Способ поверхностной закалки стволов орудий

Изобретение относится к технологии изготовления стволов артиллерийских орудий. Способ поверхностной закалки внутренней поверхности ствола артиллерийского орудия заключается в том, что на контрольный участок внутренней поверхности ствола воздействуют импульсами лазерного излучателя для нагрева и перевода поверхностного слоя металла в мартенсит с последующим контролем качества закалки. При этом фиксируется уровень сигналов волн акустической эмиссии приёмниками, расположенными на необрабатываемой части ствола. При достижении положительных результатов закаливания на контрольном участке выбранный режим обработки лазером применяется для закаливания всего изделия. Далее контроль уровня сигнала акустической эмиссии при обработке ствола производится в режиме реального времени. При изменении уровня сигнала акустической эмиссии производят перенастройку режимов работы лазерного излучателя. Изобретение может применяться во многих отраслях машиностроения. Технический результат – сокращение времени закаливания и улучшение качества изделий. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к работам, связанным с изготовлением стволов артиллерийских орудий и может быть использовано при выполнении работ по упрочнению внутренних слоев этих орудий для повышения их износа.

В работе (Г.А. Аветинян, Е.О. Баранов, А.И. Демин, Ю.А. Калугин, И.Г. Мешков, А.С. Шинкарев, Д.С. Гилев Лазерное термоупрочнение и наноструктурирование внутренней поверхности каналов стволов стрелкового оружия и артиллерийских орудий // Научно-технический сборник ГНЦ РФ ФГУП «ЦНИИХМ» им. Д.И. Менделеева «Боеприпасы», 2016 г., №2, с. 42-50) (прототип) рассмотрены различные аспекты упрочнения внутренней поверхности стволов орудий за счет поверхностной термообработки с помощью лазерного излучения. Отмечено, что закалка поверхностного слоя орудия позволяет повысить его твердость и тем самым повысить износостойкость и, как следствие, живучесть ствола. При этом показано, что для обеспечения качества такой термообработки необходимо строго выдерживать режимы работы лазерной установки, режимы работы устройства сканирования, чистоту поверхности ствола в зоне обработки и ряд других факторов.

В настоящее время контроль качества закалки осуществляется визуально, или путем измерения твердости, что не всегда доступно, кроме того, измерение твердости характеризует лишь тот, участок, где проведено измерение и не позволяет судить о качестве закалки всего ствола.

С целью обеспечения качественного выполнения работ при проведении закалки необходимо проводить непрерывно неразрушающий контроль процессов происходящих при закалке.

Автором проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов, происходящих при воздействии мощным лучом лазера на изделия из различных сталей.

В основе упрочнения поверхностного слоя стального ствола с использованием энергии лазерного излучения лежит физический процесс, заключающийся в образовании тонкого слоя мартенсита на внутренней поверхности ствола при нагреве зоны ствола до заданной температуры и ее быстром охлаждении. При этом нагрев осуществляется за счет подвода в обрабатываемую зону ствола лучистой энергии лазера, а быстрое охлаждение обеспечивается за счет отвода тепла не нагретой частью металла ствола (у стали высокая теплопроводность).

Рассмотренный способ поверхностного упрочнения стали не исключает образование различных дефектов, которые снижают качество обработки. Основным из таких дефектов является уменьшение толщины закаленного слоя за счет нарушения режимов обработки, качества обрабатываемой поверхности и других факторов.

Эксперименты показывают, что толщина слоя в основном зависит от количества тепловой энергии подведенной в зону термообработки.

В настоящее время под мартенситным превращением понимается особый вид фазового превращения в твердом теле, протекающего по бездиффузионному, сдвиговому механизму, называемому мартенситным, а под мартенситом - продукт такого превращения. Мартенсит в стали есть пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе с такой же концентрацией, как и у исходного аустенита. Поскольку превращение является бездиффузионным, то углерод из раствора не выделяется и в процессе превращения происходит только перестройка атомов железа.

Несмотря на то, что относительные перемещения атомов при перестройке малы, абсолютные смещения атомов при мартенситном превращении могут достигать значительных макроскопических размеров (при этом происходит изменение формы превращенного объема аустенита), что является следствием сдвигового механизма превращения и приводит к образованию на поверхности полированного шлифа стали характерного рельефа, подобно наблюдаемому при пластической деформации, а иногда и к образованию трещин.

Образования рельефа, на поверхности кристаллов при мартенситном превращении, с учетом высокой скорости процесса будет сопровождаться излучением в окружающее пространство ударных волн. Такая концепция образования волн акустической эмиссии высказана автором много лет назад (Кузнецов Н.С. Теория и практика неразрушающего контроля изделий с помощью акустической эмиссии: Методическое пособие - М.: Машиностроение, 1998. - 96 с.). Она была подтверждена рядом косвенных экспериментов и опубликована в открытой печати. Источниками ударных волн в соответствии с этой концепцией будут являться участки поверхности кристалла, резко выступающие из массы металла, так как скорость их движения (более 103 м/с) существенно превышает скорость звука в окружающем металл воздухе (330 м/с). Возникающие при этом ударные волны будут возбуждать в зоне выпучиваний рельефа металла акустические волны, которые могут быть зафиксированы аппаратурой для регистрации акустической эмиссии.

При реализации способа может применяться любая аппаратура для регистрации акустической эмиссии, позволяющая измерять количество импульсов акустической эмиссии за определенное время.

Предлагаемый способ поверхностной закалки стволов орудий, заключается в том, что на локальные участки внутренней поверхности ствола артиллерийского орудия последовательно воздействуют лучом мощного лазера. На начальном участке воздействия определяют качество закалки, например, путем измерения микротвердости (путем вдавливания индентора). Фиксируют режимы работы лазера для качественной закалки. Перед началом работ, на противоположенный от начала обработки торец ствола этого орудия устанавливают приемник сигналов акустической эмиссии, фиксируют уровень акустической эмиссии при воздействии лучом лазера на участке с качественной закалкой. Затем путем последовательного сканирования от одного торца ствола до его другого торца обрабатывают всю внутреннюю поверхность ствола на выбранных режимах работы лазера для качественной закалки. При этом регистрируют уровень акустической эмиссии, сопровождающий процесс лазерной закалки на протяжении всей обработки ствола, закалку на участках ствола с уровнем акустической эмиссии больше или равной, чем на начальном участке, считают качественной.

При уменьшении уровня сигналов акустической эмиссии ниже, чем уровень на качественном участке, обработку прекращают, и выполняют настройку режимов работы лазера и подготовку поверхности ствола орудия (различные загрязнения приводят к уменьшению энергии подводимой от лазера к металлу ствола).

Установка приемника акустической эмиссии на противоположенном конце ствола при начале работ позволяет учесть затухание акустических импульсов при распространении по стволу орудия, и тем самым, позволяет зафиксировать минимальный уровень акустической эмиссии (с учетом затухания). При приближении зоны обработки к другому концу ствола амплитуда сигналов возрастает, этот параметр также является информационным для обеспечения контроля качества закалки.

Для реализации способа были проведены эксперименты.

В экспериментах в качестве аппаратуры для регистрации сигналов акустической эмиссии использован прибор АП-12Э (Разработка Ростовского государственного университета). Эксперименты проводились путем воздействия на поверхность образцов из стали 45X1 импульсами лазера, возбуждаемыми установкой «Квант». Длительность импульса работы установки «Квант» составляла 5 мс. Различная глубина закаленной зоны достигалась последовательным воздействием на зону различным количеством импульсов. Такая технология (посыл нескольких импульсов лазера в одну и ту же зону) применяется и при закалке внутренних поверхностей артиллерийских орудий. С помощью прибора АП-12Э регистрировалось количество импульсов в секунду в процессе воздействия импульсами лазера. Приемник сигналов акустической эмиссии находился на расстоянии 1200 мм от зоны воздействия лазером.

Экспериментально установлено, что уровень акустической эмиссии (общее количество импульсов за время воздействия лазером) зависит от толщины слоя, а именно, чем толщина слоя выше, тем уровень акустической эмиссии выше.

Толщина закаленного слоя в проведенных экспериментах составляла от 0,2 до 0,8 мм при воздействии на зону от одного до пяти импульсов лазерного излучения. Количество импульсов в секунду при этом изменялось от 1300 до 5000.

Таким образом, эксперименты по проведению поверхностной закалки стали с помощью импульсной лазерной установки и регистрации при этом сигналов акустической эмиссии подтверждают техническую реализуемость предлагаемого способа и позволяют непрерывно в процессе работы осуществлять неразрушающий контроль качества закалки.

Изложенные сведения о заявленном изобретении, охарактеризованном в независимом пункте формулы, свидетельствуют о возможности его осуществления с помощью описанных в заявке и известных средств и методов. Следовательно, заявленный способ соответствует условию промышленной применимости.

1. Способ поверхностной закалки стволов орудий, заключающийся в том, что на локальные участки внутренней поверхности ствола артиллерийского орудия последовательно воздействуют лучом мощного лазера, на начальном участке воздействия определяют качество закалки, фиксируют режимы работы лазера для качественной закалки и путем последовательного сканирования от одного торца ствола до его другого торца обрабатывают всю внутреннюю поверхность ствола на выбранных режимах работы лазера для качественной закалки, отличающийся тем, что перед началом работ на противоположенный от начала обработки торец ствола этого орудия устанавливают приемник сигналов акустической эмиссии, фиксируют уровень акустической эмиссии при воздействии лучом лазера на участке с качественной закалкой, регистрируют уровень акустической эмиссии, сопровождающий процесс лазерной закалки на протяжении всей обработки ствола, закалку на участках ствола с уровнем акустической эмиссии больше или равной, чем на начальном участке, считают качественной.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе закалки непрерывно анализируют уровень акустической эмиссии и при уменьшении этого уровня ниже, чем уровень на качественном участке, обработку прекращают и выполняют настройку режимов работы лазера и подготовку поверхности ствола орудия.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к способам диагностики состояния ответственных деталей подвижного состава железнодорожного транспорта. Согласно изобретению диагностику деталей проводят при движении грузового состава в режиме реального времени, при этом датчики акустической эмиссии (АЭ) устанавливают на детали перед началом движения.

Изобретение относится к волноводам сигналов акустической эмиссии (АЭ), предназначенным для контроля и мониторинга опасных производственных объектов или их элементов при температурах, выходящих за допустимый диапазон температуры применения преобразователя АЭ.

Изобретение относится к неразрушающим методам исследования твердых материалов и может быть использовано для контроля заданных параметров объектов и определения их физических характеристик.

Многоканальная акустико-эмиссионная система предназначена для проведения технической диагностики и неразрушающего контроля крупногабаритных конструкций при проведении прочностных испытаний.

Использование: для мониторинга технического состояния опасных производственных объектов и объектов во взрывоопасной зоне. Сущность изобретения заключается в том, что интеллектуальный преобразователь акустической эмиссии выполнен во взрывозащищенном исполнении и содержит пьезоэлемент, частотный фильтр, малошумящий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, преобразователь выходного сигнала, управляемый формирователь импульсов, барьер искрозащиты и узел питания и управления, при этом все компоненты интеллектуального преобразователя размещены в одном малогабаритном герметичном корпусе, а управляемый формирователь импульсов выполнен с возможностью формирования импульсов высокого напряжения с заданным уровнем и демпфированием колебаний, при этом интеллектуальный преобразователь поддерживает двухстороннюю связь с контрольно-измерительной аппаратурой по двухпроводной линии.

Использование: для неразрушающего контроля с применением метода акустической эмиссии (АЭ). Сущность изобретения заключается в том, что регистрация импульсов акустической эмиссии осуществляется без применения порогового ограничения при оценке параметров импульсов акустической эмиссии и шума во временных интервалах определенной длительности, регистрация импульсов акустической эмиссии осуществляется на основании комбинированного критерия, если выполняется одна из двух статистических гипотез - гипотеза о равенстве нулю момента шестого порядка и гипотеза о различии дисперсий отсчетов сигнала акустической эмиссии, рассчитанные в соседних временных окнах, время начала импульса акустической эмиссии определяется внутри выделенного временного интервала методом кумулятивных сумм.

Использование: для контроля силовых элементов конструкций. Сущность изобретения заключается в том, что многоканальная акустико-эмиссионная система контроля силовых элементов конструкций состоит из N-каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные преобразователь акустической эмиссии, установленный на объекте контроля в местах максимальной концентрации напряжений, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок вычисления известных акустико-эмиссионных критериев, а также устройство отображения информации, при этом в каждый из каналов дополнительно введены блок вычисления инвариантов временных интервалов импульсов акустической эмиссии и два блока вычисления инвариантов числа импульсов акустической эмиссии, входы которых объединены с входом блока вычисления известных акустико-эмиссионных критериев, а выходы соединены с соответствующими входами устройства отображения информации.

Использование: для обнаружения и контроля кавитации внутри устройства регулирования потока, такого как регулирующий клапан. Сущность изобретения заключается в том, что система и устройство для обнаружения и контроля кавитации внутри устройства регулирования потока, такого как регулирующий клапан, содержит датчик акустической эмиссии, соединенный с устройством регулирования потока таким образом, чтобы получать акустические сигналы, обусловленные кавитацией.

Использование: для акустических измерений на промышленных предприятиях. Сущность изобретения заключается в том, что акустическая измерительная система для объекта производственного процесса содержит: акустический передатчик, установленный на объекте производственного процесса, причем упомянутый акустический передатчик включает в себя первый акустический датчик; устройство контроля процесса, предоставляющее значение, представляющее акустический сигнал вблизи объекта производственного процесса, на основании, частично, сигнала от первого акустического датчика; второй акустический датчик, предоставляющий акустическое значение; и компонент снижения шума, который использует акустическое значение от второго акустического датчика для воздействия на значение, предоставляемое устройством контроля процесса, так что значение, предоставляемое устройством контроля процесса, в большей степени представляет акустический сигнал, создаваемый объектом производственного процесса.

Использование: для неразрушающего контроля днищ вертикальных стальных резервуаров при акустико-эмиссионном методе неразрушающего контроля. Сущность изобретения заключается в том, что на днище резервуара устанавливают пъезоакустические преобразователи, создают упругую деформацию локального участка днища, регистрируют сигналы акустической эмиссии, при этом создание упругой деформации локального участка днища производят локальным охлаждением поверхности твердым диоксидом углерода, сублимация которого происходит при минус 72°C, что максимально исключает фиксацию ложных акустических сигналов.

Использование: для комплексного автоматизированного неразрушающего контроля качества многослойных изделий. Сущность изобретения заключается в том, что устройство включает два ультразвуковых преобразователя теневого контроля, ультразвуковой дефектоскоп теневого контроля, пороговое устройство ультразвукового дефектоскопа теневого контроля, датчик позиционирования, электронный блок датчика позиционирования, регистрирующее устройство, преобразователь акустического дефектоскопа для осуществления метода свободных колебаний, акустический дефектоскоп для осуществления метода свободных колебаний, пороговое устройство акустического дефектоскопа для осуществления метода свободных колебаний, электронный ключ, блок задержки.

Использование: для неразрушающего контроля качества изделий. Сущность изобретения заключается в том, что сканируют поверхность контролируемого объекта датчиками физических полей, измеряют величины сигналов с каждой точки поверхности контролируемого объекта, разбивают диапазон величин сигналов по их значениям на I интервалов, регистрируют измеренные сигналы по принадлежности к соответствующим интервалам, определяют количество измеренных сигналов в каждом интервале, рассчитывают разность количества измеренных сигналов в последующем и предыдущем интервалах по всему диапазону значений величин измеренных сигналов, в качестве порогового значения величины сигнала излучения физического поля выбирают значение из интервала, для которого разность количества измеренных сигналов в данном и предыдущем интервалах меньше нуля, а разность количества измеренных сигналов в данном и последующем интервалах больше нуля.

Область применения: - неразрушающий контроль состояния сляба. Технический результат – повышение точности контроля.

Использование: для неразрушающего контроля твердых тел. Сущность изобретения заключается в том, что размещают в заданной зоне сканирования ультразвуковой преобразователь и проводят операции контроля, включающие зондирование импульсами ультразвуковой частоты, регистрацию принятых сигналов посредством дефектоскопа с обеспечением их визуализации в виде амплитудно-временной развертки, выделение на ней соответствующей заданной зоне сканирования временной зоны, апертуру которой выбирают из условия невхождения в нее зондирующего импульса, задание критерия полезности сигнала и анализ зарегистрированных в этой временной зоне принятых сигналов, включающий определение их амплитуд через заданный промежуток времени, перемещают ультразвуковой преобразователь в зоне сканирования и повторяют операции контроля.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для прогноза динамических явлений типа внезапного выброса угля и газа, горного удара и им подобных.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля при реализации магнитных и ультразвуковых бесконтактных методов дефектоскопии для обнаружения дефектов и определения геометрических размеров изделий на значительных скоростях сканирования.

Использование: для внутритрубной диагностики трубопроводов. Сущность изобретения заключается в том, что c одной стороны трубопровода производят монтаж камеры пуска средств очистки и диагностики (далее - СОД), причем СОДом может быть магнитный дефектоскоп, профилемер или очистной скребок, с другой стороны трубопровода устанавливают и закрепляют тяговое устройство, запасовывают СОД через камеру пуска СОД в трубопровод, при помощи тягового устройства протягивают СОД по трубопроводу.

Использование: для неразрушающего испытания или контроля с использованием ультразвуковых волн и преобразователей с воздушной связью. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковая система для неразрушающего контроля содержит по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь с воздушной связью, выполненный с возможностью излучения первичных ультразвуковых волн, интерферирующих друг с другом и содержащих по меньшей мере две компоненты основной частоты, которые кратны друг другу и излучены одновременно в закрытой фазе, причем интерференция первичных ультразвуковых волн генерирует множество частотных гармоник в воздухе, по меньшей мере один приемник, выполненный с возможностью приема ультразвуковых волн, излученных от испытываемого объекта.

Использование: для ультразвукового (УЗ) контроля объектов из твердых материалов. Сущность изобретения заключается в том, что согласно способу УЗ контроля выполняют излучение в объект контроля (OK) поперечных волн с горизонтальной поляризацией (SH волн), принимают эхо-сигналы из него и получают путем пространственно-временной обработки принятых сигналов распределение отражающей способности точек структуры материала ОК.

Использование: для ультразвукового неразрушающего контроля объектов из структурно-неоднородных материалов, преимущественно изделий из бетона. Сущность изобретения заключается в том, что во множество точек поверхности объекта контроля излучают ультразвуковые зондирующие импульсы продольных или поперечных волн, принимают из тех же точек реализации ультразвуковых колебаний, вызванных ультразвуковыми импульсами, отражёнными от неоднородностей внутренней структуры материала объекта и от любых границ раздела между средами с разной акустической плотностью, производят реконструкцию трёхмерного распределения амплитуды ультразвука, рассеянного точками структуры материала объекта, в полученном трёхмерном распределении выделяют точки с амплитудами, превышающими средний уровень эффективного значения шума в четыре и более раз, объединяют выделенные точки распределения в группы по критерию близости их расположения, определяемого расстоянием между соответствующими им точками структуры объекта, не превышающем половины длины волны ультразвука, когерентно суммируют фрагменты принятых реализаций ультразвуковых колебаний, содержащие эхо-сигналы от точек внутренней структуры объекта, которые соответствуют точкам трёхмерного распределения, принадлежащим каждой выделенной группе, и если при излучении и приёме импульсов продольных ультразвуковых волн фаза суммарного фрагмента реализаций некоторой группы точек трёхмерного распределения отличается от фазы зондирующих импульсов по модулю менее чем на 45 градусов, то это означает, что среда за границей раздела более акустически плотная, чем среда до границы раздела, если же отличие фаз находится в интервале от 135 до 225 градусов, то, наоборот, среда за границей раздела менее акустически плотная, а при излучении и приёме импульсов поперечных ультразвуковых волн соотношения акустических плотностей сред для указанных разностей фаз обратны соотношениям для продольных волн.
На внутреннюю поверхность ствола наносят покрытие из термоэмиссионного материала с работой выхода электронов до 3 эВ, что позволяет выравнивать температуру ствола при его неравномерном нагреве и, следовательно, уменьшить величину температурного изгиба ствола.

Изобретение относится к технологии изготовления стволов артиллерийских орудий. Способ поверхностной закалки внутренней поверхности ствола артиллерийского орудия заключается в том, что на контрольный участок внутренней поверхности ствола воздействуют импульсами лазерного излучателя для нагрева и перевода поверхностного слоя металла в мартенсит с последующим контролем качества закалки. При этом фиксируется уровень сигналов волн акустической эмиссии приёмниками, расположенными на необрабатываемой части ствола. При достижении положительных результатов закаливания на контрольном участке выбранный режим обработки лазером применяется для закаливания всего изделия. Далее контроль уровня сигнала акустической эмиссии при обработке ствола производится в режиме реального времени. При изменении уровня сигнала акустической эмиссии производят перенастройку режимов работы лазерного излучателя. Изобретение может применяться во многих отраслях машиностроения. Технический результат – сокращение времени закаливания и улучшение качества изделий. 1 з.п. ф-лы.

Наверх