Способ термической обработки изделий

 

Изобретение относится к термической обработке стали с помощью концентрированных источников энергии, конкретно лазерного излучения, и может быть использовано в машиностроении при изготовлении тонкостенных труб и листов. Цель изобретения - улучшение качества путем увеличения пределов текучести и временного сопротивления разрыву материала изделия. Способ включает нанесение с помощью лазерного излучения упрочненных дорожек с двух сторон заготовки, причем дорожки наносят в виде сетки с шагом 2-3 мм и ориентируют их под углом 40-50° к оси нагружения. 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)5 С 21 0 1/09

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

<, <ф -" . -. с< " ! .-, с

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

llO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ П.(НТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (, .1) 46- <0785/3 1-0? (22) 20.01.89 (4t )» 3. 12.90, LIMNI. Е<- 46 (71) . Iе»п»нградс кий пол»»теxttrt te< art!1» и» < с а»» т у т t t t » . t T . È . Iia.-t4

Поверь:»в»<.ть, 1983, h< 9, с . 124—

131.

»,54) СЦОСо<1 Т1:Р",(11

11з обретение относ»ггс я к области термической обраоотки саал», с помо»<пью концеttòpèpî:çëíø„õ ист<в»»»»»ков э»»оргии, ко»п рстнее лазерного пзлучс пия, и может бьггь Itcltn.

;гагсинос тро<»л»и при иэготot»

Суг»ность»»зобрете»п»я заключается в том, что в известном способе лазерной обработки, включающем <.озда»сие на поверхности детали упро ;Itettttbtx дор ожек, лаз ер ное обл уч е»»и с r;p ои зводят с двух сторон листа (или ло внутренней Ir внеьаней поверх»»ост»» трубы), нанося пор, жки упрочне»н»я в виде сетки

„„Я0„„1613497 А 1 (57) 11э обретение от носится к термической обработке стали с помощ<ью концентрированных источников энергии, конкрет»»о лазерного излучения, и можс т быть»»спользовано в»»а»динострое»ньн при изготовлении тонкостенных труб и листов. 1(ель изобретения улучыение качества путем увеличения пределов текучести и временного сопротивления разрыву материала изделия. Способ включает нанесение с помощью лазерного излучения упрочненных дорожек с двух сторон заготовки, причем дорожки наносят в виде сетки с щагом 2-3 мм и ориентируют их под о углом 40 — 50 к оси нагр »<ения.

1 табл . с иагом 2-3 мм, при этом упрочненные зоны (дорожки) ориентируют под углом

40 — 50 к оси нагр ужения °

Эффект упрочнения, увеличения жесткости и энергоемкости в обработанных деталях (заготовок) обеспечивается эа счет создания в облучаемом металле упрочненных зон, имеющих малые радиусы в поперечнике и весьма протяженных в длину, ар а»р ующих благодаря двухстороннему облучению весь объем детали. В результате такой обработки деталь ведет себя под нагрузкой как композиционный материал, имеющий пластическую матрицу и армированH!..IH твердыми выс окопр оч нь»ь»и волокнами. Это подтверждается анализом микроструктуры и качественным совпадением кривых растяжения образцов, обра1613497 ботанных по данному способу, и типичных кривых растяжения однонаправ:1е13— ных волокнистых композитов, а та 3 .æñ композитов, армированных по схеме с етки . Собственно эффект ар мир ова ния обусловлен возникновением нолокногидных объемов металла, закаленных лазерным излучением и, следовательно, обладающих уровнем, в 2-2, 5 раза превосходя131им соответствующие покаэате1и для незакаленной матрицы. Н; иболее эффективной и универсальной схемой расположения упрочненных зон на поверхности обрабатываемой детали является сетка.

Поскольку поведение под нагрузкой армированной лазернь1м излучением стали сильно зависит от вида эпюры напряжений, возникающих на границе раздела (фактически в переходной зоне) мсжду закаленной зоной и основным металлом. В этой связи необходимо, чтобы упр оч няющее вол окно (за каленная дорожка) имело в поперечном сечении округлую форму, так как при этом об еспечи ваетс я минимальная конце нтр ац31я напряжений на границе раздела волокно — матрица и тем самым увеличивается деформационная способность и долговечность металла.

Существенно, что влияние ориентированности волокна (упрочненной дорожки) и формы поперечного сечения волокна на механические свойства являются практическими проявлениями теории композиционных материалов и в этом смысле выступают как существенные отличительные признаки предлагаемой т ехнол or ии .

Ограничение в применении данного способа (до толщины 12-14 мм) вызвано тем, что практически осуществимая глубина лазерного воздействия около

3 мм. В условиях двухсторонней обработки 2хЗ = 6 мм, т.е. 40-507 сече13ия заг от овки р еал ьно п ер екр ыва емог о упрочненными зонами, обеспечивается возможность достижения оптимальной объемной доли упрочняющего волокна (Ч ), составляющей 10-307. Пирина диапазона оптимальной объемной зоны (10-307) зависит от задаваемого уровня механических свойств. Так, при

VT (107. (6, 57) прирост прочностных свойств 4-5%, а при V< >307 (37%) при высоких значениях прочности резко снижается деформационная способность

7-9%. Поэтому под оптимальным диапаческих свойств от направле13ия волок35 на. При его ориентировке вне указанного интервала снижается эффектив13ый вклад в сопротивление деформированию

50 дпр Ожек, обра зующих сетку. Это равносильно уменьшению V .

40 Указанные признаки предлОженнОгО способа являются существенными, так как известные способы лазерной обработки имеют целью изменения свойств поверхности изделия, в частности из45 носостойкости, в то время как в предложенном способе лазерной обработки осуществляется армирование упрочненными зонами объема иэделия, в результате чего возрастают сопротив50 ления пластической деформации, прочность и энергоемкость металла.

Пример ы. Проводилась лазер— ная обработка листов из стали Ст.3 толщиной 3 мм. С обеих сторон листа наносился рисунок из дорожек упрочнения в гиде сетки с шагом 2 0; 2,6;

2,7; 2,8; 3,0 мм. После чего из листа вырезали образцы для испытаний на растяжение таким образом, что угол

30 3 оНоМ и 3ые н(. . Ии я объс мной дОли $1113 Î÷

33яюя1его нопокна подра.3умс 33ается та— кой и и Гс Рн l. . 313 l ÷с llll l< Vy, иРи кото— ром предел тскучести обработанного материала но Ip;Icx.l cI. Нс менее чем на

307., а пластичность уменьшается не более чем на 257. по сравнению с номиналом. Регулирование объемной доли осуществи яетс я изменением шага се ки (размером ее ячейки), в частности 1» Данном способе шаг 31иний обра Зующ31х сетку 2-3 мм (ио терминологии, принятой в ла Зерной технологии, коэффиц33ент перекрытия К = 3-4) . и

При шаге сетки меньшем 2 мм при усло33ии сохранения octBJIbHMx параметр ов обработки эффективность ее замет но с 1331жа ется: пр ел ел текучести возрастает не более чем на 10-207. от номинал» . Лналоги 1ная картина наблюдается в случае, если шаг сетки превышает 3 мм. Неэйфективность обработки при величине шага сетки меньшей 2 мм или большей 3 мм обусловлена отклонением значений объемной доли упрочняющего волокна (Vg) от оптимального уровня соответственно в меньшую или большую сторону.

Необходимость ориентировать упрочненные дорожки под углом 40-50 относительно оси нагружения вызвана резкой зависимостью конечных механи5 161 между пролольн<>й осью образца и упрочняющими дорожками одного из взаимно перпендикулярных направлений (любого) составил 41, 44, 46, 49, 50

Режим обработки P = 1, 1 кВт, диаметр луча d = 1 мм, скорость перемещения луча относительно образца V u

5 мм/с. Поверхность листа покрыва— лась желтой гуашью. После нанесения одной дорожки давали выдержку для полного охлаждения листа в зоне обработки. Образцы испытывались на машине типа Р5. Результаты испытаний сведены в таблице. Приводятся средние значения, полученные при испытаниях 4 образцов на режим.

3497 6 немодульной жесткости заготовки. Воэможность применения предложенного способа лазерной обработки для упрочнения крупногабаритных заготовок и

5 иэделий сложной формы, для которых применение термической обработки невозможно в связи с их размерами, либо химическим составом, либо короблением, а также, возможность выполнения сварочных операций при монтаже конструкции из заготовок, прошедших предварительную лазерную обработку.

Способ термической обработки иэделий, преимущественно тонкостенных труб и листов из низкоуглеродистых

20 сталей, подвергаемых механическому нагружению, включающий нагрев поверхности лучом лазера с созданием закаленных дорожек заданной формы и расположенных под заданным углом к

25 оси нагружения, о т л и ч а ю щ и йс я тем,. что, с целью улучшения качества путем увеличения пределов текучести и временного сопротивления разрыву материала изделия, закален3р ные дорожки создают с обеих сторон поверхности изделия в виде сетки с шагом 2,0-3,0 мм и распапагают под углом 40-50< к оси нагружения изделия .

Использование способа лазерной обработки тонкостенных труб и листов иэ низкоуглеродистой стали обеспечи— вает следующие преимущества. В соответствии с результатами проведенных испытаний лазерная обработка листов по предложенному способу приводит к возрастанию на 38 предела текучести (5 2 ) на 23 временного сопротивления разрыву (Q ), т.е. к повышению прочностных свойств при одновременном снижении относительного удлинения (g) на 14%. Возрастание энергоемкости (работы разрушения) обработанной ста— ли, что установлено планиметрированием кривых растяжения. Увеличение о,г ° в кгс/мм кгс/мм пл ощад ь диагр. растяж. параметры излучения ориент. шаг дорож., с е тки, град . мм

510

29,2 46,0

Без обработки

P = 1,1 кйт;

6<9(6 И

5 мм/с

23 579

24 571

24 574

26 526

26, 5 569

24 584

44 2,8 39,9 55,8

41 28 38 2 528

50 2, 7 38,9 51,9

49 3,0 36,1 48,7

46 2,0 3861 49, 1

46 26 402 56 1

4

6

1МПрирост Ц„ на 37%; g3 на 22 . рирост G02 на 38%; 5в на 23

h"Ô Варианты обработки

Фор мула из обретения

Механические свойства