СПОСОБ ЗАДЕЛКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ТРЕЩИН МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2023 года по МПК B23P6/00 B23K13/01 B22D19/10 

Изобретение относится к области металлообработки и может быть использовано для восстановления металлических изделий с поверхностными трещинами.

Металлические изделия, такие как детали машин и оборудования, трубопроводы в процессе работы подвергаются различным эксплуатационным нагрузкам, проводящим к образованию поверхностных трещин, снижающим их прочность и ресурс или приводящим в полную негодность для использования. Для возможности дальнейшей эксплуатации изделий они подвергаются ремонту, обеспечивающему устранение или заделку трещин.

Наиболее распространенным на практике способами ремонта таких изделий является наплавка (Молодых Н.В., Зенкин А.С. Восстановление деталей машин. - М.: Машиностроение, 1988; Гельберг Б.Т., Пекелис Г.Д. Ремонт промышленного оборудования. - М.: Высшая школа, 1988.).

Известен способ ремонта трещин металлоконструкций, включающий последовательное заваривание трещины путем локального точечного нагрева и переплава основного металла вдоль нее. (Патент РФ №2444425, В23Р 6/04, В23К 11/00, 2012 г.).

Известен также способ индукционной наплавки деталей (патент РФ на изобретение №2138377, МПК В23K 13/01, B22D 19/00, опубл. 27.09.1999), включающий нанесение углублений на рабочие поверхности, заполнение их армирующим материалом и последующее нанесение на поверхность деталей порошковой шихты.

Известен также способ включающий подготовку поверхности изделия, газотермическое напыление на него порошкового материала и последующее оплавление покрытия сканирующим лазерным лучом (Патент РФ №1822047, МПК В23К 26/00, 1996 г.).

Недостатками известных способов является длительное высокотемпературное воздействие на восстанавливаемую поверхность изделия при применении наплавки, что не всегда приемлимо для материала изделий, имеющих лимит по температуре нагрева, обусловленный необходимостью сохранения его эксплуатационных свойств. Кроме того, необходимость интенсивного длительного нагрева изделия, с образованием обширной зоны термического влияния не может применяться для восстановления поверхности при работающем изделии, например, трубопроводе, находящимся при высоком давлении.

Наиболее близким решением по технической сути и достигаемому результату является способ заделки трещин на поверхности металлического изделия, включающий предварительную подготовку поверхности изделия и последующее воздействие на него импульсным магнитным полем, обеспечивающим микрорасплавление металла в области трещин (Патент РФ №2695392, МПК C21D 1/04, опубл. 23.07.2019 г. ). В известном способе воздействие на деталь производят импульсным магнитным полем таким образом, чтобы вихревые токи имели перпендикулярное направление образовавшимся усталостным трещинам на поверхности изделия, причем величина вихревых токов при воздействии на трещины составляет величину от 20 кА до 100 кА. При этом изделие зажимают стяжными кольцами в индукторе.

Недостатком способа-прототипа (Патент РФ №2695392, МПК C21D 1/04, опубл. 23.07.2019 г.) является то, что способ не может быть использован для заделки трещин на поверхности изделия, поскольку происходит только микрорасплавление металла в вершинах этих трещин. Кроме того, наличие достаточно крупных трещин на поверхности изделия, например, на трубопроводе, требует восстановления поверхности изделия путем полного устранения на ней трещин.

Задачей изобретения является создание способа заварки и устранения трещин на поверхности изделия без перегрева его материала для сохранения эксплуатационных характеристик восстанавливаемого изделия.

Техническим результатом изобретения является обеспечение заварки поверхностных трещин на металлическом изделии без перегрева его материала.

Технический результат достигается за счет того, что в способе заделки поверхностных трещин металлического изделия, включающем предварительную подготовку поверхности изделия и последующее воздействие на него импульсным магнитным полем, обеспечивающим микрорасплавление металла в области трещин в отличие от прототипа перед микрорасплавляющим воздействием импульсного магнитного поля упомянутые трещины заполняют металлическим порошком, составом близким к составу материала восстанавливаемого изделия затем, на упомянутые трещины накладывают металлическую пластину составом близким к составу материала упомянутого изделия и сжимающим воздействием импульсного магнитного поля деформируют пластину энергией по крайней мере одного магнитного импульса, обеспечивающего заполнение металла упомянутой пластины в трещины и запрессовку упомянутого порошка.

Кроме того возможны следующие дополнительные приемы способа: в качестве предварительной подготовки поверхности изделия используют ультразвуковую промывку в растворителе; заполнение трещин упомянутым металлическим порошком производят газотермическим напылением, а в качестве предварительной подготовки поверхности изделия используют ультразвуковую промывку в растворителе с последующей пескоструйной обработкой; заполнение трещин упомянутым металлическим порошком производят лазерным спеканием, а в качестве предварительной подготовки поверхности изделия используют ультразвуковую промывку; после заполнения трещин упомянутым порошком и упомянутым металлом пластины производят их оплавление ТВЧ; упомянутое микрорасплавляющее воздействие импульсного магнитного поля обеспечивается воздействием вихревых токов на трещины в поперечном к трещинам направлении при величине упомянутых вихревых токов от 80 кА до 200 кА; в качестве упомянутого восстанавливаемого изделия используется трубопровод; предварительную подготовку поверхности осуществляют ультразвуковой очисткой, обеспечивающей удаление окисных пленок с поверхности трещин.

Воздействие импульсным магнитным полем с наведенными в изделии вихревыми токами в поперечном направлении к трещинам позволяет создать в области трещин микросварочные ванны расплавленного металла и заварить таким образом трещины на поверхности изделия.

Величина вихревых токов должна быть регулируема таким образом, чтобы обеспечивать микрорасплавление металлического наполнителя, запрессованного в трещины, образования в них микросварочных ванн и заварку трещин на поверхности изделия. Поскольку микрорасплавление металлического наполнителя и кристаллизация расплавленного металла происходит в микрообласти всего за несколько секунд, то заварка трещины обеспечивается без перегрева материала изделия, что способствует сохранению его эксплуатационных свойств. Для еще большей минимизации нагрева материала изделия заделка трещин может производится отдельными участками, последовательно.

На фигуре (фиг.) представлен процесс заварки трещин на поверхности изделия импульсным магнитным полем. На фигуре представлено: фиг. а - изделие с трещинами до его восстановления, фиг. b - изделие с трещинами, заполненными порошком-наполнителем, фиг. c - изделие с пластиной, наложенной на область трещин, заполненных порошком; фиг. d - изделие с трещинами с запрессованными порошком и металлом пластины под воздействием магнитного импульса, фиг. e - изделие с заполненными металлом порошка и пластины трещинами после выравнивания поверхности изделия; фиг. f - заварка трещин при воздействии импульсного магнитного поля, вызывающего направленное воздействие вихревых токов, фиг. g - изделие с заваренными трещинами. Фигура (фиг.) содержит: 1 - изделие, 2 - трещины, 3 - порошок-наполнитель 4 - металлическая пластина, 5 - запрессованный в трещины порошок, 6 - материал пластины, внедренный в трещину, 7 - покрытие на изделии из деформированной пластины, 8 - покрытие на изделии из деформированной пластины после выравнивания, 9 - приваренное покрытие из пластины, 10 - заваренные трещины. МИ_П - усилие запрессовки материала пластины в трещины, МИ_С - магнитно-импульсное сварочное воздействие. Полые стрелки - направление действия магнитных импульсов, линии со стрелками - направление действия вихревых токов.

Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом.

Одним из известных способов, например, пескоструйной обработкой с последующей ультразвуковой промывкой подготавливают изделие 1 к восстановлению путем микрозаварки трещин воздействием импульсного магнитного поля (фиг. a). После этого трещины заполняют металлическим порошком, составом близким к составу материала восстанавливаемого изделия (фиг.b). Затем, над областью завариваемых трещин 2 располагают пластину 4, плотно прижимая ее в поверхности изделия 1 (фиг.с). На пластину 4 воздействуют сжимающим магнитным импульсом (МИ_П), обеспечивающим заполнение трещин 2 материалом пластины 4 и запрессовкой порошка 3 (фиг. с). При этом, после интенсивной деформации пластины 4 воздействием, по крайней мере одного, сжимающего магнитного импульса МИ_П часть пластины 4 остается на поверхности изделия 1 в виде покрытия 7 с вдавленными углублениями, расположенными над трещинами 2 (фиг. d). При необходимости восстановления размеров изделия излишки материала покрытия 7 могут быть удалены (фиг. e). Далее, на изделие 1 воздействуют импульсным магнитным полем МИ_С обеспечивающим микрорасплавление металла в области завариваемых трещин 2 (фиг. f). При этом микрорасплавление в области трещин 2 обеспечивается вихревыми токами, образующимися в результате воздействия на изделие 1 импульсного магнитного поля МИ_С (фиг. f). В результате действия на изделие 1 вихревых токов на трещины 2 в поперечном к трещинам 2 направлении происходит их заварка при расплавлении материалов порошка и пластины (фиг. f). В зависимости от используемых составов металлических пластин, их площади и толщины подбирается энергия магнитно-импульсного воздействия, запрессовки МИ_П, обеспечивающим заполнение трещин и сваривающим магнитным импульсом МИ_С обеспечивающим величину вихревых токов от 80 кА до 200 кА. При этом, для таких материалов, как алюминиевые сплавы используются вихревые токи в диапазоне от 80 до 100 кА, а при восстановлении изделий из легированных сталей и никелевых сплавов от 100 до 200 кА. Верхний предел значений вихревых токов ограничивается возможностью перегрева материала изделия, что может привести к снижению его эксплуатационных свойств. (Например, для сталей типа 16Х3НВФМБ, 30ХГСА, 38Х2МЮ величина вихревых токов составляет от 140 кА до 170 кА, для никелевых сплавов типа ЖС6У - 160 кА до 200 кА, для титановых сплавов от 120 кА до 160 кА, см. таблицу. Испытывались образцы разметами 300х200х40 мм. При магнитно-импульсном воздействии на испытуемые образцы изделий с трещинами температура образцов нагревалась не выше 70°С).

Таблица. Результаты заварки трещин магнитно-импульсным воздействием на трещины, заполненные материалами пластины и порошка № Материал образца Материал пластины Материал порошка Величина тока, кА Глубина трещин, мм Примеч. (заварено «+» , непровар «-») 1 16Х3НВФМБ 16Х3НВФМБ ПР-07Х18К9М5Т 100 2,0 - ПР-07Х18К9М5Т 140 2,0 + ПР-07Х18Н12М2 150 2,3 + ПЖВ4 160 2,7 + ПР-Х16Н4Д4Б 180 3,1 + 2 30ХГСА 30ХГСА ПР-07Х18К9М5Т 90 2,1 - ПР-07Х18К9М5Т 140 2,1 + ПР-07Х18Н12М2 150 2,4 + ПЖВ4 160 2,8 + ПР-Х16Н4Д4Б 190 3,2 + 3 38Х2МЮ 38Х2МЮ ПР-07Х18К9М5Т 100 2,2 - ПР-07Х18К9М5Т 140 2,2 + ПР-07Х18Н12М2 150 2,4 + ПЖВ4 160 2,8 + ПР-Х16Н4Д4Б 200 3,4 + 4 ЖС6У ЖС6У ПГ-12Н-01 100 2,2 - ПГ-12Н-01 150 2,2 + ПГ-10К-01 160 2,6 + НПЧ-3 180 2,8 + НПЧ-3 200 3,3 + 5 ЖС32 ЖС32 ПГ-12Н-01 100 2,1 - ПГ-12Н-01 150 2,1 + ПГ-10К-01 160 2,5 + НПЧ-3 180 2,7 + НПЧ-3 200 3,1 + 6 ВТ-6 ВТ-6 ПТК-1 80 2,0 - ПТК-1 120 2,0 + ПТК-2 130 2,4 + ПТС-1 140 2,8 + ПТМ-1 150 3,2 +

Таким образом, предложенный способ восстановления металлического изделия с поверхностными трещинами позволил достигнуть поставленного в изобретении технического результата - обеспечение заварки поверхностных трещин на металлическом изделии без перегрева его материала.

Изобретение относится к области металлообработки и может быть использовано для восстановления металлических изделий с поверхностными трещинами. Перед микрорасплавляющим воздействием импульсного магнитного поля трещины заполняют металлическим порошком, аналогичного материалу восстанавливаемого изделия состава. На трещины накладывают металлическую пластину того же состава, что и состав материала восстанавливаемого изделия, и сжимающим воздействием импульсного магнитного поля деформируют пластину энергией по крайней мере одного магнитного импульса, обеспечивающего заполнение металла упомянутой пластины в трещины и запрессовку упомянутого порошка. Микрорасплавляющее воздействие импульсного магнитного поля обеспечивается вихревыми токами в поперечном к трещинам направлении при их значении от 80 кА до 200 кА. Изобретение обеспечивает заварку поверхностных трещин на металлическом изделии без перегрева его материала. 9 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ заделки поверхностных трещин металлического изделия, включающий предварительную подготовку поверхности изделия и последующее воздействие на него импульсным магнитным полем, обеспечивающим микрорасплавление металла в области трещин, отличающийся тем, что перед микрорасплавляющим воздействием импульсного магнитного поля упомянутые трещины заполняют металлическим порошком, аналогичного материалу восстанавливаемого изделия состава, затем, на упомянутые трещины накладывают металлическую пластину того же состава, что и состав материала упомянутого изделия, и сжимающим воздействием импульсного магнитного поля деформируют пластину энергией по крайней мере одного магнитного импульса, обеспечивающего заполнение металла упомянутой пластины в трещины и запрессовку упомянутого порошка.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве предварительной подготовки поверхности изделия используют ультразвуковую промывку в растворителе.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заполнение трещин упомянутым металлическим порошком производят газотермическим напылением, а в качестве предварительной подготовки поверхности изделия используют ультразвуковую промывку в растворителе с последующей пескоструйной обработкой.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заполнение трещин упомянутым металлическим порошком производят лазерным спеканием, а в качестве предварительной подготовки поверхности изделия используют ультразвуковую промывку.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после заполнения трещин упомянутым порошком и упомянутым металлом пластины производят их оплавление токами высокой частоты.

6. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что упомянутое микрорасплавляющее воздействие импульсного магнитного поля обеспечивается воздействием вихревых токов на трещины в поперечном к трещинам направлении при величине упомянутых вихревых токов от 80 кА до 200 кА.

7. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что в качестве упомянутого восстанавливаемого изделия используется трубопровод.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве упомянутого восстанавливаемого изделия используется трубопровод.

9. Способ по любому из пп. 1-5, 8, отличающийся тем, что предварительную подготовку поверхности осуществляют ультразвуковой очисткой, обеспечивающей удаление окисных пленок с поверхности трещин.

10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что предварительную подготовку поверхности осуществляют ультразвуковой очисткой, обеспечивающей удаление окисных пленок с поверхности трещин.