способ удаления дефектов металла

Формула изобретения

Способ удаления дефекта металла, заключающийся в расплавлении дефектного участка концентрированным источником тепла с плотностью энергии в пределах (0,1 - 1,0) х 10⁶Вт/см² на глубину, превышающую глубину залегания дефекта, с изменением мощности источника от 0 до рабочего значения и обратно, отличающийся тем, что в процессе удаления дефекта в течение всего цикла источник тепла перемещают по траектории восьмилучевого растра с переменными частотой и амплитудой развертки, равными при полной мощности соответственно 180 - 190 Гц и 0,5 - 0,7 от требуемого размера литой зоны, а при нарастании и спаде мощности амплитуду и частоту развертки увеличивают в 1,2 - 1,6 раза, причем нагрев расплавляемой поверхности ведут с дополнительным прогревом периферийных участков литой зоны за счет замедления движения источника в конце каждого его перемещения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке металлов, в частности к способам исправления дефектов металла и сварного шва, преимущественно, изделий из алюминия и его сплавов, электронным лучом, и может быть использовано в энергетической, металлургической отраслях промышленности, а также в сварочной технологии.

Известен способ удаления дефектов сварного шва, преимущественно, электронным лучом, заключающийся в выполнении отверстия на дефектном участке с последующей установкой в него вставки, форма которой соответствует форме отверстия, ввариванием ее в отверстия путем проплавления на всю толщину свариваемого изделия с предварительным оплавлением выступающего участка вставки. (а.с. СССР N 727377, B 23 K 15/00, 15.04.80)

Недостатками способа являются его трудоемкость, ограниченность применения: способ используется для удаления только наружных дефектов типа "кратер". За счет развития свариваемых поверхностей удаление наружных дефектов способствует возникновению внутренних.

Наиболее близким к предполагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ, заключающийся в расплавлении дефектного участка металла концентрированным источником тепла с плотностью энергии в пределах (0,1 - 1,0)10⁶ Вт/см² на глубину, равную 1,3 - 1,5 от глубины залегания дефекта, при котором плотность энергии и мощность источника тепла изменяют в течение процесса удаления дефекта, причем мощность источника тепла в начале процесса плавно увеличивают от 0 до рабочего значения, выдерживают при рабочем значении, а затем,после всплытия дефекта на поверхность изделия плавно уменьшают от 0, а плотность энергии в начале процесса задают равной рабочему значению, а затем перед уменьшением мощности источника тепла плавно снижают до минимального значения. (а.с. СССР N 804335 B 23 P 6/00, 15.02.81).

Недостатком известного способа является его малая эффективность для изделий из алюминия и его сплава. Реализация способа приводит к возникновению вторичных дефектов и к окончательной выбраковке продукции.

Осуществление способа предопределяет получение точечных участков расплавления круглой формы. Как известно такая форма сварного шва создает повышенный уровень остаточных растягивающих напряжений в центральной части литой зоны, что особенно не желательно для алюминия и его сплавов, имеющих высокую степень усадки при кристаллизации. Негативное влияние растягивающих напряжений значительно усиливается в случае наличия дефицита металла в расплавляемом участке, возникающего, например, из-за выплесков при удалении газовых рыхлот. В результате чего поверхность расплавленного металла формируется с мениском. Реализация способа обеспечивается радиально неподвижным относительно расплавляемой поверхности источником тепла, что определяет минимальное перемешивание расплавленного металла, а при завершении процесса высокий градиент температур между периферийными участками литой зоны и ее центром, который кристаллизуется в последнюю очередь. При этом, естественно, все примеси, включения, окисные пленки, которые особенно характерны для алюминия и его сплавов, скапливаются в наиболее опасной центральной части литой зоны. Наличие инородных включений в сочетании с высоким уровнем остаточных растягивающих напряжений и неблагоприятной формой расплавленного участка способствуют образованию горячих трещин. Участки изделий, подвергнутые обработке по указанному способу, даже при отсутствии дефектов имеют пониженную работоспособность.

Задачей изобретения является повышение эффективности удаления дефектов в металле и работоспособности изделий.

Решение технической задачи достигается тем, что источник тепла в течение всего цикла перемещают по траектории восьмилучевого растра (восьми лучевой звезды) с переменными частотой и амплитудой развертки, равными при полной мощности соответственно 180 - 190 Гц, и 0,5 - 0,7 от требуемого размера литой зоны, а при нарастании и спаде мощности амплитуду и частоту развертки увеличивают например в 1,2 - 1,6 раза, причем нагрев расплавляемой поверхности ведут с дополнительным прогревом периферийных участков литой зоны за счет замедления движения источника в конце каждого его перемещения.

Указанная совокупность признаков является новой и обладает изобретательским уровнем и обеспечивает повышение эффективности предлагаемого решения по сравнению с прототипом, с одной стороны, за счет более равномерного нагрева и интенсивного перемещения практически всего объема расплавленного металла, что достигается сканированием источника тепла по направлениям 8-ми лучевого растра с переменными частотой и амплитудой развертки, равными при полном токе соответственно 180 - 190 Гц, и 0,5 - 0,7 от требуемого размера литой зоны. Таким образом, непосредственному воздействию источника тепла подвергается порядка 70 - 80% обрабатываемой поверхности. В результате чего обеспечивается всплытие внутренних дефектов (окисных пленок, включений) и их дробление с последующим выносом на периферию, а с другой стороны, - изменением условий кристаллизации металла, которые определяются формой расплавленного участка и периодическим воздействием уменьшающегося по мощности источника тепла на расплавленный металл. Уменьшение частоты сканирования ниже указанного диапазона приводит к образованию грубой наружной поверхности, которая не устраняется до конца процесса. Увеличение частоты ухудшает условия перемешивания металла и всплытия дефектов.

Перемещение источника тепла по направлениям восьмилучевого растра формирует зону расплавления в виде прямоугольника и снижает уровень остаточных напряжений в закристаллизовавшемся металле. Периодическое воздействие уменьшающегося в конце процесса по мощности источника тепла на расплавленный металл позволяет осуществлять его кристаллизацию тонкими слоями, что также препятствует образованию и развитию дефектов. Выбор амплитуды развертки, равной 0,5 - 0,7 от требуемого диаметра литой зоны при обработке полной мощностью обусловлен фактором частичного расплавления металла за счет теплопроводности. Увеличение этого соотношения приводит к выходу размеров литой зоны за допустимые пределы, уменьшение - к неполному удалению дефекта.

Увеличение амплитуды и частоты развертки в 1,2 - 1,6 в момент подъема и снижения мощности позволяет гарантированно провести дегазацию расплавляемого участка с учетом зоны термовлияния и совместно с замедлением движения источника в конце каждого его перемещения выполняет дополнительный ее подогрев, обеспечивая более равномерное охлаждение изделия и снижение остаточных напряжений.

Как уменьшение, так и увеличение этих соотношений частот повышает склонность к образованию в литом металле вторичных дефектов, отрицательно сказывается на формировании внешней поверхности литой зоны, на которой образуются мениски, подрезы.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана схема движения источника тепла по траектории восьмилучевого растра и его расположение относительно дефекта.

На фиг. 2 представлена циклограмма изменения величины тока источника во время обработки детали.

На фиг. 3 - внешний вид расплавленной поверхности металла после его кристаллизации и разрез зоны расплавления.

Способ реализуется следующим образом.

Изделие 1 с заранее определенным дефектом 2 помещается в зону воздействия источника тепла. Дефект может быть как внутренним (закат, пора и т. д. ), так и наружным (шлаковое включение, наружная пористость и т.д.). Источник тепла 3 сканирует поверхность изделия по траектории восьмилучевого растра (8-ми лучевой звезды) 4 фиг. 1 с переменной и амплитудной. Во время изменения мощности источника от нулевого значения до максимума частота и амплитуда развертки в 1,2 - 1,6 раза превышают используемые значения этих параметров при обработке полным током. Во время подъема мощности источника необходимо обеспечить максимальный нагрев изделия без оплавления ее наружной поверхности, чтобы расплавленный металл не мешал дегазации обрабатываемого металла. Для этого могут использоваться циклы обработки как с плавным, так и со ступенчатым нарастанием мощности фиг. 2. (зона А). После достижения током максимального значения частота и амплитуда развертки уменьшаются в 1,2 - 1,6 раза (зона Б). Величина амплитуды (В) фиг. 1 при этом должна гарантированно перекрывать размер удаляемого дефекта. Проплавление детали на требуемую глубину достигается за счет величины и длительности воздействия на нее источником тепла максимальной мощности. Во время плавления металл интенсивно перемешивается под воздействием источника тепла, в результате чего внутренние дефекты дробятся, всплывают на поверхность и оттесняются на периферию расплавленной зоны 5 фиг. 3. В начале перемещения источника от конца каждого из восьми лучей в обратном направлении движение его несколько замедляется, дополнительно подогревая граничные участки расплавленной зоны 6, которая приобретает форму, близкую к прямоугольной, фиг. 3. После удаления дефекта мощность источника плавно снижается до нуля (зона C) фиг. 2. Частота и амплитуда развертки при этом снова увеличиваются в 1,2 - 1,6 раза. Периодическое воздействие источника тепла на расплавленный металл во время снижения мощности способствует кристаллизации металла тонкими слоями в виде наложенных друг на друга чешуек 7, чем дополнительно гарантируется полное удаление дефектов из внутреннего объема металла и снижение вероятности образования трещин.

Пример конкретного выполнения. Деталь, имеющая форму диафрагмы, из сплава алюминия толщиной два миллиметра с жестко заделанными краями имеет в центре дефект в виде заката. После соответствующей подготовки поверхности (обезжиривание, мехобработка) диафрагма помещается в камеру электронно-лучевой установки таким образом, чтобы дефект находился на оси электронно-лучевой пушки. Деталь остается неподвижной, ток луча при ускоряющем напряжении 30 кВ по заданной программе начинает увеличиваться от нулевого значения. Одновременно луч перемещается по траектории восьмилучевого растра. После достижения током луча величины 20 мА осуществляется прогрев места расположения дефекта в течение 0,8 с. При этом амплитуда развертки луча составляет 4 мм. После окончания прогрева ток луча увеличивается до максимального значения (50 мА). Одновременно с этим частота сканирования луча снижается до 180 Гц, а амплитуда развертки до 3 мм. Расплавление детали на требуемую глубину осуществляется за счет энергии и теплопроводности металла. В результате интенсивного перемешивания жидкого металла в течение времени обработки детали полным током (0,9 с) окисные пленки и другие дефекты дробятся и всплывают на поверхность, после чего мощность луча плавно снижается до нуля. С началом уменьшения тока луча частота его развертки и размах амплитуды увеличивается до 230 Гц. Окисные включения за счет многократного воздействия луча оттесняются на периферию. Кристаллизация металла идет равномерными тонкими слоями. При достижении лучом нулевого значения мощности процесс заканчивается.