СПОСОБ ИСПРАВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ НА ДЕТАЛЯХ Российский патент 2009 года по МПК B23P6/04 B23K1/19 

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано для исправления дефектов на тонкостенных деталях из высоколегированных жаропрочных сплавов.

Известно, что при сварке жаропрочных сплавов возникают трудности, связанные с образованием трещин в сварном соединении как при сварке, так и при термообработке. Основными факторами, влияющими на образование трещин, являются высокий уровень и темп нарастания напряжений в сварном соединении, а также низкая релаксационная стойкость и деформационная способность жаропрочных сплавов при высокой температуре (в температурном интервале хрупкости). Особенно это касается литейных жаропрочных никелевых сплавов, содержащих 50 и более процентов упрочняющей γ'-фазы (Ni₃Al, Ti), например, сплавов типа ЖС6, ВЖЛ12, ЧС88 и пр.

Известен способ исправления металлургических дефектов на фасонных отливках из жаропрочного сплава ЖСЗ-ДК, включающий сквозную разделку дефектов с максимальным диаметром разделки не более 5,0 мм и аргонодуговую заварку дефектов на детали в закаленном состоянии сварочной проволокой Св-06Х20Н57М8В8Т3Р (ЭП533) с последующей термообработкой детали (Технологическая рекомендация ТР 1.2.431-84. Исправление металлургических дефектов на тонкостенных фасонных отливках из сплава ЖСЗ-ДК аргонодуговой сваркой, М.ВИАМ, 1984).

Недостатком этого способа является ограниченность размеров исправляемых дефектов и возможность образования трещин в зоне сплавления и околошовной зоне за счет значительных термических напряжений в малопластичном основном металле и зоне сплавления при прямом воздействии сварочной дуги. Повысив пластичность металла в зоне сплавления, можно уменьшить вероятность появления трещин.

Известен способ сварки или наплавки тонкостенных деталей из жаропрочных высоколегированных сплавов в среде защитных газов неплавящимся электродом с подачей присадочной проволоки, в котором перед сваркой или наплавкой на поверхность дефекта наносят пластичное покрытие из близкого по химическому составу основного сплава с температурным интервалом хрупкости ниже температурного интервала хрупкости основного металла. Покрытие наносят толщиной от 0,1 до 1,0 мм с перекрытием наплавляемой поверхности детали не менее 10,0 мм (патент РФ №2146988, кл. В 23К 9/167, опубл. 27.03.2000).

Недостатком данного способа является возможность появления несплавлений и трещин из-за неравномерного слоя пластичного покрытия, поскольку не все поверхности разделки дефекта расположены одинаково к фронту напыления при любых способах напыления, что приводит к неравномерному распределению пластичного покрытия по поверхности и, кроме того, может привести к неравномерной адгезии покрытия и его отколам от основного сплава.

Известен способ ремонта лопаток турбины сваркой с помощью материала положки из тугоплавких металлов (ниобий, тантал, молибден, вольфрам), точка плавления которых выше точки плавления никеля и его сплавов (патент US №6742698, кл. В 23Р 6/04, опубл. 11.12.2003).

Способ предназначен для ремонта лопаток турбины с внутренними полостями. В этом случае тугоплавкие металлы служат подложкой, которая предотвращает попадание присадочного металла во внутренние охлаждающие полости лопатки, поскольку подложка не расплавляется.

Недостатком данного способа является невозможность полного исключения трещин в сварном соединении, поскольку тугоплавкие металлы при сварочном нагреве в среде защитных газов подвержены растрескиванию, особенно при случайных нарушениях защиты, что инициирует распространение трещин в сварное соединение.

Наиболее близким к заявленному является способ исправления дефектов на отливках из жаропрочных сплавов на никелевой основе, заключающийся в выявлении дефектных участков, их механической выборке чашеобразной формы, в которой располагают мерную пластинку из сплава, близкого по химическому составу к основному металлу, с последующим ее расплавлением сварочной дугой и разгоном жидкого металла давлением дуги по поверхности механической выборки на определенную высоту, после чего в зону дуги подают присадочный материал, однородный с основным металлом, расплавлением которого заполняется выборка дефекта (патент РФ №2204467, кл. В23Р 6/00, опубл. 20.05.2003).

Недостаток данного способа состоит в том, что для исправления дефектов на тонкостенных отливках практически сложно или невозможно выполнить соответствующую чашеобразную выборку дефекта, особенно при дефектах на всю толщину литой детали, то есть сквозных дефектах (трещины, свищи, засоры).

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение качества заварки дефектов на тонкостенных отливках из трудносвариваемых жаропрочных сплавов.

Технический результат достигается в способе исправления дефектов на деталях на тонкостенных отливках из высоколегированных жаропрочных сплавов, заключающемся в выявлении и механической выборке дефекта, последующей заварке выборки присадочным металлом неплавящимся вольфрамовым электродом в среде защитных газов, при этом механическую выборку дефекта выполняют в виде сквозного цилиндрического или конического отверстия с диаметром в основании выборки, равным от 1,3 до 2,0 максимального линейного размера дефекта, но не менее 5,0 мм, и скосом кромки в выборке конического отверстия не более 15°, а заварку производят на подложке из жаропрочного сплава с содержанием упрочняющей γ'-фазы не более 5,0 процентов.

Могут использовать подложку с толщиной, составляющей от 0,7 до 1,5 толщины детали в месте дефекта, и площадью, превышающей площадь выборки по меньшей мере в три раза, что исключает ее прожог и обеспечивает хорошее формирование сварочной ванны.

Заварку выборки могут осуществлять импульсным сварочным током присадочным металлом из жаропрочных сплавов, что уменьшает проплавление основного металла и снижает уровень сварочных напряжений. Режим импульсной сварки выбирают таким образом, чтобы сварочный ток в паузе составлял 20-30% сварочного тока в импульсе, а время импульса сварочного тока составляло 0,6-0,7 от времени цикла при частоте цикла 1,0-1,2 1/с.

В качестве присадочного металла могут использовать сплавы на никелевой или кобальтовой основе, что обеспечивает технологическую прочность сварного соединения.

Заварку выборки могут выполнять послойно с охлаждением каждого слоя до температуры не выше 100°С, что уменьшает тепловложение в сварное соединение.

Первый слой могут выполнять гомогенным присадочным металлом, а все остальные слои - присадочным металлом, содержащим упрочняющую γ'-фазу, что обеспечивает и трещиностойкость при сварке и повышение жаропрочности исправляемого дефекта.

Способ могут применять для деталей в виде тонкостенных отливок из высоколегированных жаропрочных сплавов, содержащих более 50% упрочняющей γ'-фазы.

Подложка как технологическая деталь используется в предлагаемом способе для улучшения формирования сварного шва в выборке дефекта, а также с целью уменьшения теплового воздействия сварочной дуги на основной металл за счет стока теплоты в подложку. Материал подложки подбирают из деформированных хорошо свариваемых сплавов, обладающих высокой технологической прочностью при сварке (сопротивляемостью образованию трещин или трещиностойкостью). К их числу относятся жаропрочные никелевые сплавы с суммарным содержанием титана и алюминия до 3% и упрочняющей γ'-фазы не более 5%. При большем содержании γ'-фазы и упрочняющих элементов понижается технологическая прочность металла подложки, в результате чего повышается вероятность образования трещин при расплавлении подложки в процессе сварки, и распространение трещин непосредственно в сварное соединение.

Размеры подложки выбирают в зависимости от толщины детали и диаметра (площади) в основании выборки дефекта. Используют подложку толщиной, составляющей от 0,7 до 1,5 толщины детали в месте дефекта, и площадью, перекрывающей площадь основания выборки по меньшей мере в 3 раза. Такие размеры подложки исключают ее прожог и обеспечивают хорошее формирование сварочной ванны.

Выборка дефекта на тонкостенной литой детали в виде сквозного цилиндрического или конического отверстия позволяет:

- гарантированно устранить дефект в детали, независимо от глубины его залегания;

- уменьшить тепловложение в основной металл за счет уменьшения прямого воздействия на него сварочной дуги, что обеспечивает уменьшение проплавления основного металла и снижение уровня остаточных сварочных напряжений в околошовной зоне;

- более равномерно распределить сварочные напряжения по контуру выборки дефекта, чем при любой другой разделке.

Диаметр выборки выбирают в зависимости от размера дефекта и толщины детали в месте дефекта в пределах от 1,3 до 2,0 максимального линейного размера дефекта, но не менее 5 мм. При выборке диаметром менее 5мм ограничивается возможность заварки дефекта с минимальным проплавлением основного металла, особенно при предельной толщине детали. С увеличением размеров выборки более 5 мм увеличивается объем наплавленного металла, в результате чего создаются благоприятные условия для преобладающей релаксации сварочных напряжений в объеме более пластичного металла шва по сравнению с малопластичной околошовной зоной основного металла. Максимальный размер выборки ограничивается допустимыми размерами исправляемых дефектов на детали в соответствии с требованиями конструкторско-технологической документации.

Импульсный процесс сварки при заварке дефектов используется с целью уменьшения проплавления основного металла и снижения уровня сварочных напряжений за счет того, что при импульсной сварке подводимая тепловая энергия значительно ниже, чем при непрерывной сварке. Наиболее эффективным является режим, при котором величина тока в паузе составляет от 20% до 30% сварочного тока, а время паузы от 1,5 до 2 раз меньше времени импульса. В этом случае достигается проплавление основного металла, когда его доля в наплавленном первом слое составляет не более 20%, а средний химический состав слоя получается с малым содержанием титана и алюминия, т.е. с низким содержанием упрочняющей γ'-фазы. Расчеты показывают, что при заварке дефектов детали, например, из сплава ВЖЛ12У-ВИ, содержащего суммарно около 10% титана и алюминия, гомогенным присадочным металлом, например Св-Х20Н78Т (ЭИ435), среднее суммарное содержание титана и алюминия в наплавленном первом слое, содержащем 20% основного металла, составит всего 2,0%, при котором жаропрочные сплавы обладают, как известно, высокой технологической прочностью (трещиностойкостью) при сварке. Следующие наплавленные слои будут содержать титан и алюминий суммарно значительно менее 2,0%, то есть будут иметь более высокую трещиностойкость при сварке. Поэтому последующие слои могут выполнять присадочным металлом, содержащим упрочняющую γ'-фазу.

Охлаждением каждого наплавленного слоя до температуры не более 100°С достигается также уменьшение тепловложения в сварное соединение. Наиболее эффективным является ускоренное охлаждение обдувом, например, защитным газом, особенно в области температур старения основного сплава (от 750 до 950°С).

Предлагаемое техническое решение представлено на фиг.1-3, где на фиг.1 показана схема реализации предлагаемого способа с цилиндрической выборкой дефекта; на фиг.2 показана схема реализации предлагаемого способа с конической выборкой дефекта; на фиг.3 показана схема заварки выборки дефекта при конической разделке.

Способ осуществляют следующим образом.

На детали 1 (фиг. 1, 2) производят выборку дефекта в виде сквозного цилиндрического или конического отверстия с осью, нормальной к поверхности детали, диаметром в основании выборки, равным от 1,3 до 2,0 максимального размера дефекта, и ∀ скосом кромки выборки конического отверстия от ее основания к вершине не более 15°. После подготовки поверхности под сварку в основании выборки устанавливают подложку 2 толщиной, равной от 0,7 до 1,5 толщины детали в месте выборки, и площадью, перекрывающей площадь выборки в основании выборки по меньшей мере в 3 раза. Материал подложки 2 выбирают из свариваемого жаропрочного никелевого сплава, содержащего не более 5% упрочняющей γ'-фазы. К подложке 2 подводят сварочную горелку с неплавящимся вольфрамовым электродом 3, на подложке зажигают импульсную сварочную дугу и начинают процесс сварки (наплавки) в среде защитного газа. В сварочную ванну подают присадочный металл 4. Процесс заварки дефекта проводят по схеме, показанной на фиг.3. Сварку (наплавку) слоя 5 ведут по поверхности разделки на детали 1 и подложке 2 импульсным сварочным током присадочным металлом 4 из гомогенного никелевого или кобальтового сплава с минимальным проплавлением основного металла, чтобы его содержание в наплавленном слое составляло не более 20%. Последующие слои 6, 7, 8, 9 выполняют так же импульсным сварочным током присадочным металлом, как и первый слой, или металлом, содержащим упрочняющую γ'-фазу для повышения жаропрочности исправляемого дефекта, и послойно охлаждают. Сварочный ток при заварке слоев 6, 7, 8, 9 может быть увеличен на 10…20%, чем при заварке первого слоя 5. После заварки выборки дефекта готовую деталь подвергают термообработке для снятия сварочных напряжений, затем контролю (рентгеновскому просвечиванию, цветной дефектоскопии) заваренного дефекта и его механической обработке до необходимых геометрических размеров детали.

Пример конкретного выполнения

На литой детали из жаропрочного сплава ВЖЛ12У-ВИ толщиной 2, 6 мм после отжига для снятия литейных напряжений (нагрев в термостате до 1000°С, выдержка 2 часа, охлаждение) и удаления литейной корки пескоструйной обработкой рентгеновским просвечиванием обнаружена недопустимая технологией трещина длиной 4,5 мм. Сверлением произведена ее сквозная выборка диаметром 8,0 мм. Перед началом сварки деталь подвергли закалке по режиму сплава ВЖЛ12У-ВИ (нагрев до 1210°С, выдержка 2 часа, охлаждение). В качестве подложки использовали пластинку размером 15×15×2 мм из листового сплава Х25Н60В15Т (ЭИ868). Аргонодуговую сварку выполнили в медном приспособлении присадочным металлом 20Х26К64Н4М5 (ЛК4) в импульсном режиме с использованием инверторного источника питания TRANSTIG 2600CEL фирмы "Fronius" по схеме, показанной на фиг.3. Количество наплавленных слоев - 6. Первый слой выполнили на режиме: сварочный ток (I_св) импульса 60 А, ток паузы (I_п) 10 А, время импульса (τ_и) 0,67 с, время паузы (τ_п) 0,33 с. Режим сварки последующих слоев: I_св=70 А, I_п=15 А, τ_и=0,67 с, τ_п=0,33 с. После заварки произвели отжиг детали при температере 1000°С в течение 2-х часов для снятия сварочных напряжений, затем - рентгеноконтроль. Дефектов не выявлено. Место заварки обработали механическим способом до необходимых конструктивных размеров детали.

Предлагаемый способ обеспечивает качественную заварку дефектов на тонкостенных литых деталях из высоколегированных жаропрочных сплавов.

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано для исправления дефектов на деталях в виде тонкостенных отливок из жаропрочных сплавов. Способ включает выявление и механическую выборку дефекта с созданием выборки на детали, последующую заварку последней присадочным металлом с помощью неплавящегося вольфрамового электрода в среде защитных газов. Выборку на детали выполняют в виде сквозного цилиндрического или конического отверстия с диаметром в основании выборки, равным от 1,3 до 2,0 максимального линейного размера дефекта и не менее 5,0 мм. Коническое отверстие в выборке выполняют со скосом кромки не более 15°. Заварку выборки на детали осуществляют на подложке из жаропрочного сплава, содержащего упрочняющую γ'-фазу не более 5,0%. В результате повышается качество заварки дефектов. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ исправления дефектов на деталях в виде тонкостенных отливок из высоколегированных жаропрочных сплавов, включающий выявление и механическую выборку дефекта с созданием выборки на детали, последующую заварку последней присадочным металлом с помощью неплавящегося вольфрамового электрода в среде защитных газов, отличающийся тем, что выборку на детали выполняют в виде сквозного цилиндрического или конического отверстия с диаметром в основании выборки, равным от 1,3 до 2,0 максимального линейного размера дефекта и не менее 5,0 мм, и скосом кромки в выборке конического отверстия не более 15°, а заварку выборки на детали осуществляют на подложке из жаропрочного сплава, содержащего упрочняющую γ'-фазу не более 5,0%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют подложку толщиной, составляющей от 0,7 до 1,5 толщины детали в месте дефекта, и площадью, превышающей площадь основания выборки по меньшей мере в три раза.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что заварку выборки осуществляют импульсным сварочным током, при этом используют присадочный металл в виде жаропрочного сплава.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве присадочного металла используют сплавы на никелевой или кобальтовой основе.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что заварку выборки выполняют послойно с охлаждением каждого слоя до температуры не выше 100°С.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что первый слой создают гомогенным присадочным металлом, а остальные слои - присадочным металлом, содержащим упрочняющую γ'-фазу.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что способ применяют для деталей в виде тонкостенных отливок из жаропрочных сплавов, содержащих более 50% упрочняющей γ'-фазы.