RU2289790C1 - Method of making rotor of ball gyroscope - Google Patents

Method of making rotor of ball gyroscope Download PDF

Info

Publication number
RU2289790C1
RU2289790C1 RU2005121500/28A RU2005121500A RU2289790C1 RU 2289790 C1 RU2289790 C1 RU 2289790C1 RU 2005121500/28 A RU2005121500/28 A RU 2005121500/28A RU 2005121500 A RU2005121500 A RU 2005121500A RU 2289790 C1 RU2289790 C1 RU 2289790C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
welding
temperature
parts
welded
screeds
Prior art date
Application number
RU2005121500/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Григорьевич Щербак (RU)
Александр Григорьевич Щербак
ев Сергей Николаевич Бел (RU)
Сергей Николаевич Беляев
Александр Сергеевич Удовиков (RU)
Александр Сергеевич Удовиков
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority to RU2005121500/28A priority Critical patent/RU2289790C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2289790C1 publication Critical patent/RU2289790C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: instrument industry.
SUBSTANCE: method comprises welding thin-walled hemispheres and using the law of variation of yield point of the material depending on temperature with regard to its melting temperature.
EFFECT: enhanced reliability.
3 dwg

Description

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при разработке технологии изготовления роторов шаровых гироскопов, основанной на диффузионной сварке в вакууме двух тонкостенных полусфер с созданием сварочного давления за счет термического натяга, определяемого различной величиной коэффициентов термического расширения материалов свариваемых деталей и элементов сварочной оснастки.The invention relates to the field of precision instrumentation and can be used in the development of manufacturing technology for ball gyroscopes rotors based on diffusion welding in vacuum of two thin-walled hemispheres with the creation of welding pressure due to thermal interference determined by different values of the thermal expansion coefficients of materials of welded parts and elements of welding equipment.

Известен способ изготовления полого ротора электростатического гироскопа [Малеев П.И., Новые типы гироскопов. Судостроение, Ленинград, 1971, стр.17-18], включающий формообразование двух полусфер наружным диаметром ~50 мм, реализацию неразъемного соединения этих полусфер по плоскостям разъема посредством сварки плавлением или пайки, сферодоводку и балансировку ротора. Для создания преобладающей главной центральной оси инерции в процессе формообразования в экваториальной области стенки каждой полусферы выполняются большей толщины, чем на полюсе.A known method of manufacturing a hollow rotor of an electrostatic gyroscope [Maleev PI, New types of gyroscopes. Shipbuilding, Leningrad, 1971, pp. 17-18], including the shaping of two hemispheres with an outer diameter of ~ 50 mm, the implementation of an inseparable connection of these hemispheres along the connector planes by fusion welding or soldering, spherical welding and balancing of the rotor. To create the predominant main central axis of inertia during shaping in the equatorial region, the walls of each hemisphere are made thicker than at the pole.

Выполнение операций доводки и балансировки ротора осуществляется с приданием ротору вытянутого вдоль оси симметрии эллипсоида вращения для того, чтобы при функционировании на рабочих оборотах (десятки тысяч оборотов в минуту) за счет центробежных сил происходила трансформация ротора в правильную сферу.The finishing and balancing of the rotor is carried out with the rotor elongated along the axis of symmetry of the ellipsoid of rotation so that when operating at working revolutions (tens of thousands of revolutions per minute), the rotor transforms into the correct sphere due to centrifugal forces.

Недостатками данного способа являются:The disadvantages of this method are:

1) сравнительно невысокая точность и надежность ротора, связанные с наличием располагающегося в экваториальной зоне ротора сварного (паяного) шва, который имеет прочность, значительно меньшую, чем прочность основного материла (как правило, бериллий). Это вызывает отклонения от требуемой расчетной формы эллипсоида при асферизации ротора, а также непрогнозируемые искажения геометрии ротора при его трансформации в сферу в процессе функционирования на рабочих оборотах;1) the relatively low accuracy and reliability of the rotor associated with the presence of a weld (solder) seam located in the equatorial zone of the rotor, which has a strength significantly lower than the strength of the main material (usually beryllium). This causes deviations from the required calculated shape of the ellipsoid during aspheric rotor, as well as unpredictable distortions of the rotor geometry during its transformation into a sphere during operation at working speeds;

2) функциональные погрешности ротора, определяемые отличающейся от основного материала величиной электропроводности зоны сварного (паяного) шва, имеющего литую структуру, что создает неравнозначные условия при вращении ротора в электростатическом подвесе;2) the functional errors of the rotor, determined by the conductivity of the zone of the welded (soldered) seam having a cast structure that differs from the main material, which creates unequal conditions when the rotor rotates in an electrostatic suspension;

3) ограниченные возможности технологии изготовления роторов с толщиной стенки на разъеме менее 1 мм, когда крайне сложно обеспечить требуемый уровень точности качества формирования сварного или паяного шва.3) the limited capabilities of the manufacturing technology of rotors with a wall thickness of less than 1 mm on the connector, when it is extremely difficult to provide the required level of accuracy in the quality of formation of a welded or soldered seam.

Известна технология изготовления тонкостенного сферического ротора шарового гироскопа [патент РФ №2164665 от 09.11.99, МКИ G 01 С 25/00, "Способ изготовления ротора шарового гироскопа" / В.З.Гусинский, С.М.Осипов, А.Г.Щербак], в которой средствами механической обработки осуществляют формообразование полусфер ротора с переменной, монотонно уменьшающейся от величины hэ в экваториальной плоскости разъема до значения hп в полюсной части, толщиной стенки и наружным диаметром Dр, учитывающим припуск Δh на сварочные деформации и операцию балансировки. Далее полусферы размещают в полусферических выемках диаметром Dп пуансонов, устанавливаемых в направляющем стакане и выполненных из материала, коэффициент термического расширения αп которого меньше, чем у материала полусфер αp, а диаметр Dп при этом больше диаметра Dp, проводят нагрев оснастки с полусферами в вакуумной камере сварочной установки до температуры сварки Тсв, превышающей температуру Тс совпадения диаметров Dp и Dп, с приложением при температуре T1≤Tc осевого сварочного давления Рс, превышающего предел текучести бериллия, и выдерживают для протекания процессов сварки при Тсв, по меньшей мере равной температуре рекристаллизации материала полусфер.The known manufacturing technology of a thin-walled spherical rotor of a ball gyroscope [RF patent No. 2164665 from 09.11.99, MKI G 01 C 25/00, "Method for manufacturing a ball gyro rotor" / V.Z. Gusinsky, S.M. Osipov, A.G. Shcherbak], in which the machining of the rotor hemispheres with a variable monotonously decreases from the value of h e in the equatorial plane of the connector to the value of h p in the pole part, wall thickness and outer diameter D p , taking into account the allowance Δh for welding deformations and balancing operation . Next, the hemispheres are placed in hemispherical recesses with a diameter of D p punches installed in the guide cup and made of a material whose thermal expansion coefficient α p is less than that of the material of the hemispheres α p , and the diameter D p is larger than the diameter D p , the equipment is heated with hemispheres in the vacuum chamber to the welding station of the sealing temperature T binding exceeding T temperature to match the diameter D p and D n, with the application at the temperature T 1 ≤T c axial welding pressure p from exceeding the yield point beryl Ia and maintained to flow at T welding process binding at least equal to the temperature of recrystallization of the material hemispheres.

Сварка осуществляется в условиях протекания в интервале температур (Тссв) процессов деформирования с уменьшением, в конечном счете, диаметра ротора на 0,20-0,40%. Уменьшение диаметра учитывается в припуске на исходный диаметр полусфер и на точность ротора не влияет. Основное значение для балансировки и точности ротора имеют отклонения от требуемой сферической формы (некруглость) сварной заготовки ротора и симметричность этих отклонений (искажений сферы) относительно экваториальной плоскости разъема (зоны сварки) и проходящей через полюсы ротора его оси симметрии.Welding is carried out under conditions in the temperature range (T s -T sv ) of the deformation processes with a decrease, ultimately, of the rotor diameter by 0.20-0.40%. The reduction in diameter is taken into account in the allowance for the initial diameter of the hemispheres and does not affect the accuracy of the rotor. The main importance for balancing and accuracy of the rotor is the deviation from the required spherical shape (non-circularity) of the welded billet of the rotor and the symmetry of these deviations (distortion of the sphere) relative to the equatorial plane of the connector (welding zone) and its axis of symmetry passing through the poles of the rotor.

Далее осуществляют балансировку сваренной заготовки ротора с получением изделия с требуемым конечным диаметром Dp и необходимыми значениями осевого и радиального дисбалансов.Then, the welded rotor billet is balanced to obtain the product with the required final diameter D p and the necessary values of axial and radial imbalances.

Данное техническое решение имеет следующие основные недостатки:This technical solution has the following main disadvantages:

1. Ограниченные технологические возможности при изготовлении роторов различных типоразмеров, например с большими значениями коэффициента Кh=hэ/hп, который характеризует степень разнотолщинности ротора. Реальные значения Кh для бериллиевых полых роторов электростатических гироскопов могут составлять 4-5. Это определяет резко неравнозначные условия деформирования материала полусфер при сварке в зоне экватора и в полюсной части и существенно увеличивает как значение, так и несимметрию искажений формы ротора, что, в свою очередь, затрудняет процесс балансировки высокоточных роторов (погрешность конечной формы ≤0,02 мкм).1. Limited technological capabilities in the manufacture of rotors of various sizes, for example, with large values of the coefficient K h = h e / h p , which characterizes the degree of thickness variation of the rotor. Actual values of K h for beryllium hollow rotors of electrostatic gyroscopes can be 4-5. This determines sharply unequal conditions for the deformation of the material of the hemispheres during welding in the equatorial zone and in the pole part and significantly increases both the value and asymmetry of the rotor shape distortion, which, in turn, complicates the process of balancing high-precision rotors (final shape error ≤0.02 μm )

2. Сложности с изготовлением высокоточных роторов, обусловленные специфичными особенностями используемых материалов, в частности такого материала, наиболее приемлемого для роторов шаровых гироскопов, как бериллий, который характеризуется анизотропией свойств, определяемой технологией получения исходных заготовок. Наибольшее влияние на технологию изготовления оказывает анизотропия температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) и модуля упругости. При диффузионной сварке по приведенной схеме с приложением нагрузки ко всей сферической поверхности ротора, когда эпюра сварочного давления представляет собой радиально ориентированные к его центру напряжения, различные величины ТКЛР и модуля упругости у полусфер ротора обусловливают неопределенность процесса пластического деформирования полусфер и несимметрию искажений формы ротора.2. Difficulties in the manufacture of high-precision rotors, due to the specific features of the materials used, in particular, the material most suitable for ball gyroscopes rotors, such as beryllium, which is characterized by anisotropy of properties determined by the technology for obtaining the initial blanks. The anisotropy of the temperature coefficient of linear expansion (TEC) and the elastic modulus have the greatest influence on manufacturing technology. In diffusion welding according to the above scheme with the load applied to the entire spherical surface of the rotor, when the welding pressure diagram is stresses radially oriented to its center, different values of the thermal expansion coefficient and elastic modulus of the rotor hemispheres cause uncertainty in the process of plastic deformation of the hemispheres and asymmetry of distortions of the rotor shape.

3. Технологические сложности при уменьшении степени разнотолщинности полусфер за счет припуска Δh на наружный диаметр Dp, поскольку это не в полной мере обеспечивает условия минимальных деформаций ротора, отвечающих допустимым, т.к. для получения значений 3. Technological difficulties in reducing the degree of variation in the thickness of the hemispheres due to the allowance Δh on the outer diameter D p , since this does not fully ensure the conditions of minimal rotor deformations that correspond to acceptable ones, because to get the values

Figure 00000002
Figure 00000002

требуется значительное увеличение диаметра ротора. При этом чрезмерно большая величина Δh (более 1,5-2 мм) определяет либо большую трудоемкость последующего удаления припуска в трехшпиндельном притирочном устройстве, либо низкую точность обработки ротора на токарном станке посредством кругового резца, где есть вероятность потерять центр сферы из-за отсутствия базовой поверхности (фактически базовая наружная сфера является обрабатываемой поверхностью) при неизбежных переустановках ротора в оправке.a significant increase in rotor diameter is required. In this case, an excessively large value of Δh (more than 1.5-2 mm) determines either the greater complexity of the subsequent removal of the allowance in a three-spindle lapping device, or the low accuracy of machining the rotor on a lathe using a circular cutter, where it is possible to lose the center of the sphere due to the lack of a base surface (in fact, the basic outer sphere is the surface being machined) with inevitable reinstallations of the rotor in the mandrel.

4. Имеют место ограничения по сварке роторов различных модификаций (с различными значениями коэффициента разнотолщинности Кh), поскольку для каждого ротора будет иметь место свое значение припуска Δh, позволяющее минимизировать Кh до приемлемой величины. Это определяет возможные отклонения от номинального диаметра Dp в пределах ±0,5 мм, что приводит к необходимости либо изготавливать новые варианты сложной дорогостоящей оснастки с различными значениями Dп, либо корректировать режим сварки, что не всегда возможно.4. There are restrictions on the welding of rotors of various modifications (with different values of the coefficient of different thicknesses K h ), since for each rotor there will be its own allowance Δh, which allows minimizing K h to an acceptable value. This determines the possible deviations from the nominal diameter D p within ± 0.5 mm, which leads to the need to either produce new options for complex expensive equipment with different values of D p , or to adjust the welding mode, which is not always possible.

В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков был принят способ изготовления тонкостенного ротора шарового гироскопа [А.Г.Щербак, В.Г.Кедров. "Технология прецизионной диффузионной сварки в точном приборостроении" - СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор", 1996, стр.70-71, 80-82], при котором на стадии формообразования на наружной стороне каждой из полусфер ротора выполняют кольцевой фланец, одна из торцевых поверхностей которого совпадает с плоскостью разъема полусферы, а высота 1/2·Lдо определяется из выраженияAs a prototype for the largest number of common essential features was adopted a method of manufacturing a thin-walled rotor of a ball gyroscope [A.G. Scherbak, V.G. Kedrov. "The technology of precision diffusion welding in precision instrumentation" - St. Petersburg: State Research Center of the Russian Federation - Central Research Institute "Elektropribor", 1996, p. 70-71, 80-82], in which at the stage of forming on the outer side of each hemisphere of the rotor perform an annular flange, one of the end surfaces of which coincides with the plane of the hemisphere connector, and the height 1/2 · L d about is determined from the expression

Figure 00000003
Figure 00000003

где Dн=Dp - наружный, a Dвн - внутренний диаметры ротора.where D n = D p - outer, and D ext - inner diameters of the rotor.

Далее свариваемые полусферы с зазором Δдо (для вакуумирования внутренней полости ротора) устанавливают в сварочных пуансонах, пуансоны фиксируют между собой силовыми продольными элементами охватывающей обоймы в виде стяжек, представляющих собой набор одинаковых стержней, равномерно и на одинаковом расстоянии от оси распределенных по окружности пуансонов, с помощью узлов крепления. Материал стяжек имеет коэффициент термического расширения меньший, чем материалы пуансонов и свариваемых полусфер.Next, the welded hemispheres with a gap Δ d o (for evacuating the inner cavity of the rotor) are installed in the welding punches, the punches are fixed to each other by force longitudinal elements of the covering clips in the form of couplers, which are a set of identical rods uniformly and at the same distance from the axis of the punches distributed around the circumference using attachment points. The material of the couplers has a coefficient of thermal expansion less than the materials of the punches and welded hemispheres.

Оснастку загружают в сварочную камеру, откачивают камеру до требуемой степени вакуума и производят нагрев оснастки с полусферами до температуры сварки. В процессе нагрева за счет различного теплового расширения материала стяжек с одной стороны и материалов пуансонов и свариваемых полусфер с другой стороны, после уменьшения до нуля зазора Δд возникает термический натяг, обеспечивающий создание сварочного давления, прикладываемого к фланцам полусфер. Расчет необходимой величины сварочного давления производится на основании известных выражений [см. Г.В.Конюшков, Ю.Н.Копылов "Диффузионная сварка в электронике". Энергия, М., 1974, с.73], учитывающих значения коэффициентов термического расширения, линейных размеров и модулей упругости свариваемых деталей и узлов оснастки.The equipment is loaded into the welding chamber, the chamber is evacuated to the required degree of vacuum, and the equipment with the hemispheres is heated to the welding temperature. During heating due to various thermal expansion of the material of the screeds on the one hand and the materials of the punches and welded hemispheres on the other hand, after the clearance Δ d is reduced to zero , a thermal interference arises, which ensures the creation of a welding pressure applied to the flanges of the hemispheres. The calculation of the required value of the welding pressure is based on the known expressions [see G.V. Konyushkov, Yu.N. Kopylov "Diffusion welding in electronics". Energy, M., 1974, p.73], taking into account the values of the coefficients of thermal expansion, linear dimensions and elastic moduli of the parts to be welded and snap-in assemblies.

Сварочное давление расчетной величины в совокупности с температурой сварки создает условия для реализации сварного соединения. После операции сварки осуществляют обрезку фланцев, доводку и балансировку ротора.The welding pressure of the calculated value in combination with the welding temperature creates the conditions for the implementation of the welded joint. After the welding operation, the flanges are trimmed, the rotor is trimmed and balanced.

Учитывая тенденцию к уменьшению габаритов кольцевых фланцев (до высоты 4-6 мм при ширине 2-3 мм), данная технология с точки зрения материалоемкости может быть более эффективна, чем представленная в предыдущем аналоге, где для уменьшения значения Кh требуется припуск на диаметр ротора (т.е. на всю наружную сферическую поверхность) также в пределах 2-3 мм.Given the tendency to reduce the dimensions of the annular flanges (to a height of 4-6 mm with a width of 2-3 mm), this technology from the point of view of material consumption can be more effective than that presented in the previous analogue, where an allowance for rotor diameter is required to reduce the value of K h (i.e., the entire outer spherical surface) is also within 2-3 mm.

Недостатками данного способа являются сравнительно невысокое качество сварного соединения и относительно низкая точность изготавливаемого ротора, что определяется следующими факторами:The disadvantages of this method are the relatively low quality of the welded joint and the relatively low accuracy of the manufactured rotor, which is determined by the following factors:

1) Подобная технология диффузионной сварки на стадии сборки предусматривает индивидуальную фиксацию каждой стяжки относительно пуансонов посредством крепежного узла (например, посредством навинчивания гаек на резьбовые части стяжек). Это определяет различную величину исходного натяга каждой стяжки. Различный исходный натяг, а также возможные люфты в крепежных узлах (например, погрешность резьбы) приводят к тому, что на каждую стяжку (общим количеством 4...12 штук) в начальный период будет приходиться различная доля общего давления, возникающего при нагреве в процессе сварки за счет различного теплового расширения элементов оснастки и деталей. Различное усилие, передаваемое каждой из стяжек на пуансоны, приведет к тому, что сварочная нагрузка будет неравномерна по периметру зоны соединения. Это определяет несимметричность сварочной нагрузки по отношению к сварному шву и различные условия, в которых находятся его разные участки, что обусловливает неравномерную деформацию фланцев и снижает качество сварного шва в части равнозначности его характеристик (например, прочности) по всей его площади.1) A similar diffusion welding technology at the assembly stage involves the individual fixation of each screed with respect to the punches by means of a mounting unit (for example, by screwing nuts on the threaded parts of the screeds). This determines a different amount of the initial interference fit of each screed. Different initial tightness, as well as possible backlash in the mounting units (for example, thread error) lead to the fact that for each screed (total 4 ... 12 pieces) in the initial period there will be a different proportion of the total pressure that occurs during heating during welding due to various thermal expansion of tooling elements and parts. The different force transferred by each of the couplers to the punches will cause the welding load to be uneven along the perimeter of the joint zone. This determines the asymmetry of the welding load with respect to the weld and the various conditions in which its different sections are located, which causes uneven deformation of the flanges and reduces the quality of the weld in terms of the equivalence of its characteristics (for example, strength) over its entire area.

2) Указанная выше неравномерность распределения сварочной нагрузки в зоне контакта свариваемых деталей может приводить к несимметричной деформации деталей при сварке, а также к их перекосу и радиальному смещению от исходной, заданной при сборке, ориентации, что снижает точность сварного изделия.2) The above uneven distribution of the welding load in the contact zone of the parts to be welded can lead to asymmetric deformation of the parts during welding, as well as to their skew and radial displacement from the original orientation specified during assembly, which reduces the accuracy of the welded product.

3) В процессе сварки при возрастании сварочной нагрузки люфты на различных стяжках могут сниматься по-разному, что приводит к неопределенности распределения сварочного давления термического натяга между этими стяжками и, как следствие, к неопределенности ориентации результирующей сварочной нагрузки, направление которой может произвольным образом меняться, что также обусловливает снижение качества сварного соединения и точности изделия.3) During the welding process, with an increase in the welding load, the play on different couplers can be removed in different ways, which leads to an uncertain distribution of the welding pressure of the thermal interference between these couplers and, as a result, to an uncertainty in the orientation of the resulting welding load, the direction of which can arbitrarily change, which also leads to a decrease in the quality of the welded joint and the accuracy of the product.

4) Регулировать момент начала деформирования свариваемых деталей можно весьма приблизительно только изменением зазора Δдо, тогда как оптимальными условиями является начало деформирования свариваемых деталей при температуре в пределах от 0,9·Тсв до Тсв. Причем равномерность деформаций, как указывалось выше, данная технология не обеспечивает.4) It is possible to regulate the moment of the beginning of deformation of the welded parts only approximately by changing the gap Δ d about , while the optimal conditions are the beginning of the deformation of the welded parts at a temperature in the range from 0.9 · T sv to T sv . Moreover, the uniformity of deformations, as mentioned above, this technology does not provide.

Очевидно, что указанные погрешности и отклонения от требуемой конфигурации сваренного ротора лежат в пределах сотых долей миллиметра, Однако для роторов шаровых гироскопов допустимые величины деформаций и их симметрия должны быть на уровне единиц микрометра, поскольку конечная точность ротора (форма и дисбаланс) составляют десятые и сотые доли микрометра.Obviously, the indicated errors and deviations from the required configuration of the welded rotor lie within hundredths of a millimeter. However, for rotors of ball gyroscopes, the permissible deformations and their symmetry should be at the level of micrometer units, since the final rotor accuracy (shape and imbalance) is tenths and hundredths micrometer fractions.

Задачей изобретения является повышение качества сварного соединения и точности ротора шарового гироскопа.The objective of the invention is to improve the quality of the welded joint and the accuracy of the rotor of a ball gyroscope.

Согласно изобретению, поставленная задача решается тем, что материал стяжек выбирают с температурой плавления Тспл, большей, чем температура плавления Тдпл свариваемых деталей, при этом суммарную площадь Sс поперечного сечения стяжек определяют из выражения:According to the invention, the problem is solved in that the material of the couplers is selected with a melting temperature T s pl greater than the melting temperature T d pl of the parts to be welded, while the total area S from the cross section of the couplers is determined from the expression:

Figure 00000004
Figure 00000004

где σдт и σст - пределы текучести материалов свариваемых деталей и стяжек, соответственно, при Т=298°С,where σ d t and σ c t are the yield strengths of materials of welded parts and screeds, respectively, at T = 298 ° C,

Sд - площадь поперечного сечения свариваемых деталей,S d - the cross-sectional area of the welded parts,

Тсв - температура сварки,T St - welding temperature,

К - коэффициент, составляющий величину (0,9...0,95),K is a coefficient making up a value (0.9 ... 0.95),

а величину сварочного давления выбирают из условия:and the value of the welding pressure is selected from the condition:

σдт1)·Sдсв1)>σст1)·Sс,σ d t (T 1 ) · S d > P sv (T 1 )> σ s t (T 1 ) · S s ,

где σдт1) и σст1)·Sс - пределы текучести материалов свариваемых деталей и стяжек, соответственно, при температуре T1,where σ d t (T 1 ) and σ c t (T 1 ) · S s - yield stresses of materials of welded parts and screeds, respectively, at temperature T 1 ,

Рсв(T1) - сварочное давление при температуре T1,P St (T 1 ) - welding pressure at a temperature T 1 ,

T1 - температура процесса, составляющая (0,7...0,85) от Тсв.T 1 - process temperature, component (0.7 ... 0.85) from T St.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана общая схема сборки полусфер в сварочной оснастке, на фиг.2 - зависимости пределов текучести σтт и критических давлений Ркртт·S от температуры для свариваемых деталей и стяжек, на фиг.3 - временные зависимости основных параметров процесса сварки.The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a general assembly diagram of hemispheres in a welding tool, in Fig. 2 - the dependences of yield strengths σ tt and critical pressures P cr = σ tt · S on temperature for the parts to be welded and ties, 3 - time dependences of the main parameters of the welding process.

На фиг.1, 2 и 3 обозначены:In figure 1, 2 and 3 are indicated:

1, 2 - свариваемые полусферы;1, 2 - welded hemispheres;

3, 4 - кольцевые фланцы, выполненные с наружной стороны полусфер 1 и 2;3, 4 - annular flanges made on the outside of the hemispheres 1 and 2;

5, 6 - сварочные пуансоны, устанавливаемые на фланцы 3 и 4 полусфер 1 и 2;5, 6 - welding punches mounted on flanges 3 and 4 of hemispheres 1 and 2;

7, 8 - стяжки охватывающей обоймы оснастки, посредством которых осуществляется жесткая фиксация между собой пуансонов 5 и 6;7, 8 - couplers of the enclosing tool holder, through which the punches 5 and 6 are rigidly fixed to each other;

9, 10, 11 и 12 - крепежные узлы для фиксации стяжек 7 и 8 относительно пуансонов 5 и 6;9, 10, 11 and 12 - fixing nodes for fixing the screeds 7 and 8 relative to the punches 5 and 6;

13 - зависимость критического давления Pдкрдтт·Sд, при котором начнут деформироваться фланцы 3 и 4 свариваемых полусфер 1 и 2, от температуры (σдтт - предел текучести материала деталей при данной температуре и Sд - площадь поперечного сечения (зоны контакта) фланцев 3 и 4 полусфер 1 и 2;13 - dependence of the critical pressure P d cr = σ d tt · S d , at which the flanges 3 and 4 of the welded hemispheres 1 and 2 begin to deform, on temperature (σ d tt is the yield strength of the material of parts at a given temperature and S d is the transverse area sections (contact zones) of flanges 3 and 4 of hemispheres 1 and 2;

14 - зависимость критического давления Pскрдтт·Sс, при котором начнут деформироваться стяжки 7 и 8, от температуры (σстт - предел текучести материала стяжек при данной температуре и Sс - суммарная площадь поперечного сечения стяжек 7 и 8);14 - dependence of the critical pressure P with cr = σ d ttt · S s , at which the screeds 7 and 8 begin to deform, on temperature (σ s tt is the yield strength of the screed material at a given temperature and S s is the total cross-sectional area of the screeds 7 and 8);

15 - зависимость изменения предела текучести σстт материала стяжек 7 и 8 от температуры;15 - the dependence of the change in yield strength σ with TT material of the screeds 7 and 8 on temperature;

16 - зависимость изменения предела текучести σдтт материала свариваемых полусфер 1 и 2 от температуры;16 - temperature change of the yield strength σ d tt of the material of the welded hemispheres 1 and 2;

17 - зависимость температуры процесса Тп от времени t;17 - dependence of the process temperature T p on time t;

18 - зависимость величины сварочного давления Рсв, определяемого термическим натягом, от времени t при изменении температуры Тп;18 - dependence of the magnitude of the welding pressure P s determined by thermal interference, on time t with a change in temperature T p ;

19 - зависимость величины деформации εс стяжек 7 и 8 от времени t при изменении температуры Тп;19 - dependence of the strain ε from the screeds 7 and 8 on time t with a change in temperature T p ;

20 - зависимость величины деформации εд фланцев 3 и 4 полусфер 1 и 2 от времени t при изменении температуры Тп;20 - dependence of the strain ε d of flanges 3 and 4 of hemispheres 1 and 2 on time t with a change in temperature T p ;

21 - изменение зазора Δд между фланцами 3 и 4 полусфер 1 и 2 от времени t при изменении температуры Тп;21 - change in the gap Δ d between the flanges 3 and 4 of the hemispheres 1 and 2 from time t with a change in temperature T p ;

22 - зависимость критического давления Pскрстт·Sс (1) для одной стяжки от времени t при изменении температуры Тп;22 - dependence of the critical pressure P with cr = σ s TT · S s (1) for one screed from time t with a change in temperature T p ;

23 - зависимость критического давления Pдкрдтт·Sд, при котором начнут деформироваться фланцы 3 и 4 свариваемых полусфер 1 и 2, от времени t при изменении температуры Тп;23 - dependence of the critical pressure P d cr = σ d tt · S d , at which the flanges 3 and 4 of the welded hemispheres 1 and 2 begin to deform, on time t with temperature T p ;

24 - зависимость критического давления Pскрстт·Sc, при котором начнут деформироваться стяжки 7 и 8, от времени t при изменении температуры Тп;24 - dependence of the critical pressure P with cr = σ c TT · S c , at which the ties 7 and 8 begin to deform, on time t with temperature T p ;

tc - момент времени стыковки полусфер 1 и 2 при температуре Тс, когда зазор Δд становится равным нулю;t c is the moment of coupling of the hemispheres 1 and 2 at a temperature T s when the gap Δ d becomes equal to zero;

tp - момент времени равенства критических давлений Ркрр)=Pдкр(Tp)=Pскрр) при температуре Tp;t p - time point of equality of critical pressures P cr (T p ) = P d cr (T p ) = P with cr (T p ) at a temperature T p ;

Р - точка пересечения зависимостей 23 и 24, соответствующая моменту времени tp и температуре Tp равенства критических давлений деталей и стяжек;P is the intersection point of the dependencies 23 and 24, corresponding to the time t p and temperature T p the equality of critical pressures of parts and screeds;

t1 - момент времени, соответствующий условию σдт1)·Sдсв1)>σст1)·Sс, при температуре T1, меньшей, чем Tp;t 1 is the point in time corresponding to the condition σ d t (T 1 ) · S d > P sv (T 1 )> σ s t (T 1 ) · S s , at a temperature T 1 less than T p ;

tн и tк - время начала и конца изотермической выдержки свариваемых полусфер 1 и 2 при температуре сварки Тсв (время сварки);t n and t k - the time of the beginning and end of the isothermal exposure of the welded hemispheres 1 and 2 at a welding temperature T St (welding time);

Δдо - исходный зазор между полусферами 1 и 2;Δ d about - the initial gap between the hemispheres 1 and 2;

1/2·L0д - высота рабочей части каждого из фланцев 3 и 4;1/2 · L 0 d - the height of the working part of each of the flanges 3 and 4;

l/2·L0п - высота рабочей части пуансонов 5 и 6;l / 2 · L 0 p - the height of the working part of the punches 5 and 6;

Lс0 - длина рабочей части стяжек 7 и 8;L with 0 - the length of the working part of the ties 7 and 8;

001 - ось сварочной оснастки;00 1 - axis of the welding tool;

Процесс диффузионной сварки деталей в соответствии с предлагаемым способом заключается в выполнении следующей совокупности и последовательности технологических операций.The process of diffusion welding of parts in accordance with the proposed method consists in performing the following combination and sequence of technological operations.

1. Основным элементом технологии является выбор материала стяжек 7 и 8. Формулируя требование к материалу стяжек, можно сказать, что необходимым исходным условием является такой характер изменения пластических характеристик материалов стяжек и свариваемых деталей с увеличением температуры процесса, чтобы до определенного значения температуры меньшее сопротивление пластическому деформированию оказывали стяжки, а после этого значения - свариваемые детали. Это обеспечит на начальной стадии нагрева (после того как зазор Δд станет равным нулю) преимущественное деформирование стяжек и, как следствие, выравнивание распределенной между ними нагрузки. На втором этапе (по достижении необходимой температуры, близкой к Тсв) будет иметь место преимущественное деформирование свариваемых деталей при стабилизации равномерно распределенного по всем стяжкам сварочного давления, что и требуется для протекания процессов сварки.1. The main element of the technology is the choice of the material of the screeds 7 and 8. Formulating the requirement for the material of the screeds, we can say that a necessary initial condition is the nature of the change in the plastic characteristics of the materials of the screeds and welded parts with an increase in the process temperature so that less plastic resistance screeds rendered deformation, and after that the values were welded parts. This will ensure at the initial stage of heating (after the gap Δ d becomes equal to zero) preferential deformation of the screeds and, as a result, the equalization of the load distributed between them. At the second stage (upon reaching the required temperature close to T b ), preferential deformation of the welded parts will take place during stabilization of the welding pressure evenly distributed across all the ties, which is required for the course of welding processes.

Оперируя при обозначении сопротивления деформациям понятием критического давления Ркр, равного произведению используемого при расчетах режимов диффузионной сварки предела текучести данного материала σтт при данной температуре на площадь поперечного сечения данного элемента (т.е. Ркртт·S), указанную выше схему можно реализовать, обеспечивая пересечение в заданной точке (точка Р - фиг.2 и 3) зависимостей Рдкрдкр(Т) и Рскрскр(Т), что будет иметь место при определенной температуре равновесия Тр в момент времени tp (фиг.3). Причем при температурах, меньших значения Тр (левее точки Р - фиг.3), должно иметь место соотношение Рскрдкр, а при температурах, больших, чем Тр (правее точки Р - фиг.3) - соотношение Рскрдкр. При этом необходимо выполнение требования Трсв.When designating resistance to deformations by the concept of critical pressure P cr equal to the product of the yield strength of this material used in the calculation of diffusion welding regimes σ tt at a given temperature and the cross-sectional area of this element (i.e., P cr = σ tt · S), indicated above the scheme can be implemented by ensuring the intersection at a given point (point P - FIGS. 2 and 3) of the dependencies R d cr = R d cr (T) and P c cr = P c cr (T), which will take place at a certain equilibrium temperature T p at time t p (figure 3). Moreover, at temperatures lower than the value of T p (to the left of the point P - figure 3), there should be a ratio of P with cr <R d cr , and at temperatures higher than T p (to the right of the point P - figure 3) - the ratio R s cr > R d cr . In this case, the requirement T p <T St.

Выбор материала, обеспечивающего указанное условие пересечения зависимостей Ркркр(Т), должен производиться с учетом значений пределов текучести σт материалов стяжек и свариваемых деталей и соотношения площадей поперечного сечения этих узлов Sc и Sд.The choice of material that provides the specified condition for the intersection of the dependencies P cr = P cr (T) should be made taking into account the values of yield strengths σ t of the materials of the ties and welded parts and the ratio of the cross-sectional areas of these nodes S c and S d .

Можно показать, что не является принципиальным моментом исходное соотношение величин σдт и σст (пределы текучести при нормальных условиях - 298 К) и характер зависимостей 15 и 16 (фиг.2), поскольку эти кривые можно переместить в положение кривых 13 и 14, соответственно (фиг.2), за счет варьирования соотношением площадей Sc и Sд, т.е. их можно сместить ниже или выше в требуемую позицию, совокупно обеспечивая выполнение указанных выше требований:It can be shown that the initial ratio of σ d t and σ c t (yield strength under normal conditions is 298 K) and the nature of dependencies 15 and 16 (Fig. 2) are not critical, as these curves can be moved to the position of curves 13 and 14, respectively (FIG. 2), by varying the ratio of the areas S c and S d , i.e. they can be shifted lower or higher to the required position, together ensuring the fulfillment of the above requirements:

- Pскрдкр при температурах, меньших значения Тр;- P with cr <P d cr at temperatures lower than the value of T p ;

- Pскрдкр при температурах, больших, чем Тр;- P with cr > R d cr at temperatures greater than T p ;

- Трсв.- T p <T St.

Аналогичная схема представлена на фиг.3 для зависимостей 22, 23 и 24.A similar diagram is presented in figure 3 for dependencies 22, 23 and 24.

Для выполнения приведенных соотношений необходимым является более интенсивное убывание величины σдтт·Sд по сравнению со скоростью уменьшения величины σстт·Sc при увеличении температуры, как это показано на фиг.2.To fulfill the above relations, it is necessary to more intensively decrease the value of σ d tt · S d in comparison with the rate of decrease of σ c tt · S c with increasing temperature, as shown in FIG. 2.

Другими словами, для каждого интервала температур ΔТ должно выполняться (как это показано на фиг.2) соотношение ∂(σдтт)/∂Т>∂(σдтт)/∂Т илиIn other words, for each temperature range ΔТ, the relation ∂ (σ d tt ) / ∂T> ∂ (σ d tt ) / ∂T or

Figure 00000005
Figure 00000005

Очевидно, что указанные условия обеспечиваются двумя факторами:Obviously, these conditions are provided by two factors:

1) выполнением соотношения1) the fulfillment of the relation

Figure 00000006
Figure 00000006

откуда

Figure 00000007
where from
Figure 00000007

2) и превышением температуры плавления силовых элементов Тспл температуры плавления свариваемых деталей Tдпл:2) and the excess of the melting temperature of the power elements T with PL the melting temperature of the welded parts T d PL :

Figure 00000008
Figure 00000008

поскольку в соответствии с известным [см. Кочергин А.К., Шестаков А.И. "К вопросу о зависимости между давлением и температурой при прессовой и диффузионной сварке". - Сб. Сварка, Судостроение, 1968, №11, с.118-120] выражениемsince in accordance with the known [see Kochergin A.K., Shestakov A.I. "On the relationship between pressure and temperature in press and diffusion welding." - Sat Welding, Shipbuilding, 1968, No. 11, p.118-120] expression

Figure 00000009
Figure 00000009

более быстрое убывание предела текучести σтт при данной температуре с ростом текущей температуры процесса Тп имеет место для материалов с меньшей Тпл.a more rapid decrease in the yield strength σ tt at a given temperature with an increase in the current process temperature T p takes place for materials with a lower T pl .

Рассматривая совместно факторы 1) и 2), можно показать, что их обеспечение однозначно связано с заданием пересечения зависимостей критических давлений стяжек Рскр и свариваемых деталей Рдкр от температуры, т.е. зависимостей Рскрскр и Pдкрдкр(Т), в точке Р при температуре Тр (фиг.2 и 3).Considering factors 1) and 2) together, it can be shown that their support is unambiguously related to the task of intersecting the dependences of the critical pressures of the screeds P with cr and welded parts R d cr from temperature, i.e. dependencies P with cr = P with cr and P d cr = R d cr (T), at point P at a temperature of T p (figure 2 and 3).

Исходя из равенства критических давлений для стяжек и свариваемых деталей при температуре Тр в точке Р, можно записать:Based on the equality of critical pressures for screeds and welded parts at a temperature T p at point P, we can write:

Figure 00000010
Figure 00000010

или с учетом выражения (5):or taking into account expression (5):

Figure 00000011
Figure 00000011

а учитывая необходимость, как указывалось выше, выполнения условия Трсв, при достаточно близких их значениях, т.е. задаваяand given the need, as indicated above, the fulfillment of the condition T p <T St , at sufficiently close values, i.e. asking

Figure 00000012
Figure 00000012

где К - коэффициент, равный (0,9...0,95),where K is a coefficient equal to (0.9 ... 0.95),

выражение (7) можно записать в виде:expression (7) can be written as:

Figure 00000013
Figure 00000013

откуда следует

Figure 00000014
whence follows
Figure 00000014

Очевидно, что выбор значения Sc в соответствии с выражением (10) при условии Тсплдпл осуществляется при выполнении соотношения (3) - Scдт·Sдст,Obviously, the choice of the value of S c in accordance with the expression (10) under the condition T with pl > T d pl is carried out when the relation (3) - S cd t · S d / σ c t ,

поскольку часть выражения (10), являющаяся множителем для σдт·Sдст, меньше единицы:since the part of expression (10), which is a factor for σ d t · S d / σ s t , is less than unity:

Figure 00000015
Figure 00000015

что можно доказать, считая, что величина Тсв составляет часть от температур Tдпл и Тспл.what can be proved, assuming that the value of T St is part of the temperatures T d PL and T with PL .

Figure 00000016
Figure 00000016

причем m>n, т.к. Тдплспл по определению (выражение 4),moreover, m> n, since T d pl <T with pl by definition (expression 4),

и подставляя значения (12) в левую часть выражения (11), имеем:and substituting the values (12) in the left side of the expression (11), we have:

Figure 00000017
Figure 00000017

а поскольку числитель (1-m) дроби меньше знаменателя (1-n)and since the numerator (1-m) of the fraction is less than the denominator (1-n)

Figure 00000018
Figure 00000018

вследствие того, что m>n, то однозначно имеет место Scдт·Sдст.due to the fact that m> n, then S cd t · S d / σ c t .

Таким образом, выбор значения площади поперечного сечения стяжек 7 и 8, исходя из выражения (10), при выборе материала силовых элементов из условия Тдплспл обеспечивает сформулированное выше требуемое соотношение зависимостей критических давлений стяжек (Рскр) и свариваемых деталей (Рдкр) на различных этапах процесса:Thus, the choice of the cross-sectional area value of the screeds 7 and 8, based on expression (10), when choosing the material of the power elements from the condition T d pl <T s pl provides the above required ratio of the critical pressure dependences of the screeds (P c cr ) and welded parts (R d cr ) at various stages of the process:

- Рскрдкр при температурах Тпр=(0,9...0,95)·Тсв и- P with cr <R d cr at temperatures T p <T p = (0.9 ... 0.95) T s and

- Рскрдкр при температурах Тпр.- P with cr > R d cr at temperatures T p > T p .

2. Производят сборку свариваемых деталей 1 и 2 в оснастке, устанавливая на торцевые поверхности фланцев 3 и 4 пуансоны 5 и 6, которые жестко фиксируют между собой посредством стяжек 7 и 8, соответствующих указанным выше условиям по величине Sc и выполненных из материала, отвечающего соотношению Тдплспл. Жесткая фиксация пуансонов 5 и 6 осуществляется посредством крепежных элементов 9, 10, 11 и 12. На фиг.1, как пример, показано только две стяжки 7 и 8, диаметрально разнесенные по окружности пуансонов 5 и 6 и устанавливаемые в отверстия, предусмотренные в этих пуансонах. Очевидно, что площадь поперечного сечения каждой из одинаковых стяжек 7 и 8 в данном случае составляет 1/2·Sс. Крепежные элементы 9, 10, 11 и 12 в частном случае могут представлять собой гайки, навинчиваемые на резьбовую часть, предусмотренную на концах стяжек 7 и 8. Обычно используют от 4 от 12 стяжек для того, чтобы в большей степени рассредоточить нагрузку по периметру сварного шва.2. Assemble the parts to be welded 1 and 2 in a snap by installing punches 5 and 6 on the end surfaces of the flanges 3 and 4, which are rigidly fixed to each other by means of ties 7 and 8, corresponding to the above conditions in terms of S c and made of a material corresponding to the ratio of T d pl <T with pl . Rigid fixation of the punches 5 and 6 is carried out by means of fasteners 9, 10, 11 and 12. In FIG. 1, as an example, only two ties 7 and 8 are shown, diametrically spaced around the circumference of the punches 5 and 6 and installed in the holes provided in these punches. Obviously, the cross-sectional area of each of the identical screeds 7 and 8 in this case is 1/2 · S c. The fasteners 9, 10, 11 and 12 in a particular case may be nuts screwed onto the threaded part provided at the ends of the ties 7 and 8. Usually 4 to 12 ties are used in order to more widely disperse the load around the perimeter of the weld .

В реальном варианте, в отличие от схематичного изображения на фиг.1, фланцы 3 и 4 свариваемых деталей 1 и 2 могут иметь сложную конфигурацию с различной величиной площади поперечного сечения Sд на разных участках. Очевидно, что для расчета по выражению (10) берется минимальное значение Sд, которое, как правило, конструктивно задается в зоне сварки, где наличие деформации является необходимым фактором процесса сварки. Как указывалось выше, требуемая величина сварочного усилия Рсв, определяемого термическим натягом, при температуре процесса T1, равной (0,7...0,85)·Тсв (т.е. T1<Tp), должна превышать критическое давление Pскр(T1) силовых элементов и, одновременно, быть меньшей, чем критическое давление Pдр(T1) деталей 1 и 2 при этой температуре T1. Значение Рсв рассчитывается по известным зависимостям (см. ссылку в описании способа-прототипа), включающим линейные размеры (высоту свариваемых деталей Lдо, высоту пуансонов Lпo, длину рабочей части Lco стяжек, площади сечения Sc и Sд и физико-механические свойства материалов (коэффициенты термического расширения и модули упругости свариваемых деталей, пуансонов и стяжек). Поскольку материал стяжек и значения Sc и Sд уже определены на первом этапе технологического расчета, необходимое сварочное давление задается подбором величин Lпo, Sc и Lсo, что достаточно просто в практической реализации, т.к. имеет место принципиальный фактор превышения коэффициентами термического расширения материалов свариваемых деталей 1 и 2 и пуансонов 5 и 6 коэффициента термического расширения материала стяжек 7 и 8.In the real version, in contrast to the schematic image in figure 1, the flanges 3 and 4 of the parts to be welded 1 and 2 can have a complex configuration with different cross-sectional areas S d in different areas. Obviously, for the calculation by expression (10), the minimum value of S d is taken, which, as a rule, is structurally set in the welding zone, where the presence of deformation is a necessary factor in the welding process. As indicated above, the required value of the welding force P s determined by thermal interference at a process temperature T 1 equal to (0.7 ... 0.85) · T s (i.e. T 1 <T p ) must exceed critical pressure P with cr (T 1 ) of the power elements and, at the same time, be less than the critical pressure P d p (T 1 ) of parts 1 and 2 at this temperature T 1 . The value of P St is calculated according to known dependencies (see the link in the description of the prototype method), including linear dimensions (the height of the parts to be welded L d o , the height of the punches L p o , the length of the working part L c o of the ties, the cross-sectional area S c and S d and physical and mechanical properties of materials (thermal expansion coefficients and elastic moduli of the parts to be welded, punches and screeds). Since the screed material and the values of S c and S d are already determined at the first stage of the technological calculation, the required welding pressure is specified by the selection of the values of L p o , S c and L с o , which is quite simple in practical implementation, since there is a fundamental factor that the thermal expansion coefficients of the materials of the welded parts 1 and 2 and punches 5 and 6 exceed the coefficient of thermal expansion of the material of the ties 7 and 8.

3. Собранную сварочную оснастку с деталями 1 и 2 загружают в вакуумную камеру сварочной установки, камеру откачивают до требуемого разрежения и начинают плавный подъем температуры процесса Тп. При росте температуры Тп (зависимость 17 на фиг.3) с момента времени tc, когда зазор Δд станет равным нулю, начинается плавный рост сварочного давления (кривая 18), при одновременном уменьшении критических давлений Ркр стяжек - зависимость 24 - и свариваемых деталей - зависимость 23. В нормальных условиях (298 К) имеет место соотношение Рдкр>Pскр - фиг.3, однако скорость убывания Рдкр (зависимость 23) будет существенно выше. Можно предположить, что в процессе нагрева в начальный момент реальное распределение возникающего усилия Рсв между стяжками 7 и 8 будет неопределенным.3. The assembled welding equipment with parts 1 and 2 is loaded into the vacuum chamber of the welding installation, the chamber is pumped out to the required vacuum and a smooth rise in the process temperature T p begins . With increasing temperature T p (dependence 17 in figure 3) from time t c , when the gap Δ d becomes equal to zero, a smooth increase in the welding pressure begins (curve 18), while the critical pressures P cr of the screeds decrease — dependence of 24 — and the welded parts — dependence of 23. Under normal conditions (298 K), the relation R d cr > P with cr - 3, one-quarter to the rate of decrease of P d kr (curve 23) will be substantially higher. It can be assumed that during the heating process at the initial moment, the actual distribution of the arising force P s between the couplers 7 and 8 will be uncertain.

Строго говоря, на этой стадии локализация давления на одной из стяжек уже может привести к ее преимущественному деформированию и выравниванию давления между всеми стяжками даже при температуре, меньшей, чем T1. Однако по достижении температуры T1 в момент времени t1 (фиг.3) будет иметь место вначале равенство, а затем и превышение сварочным давлением Рсв критического давления Pскр для всех стяжек. Т.е. будет происходить гарантированное деформирование стяжек (зависимость 19) с преимущественным деформированием более напряженных, на которых имеет место даже небольшая локализация нагрузки. Это приведет к равномерному распределению давлений между стяжками 7 и 8 и, в конечном счете, к тому, что результирующее давление Рсв будет совпадать с осью OO1 оснастки и свариваемых деталей. При этом на данной стадии процесса деформации свариваемых деталей не происходит, т.к. имеют место соотношения Рдкрскр и Рдкрсв.Strictly speaking, at this stage, the localization of pressure on one of the screeds can already lead to its preferential deformation and equalization of pressure between all screeds even at a temperature lower than T 1 . However, on reaching the temperature T 1 at time t 1 (Figure 3) will occur first equation, and then the excess of the welding pressure P binding to the critical pressure P cr of all ties. Those. guaranteed deformation of the screeds will occur (dependence 19) with predominant deformation of the more stressed ones, on which even a small load localization takes place. This will lead to a uniform distribution of pressure between the ties 7 and 8 and, ultimately, to the fact that the resulting pressure P sv will coincide with the axis OO 1 of the tooling and the welded parts. Moreover, at this stage of the process of deformation of the welded parts does not occur, because the relations R d cr > P with cr and R d cr > R St.

Дальнейший рост температуры (кривая 17 на фиг.3) приводит к выравниванию значений Ркрр) при температуре Тр в момент времени tp, а затем к тому, что при Тпр величина Рдкр становится меньше, чем Рскр, и сварочное давление Рсв становится больше величины Рдкр.A further increase in temperature (curve 17 in Fig. 3) leads to an equalization of the values of P cr (T p ) at a temperature T p at time t p , and then to the fact that at T p > T p the value of P d cr becomes less than P s cr , and the welding pressure P s becomes greater than the value of P d cr .

Начало изотермической выдержки деталей в момент времени tн по достижении температуры Тсв соответствует устойчивому превышению величиной Рсв значения Рдкр. А поскольку на этом этапе Рдкрскр, то будет происходить преимущественная пластическая деформация фланцев 3 и 4 свариваемых полусфер 1 и 2, что в сочетании с температурой процесса, равной Тсв, будет обеспечивать оптимальные условия протекания процессов сварки. Причем процесс сварки будет осуществляться при стабилизированном равномерном распределении по всем стяжкам и периметру сварного шва сварочной нагрузки, результирующее направление которой будет совпадать с осью ОО1 свариваемых деталей и оснастки. В данном случае рассматривается вариант недеформируемых пуансонов, что в полной мере соответствует реально существующей практике и значительно упрощает расчет и управление процессом сварки.The beginning of the isothermal exposure of parts at time t n upon reaching the temperature T s corresponds to a steady excess of P s values of R d cr . And since at this stage R d cr <R s cr , there will be a predominant plastic deformation of the flanges 3 and 4 of the welded hemispheres 1 and 2, which, in combination with the process temperature equal to T b , will provide optimal conditions for the flow of welding processes. Moreover, the welding process will be carried out with a stable uniform distribution over all the ties and the perimeter of the weld of the welding load, the resulting direction of which will coincide with the axis OO 1 of the welded parts and accessories. In this case, the option of non-deformable punches is considered, which fully corresponds to the actual practice and greatly simplifies the calculation and control of the welding process.

Очевидно, что на фиг.3 зависимость 18 сварочного давления Рсв от температуры процесса Тп носит качественный характер и не учитывает масштабных факторов. Строго говоря, после начала деформации стяжек (время t1 при T1) увеличение давления Рсв не будет синхронно росту температуры вследствие самого факта деформации. Кроме того, оно может даже уменьшаться с началом деформации деталей в процессе сварки. Это можно компенсировать различными технологическими приемами, которые для сущности настоящего изобретения не являются принципиальными.It is obvious that in Fig. 3, the dependence of 18 the welding pressure P s on the process temperature T p is of a qualitative nature and does not take into account scale factors. Strictly speaking, after the start of deformation of the screeds (time t 1 at T 1 ), the increase in pressure P s will not synchronously increase the temperature due to the fact of deformation. In addition, it can even decrease with the beginning of the deformation of parts during the welding process. This can be compensated by various technological methods, which for the essence of the present invention are not fundamental.

На фиг.3 (также без учета масштабного фактора) показан характер изменения величины деформаций εс (зависимость 19) и εд (зависимость 20). В интервале времени t1-tp имеет место более интенсивный рост величины εс, чем в интервале tp-tн, когда большая часть деформаций приходится на фланцы - εд. По достижении Тсв в интервале времени tн-tк рост деформаций εс и εд незначительный (хотя εд растет несколько быстрее), т.к. Рдкр на этом этапе меньше, чем Рскр. В данном случае с известными допущениями деформации εс и εд можно считать имеющими постоянную скорость и соответствующими установившейся стадии высокотемпературной ползучести в условиях действия постоянных напряжений.Figure 3 (also without taking into account the scale factor) shows the nature of the change in the magnitude of the strains ε s (dependence 19) and ε d (dependence 20). In the time interval t 1 -t p there is a more intensive increase in ε s than in the interval t p -t n when most of the deformations occur on the flanges - ε d . Upon reaching T st in the time interval t n -t k, the growth of strains ε s and ε d is insignificant (although ε d grows somewhat faster), because R d cr at this stage is less than P with cr . In this case, with known assumptions, the strains ε c and ε d can be considered as having a constant speed and corresponding to the steady-state stage of high-temperature creep under constant stress.

4. По окончании процесса сварки оснастку с деталями охлаждают до комнатной температуры, камеру разгерметизируют и извлекают сваренное изделие.4. At the end of the welding process, the equipment with parts is cooled to room temperature, the chamber is depressurized and the welded product is removed.

Таким образом, реализован процесс диффузионной сварки с созданием сварочного давления за счет термического натяга, определяемого различными коэффициентами термического расширения материалов оснастки и свариваемых деталей, обеспечивающий на первом этапе процесса при нагреве до температуры Tp=(0,9...0,95)·Тсв выравнивание распределения сварочных напряжений на стяжках охватывающей обоймы сварочной оснастки за счет их преимущественного деформирования, что определяет перпендикулярность результирующей нагрузки к плоскости сварного шва, а на втором этапе - по достижении Tp - преимущественное деформирование свариваемых деталей при стабилизированном равнозначном участии всех стяжек в создании и поддержании равномерного сварочного давления, что создает наиболее приемлемые условия протекания процессов сварки. Это позволяет повысить качество сварного соединения и точность ротора, что обусловливается:Thus, the diffusion welding process was implemented with the creation of welding pressure due to thermal interference determined by various coefficients of thermal expansion of the equipment materials and the welded parts, which ensures at the first stage of the process when heated to a temperature T p = (0.9 ... 0.95) · T sv alignment of the distribution of welding stresses on the screeds covering the holder of welding equipment due to their preferential deformation, which determines the perpendicularity of the resulting load to the plane of the weld, and at the second stage - upon reaching T p - preferential deformation of the welded parts with stabilized equal participation of all couplers in creating and maintaining uniform welding pressure, which creates the most acceptable conditions for the flow of welding processes. This improves the quality of the welded joint and the accuracy of the rotor, which is due to:

1) Исключением неравномерности распределения на стяжках сварочной нагрузки, определяемой погрешностями фиксации стяжек при сборке сварочной оснастки.1) An exception to the uneven distribution of the welding load on the couplers, determined by the errors in fixing the couplers during assembly of the welding equipment.

2) Исключением несимметричности сварочной нагрузки относительно свариваемых деталей, поскольку возможная несимметрия устраняется на первом этапе, когда отсутствует деформация деталей. На стадии деформирования деталей (стадия сварки) деформация стяжек сведена к минимуму, что и обусловливает стабильную равномерность нагрузки. Это определяет гарантированно симметричную деформацию деталей без перекосов и повышает точность сварного узла.2) An exception to the asymmetry of the welding load relative to the parts to be welded, since possible asymmetry is eliminated in the first stage, when there is no deformation of the parts. At the stage of deformation of parts (welding stage), the deformation of the screeds is minimized, which determines the stable uniformity of the load. This determines guaranteed symmetrical deformation of parts without distortions and increases the accuracy of the welded assembly.

3) Исключением неопределенности, связанной с произвольным характером изменения направления нагрузки, прикладываемой к свариваемым деталям, поскольку снятие люфтов фиксации и устранение погрешностей сборки гарантируется тем, что сварочное давление Рсв превышает давление сопротивления деформации Pскр по отношению ко всей суммарной площади поперечного сечения стяжек. Т.е. заведомо обеспечивается гарантированная деформация (в пределах от единиц до десятков микрометра) всех стяжек, что полностью устраняет все люфты и погрешности сборки оснастки. При этом процессы деформирования стяжек и деталей разнесены во времени, причем деформация стяжек осуществляется раньше - в заданный момент времени при заданной температуре, что обеспечивается расчетом процесса сварки. В конечном счете, повышается уровень управляемости процесса сварки, что улучшает качество соединения и точность сварного узла.3) By eliminating the uncertainty associated with the arbitrary nature of the change in the direction of the load applied to the parts to be welded, since the removal of the fixing backlash and the elimination of assembly errors is guaranteed by the fact that the welding pressure P s exceeds the strain resistance pressure P s cr with respect to the total total cross-sectional area of the ties . Those. guaranteed deformation (in the range from units to tens of micrometers) of all screeds is deliberately ensured, which completely eliminates all backlash and tool assembly errors. Moreover, the processes of deformation of screeds and parts are spaced in time, and the deformation of screeds is carried out earlier - at a given point in time at a given temperature, which is ensured by the calculation of the welding process. Ultimately, the controllability of the welding process is increased, which improves the quality of the joint and the accuracy of the welded assembly.

Таким образом, поставленная задача решена тем, что обеспечивается единством, устойчивой взаимосвязью, соблюдением принципа необходимости и достаточности существенных отличительных признаков:Thus, the task is solved in that it is ensured by unity, a stable relationship, compliance with the principle of necessity and sufficiency of significant distinguishing features:

- выбором материала стяжек, имеющего температуру плавления больше, чем материал свариваемых деталей;- the choice of material screeds having a melting point greater than the material of the welded parts;

- расчетом площади поперечного сечения стяжек, исходя из условия пересечения температурных зависимостей сопротивления деформации (критических давлений) при температуре Тр=(0,9...0,95)·Тсв, с учетом большей степени убывания величины сопротивления деформациям (критического давления) свариваемых деталей, чем стяжек по мере роста температуры процесса;- calculation of the cross-sectional area of the screeds, based on the condition for the intersection of the temperature dependences of the strain resistance (critical pressures) at a temperature T p = (0.9 ... 0.95) · T s , taking into account the greater degree of decrease in the value of resistance to deformation (critical pressure ) parts to be welded than screeds as the process temperature rises;

- регулированием величины сварочного давления, определяемого термическим натягом посредством изменения длины рабочей части стяжек и высоты пуансонов, исходя из того, что при температуре T1=(0,7...0,85)·Тсв сварочное давление должно быть меньше, чем сопротивление деформации свариваемых деталей, и больше, чем сопротивление деформации стяжек.- regulation of the welding pressure, determined by thermal interference by changing the length of the working part of the screeds and the height of the punches, based on the fact that at a temperature T 1 = (0.7 ... 0.85) · T sv the welding pressure should be less than the deformation resistance of the parts to be welded, and more than the deformation resistance of the screeds.

В ЦНИИ "Электроприбор" предлагаемый способ опробован при изготовлении тонкостенных сферических роторов бериллиевых роторов электростатических гироскопов с получением положительных результатов. При этом в качестве материала стяжек при сварке бериллиевых роторов использовался ковар 29 НК, а в качестве материала пуансонов - хромоникелевая сталь 12Х18Н10Т. Предлагаемая схема сварки обеспечивала деформацию стяжек εс=0,080-0,085 мм при деформации осадки одноосного сжатия фланцев εд порядка 0,02 мм, причем до 0,070 мм из деформации εс осуществлялось на этапе нагрева до температуры Тр. Равномерность (симметрия) указанной деформации осадки εд при этом составляла ±0,002 мм.At the Central Research Institute "Electropribor", the proposed method was tested in the manufacture of thin-walled spherical rotors of beryllium rotors of electrostatic gyroscopes with obtaining positive results. At the same time, KN 29 kovar was used as the material of the couplers in the welding of beryllium rotors, and 12Kh18N10T chromium-nickel steel was used as the punches material. The proposed welding scheme ensured the deformation of the screeds ε c = 0.080-0.085 mm during deformation of the uniaxial compression of the flanges ε d of the order of 0.02 mm, and up to 0.070 mm from the deformation ε s was carried out at the stage of heating to temperature T p . The uniformity (symmetry) of the specified sediment deformation ε d was ± 0.002 mm.

В настоящее время разрабатывается техническая документация для использования предлагаемого способа диффузионной сварки в серийном производстве различных модификаций бериллиевых роторов электростатических гироскопов.Currently, technical documentation is being developed for using the proposed diffusion welding method in serial production of various modifications of beryllium rotors of electrostatic gyroscopes.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении качества соединения и точности сварных узлов, что повышает надежность изделий и улучшает эксплуатационные и функциональные характеристики гироприборов в целом.The technical and economic efficiency of the invention is to improve the quality of the connection and the accuracy of the welded units, which increases the reliability of the products and improves the operational and functional characteristics of the gyro devices in general.

Экономический эффект на данный момент определить не представляется возможным из-за отсутствия статистически обоснованных сравнительных и исходных данных.It is not currently possible to determine the economic effect due to the lack of statistically based comparative and initial data.

Claims (1)

Способ изготовления ротора шарового гироскопа, содержащий формообразование полусфер с наружными кольцевыми фланцами, диффузионную сварку полусфер с созданием сварочного давления за счет различной величины коэффициентов термического расширения материалов свариваемых деталей и узлов сварочной оснастки посредством сборки деталей в сварочных пуансонах, размещаемых с наружной стороны фланцев и фиксируемых между собой стяжками охватывающей обоймы оснастки, нагрева оснастки с деталями в сварочной камере до температуры сварки Тсв с изотермической выдержкой для протекания процессов сварки, последующую обрезку фланцев, доводку и балансировку ротора, отличающийся тем, что материал стяжек выбирают с температурой плавления Tспл, большей, чем температура плавления Тдпл свариваемых деталей, при этом суммарную площадь Sc поперечного сечения стяжек определяют из выражения:A method of manufacturing a ball gyroscope rotor, comprising shaping hemispheres with outer annular flanges, diffusion welding of hemispheres with creating welding pressure due to different values of thermal expansion coefficients of materials of welded parts and welding tool assemblies by assembling parts in welding punches placed on the outside of the flanges and fixed between a snap ties embracing holder by heating with a snap parts in the welding chamber to a sealing temperature T communication with iso ermicheskoy delayed for flow of welding processes subsequent trimming flanges, debugging and rotor balancing, characterized in that the tie material is selected having a melting temperature T with mp greater than the melting temperature T g pl welded parts, the total area S c of the cross sectional screeds determined from the expression:
Figure 00000019
Figure 00000019
где σдт и σст - пределы текучести материалов свариваемых деталей и стяжек соответственно при Т=298°С;where σ d t and σ c t are yield stresses of materials of welded parts and screeds, respectively, at T = 298 ° С; Sд - площадь поперечного сечения свариваемых деталей;S d - the cross-sectional area of the welded parts; Тсв - температура сварки;T St - welding temperature; К - коэффициент, составляющий величину (0,9÷0,95),K is the coefficient making up the value (0.9 ÷ 0.95), а величину сварочного давления выбирают из условия:and the value of the welding pressure is selected from the condition: σдт1)·Sдсв1)>σст1)·Sc,σ d t (T 1 ) · S d > P sv (T 1 )> σ s t (T 1 ) · S c , где σдт1) и σcт1)·Sc - пределы текучести материалов свариваемых деталей и стяжек соответственно при температуре T1.where σ d t (T 1 ) and σ c t (T 1 ) · S c - yield stresses of materials of welded parts and screeds, respectively, at temperature T 1 .
RU2005121500/28A 2005-06-30 2005-06-30 Method of making rotor of ball gyroscope RU2289790C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005121500/28A RU2289790C1 (en) 2005-06-30 2005-06-30 Method of making rotor of ball gyroscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005121500/28A RU2289790C1 (en) 2005-06-30 2005-06-30 Method of making rotor of ball gyroscope

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2289790C1 true RU2289790C1 (en) 2006-12-20

Family

ID=37666910

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005121500/28A RU2289790C1 (en) 2005-06-30 2005-06-30 Method of making rotor of ball gyroscope

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2289790C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2498224C1 (en) * 2012-06-05 2013-11-10 Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Manufacturing method of rotor of electrostatic gyroscope
RU2713033C1 (en) * 2018-11-22 2020-02-03 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Manufacturing method of rotors of ball gyroscopes
CN117073726A (en) * 2023-10-16 2023-11-17 湖南二零八先进科技有限公司 Hemispherical harmonic oscillator and electrode assembly method
CN117146865A (en) * 2023-10-30 2023-12-01 湖南二零八先进科技有限公司 Assembling method of flat electrode type hemispherical resonator gyroscope

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2498224C1 (en) * 2012-06-05 2013-11-10 Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Manufacturing method of rotor of electrostatic gyroscope
RU2713033C1 (en) * 2018-11-22 2020-02-03 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Manufacturing method of rotors of ball gyroscopes
CN117073726A (en) * 2023-10-16 2023-11-17 湖南二零八先进科技有限公司 Hemispherical harmonic oscillator and electrode assembly method
CN117073726B (en) * 2023-10-16 2023-12-15 湖南二零八先进科技有限公司 Hemispherical harmonic oscillator and electrode assembly method
CN117146865A (en) * 2023-10-30 2023-12-01 湖南二零八先进科技有限公司 Assembling method of flat electrode type hemispherical resonator gyroscope
CN117146865B (en) * 2023-10-30 2024-01-23 湖南二零八先进科技有限公司 Assembling method of flat electrode type hemispherical resonator gyroscope

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2289790C1 (en) Method of making rotor of ball gyroscope
US2534123A (en) Method of making metal bellows
Cuttino et al. Performance optimization of a fast tool servo for single-point diamond turning machines
KR940008680B1 (en) Precision lens mounting
RU2246698C2 (en) Method for securing connection ring to flow rate metering tube and to balancer of coriolis flow rate meter
US8425119B2 (en) Gas bearings
US10535463B2 (en) Method of constructing a cylindrical superconducting magnet coil assembly
US20020157449A1 (en) Inspection master block and method of producing the same
CN110967798A (en) Low-temperature infrared lens supporting device based on radial flexible unloading
JPS63185838A (en) Glass capillary and production thereof
JP4064976B2 (en) Optical lens molding equipment
US4178003A (en) O-Ring and apparatus and method of manufacture
RU2713033C1 (en) Manufacturing method of rotors of ball gyroscopes
JPH0155805B2 (en)
CN108194547B (en) Flexible spring, flexible spring set and compressor
US4366615A (en) Method of making an external rotor gyroscope
RU2286535C1 (en) Method for making a rotor of spherical gyroscope
JPH02287308A (en) Method for centering lenses in optical unit mount
RU2164665C1 (en) Process of manufacture of rotor of ball gyroscope
RU2257548C1 (en) Mode of making a beryllium rotor of an electrostatic gyroscope
CN108844552A (en) A kind of demoulding skeleton of coiling high-precision skeleton-free fiber loop
US4100813A (en) Flexure suspension assembly
US4207668A (en) Method of manufacturing a flexure suspension assembly
CN209343014U (en) The one-piece type camera lens of lens barrel
US5426845A (en) Method of making a gradient coil assembly

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20080701

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20100120

HK4A Changes in a published invention
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180701