Способ лазерной обработки поверхности резьбовых соединений из низколегированных сталей



Способ лазерной обработки поверхности резьбовых соединений из низколегированных сталей

 

C21D1/09 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2599466:

Общество с ограниченной ответственностью "ЛАЗЕРТЕРМ" (RU)

Изобретение относится к области поверхностного упрочнения деталей машин и механизмов с помощью лазерной обработки и может быть применено в машиностроении, в частности, для упрочнения резьбовых соединений труб и соединительных муфт. Способ включает обработку поверхности резьбового соединения лазерным лучом путем формирования пятна нагрева лазерного луча диаметром, равным шагу резьбы, и перемещения луча вдоль образующей резьбовой поверхности при ее вращении относительно продольной оси. Лазерный луч за один оборот вращения резьбовой поверхности, механически связанной с оптической системой лазерного луча, перемещают на величину, равную шагу резьбы. Перед лазерной обработкой производят чернение обрабатываемой резьбовой поверхности за исключением зон, прилегающих к вершине резьбы и резьбовой канавки, на величину не менее 10% от длины боковой поверхности резьбы. Формирование пятна нагрева осуществляют на боковой поверхности резьбы, а лазерную обработку поверхности ведут под углом, на 2-3° превышающим угол наклона резьбовой поверхности относительно оси вращения резьбового соединения. Повышается механическая прочность резьбового соединения за счет устранения слоя с закалочной структурой, обладающей высокой хрупкостью. 2 табл.

 

Изобретение относится к области поверхностного упрочнения деталей машин и механизмов с помощью лазерной обработки и может быть применено в машиностроении, в частности, для упрочнения резьбовых соединений труб и соединительных муфт.

Упрочнение методом лазерной поверхностной обработки низколегированных сталей приводит к появлению в поверхностном слое мартенситной структуры, обладающей высокой твердостью, но пониженными пластическими свойствами. Резьбовые соединения испытывают при работе как осевые растягивающие нагрузки, так и периодически подвержены циклическим нагрузкам на изгиб с кручением. Как известно из литературы, наличие упрочненного слоя с мартенситной структурой в резьбовой канавке, которая является местом концентрации напряжений, приводит к охрупчиванию резьбовых соединений труб и соединительных муфт, что равносильно появлению острого надреза на поверхности упрочняемой детали.

Известен «Способ лазерной обработки резьбовых соединений», RU 02241766 С1 20041210, в котором регулируют дозу поглощаемой поверхностью выступов и впадин энергии. Способ позволяет повысить качество закаленного слоя за счет выравнивания его глубины при расширении диапазона использования лазерной технологии для обработки резьбовых поверхностей. Однако упрочнение этим способом приводит к упрочнению впадин, что ухудшает механические свойства самого резьбового соединения.

Известен «Способ обработки резьбового соединения», RU 02047661 19951110, в котором для защиты резьбовых соединений от коррозионо-усталостного разрушения резьбовые элементы подвергают дополнительной лазерной обработке поверхности выступов резьбы обоих резьбовых элементов резьбового соединения на режимах, отличных от обработки резьбовой канавки, в результате чего на обработанной поверхности выступов резьбы формируется слой с гетерогенными электрохимическими свойствами и обеспечивается протекторная защита концентраторов напряжений. Однако этот способ приводит к упрочнению слоя резьбового соединения, лежащего в резьбовой канавке между выступами резьбы, что не может отрицательно сказаться на общих механических свойствах резьбового соединения.

Наиболее близким способом упрочнения резьбовых соединений является способ лазерной обработки конической резьбовой поверхности RU 02241765 С2 20041210, согласно изобретению, способ включает в себя формирование пятна нагрева лазерным лучом на дне резьбовой канавки, перемещение луча вдоль образующей резьбовой поверхности и ее вращение относительно продольной оси. Способ предусматривает совмещение центра пятна нагрева с серединой резьбовой канавки, выбор его диаметра, равным шагу резьбы, и перемещение луча на величину, равную шагу резьбы за один оборот вращения обрабатываемой поверхности, а вращение обрабатываемой поверхности с оптической системой осуществляют путем механической связи оптической системы с резьбовой поверхностью изделия.

Однако применение данной схемы лазерной обработки приведет к появлению слоя с закалочной мартенситной структурой, обладающей высокой хрупкостью в области резьбовых канавок, представляющих собой концентрацию напряжений в резьбе, чем существенно ослабляет механическую прочность резьбового соединения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение механической прочности резьбового соединения за счет устранения слоя в резьбовой канавке с закалочной структурой, обладающей высокой хрупкостью и, как следствие, к снижению работоспособности резьбового соединения.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что в способе поверхностного упрочнения резьбовых соединений из низколегированных сталей, включающем обработку поверхности резьбового соединения лазерным лучом путем формирования пятна нагрева лазерного луча диаметром, равным шагу резьбы, и перемещения луча вдоль образующей резьбовой поверхности при ее вращении относительно продольной оси, при этом лазерный луч за один оборот вращения резьбовой поверхности, связанной с оптической системой лазерного луча, перемещают ее на величину, равную шагу резьбы, согласно изобретению, перед лазерной обработкой производят чернение обрабатываемой резьбовой поверхности за исключением зон, прилегающих к вершине резьбы и резьбовой канавки на величину не менее 10% от длины боковой поверхности резьбы, формирование пятна нагрева осуществляют на боковой поверхности резьбы, а лазерную обработку поверхности ведут под углом, на 2-3° превышающим угол наклона резьбовой поверхности относительно оси вращения резьбового соединения.

Предлагаемый способ позволит решить проблему лазерного упрочнения резьбовых соединений за счет того, что упрочнение резьбы производят лазерным лучом под углом на 2-3° больше угла наклона резьбовой поверхности относительно оси вращения резьбового соединения. При таком угле наклона лазерный луч не может попасть в резьбовую канавку, расположенную между выступами резьбы, т.к. резьбовая канавка будет находиться в теневой зоне от воздействия лазерных лучей, попадая в тень от впередистоящего выступа резьбы по ходу движения лазерного луча, исключая упрочнение металла резьбовой канавки.

Увеличение угла наклона лазерного луча более чем на 3° от угла наклона резьбовой поверхности относительно оси вращения резьбового соединения приводит к оплавлению верхней части резьбы за счет двойного отражения лазерного луча от противоположной боковой поверхности в вершину выступа обрабатываемой резьбы, а также к увеличению площади неупрочненной боковой поверхности выступа резьбы, что приведет к снижению работоспособности резьбового соединения.

Уменьшение угла наклона лазерного луча менее чем на 2° от угла наклона резьбовой поверхности относительно оси вращения резьбового соединения приведет к частичному упрочнению в резьбовой канавке, что приведет к созданию зоны охрупчивания и, как следствие, к снижению работоспособности резьбового соединения.

Чернение обрабатываемых поверхностей способствует увеличению поглощаемой способности материалов энергии облучения, что позволяет увеличить глубину упрочненного слоя.

Исключение чернения зон, прилегающих к вершине резьбы и резьбовой канавки на величину не менее 10% от длины боковой поверхности резьбы, необходимо для предотвращения оплавления вершины резьбы и предотвращения закалки резьбовой канавки за счет уменьшения поглощения энергии лазерного излучения нечерненых поверхностей этих зон.

Подобная схема позволит избежать образования мартенситной структуры в резьбовой канавке, что предотвратит хрупкое разрушение, т.к. упрочнению подвергают только боковые поверхности выступов резьбы, на которые падает основная нагрузка при контакте резьбовых поверхностей.

Пример конкретного выполнения способа. Для проверки эффективности предложенного способа упрочнения поверхности резьбовых соединений были изготовлены трубы из стали марки 32Г. Химический состав стали 32Г приведен в таблице 1.

Из этой марки стали были изготовлены плоские образцы с надрезом, имитирующим профиль резьбового соединения для проведения сравнительных испытаний по способу прототипа и предложенному способу. Результаты испытаний приведены таблице 2.

Примечание:

1 Результаты механических испытаний усреднены по 3 образцам на точку.

2. Ресурс работы определяли по количеству свинчиваний и навинчиваний на резьбовое соединение неупрочненной муфты до появления трещин в резьбовой канавке, которая приводит к задирам или «закусысанию» резьбового соединения.

Как видно из таблицы, резьбовые соединения, упрочненные по предложенному способу, имеют ресурс работы, в 6-7 раз превышающий ресурс работы по прототипу за счет устранения зон охрупчивания в области резьбовой канавки, представляющих собой концентрацию напряжений в резьбе.

Из этой марки стали были изготовлены трубы с упрочненным резьбовым соединением.

Технико-экономическая эффективность от применения предложенного способа в сравнении с прототипом выразится в повышении работоспособности и надежности резьбовых соединений.

Способ поверхностного упрочнения резьбовых соединений из низколегированных сталей, включающий обработку поверхности резьбового соединения лазерным лучом путем формирования пятна нагрева лазерного луча диаметром, равным шагу резьбы, и перемещения луча вдоль образующей резьбовой поверхности при ее вращении относительно продольной оси, при этом лазерный луч за один оборот вращения обрабатываемой резьбовой поверхности, связанной с оптической системой лазерного луча, перемещают на величину, равную шагу резьбы, отличающийся тем, что перед лазерной обработкой производят чернение обрабатываемой резьбовой поверхности за исключением зон, прилегающих к вершине резьбы и резьбовой канавки на величину не менее 10% от длины боковой поверхности резьбы, формирование пятна нагрева осуществляют на боковой поверхности резьбы, а лазерную обработку поверхности ведут под углом, на 2-3° превышающим угол наклона резьбовой поверхности относительно оси вращения резьбового соединения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения упрочненной поверхности контактных зон зубчатого колеса способ включает изготовление заготовки зубчатого колеса с зонами для упрочнения, затем последовательные этапы цементации с охлаждением без закалки, индукционного нагрева упомянутых зон до температуры аустенизации стали и закалки.

Изобретение относится к области технологии машиностроения и может быть использовано при упрочняющей термообработке зубчатых колес. Для обеспечения высокого качества термообработки и расширения технологических возможностей способ включает последовательный нагрев индуктором локального нагрева зубьев вращающегося зубчатого колеса до заданной температуры и их охлаждение жидкостью, при этом используют индуктор с магнитопроводом, ширину рабочей части индуктора выполняют не менее шага зацепления зубчатого колеса по его делительной окружности, а ее длину выполняют равной 1,2-1,5 длины зуба зубчатого колеса.

Изобретение относится к области металлургии. Способ термической обработки заготовок под холодную пластическую деформацию, преимущественно для сталей с машин непрерывного литья, предусматривает аустенитизацию при температуре Ас3+(100-150°С), выдержку, охлаждение со скоростью более 20°С/мин до температуры 680-700°С, диффузионное превращение переохлажденного аустенита при различных температурах по схеме 680-660-640-600°С с выдержкой при каждой температуре 60-80 минут с завершением охлаждения на воздухе.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к химико-термической обработке, в частности к цементации, азотированию, нитроцементации поверхностей зубчатых колес и колец из конструкционных, инструментальных и специальных марок сталей.

Изобретение относится к науглероженному стальному элементу, способу его получения и цементируемой стали для него. Науглероженный стальной элемент получают с помощью специальных стадий науглероживания, охлаждения и закаливания.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению шестерней для приводных поездных систем, используемых для передачи высокого крутящего момента.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к лазерной термической обработке деталей. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению стальных деталей, используемых в качестве конструкционных компонентов машин. .

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к термической обработке, в частности к цементации с последующей закалкой токами высокой частоты (ТВЧ) при упрочнении рабочей поверхности зубьев деталей из низкоуглеродистой черной и легированной стали.
Изобретение относится к области термомеханической обработки. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу термической обработки изделий из малоуглеродистой хромомолибденовой стали и может быть использовано для упрочнения труб нефтяного сортамента, например, насосно-компрессорных и обсадных.

Изобретение относится к области металлургии. Для улучшения механической обрабатываемости заготовки из мартенситной нержавеющей стали способ термической обработки заготовки включает этапы: 1) нагрев заготовки до температуры выше температуры аустенизации TAUS стали, охлаждение до достижения самой горячей частью заготовки температуры, которая меньше или равна максимальной температуре Tmax и больше или равна минимальной температуре Tmin, со скоростью охлаждения, предупреждающей превращение аустенита в феррито-перлитную структуру, 2) первый отжиг с охлаждением до достижения самой горячей частью заготовки температуры, которая меньше или равна Tmax и больше или равна Tmin, 3) второй отжиг с последующим охлаждением до температуры окружающей среды TA.

Изобретение относится к области термической обработки и может найти применение для упрочнения, в частности литых элементов тележек железнодорожных вагонов. Для повышения ударной вязкости литых изделий, работающих в условиях воздействия низких температур и циклических нагрузок и повышения производительности, осуществляют двухступенчатую нормализацию с нагревом, выдержкой и охлаждением со скоростью 0,2-0,4°C/с и последующий отпуск, при этом на первой ступени нагревают до температуры 930-980°C, выдерживают 2,5-3 часов и охлаждают до 450-600°C, а второй ступени нагревают до температуры 900-950°C, выдерживают в течение 2,5-3 часов и охлаждают до 450-600°C, причем отпуск ведут при 500-680°C в течение 2-2,5 часов с последующим охлаждением до температуры не выше 80-100°C.

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения упрочненной поверхности контактных зон зубчатого колеса способ включает изготовление заготовки зубчатого колеса с зонами для упрочнения, затем последовательные этапы цементации с охлаждением без закалки, индукционного нагрева упомянутых зон до температуры аустенизации стали и закалки.

Изобретение относится к области металлургии. Для уменьшения потерь энергии в трансформаторах во время работы получают лист электротехнической текстурированной стали, имеющий характеристики потерь в железе в диапазоне возбуждения от 1,5 до 1,9 Тл, в котором вблизи областей линейных деформаций сформировано остаточное напряжение 150 МПа или более, причем каждая такая область имеет протяженность на 300 мкм или менее в направлении прокатки и на 42 мкм или более в направлении толщины листа, а области линейных деформаций сформированы периодически с интервалами от 2 мм до 10 мм в направлении прокатки.

Изобретение относится к изготовлению мелющих шаров. Осуществляют нагрев непрерывнолитой заготовки, прокатку на сортовом стане горячей прокатки круглых заготовок соответствующего размера, последующий их нагрев в индукционном устройстве, прокатку из них шаров на стане поперечно-винтовой прокатки при температуре 950-1050°C, подстуживание шаров перед закалкой, закалку и самоотпуск шаров в контейнерах.
Изобретение относится к термохимической обработке поверхности металлов. Для увеличения коррозионной стойкости металлического изделия осуществляют механическую обработку поверхности изделия с обеспечением поверхностного наклепа и пассивацию поверхности изделия, при этом механическую обработку поверхности изделия проводят до достижения шероховатости поверхности со средним арифметическим отклонением профиля Ra не более 1,6 мкм, степени наклепа не ниже 5% , глубины наклепа не менее 8мкм, а пассивацию поверхности изделия проводят до получения слоя оксидной пленки толщиной не менее Ra + 1 мкм.
Изобретение относится к области металлургии и машиностроению и может быть использовано для термической обработки сталей. Для повышения срока службы деталей машин и инструмента, изготовленных из легированных, низколегированных и углеродистых сталей, проводят термоциклическую обработку путем нагрева до температуры закалки без выдержки, охлаждения и отпуска.

Изобретение относится к области индукционного нагрева. Для повышения надёжности работы устройства для индукционного нагрева токопровод выполнен из восьми равных по длине гибких медных изолированных проводов, при этом попарно: первый-второй и седьмой-восьмой ряды прямой ветви, а третий-четвёртый и пятый-шестой ряды, расположенные по краям обратной ветви, на середине устройства перекрёстно меняются рядами, причём концы первого-второго и седьмого-восьмого рядов прямой ветви занимают средние ряды обратной ветви, а концы третьего-четвёртого и пятого-шестого рядов обратной ветви занимают средние ряды прямой ветви.

Изобретение относится к винту, имеющему головку, прилегающую к ней удерживающую секцию и функциональный наконечник. Для использования винта в качестве самонарезающего и возможности выдерживать высокие нагрузки винт имеет функциональный наконечник с большей твердостью, чем удерживающая секция.
Изобретение относится к области индукционного нагрева стального листа. Для предотвращения коробления независимо от наличия или отсутствия фиксирующих роликов стального листа способ нагрева стального листа включает предварительный нагрев центральной части по ширине стального листа электромагнитной катушкой индукционного нагрева, имеющей выпуклую форму, проецируемую на поверхность стального листа в сторону ввода быстро нагреваемого непрерывно перемещающегося стального листа, в результате чего изотерма стального листа при нагреве имеет выпуклую форму в сторону ввода, так что формируется большая складка на стальном листе, и также предлагает устройство нагрева, используемое в этом способе. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.
Наверх