Ремонт колокола методом горячего динамического прессования в газостате Российский патент 2024 года по МПК B23P6/04 G10K1/28 C22F1/08 

Изобретение относится к способам ремонта трещин в церковных колоколах с помощью высоких давлений и температур.

Способ заварки трещин в колоколе методом горячего динамического прессования, путем его обжатия на внутреннюю болванку в инертной атмосфере газостата, предложен впервые и аналогов в современной технике не имеет. Этот способ был специально разработан для ремонта Царь-колокола и впервые был описан в заявке 2022109759.

Не только в России, но и во всем мире хорошо известен памятник русского литейного искусства 18 века, знаменитый Царь-колокол, отлитый по царскому указу в 1735 г, который сейчас установлен на постаменте, расположенном на территории Московского Кремля. В результате пожара 1737 года колокол сильно пострадал и получил значительные повреждения: 11 сквозных трещин длиной по несколько метров и огромный отколотый кусок, что сделало его полностью неработоспособным. Поэтому уже с конца 19 века поднимался вопрос о его реставрации и рассматривались различные проекты ремонта, в основном с использованием электросварки.

Уже в наше время (в конце 20 века) опытным путем было установлено, что наилучшие результаты при заделки трещин в колоколе получаются с помощью гелиодуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом, при предварительном его нагреве до 150-350°С.При этом подготовка к сварке состоит из нескольких этапов, один из которых включает в себя обязательную разделку свариваемых кромок с суммарным углом их раскрытия в 90°. При этом для колокола большой толщины разделка кромок должна быть двусторонней и проходить по X-образной схеме. Применительно к Царь-колоколу, толщина стенок которого достигает полуметра, это означает, что максимальная ширина шва может приближаться к полуметровому значению, и применение на практике такого способа разделки, неминуемо приведет к уничтожению барельефа на значительной части его поверхности, что совершенно недопустимо в отношении такого уникального исторического памятника. Конечно, угол разделки кромок шва, без значительного ущерба качеству сварки, можно уменьшить до 60°. Также разделку кромок можно сделать несимметричной, внутреннюю значительно увеличить, а наружную, наоборот, уменьшить, доведя ее ширину до 5-10 см. Но хоть это и сократит площадь поверхности разделки, полностью решить проблему сохранности барельефа такой способ не сможет.

Кроме электродуговой сварки в арсенале ремонтников имеется и другие ее виды, такие как сварка лазерным лучом, которая позволяет соединять поверхности деталей при очень узком зазоре между ними, что является весьма привлекательным с точки зрения сохранности поверхности колокола. В идеале же эту поверхность лучше вообще не трогать (не расплавлять ее). Но тогда как же соединить отдельные части образца между собой? Еще до середины 20 века инженеры не могли ответить на этот вопрос, но с изобретением в 1955 году в США технологии горячего изостатического прессования (ГИП), все изменилось, и невозможное стало возможным.

Установка или газостат, на котором производят обработку деталей по технологии ГИП, состоит из сосуда высокого давления, в котором создают давление сжатого инертного газа или жидкости, приложенное либо непосредственно к обрабатываемому объекту, либо к поверхностям капсулы, наполненной порошком. В самом начале, после изобретения ГИП, этот процесс использовался для диффузионной сварки при производстве тепловыделяющих элементов в ядерной энергетике. Со временем, по мере совершенствования технологии и оборудования, сфера его промышленного применения начала расширяться и уже к концу 20 века этот метод стали с успехом использовать для ремонта церковных колоколов как в России, так и за рубежом.

Процессу обработки колокола в газостате, должна обязательно предшествовать его предварительная подготовка, состоящая из нескольких этапов:

- дефектоскопия его поверхности, при которой находят все открытые (имеющие выход наружу) трещины.

- очистка выявленных трещин от пыли с обработкой их растворителем.

- изоляция сквозных трещин от внешней среды, путем их запайки медным припоем по всей длине, как снаружи, так и внутри колокола.

А применительно к Царь-колоколу его подготовка должна начинаться с реставрации отколотого куска бронзы: его потребуется тщательно подогнать по размерам и форме для получения минимального зазора, но саму трещину не заваривать, а только слегка прихватить сваркой.

После завершения подготовки колокол помещают в камеру газостата, где в атмосфере инертного газа его подвергают высокому давлению, в пределах 100-200 МПа, и температуре, в пределах 600-650°С, в течении нескольких часов, согласно техническому регламенту.

Обработка колокола в газостате позволяет не только провести его ремонт (заварить все трещины), но также устранить различные внутренние дефекты бронзового сплава: газовые пузыри, усадочные раковины, пористость, а также микротрещины (которые появляются в основном во время литья), что приводит к улучшению прочностных и акустических характеристик не только новых, но и старых колоколов.

Эту замечательную технологию можно было бы с успехом применить и для ремонта Царь-колокола, если бы не одно но...

Габариты одного из самых больших изостатических прессов с внутренним диаметром 1570 мм, рассчитанного на давление 200 МПа, достигают 6 м в длину и 10 м в высоту при массе 260 тонн (модель серии QUINTUS). Теперь, если сделать его перерасчет применительно к Царь-колоколу, то размеры газостата придется увеличить в 4,5 раза, при этом его объем и масса вырастет раз в 100 (кубическая зависимость) и достигнет 20 000 тонн. По своим размерам и весу такой изостатический пресс вплотную приблизится к самым большим и мощным гидравлическим прессам, а его цена перевалит за сотни миллионов долларов. По этой причине спроектировать и построить такую дорогостоящую установку по силам только экономически развитым странам, к которым Россия, на сегодняшний день, не относится.

Поэтому перед российскими инженерами и технологами остро стоит вопрос снижения стоимости газостата, которое невозможно провести не затрагивая самого технологического процесса.

Суть предлагаемого изобретения, несколько изменяющую технологию ГИП, заключается в замене изостатического прессования на динамическое - с принудительным обжатием образца, которое состоит в следующем.

Внутри колокола размещают массивную болванку, наружный профиль которой совпадает с внутренним профилем колокола, но при этом между ними имеется небольшой технологический зазор, одинаковый по всей площади поверхности (ширина которого в холодном состоянии зависит от нескольких факторов и может колебаться в больших пределах). Саму болванку, для уменьшения ее массы и стоимости, желательно сделать полой, предусмотрев возможность откачки из под нее газа, для чего она должна быть герметизирована. Сам колокол вместе с внутренней болванкой (или болваном) размещают на платформе большой толщины, которая позволяет изолировать внутреннюю полость болвана (вместе с зазором) от атмосферы газостата, тем самым позволяя устанавливать в них собственное давление, отличное от давления в аппарате При этом технологический зазор герметизируют и, откачивая из него воздух, создают в нем сильное разряжение, а внутреннюю полость болвана соединяют с атмосферой газостата через регулирующую арматуру.

Размещенный таким способом колокол, вместе с платформой и болваном, помещают в газостат и, после его герметизации, начинают нагревать вместе с газом до температуры при которой бронза становится достаточно пластичной (примерно 620°С). Одновременно с этим поднимают и давление газа (до несколько десятков МПа), в результате чего снаружи на колокол начнут действовать сжимающие, а на болван изнутри растягивающие силы, под действием которых их стенки начнут сближаться, пока не соприкоснутся по всей площади поверхности. Если после этого уменьшение диаметра колокола (а также его высоты) окажется меньше расчетного (3-5 мм), то снижая давление внутри болвана, заставляют колокол сжаться до нужного значения.

Таким образом, регулируя давление газа во всех трех частях камеры газостата: снаружи колокола, внутри болвана и в зазоре между ними, добиваются необходимого уменьшения размеров колокола и последующего контроля этого значения на заключительном этапе обработки - в процессе остывания.

После обработки колокола в газостате его внешний диаметр (вместе с высотой) станет меньше на 3-5 мм, а его окружность уменьшится на 10-15 мм, что во много раз превышает суммарную ширину всех трещин и поэтому гарантирует их полное закрытие и ликвидацию.

Из приведенного описания установки и технологического процесса видно, что его главное отличие от классического ГИП состоит в более низком давлении газа, необходимого для заварки трещин в колоколе. Действительно, все наружное давление приложенное к его нижней, наиболее широкой части колокола (шириной 6,5 м), будет передаваться на его стенки суммарной толщиной 0,9-1 м. Из-за этого возникнет эффект увеличения напряжения в теле колокола, который достигнет семикратный величины в наиболее толстой (нижней) его части, и еще большего значения в средней (наиболее тонкой части). Поэтому и давление, необходимое для обжатия колокола по новому способу, вместо 200 МПа будет в семь раз меньше и составит всего 30 МПа.

Надо отметить, что проделанные расчеты и выводы об эффективности нового метода обработки, справедливы только для вертикальных трещин (идущих вдоль оси колокола). Для горизонтальных же трещин эффект усиления напряжения будет определяться отношением сечения колокола (в горизонтальной проекции) к сечению его стенок, и в нижней (наиболее широкой) его части оно составит всего 4 единицы.

Необходимо еще уточнить, что при обработки изделия в газостате по классической схеме, силы давления носят изотропный характер, т.е. одинаковы во всех направлениях. В случае применения новой технологии, силы давления будут действовать преимущественно вдоль плоскости колокола, и поэтому эффективность данного метода будет определяться не только углом наклона трещины (по всей ее длине) к оси колокола, но и еще одним показателем -расположением плоскости трещины к поверхности колокола. Когда они перпендикулярны -эффективность достигает своего максимума и составляет 4-7 единицы, а когда они параллельны - эффективность (т.е. коэффициент усиления напряжения) падает до нуля, и данный метод становится практически не применим.

Технический результат изобретения заключается в снижении давления газа внутри газостата, в лучшем случае, в 4-7 раз (с 200 до 30-50 МПа), что позволит значительно уменьшить толщину и массу силовой станины аппарата, и приведет к снижению его стоимости.

К сожалению, даже такой удешевленный вариант газостата, если его все-таки построят, будет очень громоздким и дорогим сооружением, да к тому же имеющим один серьезный недостаток: из-за пониженного давления газа, обработка изделий в нем возможна только по вышеописанной технологии и применима только для тел имеющих большую внутреннюю полость, подобно колокольной. А применить классическую схему ГИП (с высоким давлением), для обработки обычных изделий, на таком газостате будет уже невозможно. И поэтому такая дорогостоящая установка фактически станет одноразовой, а потраченные на нее деньги - выброшенными на ветер.

Так что же остается делать? Есть ли еще возможность снизить массу и стоимость газостата? Существует только один способ как это сделать: необходимо и дальше снижать давление газа в установке, а для его компенсации - поднимать температуру прессования на сотни градусов, вплоть до температуры плавления. Это позволит на несколько порядков уменьшить давление газа, вплоть до атмосферного, что даст ощутимый эффект в снижении массы газостата.

К сожалению, такой простой путь его удешевления на практике может оказаться неприемлемым, если вообще применимым. Дело в том, что при повышенной температуре зерна кристаллической решетки металла сливаются между собой, образуя крупнозернистую структуру, что негативно влияет на механические свойства бронзового сплава. Вот поэтому использовать такую "сверхгорячую" технологию крайне нежелательно и значит о ремонте Царь-колокола с помощью газостата придется забыть. Но если вариант с газостатом на практике не получается, то можно попробовать другой способ обжать колокол, например с помощью взрыва. В следующей заявке на изобретение будет подробно рассказано как это сделать.

Изобретение относится к ремонту трещин в церковных колоколах методом горячего динамического прессования в камере газостата при температуре инертного газа 600-650°С и давлении до 100 Мпа, при котором его подвергают обжатию на внутреннюю болванку, имеющую внутри полость, изолированную от общей атмосферы газостата, внешняя форма которой совпадает с внутренней формой колокола, при этом между ними имеется технологический зазор шириной в 3-5 мм, а сам колокол вместе с болванкой размещают на платформе с возможностью независимого регулирования давления газа как в полости болванки, так и в технологическом зазоре, который герметизируют и потом откачивают из него воздух, а саму полость через регулирующую арматуру соединяют с камерой газостата. Изобретение позволяет снизить давление газа внутри газостата с 200 МПа до 30-50 МПа, т.е. в 4-7 раз, что позволит значительно уменьшить толщину и массу силовой станины аппарата и приведет к снижению его стоимости.

Способ ремонта колокола методом горячего динамического прессования в камере газостата при температуре инертного газа 600-650°С и давлении до 100 Мпа, при котором его подвергают обжатию на внутреннюю болванку, имеющую внутри полость, изолированную от общей атмосферы газостата, внешняя форма которой совпадает с внутренней формой колокола, при этом между ними имеется технологический зазор шириной в 3-5 мм, а сам колокол вместе с болванкой размещают на платформе с возможностью независимого регулирования давления газа как в полости болванки, так и в технологическом зазоре, который герметизируют и потом откачивают из него воздух, а саму полость через регулирующую арматуру соединяют с камерой газостата, и далее в процессе прессования камеру вместе с содержимом нагревают до расчетной температуры и одновременно с этим поднимают в ней давление, добиваясь прижатия колокола к болванке по всей площади поверхности, и регулируют давление внутри болванки, добиваясь уменьшения диаметра колокола вместе с высотой на расчетную величину, после чего сбрасывают давление и снижают температуру, постоянно контролируя эти параметры во всех частях газостата, чтобы размеры колокола при остывании соответствовали расчетному значению.