способ восстановления деталей с поверхностными трещинами

Формула изобретения

СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ С ПОВЕРХНОСТНЫМИ ТРЕЩИНАМИ, включающий оплавление трещины источником с высокой плотностью энергии, например лазерно-дуговым, отличающийся тем, что перед оплавлением трещины осуществляют подогрев детали до температуры формирования в окрестности вершины трещины поля напряжений с коэффициентом интенсивности, меньшим критической величины вязкости разрушения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке металлов и сплавов с помощью концентрированных источников энергии.

Известно, что в результате воздействия поверхностного источника энергии в поверхностном слое металлов и сплавов формируются термические напряжения растяжения, ответственные за образование поверхностных трещин.

Известен способ предотвращения трещинообразования, когда при сварке плавлением в зоне сварного шва создают пластические деформации сжатия [1]

Недостатком изобретения является то, что поставленная в нем цель достигается пластическим деформированием, приводящим к неустранимому нарушению геометрии поверхности и ее охрупчиванию.

Наиболее близким к изобретению является способ импульсной лазерной обработки открытой вершины трещины с целью предотвращения ее раскрытия в процессе последующей эксплуатации изделия [2]

Недостатком данного способа является то, что лазерному воздействию подвергаются только трещины весьма малой протяженности и имеющие доступные для лазерной обработки открытые вершины. Из-за малых глубин проникновения тепла и характера распределения эпюры формирующихся в зоне лазерного воздействия напряжений в данном способе цель не может быть достигнута при импульсной лазерной обработке достаточно протяженных и глубоких трещин со стороны их выхода на поверхность.

Цель изобретения состоит в "залечивании" (полном заплавлении) трещин с глубиной, не превышающей глубину проплавления поверхностного слоя изделия источником с высокой плотностью энергии, например лазерно-дуговым, и тем самым в предотвращении разрушения изделия в процессе его эксплуатации от первоначально имеющегося поверхностного дефекта.

Поставленная цель достигается тем, что в способе восстановления деталей с поверхностными трещинами, включающем оплавление трещины источником с высокой плотностью энергии, предварительно осуществляется подогрев изделия до температур, обеспечивающих формирование в окрестности вершины трещины поля напряжений, определяемого коэффициентом интенсивности К, меньшим критической величины вязкости разрушения К_rc.

Для заявленного технического решения и его признаков характерно следующее отличительное свойство. "Залечивание" трещины осуществляется только в том случае, когда в процессе воздействия источника с высокой плотностью энергии в окрестности вершины трещины формируется напряженное состояние, характеризующееся максимальной величиной коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины К не превышающей величины критического коэффициента интенсивности напряжений (критической величины вязкости разрушения) К_rc, при котором не происходит раскрытия трещины и ее удается полностью заплавить. Для реализации поставленной цели не требуется достижения условия формирования в окрестности вершины трещины напряжений сжатия. Температура подогрева, приводящая, с одной стороны, к уменьшению реальной величины растягивающих напряжений, формирующихся в окрестности вершины трещины при воздействии источника с высокой плотностью энергии, с другой, к возрастанию самой критической величины вязкости разрушения К_rc, может изменяться в достаточно широких пределах в зависимости от исходного структурно напряженного состояния поверхности обрабатываемого изделия, механических характеристик материала, геометрических параметров трещины, параметров воздействия источника с высокой плотностью энергии.

Для технических свойств аналога и прототипа характерно формирование лишь напряжений сжатия, но отнюдь не предусматривается, как в заявленном способе, в процессе заплавления трещины формирование в окрестности ее вершины напряженного состояния, характеризующегося величиной коэффициента интенсивности К, меньшей критической величины вязкости разрушения К_rc.

Предлагаемый способ восстановления реализован следующим образом.

Образцы вырезались из головок железнодорожных рельсов, изготовленных из стали 75Г и имеющих продольные трещины глубиной до 3,5 мм и длиной 300-400 мм. Размеры образцов составляли 75х40х25 мм. Вырезка образцов осуществлялась таким образом, чтобы разница по глубине трещины по всей длине образца не превышала 0,15 мм. Перед обработкой глубина трещин оценивалась с торцов образца. "Залечивание" трещин проводилось с помощью лазерно-дугового источника с суммарной мощностью до 1,5 кВт.

В состав лазерно-дугового источника входили СО₂-лазер непрерывного действия с мощностью излучения Р0,5 кВт и сварочный пост ВСВУ-80 на ток J 80 А. Вольфрамовый электрод сварочной головки подводился к месту воздействия лазерного луча под углом 45^о к его оси. Диаметр электрода составлял 3 мм, зазор между ним и образцом 1 мм. Электрод был смещен относительно лазерного пятна на 1-2 мм. Электрод служил катодом, образец анодом.

В качестве плазмообразующего газа использовался аргон, расход которого составлял 0,13 л/с. Скорость перемещения образцов не превышала 5,5 мм/с. Подогрев образцов осуществлялся в муфельной печи ПМ-8 до температур 200, 300 и 400^оС. Образцы выдерживались при данной температуре в течение 1 ч. Качество лазерно-дуговой дорожки и наличие трещин анализировалось как с поверхности, так и с нескольких поперечных сечений образцов.

Для сравнивания результатов проводилась лазерно-дуговая обработка образцов без использования их подогрева. Результаты экспериментов по залечиванию трещин приведены в таблице.

Эксперименты показали, что при лазерно-дуговой обработке без подогрева образцов полностью "залечиваются" только трещины, глубина h_тркоторых не превышает 0,6 h_пл, где h_пл глубина оплавления.

При оплавлении трещин с глубиной более 0,6 h_пл отмечено их подрастание до глубины, превышающей h_пл (табл.). В результате этого заплавленной оказывается только верхняя часть трещины, аналогичная картина наблюдается при обработке трещин с глубиной h_тр > h_пл.

При обработке по предлагаемому способу, включающему оплавление трещины с использованием подогрева образца, глубина полностью "залечиваемых" трещин возрастает и приближается к глубине оплавления. При этом как видно из приведенных результатов использованные параметры воздействия лазерно-дугового источника на поверхность головки железнодорожного рельса с заданным исходным структурно напряженным состоянием обеспечивают полное заплавление трещин с глубиной, соизмеримой с глубиной проплавления, при отсутствии эффекта подрастания трещин лишь при подогреве до 300 и 400^оС. Подогрев до 200^оС приводит к увеличению глубины полностью "залечиваемых" трещин примерно до 0,8 h_пл. При оплавлении трещин с большей глубиной подогрев до 200^оС не позволяет избежать их подрастания до глубины, превышающей h_пл, и потому с использованием подогрева до 200^оС не удается полностью реализовать эффект полного "залечивания" трещин глубиной, большей 0,8 h_пл.

Полученные результаты указывают на то, что эффект полного "залечивания" трещин глубиной, не превышающей глубину проплавления, в отсутствии дополнительного их роста обусловлен использованием предлагаемого способа обработки трещин. При этом минимальная температура подогрева, при которой достигается эффект полного "залечивания" трещин глубиной, соизмеримой с глубиной проплавления, задается условием формирования в окрестности вершины трещины максимальной интенсивности напряжений, меньшей критической величины вязкости разрушения К_rc, и определяется исходным структурно напряженным состоянием поверхности обрабатываемого изделия, механическими характеристиками материала, геометрией трещины, параметрами воздействия источника с высокой плотностью энергии.

Дополнительным преимуществом предлагаемого способа является то, что подогрев при прочих равных условиях обработки ведет к возрастанию глубины зоны оплавления и тем самым способствует "залечиванию" более глубоких трещин.