraulic resistance.

Claims

1. A method of manufacturing bimetallic vessels by diffusion welding, in which a cladding layer is installed inside the vessel, then a technological jacket is placed, their edges are sealed, a vacuum is created between the surfaces of the shell and cladding layer to be welded, the assembly is placed in a compression furnace, short-term compression is made, heated to the welding temperature , squeezed by the pressure of the gas supplied to the furnace, and isothermal exposure is carried out, characterized in that a ditch is made on the inner surface of the vessel ki, after which a cladding layer is installed that overlaps the grooves with the formation of closed thermostatic channels, into which, after welding, a liquid medium is supplied under pressure in the range of 2.5 45.0 MPa, which provides a predetermined deformation of the cladding layer, after which the pressure is released to atmospheric.

2. The method according to claim 1, characterized in that after depressurization, part of the deformed cladding layer is removed.

3. The method according to claim 1, characterized in that before installing the cladding layer and the technological shirt into the vessel in the technological shirt, grooves are made that are mirror-like relative to the vessel grooves, and after isothermal exposure, closed thermostatic channels are connected to a pressure source.

4. The method according to claim 1, characterized in that the grooves in the technological jacket are made with dimensions larger than the grooves in the vessel, the base being elliptical in shape and the width greater than the width of the grooves in the vessel by one and a half thicknesses of the cladding material.