СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗНОШЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ШЕЕК ОСЕЙ ВАГОННЫХ КОЛЕСНЫХ ПАР ПУТЕМ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ Российский патент 1998 года по МПК B23K26/00 B23P6/00 

Изобретение относится к способам восстановления изношенных поверхностей деталей на железнодорожном и автомобильном транспорте, в частности восстановления изношенных шеек осей вагонных колесных пар, и может быть использовано при восстановлении изношенных шеек подъемно-транспортного оборудования и машин.

В современной технике находят все более широкое применение стали и сплавы с повышенным содержанием углерода. Ремонт деталей из этих материалов может осуществляться наплавкой в среде защитных газов или мягкой плазменной дугой.

Наплавка в среде защитных газов заключается в том, что дуга горит в струе защитного газа, последний вытесняет воздух из зоны горения и участка жидкого металла и тем самым защищает расплавленный металл от кислорода и азота воздуха [1].

Вместе с тем, наплавка сталей с повышенным содержанием углерода обычно производится с предварительным подогревом наплавленной детали. В противном случае возможна закалка в зоне термического влияния, что приводит к возникновению трещин и ухудшает обрабатываемость металла режущим инструментом.

Кроме того, перегрев приводит к появлению фазовой структурной неоднородности металла в зоне сварки, росту зерна и снижению усталостной прочности и коррозионной стойкости сварных соединений.

В последние годы технология наплавки изнашиваемых деталей горячих насосов типа КВН осуществляется "мягкой" плазменной дугой прямого действия [2].

Данный способ состоит в том, что между вольфрамовым электродом плазменной горелки и изделием образуется сжатая дуга прямого действия. Присадочный пруток подается под углом 80-90^o к оси дуги непосредственно в анодное пятно. Присадочный пруток не соединен с электрической цепью, однако при соприкосновении с изделием дуга перебрасывается на его торец и расплавляет его. В дальнейшем при перемещении детали, при равномерной подаче прутка между ним и сварочной ванной образуется постоянная жидкая перемычка расплавленного валика, минуя стадию капли, и обеспечивает минимальное проплавление основного металла. Однако для предотвращения дефектов в наплавленном слое необходимо производить предварительную шлифовку и тщательное обезжиривание прутков и направленной поверхности детали. Кроме того, применение дорогих материалов, например стеллита ВЗК, значительно увеличивает стоимость процесса плазменной наплавки.

В связи с развитием лазерной техники, все большее применение находит использование наплавки с помощью лазера [2].

Способ лазерной наплавки заключается в получении наплавки принудительной подачей через сопло порошкового присадочного материала непосредственно в зону взаимодействия луча с поверхностью восстанавливаемой детали.

Лазерный источник энергии создает высокую концентрацию энергии в зоне лазерного луча при минимальной поверхности нагрева деталей, благодаря чему обеспечивается высокая скорость наплавки, получение швов (валиков) с минимальной зоной расплавленного металла (в 5-15 раз меньшей чем при дуговой сварке в среде защитных газов). Кроме того, требуется меньшее количество тепла, снижается в несколько раз деформация деталей, следовательно, и требования к термообработке. Появляется возможность осуществить наплавку соединений, металл которых при обычных методах наплавки претерпевает значительные структурные изменения [4].

Первые результаты промышленного применения лазерной наплавки получены в ремонтном производстве при восстановлении большой группы ответственных деталей. Технологические процессы восстановления разработаны с учетом специфики ремонтных предприятий и включают в себя всего четыре операции: обезвоживание, нанесение порошкового материал, оплавление и шлифование - прототип [4].

Однако, как показали проведенные исследования, при данном способе не учитываются неравномерность износа поверхности шеек осей выгонных колесных пар, условия подачи в зону наплавки порошкового присадочного материала, не найдены режимы наплавки и условия наложения наплавляемых валиков шеек осей вагонных колесных пар.

Технической задачей является повышение износостойкости восстанавливаемой поверхности.

Это достигается тем, что в способе восстановления изношенных поверхностей шеек осей вагонных колесных пар путем лазерной наплавки, при котором изношенную поверхность шейки оси обезжиривают, подвергают механической обработке и затем осуществляют лазерную наплавку и шлифование, основной металл шейки оси термостатируют при температуре не менее 15^oC, а наплавочный материал прокаливают при температуре 300-350^oC в течение 30-35 мин, затем производят лазерную наплавку в следующем режиме: мощность лазера не менее 1,5 кВт при диаметре лазерного излучения не менее 1,5 мм, при подаче порошка со скоростью от 0,1 г/с и более, угол наклона сопла 35-45^o к вертикальной оси луча лазера наложение валиков друг на друга осуществляется с коэффициентом перекрытия 0,5-0,7 с последующей их термообработкой.

Кроме того, шейку оси обтачивают на глубину не более высоты валика лазерной наплавки.

Термообработка шеек после наплавки производится по режиму:
- нагрев шейки до 580±15^oC;
- выдержка шеек осей в нагревательном устройстве при этой температуре не менее 10 мин.;
- охлаждение шеек осей на спокойном воздухе.

Способ восстановления изношенных поверхностей шеек осей вагонных колесных пар, характеризуемый указанной совокупностью операцией и режимов, обеспечивает получение необходимой структуры наплавленного и околошовного материала, исключающей образование трещин и обладающей высокой износостойкостью.

Применение наплавочного материала обеспечивает более равномерные температурные условия наплавки и снижение концентрации температурных напряжений на шейки оси вагонных колесных пар и околошовной зоне.

Выбор наплавочного порошка и режимов наплавки позволяет при неглубоком проплавлении основного металла регулировать химический состав наплавляемого металла, обеспечить формирование необходимых прочностных свойств наплавки.

Охлаждение и термическая обработка после наплавки способствует формированию износостойкой структуры металла на восстанавливаемом участке.

Способ восстановления шеек осей вагонных колесных пар осуществляется следующим образом.

Поверхность шейки оси очищают от грязи, окислов и адсорбированных пленок. Затем протачивают шейки оси, чтобы неравномерность износа составила не более высоты валика лазерной наплавки.

Порошковый наплавочный материал подбирают таким образом, чтобы его химический состав был близок к химическому составу основного металла. Твердость наплавленного металла должна быть близка к твердости металла собственно шейки.

Другим критерием отбора является параметра плавления порошка, который выражается отношением количества теплоты (энергии), необходимой для расплавления единицы, объема материала ко времени пребывания объема порошка в зоне наплавки.

Порошок перед наплавкой для удаления влаги прокаливают при 300-350^oC в течение 30-35 мин, после чего просеивают.

Перед осуществлением лазерной наплавки материал шейки оси термостатируют при 15^oC, затем устанавливают скорость вращения и перемещения луча вдоль оси вращения оси вагонного колеса. Подача порошка в зону наплавки осуществляется при помощи порошкового питателя, со скоростью подачи от 0,1 г/с и более, угол наклона сопла 35-45^o к вертикальной оси луча лазера, наложение валиков друг на друга осуществляется с коэффициентом перекрытия 0,5-0,7.

Все порошки в зависимости от химического состава имеют свою удельную теплоту плавления, так, например, удельная теплота плавления порошка повышается с увеличением содержания в нем Cr или B. В нашем случае снижено содержание B, что позволило снизить удельную температуру плавления порошка и обеспечить плавление порошка в зоне действия лазерного луча со скоростью 0,1 г/с. Значение скорости 0,1 г/с было получено эмпирическим путем в результате проведения более 100 наплавок.

Наплавка производится лазером мощностью не менее 1,5 кВт, диаметром пятна лазерного излучения не менее 1,5 мм. После оплавления порошка на шейке оси образуется наплавочный валик. Для получения широких наплавочных поверхностей на деталях процесс необходимо проводить с перекрытием валиков. Коэффициент перекрытия выбирают по формуле
K = (D-A)/D,
где
K - коэффициент перекрытия;
D - диаметр пятна луча лазера, равный величине "B" - ширине валика;
A - шаг наплавки валиков.

В случае необходимости увеличения толщины наплавляемого слоя процесс наплавки детали повторяется до достижения требуемой величины. После каждого наплавления поверхность шейки очищают и обезжиривают, после чего проведя контроль качества наплавленного слоя на поверхность шейки оси, поверхность подвергают термической обработке.

Восстановление шеек осей вагонных колесных пар описанным способом было осуществлено в депо Иркутск-Сортировочный Восточно-Сибирской железной дороги.

По результатам исследования образцов шеек осей вагонных колесных пар, поверхность которых была восстановлена описанным способом лазерной наплавки, были сделаны следующие выводы:
- лазерная наплавка осей, предназначенных для посадки подшипников, обеспечивает получение однородного наплавленного слоя с мелкозернистой структурой без видимых дефектов;
- твердость наплавленного металла практически соответствует твердости металла собственно шейки оси.

Восстановление шеек вагонных колесных пар описанным способом подтвердило работоспособность и эффективность данного способа, реализация которого позволит решить проблему обеспечения вагонов осями колесных пар за счет их восстановления и удлинения срока их службы.

Список использованной литературы
1. Грохольский Н.Ф. Восстановление деталей машин и механизмом сваркой и наплавкой. Машгиз, 1962, с.274
2. Кудрявцев В.М. и Еремеев В.Б. Применение наплавки при восстановлении и изготовлении деталей оборудования и машин нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, тематический обзор. М.: ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ, 1987, с. 64.

3. Рубцов А. А. Техническое перевооружение заводов по ремонту железнодорожного подвижного состава. М.: Транспорт, 1991.

4. Технологическая инструкция по восстановлению деталей вагонного хозяйства с применением лазерной техники. Иркутск: Управление Восточно-Сибирской железной дороги, 1992.

Использование: для повышения износостойкости восстанавливаемой поверхности шеек осей вагонных колес. При способе восстановления изношенных поверхностей шеек осей вагонных колес изношенные поверхности шеек осей обесжиривают, подвергают механической обработке, затем осуществляют лазерную наплавку и шлифование. Основной металл шейки оси термостатируют при температуре не менее 15^oС, а наплавочный материал прокаливают при температуре 300-350^oC в течение 30-35 мин, затем производят лазерную наплавку в следующем режиме: мощность лазера не менее 1,5 кВт при диаметре лазерного излучения не менее 1,5 мм, при подаче порошка со скоростью от 0,1 г/с и более, угол наклона сопла 35-45^o к вертикальной оси луча лазера, наложение валиков друг на друга осуществляется с коэффициентом перекрытия 0,5 - 0,7 с последующей их термообработкой. Шейку оси обтачивают на глубину не более высоты валика лазерной наплавки. Термообработка шеек после наплавки производится по режиму: нагрев шейки до 580 ± 15^oС; выдержка шеек осей в нагревательном устройстве при этой температуре не менее 10 мин; охлаждение шеек осей на спокойном воздухе. 4 з.п.ф-лы.

1. Способ восстановления изношенных поверхностей шеек осей вагонных колесных пар путем лазерной наплавки, при котором изношенную поверхность шейки оси обезжиривают, подвергают механической обработке, затем осуществляют лазерную наплавку с подачей наплавочного порошка через сопло и шлифование, отличающийся тем, что металл шейки перед наплавкой термостатируют, а наплавочный порошок прокаливают, затем производят лазерную наплавку в следующем режиме: мощность лазера не менее 1,5 кВт при диаметре лазерного луча не менее 1,5 мм и подаче порошка со скоростью от 0,1 г/с и более, угол наклона сопла относительно вертикальной оси луча лазера 35 - 45^o, причем при наплавке наложение валиков друг на друга осуществляют с коэффициентом перекрытия 0,5 - 0,7, после чего осуществляют термообработку. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при механической обработке шейку оси обтачивают на глубину не более высоты валика лазерной наплавки. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что металл оси термостатируют при температуре не менее 15^oС, а наплавочный порошок прокаливают при 300 - 350^oС в течение 30 - 35 мин. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что наплавочный порошок подбирают по параметру плавления порошка, выражаемому отношением теплоты, необходимой для расплавления единицы объема металла, ко времени пребывания объема порошка в зоне наплавки. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработку шеек осей после наплавки осуществляют путем нагрева шейки до 580 ± 15^oС, выдержки шейки оси в нагревательном устройстве при указанной температуре в течение времени не менее 10 мин и последующего охлаждения на воздухе.