Способ лазерного упрочнения полой металлической заготовки



Способ лазерного упрочнения полой металлической заготовки
Способ лазерного упрочнения полой металлической заготовки
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 2640516:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) (RU)

Изобретение относится к способу лазерного упрочнения полой металлической заготовки. Посредством локального переплава, механической и химической обработкой подготавливают заготовку необходимых размеров в диапазоне (длина×радиус×толщина) от 100×10×2 мм до 1000×1000×12 мм из перлитных, бейнитных или мартенситных закаливающихся сталей марок 30ХГСА, 35ХГСА и пр. Заготовку фиксируют во вращателе. Лазерным лучом локальную зону заготовки переплавляют по периметру или по длине заготовки на всю толщину ее стенки. Режимы переплава задают в зависимости от требуемой глубины упрочняемого слоя, толщины заготовки и требуемой микроструктуры. Основными параметрами режимов локального переплава являются линейная или угловая скорость переплава и мощность лазерного излучения. Обработку выполняют при скорости перемещения лазерного луча 15-40 мм/сек, мощности лазерного луча 1-15 кВт. После локального переплава выдерживают время для естественного охлаждения заготовки или применяют принудительное охлаждение потоком воды или воздуха. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Известен способ упрочнения разделительного штампа (патент №2566224, опубл. 20.10.2015, МПК C21D 9/22 (2006.01), C21D 1/09 (2006.01), B23K 26/00 (2014.01), C21D 6/04 (2006.01)), включающий упрочнение разделительного штампа лазерной закалкой боковых рабочих поверхностей путем оплавления припусков за один проход при перемещении луча лазера по стыку припусков и последующий лазерный отпуск. Техническим результатом изобретения является оптимизация структурного состояния закаленной лазером высоколегированной инструментальной стали (мартенсит отпуска + карбиды) и улучшение ее эксплуатационных характеристик.

Однако известный способ позволяет обрабатывать штамп на ограниченную глубину упрочненного слоя, определяемую пороговой величиной подводимой энергии.

Известен способ поверхностного упрочнения металлов (патент №2275432, МПК C21D 1/09 (2006.01), C21D 1/04 (2006.01), опубл. 27.04.2006), наиболее близкий к заявляемому изобретению и принятый за прототип, включающий воздействие лазерным лучом и внешним электромагнитным полем, при этом модулируют генерируемые лазерным лучом колебания в кристаллических решетках металла колебаниями от внешнего электромагнитного поля, когерентными с первыми, при этом частоту колебаний электромагнитного поля устанавливают больше частоты колебаний плотности свободных электронов в обрабатываемом металле. Технический результат: повышение прочностных характеристик упрочненной поверхности и увеличение глубины упрочнения.

Недостатком данного метода является использование специальных технических средств для увеличения глубины упрочнения.

Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании градиентного функционального слоя с повышенной твердостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью в исходной заготовке с внешней и внутренней стороны и объему между ними.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в увеличении твердости градиентного функционального слоя обрабатываемого участка полой металлической заготовки.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерного упрочнения полой металлической заготовки получают функциональный градиентный слой посредством обработки локальных зон лазерным лучом непрерывного действия, отличающийся тем, что обработку осуществляют путем переплава, по меньшей мере, одной локальной зоны на полную толщину стенки металлической заготовки по окружности, с образованием на внешней и внутренней поверхности функционального градиентного слоя, при этом в начале переплава плавно увеличивают мощность лазерного луча от 2 до 10 кВт в течение 200 миллисекунд и плавно уменьшают мощность лазерного луча с 10 кВт до 0 за 400 миллисекунд в конце локального переплава.

Локальными зонами являются зоны детали, которые при работе подвергают фрикционному, коррозионному, эрозионному износу.

Металлическую заготовку при необходимости снятия напряжений после локального переплава дополнительно подвергают термической обработке (печной, ТВЧ).

В виде источника лазерного луча используют волоконный лазер, или твердотельный лазер, или CO2-лазер, или диодный лазер.

Для заготовок толщиной свыше 8 мм для равномерности наружного и внутреннего участков переплава может применяться заглубление фокуса в диапазоне 1-4 мм.

На фигуре 1 представлена принципиальная схема осуществления переплава.

На фигуре 2,а представлена микроструктура поперечного сечения зоны локального переплава при увеличении 20 крат.

На фигуре 2,б представлено поле распределения твердости поперечного сечения, представленного на фигуре 2,а.

Позиции на фигурах 1 и 2: 1 - обрабатываемая металлическая заготовка; 2 - сфокусированный лазерный луч; 3 - направление вращения при обработке.

Устройство для осуществления способа состоит из роботизированного комплекса лазерной сварки, оптической системы фокусировки лазерного луча, системы подачи защитного газа, вращателя, зажимных устройств, обрабатываемой заготовки 1.

Сущность способа заключается в следующем.

Механической и химической обработкой подготавливают заготовку 1 необходимых размеров в диапазоне (длина × радиус × толщина) от 100×10×2 мм до 1000×1000×12 мм из перлитных, бейнитных или мартенситных закаливающихся сталей марок 30ХГСА, 35ХГСА и пр. Заготовку 1 фиксируют во вращателе (не показано). Лазерным лучом 2 локальный участок 3 заготовки 1 переплавляется по окружности или по длине заготовки. Режимы переплава зависят от толщины заготовки, требуемой микроструктуры в результате обработки. Основными параметрами режимов локального переплава являются линейная или угловая скорость переплава и мощность лазерного излучения. Стратегия обработки и режимы локального переплава задаются программой роботизированного комплекса.

При осуществлении процесса локального переплава используется плавное нарастание и убывание мощности лазерного луча 2 с целью стабильности процесса переплава, т.е. спокойного поведения расплавленного металла и улучшения косметических характеристик переплавляемой заготовки.

После локального переплава может выдерживаться время для естественного охлаждения заготовки или применяться принудительное охлаждение потоком воды или воздуха.

Операции продолжаются до конца осуществления необходимого количества проходов локального переплава, которые будут зависеть от геометрических размеров обрабатываемой заготовки.

Используют материалы, закаливающиеся при высоких скоростях охлаждения (среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали, низколегированные и легированные стали, некоторые титановые и алюминиевые сплавы).

При обработке некоторых марок сталей и титановых сплавов за счет высоких скоростей локального переплава и соответственно высоких скоростей охлаждения возможно появление горячих и холодных трещин, во избежание которых необходимо снизить скорости обработки или применить предварительный, сопутствующий и последующий подогрев.

Режимы локального переплава зависят от природы материала, толщины заготовки 1, требуемой глубины переплава, находятся в диапазоне: скорость перемещения лазерного луча 15-40 мм/сек, мощность лазерного луча 1-20 кВт, также для заготовок толщиной свыше 8 мм для равномерности наружного и внутреннего участков переплава может применяться заглубление фокуса в диапазоне 1-4 мм.

Режимы нарастания в начале локального переплава и убывания в конце мощности лазерного луча 2 влияют на качество поверхности обрабатываемой металлической заготовки 1 и минимизацию механической обработки после операций обработки лазерным лучом 2, так как положительно влияют на поведение металла в расплавленном состоянии, т.е. не происходит ударного взаимодействия лазерного излучения большой мощности с металлическим листом. Оптимальный режим нарастания мощности лазерного луча 2 до 10 кВт за 200 миллисекунд, убывания с 10 кВт за 400 миллисекунд.

Таким образом, за счет локального изменения микроструктурного состава (перлит + феррит в мартенсит (участок полного переплава) + бейнит (зона термического влияния)) обрабатываемой металлической заготовки в месте переплава лазерным лучом в результате обеспечения высоких скоростей лазерного локального переплава и, следовательно, высоких скоростей охлаждения достигается эффект увеличения твердости, износостойкости, коррозионной и эрозионной стойкости исходной металлической заготовки.

1. Способ лазерного упрочнения полой металлической заготовки, включающий воздействие лазерным лучом непрерывного действия на поверхность заготовки с образованием расплавленного слоя металла, отличающийся тем, что воздействие лазерным лучом непрерывного действия осуществляют на по меньшей мере одну локальную зону металлической заготовки на заданную глубину с образованием на внешней и внутренней поверхностях стенки заготовки локальных зон переплава с функциональным градиентным слоем, при этом в начале переплава плавно увеличивают мощность лазерного луча от 2 до 10 кВт в течение 200 миллисекунд и плавно уменьшают мощность лазерного луча с 10 кВт до 0 за 400 миллисекунд в конце локального переплава.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что локальными зонами являются зоны детали, которые при работе подвергают фрикционному, коррозионному, эрозионному износу.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что металлическую заготовку при необходимости снятия напряжений после локального переплава дополнительно подвергают термической обработке печной или ТВЧ.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что источник лазерного луча используют в виде волоконного лазера, или твердотельного лазера, или СО2-лазера, или диодного лазера.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для заготовок толщиной свыше 8 мм для равномерности наружного и внутреннего участков переплава может применяться заглубление фокуса в диапазоне 1-4 мм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройству ввода газа в тяжелый жидкий металл. Устройство состоит из электродвигателя (12), магнитной муфты (6), вала (1), заборной и рабочей частей устройства, корпуса (5) с отверстиями (9), нижнего вращающегося (2) и верхнего неподвижного (7) диска, кожуха (4), побудителя расхода (10) тяжелого жидкого металла, опорного узла вала (8) с, по меньшей мере, одним каналом (3).

Изобретение относится к многокамерной печи для вакуумной цементации и закалки отдельных обрабатываемых деталей, таких как зубчатые колеса, валы и кольца. Печь содержит три технологические камеры, выполненные в виде камеры нагрева, камеры цементации и диффузионной камеры, которые расположены одна поверх другой с образованием вертикальной компоновки.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке литых деталей железнодорожного подвижного состава в виде боковых рам тележек грузовых вагонов, изготовленных из сталей марок: 20 ГЛ, 20 ГФЛ, 20 ГТЛ.

Изобретение относится к области металлургии. Для получения желательной микроструктуры, имеющей улучшенные механические свойства, способ включает фазу активного охлаждения, на которой рельс быстро охлаждается от аустенитной температуры, а затем мягко охлаждается, чтобы поддерживать целевую температуру преобразования между определенными значениями обработки охлаждения, выполняемой посредством множества охлаждающих модулей (12.n), каждый охлаждающий модуль содержит множество средств распыления охлаждающей среды на рельс, причем способ отличается тем, что в течение фазы активного охлаждения каждое охлаждающее средство приводится в действие для управления скоростью охлаждения рельса, так что величина превращенного аустенита в рельсе не ниже чем 50% на поверхности рельса и не ниже чем 20% в сердцевине головки рельса.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам создания острой кубической текстуры в железоникелевых сплавах, и может быть использовано для создания магнитопроводов в электротехнических устройствах, а также в качестве лент-подложек при получении многослойных ленточных сверхпроводников второго поколения.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению горячепрессованной стальной листовой детали, используемой в автомобилестроении. Сталь имеет следующий химический состав, мас.%: C: от 0,10 до 0,34; Si: от 0,5 до 2,0; Mn: от 1,0 до 3,0; растворимый Al: от 0,001 до 1,0; P: 0,05 или менее; S: 0,01 или менее; N: 0,01 или менее; Ti: от 0 до 0,20; Nb: от 0 до 0,20; V: от 0 до 0,20; Cr: от 0 до 1,0; Mo: от 0 до 1,0; Cu: от 0 до 1,0; Ni: от 0 до 1,0; Ca: от 0 до 0,01; Mg: от 0 до 0,01; REM: от 0 до 0,01; Zr: от 0 до 0,01; B: от 0 до 0,01; Bi: от 0 до 0,01; остальное: Fe и примеси.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству рельсов из перлитной стали. Сталь имеет химический состав, содержащий, в мас.%: С 0,71-0,82, Si 0,25-0,45, Mn 0,75-1,05, V 0,03-0,15, Р≤0,030, S≤0,035, Al≤0,040, Fe и неизбежные примеси – остальное.

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения твердости и ударной вязкости, а также стойкости быстрорежущей стали с интерметаллидным упрочнением сначала производят закалку стали с температуры 850-860°C и последующий отпуск при 560-570°C в течение одного часа, затем осуществляют закалку с температуры 1200-1240°C и отпуск при 590-600°C в течение двух часов.

Изобретение относится к металлургии, в частности к обработке поверхности циркониевых сплавов для повышения коррозионной стойкости поверхности. Способ обработки поверхности пластины из циркониевого сплава включает нанесение порошка оксида магния на поверхность пластины и лазерную обработку, которую осуществляют за 1-10 проходов при средней мощности лазерного излучения 10-60 Вт, частоте импульсов 20-100 кГц, скорости сканирования луча лазера 100-1000 мм/с.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке литых боковых рам или надрессорных балок тележек грузовых вагонов из низкоуглеродистых сталей Для повышения усталостной прочности детали и сопротивления разрушению при циклическом нагружении деталь из стали 20ГЛ нагревают до температуры, не превышающей Ac3+150°C, с выдержкой в течение 30-120 мин, затем перемещают её в защитном кожухе в закалочное устройство за время, не превышающее 5 мин.

Изобретение относится к сварочному производству и может быть применимо для производства труб с использованием технологии лазерной сварки. Способ подготовки стыка кромок трубной заготовки под лазерную сварку включает подготовку разделки кромок листа, сборку трубной заготовки, размещение между кромками присадочного металлического материала в качестве вставки.

Изобретение относится к лазерному плазмотрону для осаждения композитных алмазных покрытий и может быть использовано в машиностроении, в химической и электронной промышленности, в атомной энергетике.

Изобретение относится к способам сварки продольных швов труб большого диаметра, применяемых преимущественно для строительства магистральных нефтепроводов и газопроводов, а также водоканалов и тепловых сетей.

Изобретение относится к способу гибридной лазерно-дуговой сварки. Формируют сварочную ванну одновременно электрической дугой и лазерным лучом путем расплавления металла присадочного материала в защитной среде, состоящей из инертного и активного компонентов.

Изобретение относится к способу двухлучевой лазерной сварки алюминиевых сплавов и конструкционных сталей и может найти применение в различных отраслях машиностроения, в частности при сварке изделий в камере сварки с инертным газом.

Изобретение относится к способу и оборудованию для наплавки металлической детали (202) турбореактивного двигателя летательного аппарата, содержащей множество подлежащих наплавке металлических частей (203, 204).

Изобретение относится к области изготовления стального профиля посредством лазерной сварки. С помощью устройства для лазерной сварки приваривают боковые края стеночного элемента (4) к двум полочным элементам (2, 3), при этом стеночный элемент удерживают роликовым устройством (30), которое содержит множество роликов (31) первой поверхности, которые вращаются вдоль одной поверхности стеночного материала и расположены с интервалами в направлении транспортировки, и множество роликов (32) второй поверхности, которые вращаются вдоль другой поверхности стеночного материала и расположены с интервалами в направлении транспортировки.

Изобретение относится способу ремонта трубы с продольном швом. Ремонт включает обнаружение дефекта, выборку дефекта и заплавление выборки.

Изобретение относится к стыковой сварке металлопродукции, в частности к сварке продольных швов труб большого диаметра, кольцевых швов трубопроводов, а также швов трубопроводных изделий (отводов, тройников и т.д).

Изобретение относится к способам лазерной наплавки и может быть использовано при наплавке различных материалов лазерным излучением и при выращивании монокристаллов или осуществлении направленной кристаллизации в образцах путем лазерного спекания порошковых материалов газопорошковой смеси.

Изобретение относится к области обработки материалов лазерным лучом, а именно к лазерной оптической головке. Лазерная оптическая головка содержит наружный неподвижный корпус (1) и внутренний подвижный корпус (3) с соплом (4). Перемещение корпуса (3) осуществляется посредством зубчатой рейки (6), установленной на внутреннем подвижном корпусе (3), и вал-шестерни (5), установленной на кронштейне механизма (16). Упомянутый механизм (16) закреплен на наружном неподвижном корпусе (1) и связан с электрическим приводом. В нижней части наружного неподвижного корпуса (1) установлен емкостной датчик (8) для установки и контроля размера между срезом сопла и обрабатываемой деталью (9). На выходе сопла имеется съемная насадка (7) с сужающе-расширяющимся каналом на выходе. Для режимов резки, сварки, пробивки отверстий используется съемная насадка (7), которая имеет диаметр в узком сечении 0,2±0,02 мм и угол расширения 30°. Для режима резки металлов от 20 мм до 40 мм используется съемная насадка (7), которая имеет диаметр в узком сечении 0,5±0,02 мм и угол расширения 15°. В результате достигается повышение точности обработки, экономичность и универсальность головки. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к способу лазерного упрочнения полой металлической заготовки. Посредством локального переплава, механической и химической обработкой подготавливают заготовку необходимых размеров в диапазоне от 100×10×2 мм до 1000×1000×12 мм из перлитных, бейнитных или мартенситных закаливающихся сталей марок 30ХГСА, 35ХГСА и пр. Заготовку фиксируют во вращателе. Лазерным лучом локальную зону заготовки переплавляют по периметру или по длине заготовки на всю толщину ее стенки. Режимы переплава задают в зависимости от требуемой глубины упрочняемого слоя, толщины заготовки и требуемой микроструктуры. Основными параметрами режимов локального переплава являются линейная или угловая скорость переплава и мощность лазерного излучения. Обработку выполняют при скорости перемещения лазерного луча 15-40 ммсек, мощности лазерного луча 1-15 кВт. После локального переплава выдерживают время для естественного охлаждения заготовки или применяют принудительное охлаждение потоком воды или воздуха. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх