СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ НАПЛАВКИ Российский патент 2003 года по МПК B23K15/00 B23K9/04 

Изобретение относится к области наплавки, а именно к способам электронно-лучевой наплавки плоских и цилиндрических поверхностей, и может быть использовано для изготовления новых и восстановления с одновременным упрочнением изношенных деталей типа вал, ось, плунжер, шток, ножи для рубки, резки и грануляции материалов и т.д.

Известен способ электронно-лучевой наплавки (Щенников Д.В., Качалов В.М. Электронно-лучевая наплавка металлов // Сварочное, производство, 1984, 3, с. 16-17), при котором на поверхности обрабатываемого изделия создают зону оплавления с помощью электронного луча и подают в эту зону расходуемый материал в виде проволоки или ленты.

Недостатком этого способа является то, что использование проволоки и ленты из нелегированных или низколегированных материалов не позволяет решить проблем упрочнения изделий, а также трудности, связанные с подачей проволоки и ленты из высоколегированных сплавов, обладающих низкой пластичностью.

Известен способ электронно-лучевой наплавки тел вращения (Материалы XI Всесоюзной научно-технической конференции по электронно-лучевой сварке. - Л. : Судостроение, 1991, с.58-59), при котором на поверхности тела вращения создают зону оплавления с помощью электронного луча, развернутого в линию по участку образующей, подают порошковый материал в зону оплавления и придают обрабатываемому изделию вращательно-поступательное перемещение.

Недостатком указанного способа является нерациональное использование порошкового материала и энергии электронного луча.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является способ электронно-лучевой наплавки (патент РФ 2156321, кл. 7 С 23 С 24/10, 1997), при котором на поверхности наплавляемого изделия создают зону расплава электронным лучом с линейной разверткой в виде нескольких параллельных линий, наплавляемый материал подают в зону расплава, а наплавляемому изделию сообщают перемещение, при этом наплавляемый порошковый материал подают в промежуток между линиями развертки, а порошковому материалу сообщают направление подачи, перпендикулярное относительно перемещения наплавляемого изделия.

Недостатком данного известного способа является то, что при формировании наплавки из порошкового материала дисперсного состава (до 40 мкм) и особенно легких сплавов, в частности, на основе алюминия, часть порошка разлетается под действием электростатических сил, возникающих вследствие заряда порошинок рассеянными и отраженными электронами, и реактивных сил, возникающих в результате разрыва прочной окисной оболочки (пленки) частиц порошка вследствие роста внутреннего давления из-за разогрева и расширения материала частиц при их попадании под электронный пучок. В результате этого снижаются производительность и экономичность процесса наплавки.

Основной технической задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности и экономичности способа электронно-лучевой наплавки вследствие повышения коэффициента использования наплавляемого материала при улучшении качества наплавляемого слоя на поверхности изделия.

Поставленная задача достигается тем, что в способе электронно-лучевой наплавки на поверхности наплавляемого изделия создают зону расплава электронным лучом, наплавляемый порошковый материал подают в зону расплава, наплавляемому изделию сообщают перемещение, а наплавляемому порошковому материалу сообщают направление подачи, перпендикулярное относительно перемещения наплавляемого изделия.

Новым является то, что одновременно с наплавляемым порошковым материалом в направлении перемещения изделия подают наплавочный материал в виде проволоки или ленты на расстоянии по вертикали от наплавляемой поверхности в зону прохождения электронного луча с плотностью энергии, достаточной для плавления материала.

Оптимальным является подача наплавочного материала на расстоянии не менее 1 см по вертикали.

При этом в зависимости от решаемых задач по защите изделий от износа, упрочнению и восстановлению изношенных поверхностей наплавочный материал в виде проволоки или ленты может быть выполнен из металла или сплава, соответствующего материалу наплавляемого изделия, а порошковый материал из того же сплава или сплава, содержащего легирующие элементы.

Одновременная с порошковым материалом подача наплавочного материала в направлении перемещения изделия на расстоянии не менее 1 см по вертикали от наплавляемой поверхности в зону прохождения электронного луча с плотностью энергии, достаточной для плавления материала, повышает производительность и экономичность предложенного способа электронно-лучевой наплавки вследствие повышения коэффициента использования наплавляемого материала, т.к. позволяет полностью предотвратить разлет легких порошковых материалов, покрытых прочной окисной пленкой.

Диапазон расстояний не менее 1 см между поверхностью наплавляемого изделия и подаваемой наплавочной проволокой или лентой объясняется следующими обстоятельствами:
- во-первых, при использовании такого диапазона обеспечивается одновременный прогрев поверхности наплавляемого изделия до высоких температур, ее очистка и создание так называемой ювенильной ("абсолютно чистой") поверхности с подготовкой материала (путем перевода атомов этой поверхности в сильно возбужденное состояние) и взаимодействию с наплавляемым материалом, а также расплавление наплавочного материала (порошкового, проволоки или ленты);
- во-вторых, при использовании указанного диапазона обеспечивается высокая скорость подачи наплавочного материала (проволоки или ленты), его интенсивное и полное расплавление с образованием однородных по размеру капель. При этом реализуются условия попадания капель расплавленного наплавляемого материала в жидкую ванну расплава, образованную на поверхности наплавляемого изделия из ранее наплавленной проволоки или ленты и порошка, без разбрызгивания, что значительно снижает потери материала;
- в-третьих, при указанном диапазоне исключается необходимость строгого регулирования зазора между поверхностью наплавляемого изделия и торцом проволоки или ленты при нарастании слоев наплавляемого материала (покрытия), что позволяет наносить покрытия большой толщины (до 10 мм), например, из алюминиевых (силуминовых) сплавов, однородные по строению с плотной дисперсной структурой и высокими физико-механическими свойствами (прочность при растяжении и изгибе, твердость и др.) и эксплуатационными свойствами (износостойкость, антифрикционность, ударная вязкость и т.д.).

При использовании расстояния ниже указанного диапазона не будет обеспечиваться высокая скорость подачи наплавочного материала вследствие недостаточности зазора между поверхностью наплавляемого изделия и торцом проволоки или ленты и невозможности нанесения покрытия большой толщины, а также сложности технической реализации.

Верхняя граница указанного расстояния определяется плотностью энергии электронного луча, создающего зону расплава.

Способ электронно-лучевой наплавки реализован на базе сварочной электронно-лучевой установки ЭЛУ-5, дополнительно оборудованной устройством подачи проволоки, порошковым питателем и блоком развертки луча.

Для наплавки используется промышленно выпускаемая алюминиевая проволока и порошковые материалы из алюминиевых сплавов СвАК-5, СвАК10, СвАК12, СвАМг6, СвАМг7, а также материалы, содержащие Si, Mg, Cu, Ni, Mn. Наплавка происходит путем подачи проволоки в зону прохождения электронного луча на расстоянии не менее 1 см по вертикали от поверхности зоны расплава и подачи порошкового материала с помощью порошкового питателя в зону расплава, создаваемую электронным лучом из материалов изделия и проволоки.

Производилась наплавка поршней из сплава АЛ-25. Проведенные физико-механические испытания наплавленных изделий показали, что использование предложенного способа позволяет при сохранении значений твердости, плотности и прочности покрытий повысить на 15-20% коэффициент использования порошкового материала и на 30-40% производительность процесса наплавки изделий.

Таким образом, предлагаемый способ электронно-лучевой наплавки повышает производительность и экономичность предложенного способа электронно-лучевой наплавки вследствие повышения коэффициента использования наплавочного материала при улучшении качества наплавляемого слоя на поверхности изделия.

Изобретение относится к сварке и наплавке и может найти применение при изготовлении новых деталей и восстановлении с одновременным упрочнением изношенных деталей типа вал, ось, плунжер, ножи для рубки и грануляции материалов. На поверхности наплавляемого изделия создают зону расплава электронным лучом. Одновременно с наплавляемым порошковым материалом в направлении перемещения изделия подают наплавочный материал в виде проволоки или ленты на расстоянии по вертикали от наплавляемой поверхности в зону прохождения электронного луча с плотностью энергии, достаточной для плавления материала. При этом наплавочный материал может быть выполнен из металла или сплава, соответствующего материалу наплавляемого изделия. Порошковый материал содержит легирующие элементы. Такая технология позволяет повысить производительность и экономичность способа наплавки, а также повысить коэффициент использования наплавляемого материала при одновременном улучшении качества наплавленного слоя. 3 з.п.ф-лы.

1. Способ электронно-лучевой наплавки, при котором на поверхности наплавляемого изделия создают зону расплава электронным лучом, наплавляемый порошковый материал подают в зону расплава, наплавляемому изделию сообщают перемещение, а наплавляемому порошковому материалу сообщают направление подачи, перпендикулярное относительно перемещения наплавляемого изделия, отличающийся тем, что одновременно с наплавляемым порошковым материалом в направлении перемещения изделия подают наплавочный материал в виде проволоки или ленты на расстоянии по вертикали от наплавляемой поверхности в зону прохождения электронного луча с плотностью энергии, достаточной для плавления материала.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наплавочный материал в виде проволоки или ленты подают на расстоянии не менее 1 см по вертикали.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что наплавочный материал в виде проволоки или ленты выполнен из металла или сплава, соответствующего материалу наплавляемого изделия.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что порошковый материал содержит легирующие элементы.