RU2237560C1

RU2237560C1 - Apparatus for diffusion welding of rings of different metals

Info

Publication number: RU2237560C1
Application number: RU2003127974A
Authority: RU
Inventors: В.П. Гордо (RU); В.П. Гордо; В.Н. Ёлкин (RU); В.Н. Ёлкин; Г.Н. Шевелёв (RU); Г.Н. Шевелёв
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2004-10-10

Abstract

FIELD: welding processes and equipment, namely apparatuses for diffusion butt welding of annular blanks of different type metals.

SUBSTANCE: apparatus includes vacuum chamber for placing blank. Said chamber is in the form of thin-wall fluid-tight envelope of ductile metal with wall thickness no more than 3 mm. Chamber with blanks is arranged in gasostat with heating source combined with means for compressing blanks. Heated neutral pressurized gas in closed volume of gasostat chamber is used as heating source and means for compressing blanks.

EFFECT: possibility for making welded annular blanks of different type metals with predicted axial size and for testing all welded joints of set of annular blanks.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области сварки, а более конкретно к диффузионной сварке встык преимущественно коротких толстостенных труб (колец) из разнородных металлов, например из аустенитных и ферритных сталей. Такие конструкции широко применяются в атомной промышленности, например, в корпусах шаговых электродвигателей, у которых корпус выполнен в виде набора чередующихся между собой колец из немагнитной (аустенитной) и магнитной (ферритной) сталей, соединенных между собой сваркой. Сварные конструкции шаговых электродвигателей атомных реакторов должны обладать высокой надежностью, поэтому актуальным является вопрос объективного контроля сварных соединений. Кроме того, они должны иметь предельно узкие зоны перехода между кольцами из разнородных сталей. При этом предъявляются высокие требования к точности осевых размеров соединяемых колец.The invention relates to the field of welding, and more particularly to butt welding of predominantly short thick-walled pipes (rings) of dissimilar metals, for example, austenitic and ferritic steels. Such designs are widely used in the nuclear industry, for example, in cases of stepper motors, in which the case is made in the form of a set of alternating rings of non-magnetic (austenitic) and magnetic (ferritic) steels interconnected by welding. Welded structures of stepper motors of nuclear reactors should have high reliability, therefore, the issue of objective control of welded joints is relevant. In addition, they should have extremely narrow transition zones between rings of dissimilar steels. At the same time, high demands are made on the accuracy of the axial dimensions of the connected rings.

Известно устройство для диффузионной сварки в том числе колец из разнородных металлов, включающее вакуумную камеру, источник нагрева в виде индуктора и гидравлический механизм для сдавливания заготовок (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М., "Машиностроение", 1976, стр.90). В указанном устройстве сваривают кольцевые заготовки из разнородных металлов (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М., "Машиностроение", 1976, стр.283).A device for diffusion welding, including rings of dissimilar metals, including a vacuum chamber, a heating source in the form of an inductor and a hydraulic mechanism for compressing workpieces (Kazakov NF, Diffusion welding of materials. M., "Engineering", 1976, p. 90 ) In the specified device, annular blanks of dissimilar metals are welded (Kazakov NF Diffusion welding of materials. M., "Mechanical Engineering", 1976, p. 283).

В приведенном устройстве осуществляется одноосное сдавливание заготовок, что приводит к значительной объемной деформации менее жаропрочного металла. В случае сварки более двух чередующихся колец из разнородных металлов практически невозможно, обеспечив необходимую приповерхностную деформацию, получить сварную заготовку с точными осевыми размерами. Кроме того, приведенное устройство не позволяет объективно контролировать все сварные соединения набора колец из разнородных металлов.In the above device, uniaxial compression of the workpieces is carried out, which leads to significant volumetric deformation of less heat-resistant metal. In the case of welding more than two alternating rings of dissimilar metals, it is almost impossible, having provided the necessary surface deformation, to obtain a welded billet with exact axial dimensions. In addition, the above device does not allow to objectively control all welded joints of a set of rings of dissimilar metals.

Известно устройство для диффузионной сварки из разнородных металлов, включающее вакуумную камеру, источник нагрева в виде электроннолучевых пушек и гидравлический механизм для сдавливания заготовок (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М., "Машиностроение", 1976, стр.100). В приведенном устройстве сваривают кольцевые заготовки из разнородных металлов (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М., "Машиностроение", 1976, стр.300). В указанном устройстве нагрев осуществлен развернутым электронным лучом трех пушек, расположенных под углом 120° друг к другу.A device is known for diffusion welding of dissimilar metals, including a vacuum chamber, a heating source in the form of electron beam guns and a hydraulic mechanism for squeezing workpieces (Kazakov NF Diffusion welding of materials. M., "Engineering", 1976, p. 100). In the above device, ring blanks of dissimilar metals are welded (Kazakov NF Diffusion welding of materials. M., "Mechanical Engineering", 1976, p. 300). In the specified device, the heating is carried out by a developed electron beam of three guns located at an angle of 120 ° to each other.

Нагрев заготовок в этом случае недостаточно равномерен, а при разнице в механических свойствах свариваемых металлов при температуре сварки механизм сдавливания не обеспечивает равномерной деформации набора кольцевых заготовок. В связи с этим практически невозможно получить сварную заготовку с точными осевыми размерами. Кроме того, это устройство не имеет объективного контроля всех сварных соединений набора колец.In this case, the heating of the billets is not uniform enough, and with a difference in the mechanical properties of the metals being welded at the welding temperature, the compression mechanism does not provide uniform deformation of the set of ring billets. In this regard, it is almost impossible to obtain a welded billet with exact axial dimensions. In addition, this device does not have an objective control of all welded joints of a set of rings.

Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего получать сварные кольцевые заготовки из разнородных металлов, имеющие прогнозируемые осевые размеры и позволяющего осуществлять объективный контроль всех сварных соединений набора кольцевых заготовок.The objective of the invention is to provide a device that allows you to get welded ring billets from dissimilar metals having predicted axial dimensions and allows for objective control of all welded joints of a set of ring billets.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, состоит в том, что устройство обеспечивает незначительную деформацию заготовок за счет всестороннего сдавливания при достаточном удельном давлении на контактных поверхностях, что дает возможность сваривать набор кольцевых заготовок с точными осевыми размерами, а за счет уменьшения внутреннего диаметра колец позволяет изготавливать из удаляемой центральной части образцы для контроля качества всех сварных соединений набора колец.The technical result obtained by the implementation of the claimed invention is that the device provides a slight deformation of the workpieces due to all-round compression with sufficient specific pressure on the contact surfaces, which makes it possible to weld a set of ring blanks with exact axial dimensions, and by reducing the inner diameter of the rings allows to produce samples from the removed central part for quality control of all welded joints of a set of rings.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для диффузионной сварки кольцевых заготовок из разнородных металлов, содержащем вакуумную камеру для размещения в ней кольцевых заготовок, источник нагрева, средство для сдавливания заготовок в процессе сварки,The specified technical result is achieved by the fact that in the device for diffusion welding of ring billets of dissimilar metals, containing a vacuum chamber for placement of ring billets in it, a heating source, means for squeezing the billets during welding,

- имеется газостат, а вакуумная камера выполнена в виде тонкостенной герметичной оболочки из пластичного металла с толщиной стенок не более 3 мм, при этом камера помещена в газостат с источником нагрева, совмещенным со средством сдавливания заготовок, в качестве которых использован нагретый нейтральный газ под давлением в закрытом объеме камеры газостата;- there is a gas thermostat, and the vacuum chamber is made in the form of a thin-walled hermetic shell made of ductile metal with a wall thickness of not more than 3 mm, while the chamber is placed in the gas thermostat with a heating source combined with means for compressing the blanks, which are used as a heated neutral gas under pressure in closed volume of the gas thermostat chamber;

- кроме того, в качестве нагретого нейтрального газа использован аргон.- in addition, argon was used as a heated neutral gas.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан схематично общий вид устройства, на фиг.2 - кольцевые заготовки в металлической оболочке (камере) до сварки, на фиг.3 - разрез А-А.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a schematic general view of the device, figure 2 - ring blanks in a metal shell (chamber) before welding, figure 3 - section aa.

Газостат - сосуд, работающий под давлением. Он выполнен из толстостенной высокопрочной стали и имеет корпус 1, верхнюю и нижнюю крышки соответственно 2 и 3. Крышки присоединены к корпусу через уплотняющие прокладки 4 с помощью болтов. В крышках имеются коммуникации 5 для подачи и стравливания газа. Внутри газостата к его стенкам примыкают тепловые экраны 6, которые предохраняют стенки от перегрева при нагреве заготовок во время сварки. Свариваемая заготовка 7 помещена внутри газостата на подставке 8, выполненной из жаропрочного сплава. Нейтральный газ, подаваемый из баллонов в газостат через коммуникации 5, нагревается нагревателем 9, в результате чего происходит нагрев свариваемой заготовки 7. Из экономических соображений был выбран аргон. Газ подается в газостат из баллонов под первоначальным расчетным давлением. По мере его нагрева до температуры сварки давление его повышается до рабочего уровня. В газостате источник нагрева заготовок и механизм их сдавливания совмещен, и им является нагретый нейтральный газ под давлением в закрытом объеме камеры газостата.Gas thermostat - a vessel operating under pressure. It is made of thick-walled high-strength steel and has a housing 1, upper and lower covers, respectively 2 and 3. The covers are connected to the housing through gaskets 4 with bolts. In the covers there are communications 5 for supplying and venting gas. Inside the gasstat, heat shields 6 are adjacent to its walls, which protect the walls from overheating when heating the workpieces during welding. The welded billet 7 is placed inside the gas bath on a stand 8 made of heat-resistant alloy. The neutral gas supplied from the cylinders to the gas thermostat through communications 5 is heated by the heater 9, as a result of which the welded workpiece 7 is heated. For economic reasons, argon was chosen. Gas is supplied to the gas thermostat from cylinders under the initial design pressure. As it is heated to a welding temperature, its pressure rises to a working level. In the gas thermostat, the source of heating of the billets and the mechanism of their compression are combined, and it is the heated neutral gas under pressure in the closed volume of the gas chamber.

Кольцевые заготовки 10, 11 помещены в тонкостенную герметичную металлическую оболочку, имеющую цилиндрическую часть 12 и приваренные к ней донышки 13. Для более эффективной передачи усилия сдавливания от оболочки к заготовкам при воздействии рабочего газа оболочка выполнена из пластичного металла, а толщину ее выбирают в пределах 0,5-3 мм.The ring blanks 10, 11 are placed in a thin-walled sealed metal shell having a cylindrical part 12 and bottoms welded to it 13. For a more efficient transfer of the compressive force from the shell to the blanks under the influence of the working gas, the shell is made of ductile metal, and its thickness is selected within 0 5-3 mm.

В одном из донышек выполнено откачное отверстие, через которое откачивают воздух из оболочки. Откачку производят в камере электроннолучевой установки. После достижения требуемого разрежения внутри оболочки, не вынимая ее из камеры электроннолучевой установки, отверстия заваривают электронным лучом.A pumping hole is made in one of the bottoms, through which air is pumped out of the shell. Pumping is carried out in the camera of an electron beam installation. After reaching the required vacuum inside the shell, without removing it from the camera of the electron beam installation, the holes are welded with an electron beam.

Качество сварных соединений, выполняемых диффузионным способом, в большой степени зависит от степени разрежения в области свариваемых поверхностей заготовок. Для улучшения условий откачки воздуха в заготовках выполнены центральные отверстия 14, а на боковых поверхностях и на торцевых - крайних заготовок выполнены пазы соответственно 15 и 16. При этом заготовки собраны так, чтобы пазы находились в одной плоскости. В противном случае эффект от их выполнения пропадает.The quality of the welded joints performed by the diffusion method, to a large extent depends on the degree of rarefaction in the area of the welded surfaces of the workpieces. To improve the conditions for pumping air, the central openings 14 are made in the blanks, and the grooves 15 and 16 are respectively made on the lateral surfaces and on the end surfaces of the extreme blanks. Moreover, the blanks are assembled so that the grooves are in the same plane. Otherwise, the effect of their execution disappears.

В процессе объемного сдавливания оболочки и выдержки на режимах сварки она должна сохранять герметичность. Для сохранения герметичности оболочки диаметр отверстий и ширина пазов ограничены. Установлено, что диаметр отверстий в заготовках и ширина пазов не должны превышать соответственно 1,5 и 1 толщины стенки оболочки. Также для сохранения герметичности в процессе сварки ограничен зазор между заготовками и стенкой оболочки, который не должен превышать 1 мм.In the process of volumetric squeezing of the shell and exposure to the welding modes, it should maintain tightness. To maintain the tightness of the shell, the diameter of the holes and the width of the grooves are limited. It was found that the diameter of the holes in the workpieces and the width of the grooves should not exceed 1.5 and 1 thickness of the shell wall, respectively. Also, to maintain tightness during the welding process, the gap between the workpieces and the shell wall is limited, which should not exceed 1 mm.

Благодаря всестороннему сдавливанию заготовок в заявляемом устройстве осевая деформация прогнозируема. Поэтому имеется возможность сваривать изделия с точными осевыми размерами. Кроме того, сваривая заготовки с уменьшенным внутренним диаметром и имея достаточную приповерхностную деформацию, устройство позволяет использовать центральную технологическую часть сваренных заготовок для изготовления образцов, по результатам испытаний которых можно объективно судить о качестве всех сварных соединений набора колец.Due to the comprehensive compression of the workpieces in the inventive device, axial deformation is predicted. Therefore, it is possible to weld products with precise axial dimensions. In addition, by welding workpieces with a reduced inner diameter and having sufficient surface deformation, the device allows you to use the Central technological part of the welded workpieces for the manufacture of samples, the test results of which can objectively judge the quality of all welded joints of a set of rings.

Claims

1. A device for diffusion welding of ring billets of dissimilar metals, containing a vacuum chamber for placing ring billets in it, a heating source, means for squeezing the billets during welding, characterized in that it has a gas thermostat, and the vacuum chamber is made in the form of a thin-walled hermetic shell made of ductile metal with a wall thickness of not more than 3 mm, while the camera is placed in a gas thermostat with a heating source combined with a means of squeezing the workpieces, which are used as heated pressurized gas in a closed chamber volume of the gas thermostat.

2. The device according to claim 1, characterized in that argon is used as a heated neutral gas.