RU2056253C1

RU2056253C1 - Method for recovery of parts with surface cracks

Info

Publication number: RU2056253C1
Application number: RU93026057A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Михайлович Гуреев; Сергей Викторович Ямщиков
Original assignee: Дмитрий Михайлович Гуреев; Сергей Викторович Ямщиков
Priority date: 1993-05-07
Filing date: 1993-05-07
Publication date: 1996-03-20

Abstract

FIELD: treatment of metal products. SUBSTANCE: method involves fusing cracked surface by means of high- density energy source, with products being preliminarily heated to temperature providing creation of stress field adjacent to crack apex. Stress field is determined by intensity coefficient less than critacal value of fracture toughness. EFFECT: increased efficiency and improved quality of metal products. 1 tbl

Description

Изобретение относится к обработке металлов и сплавов с помощью концентрированных источников энергии. The invention relates to the processing of metals and alloys using concentrated energy sources.

Известно, что в результате воздействия поверхностного источника энергии в поверхностном слое металлов и сплавов формируются термические напряжения растяжения, ответственные за образование поверхностных трещин. It is known that as a result of the action of a surface energy source in the surface layer of metals and alloys, thermal tensile stresses are formed, which are responsible for the formation of surface cracks.

Известен способ предотвращения трещинообразования, когда при сварке плавлением в зоне сварного шва создают пластические деформации сжатия [1]
Недостатком изобретения является то, что поставленная в нем цель достигается пластическим деформированием, приводящим к неустранимому нарушению геометрии поверхности и ее охрупчиванию.A known method of preventing cracking, when during fusion welding in the zone of the weld create plastic compression deformation [1]
The disadvantage of the invention is that the goal set in it is achieved by plastic deformation, leading to permanent damage to the geometry of the surface and its embrittlement.

Наиболее близким к изобретению является способ импульсной лазерной обработки открытой вершины трещины с целью предотвращения ее раскрытия в процессе последующей эксплуатации изделия [2]
Недостатком данного способа является то, что лазерному воздействию подвергаются только трещины весьма малой протяженности и имеющие доступные для лазерной обработки открытые вершины. Из-за малых глубин проникновения тепла и характера распределения эпюры формирующихся в зоне лазерного воздействия напряжений в данном способе цель не может быть достигнута при импульсной лазерной обработке достаточно протяженных и глубоких трещин со стороны их выхода на поверхность.Closest to the invention is a method of pulsed laser treatment of an open crack tip in order to prevent its disclosure during subsequent operation of the product [2]
The disadvantage of this method is that only cracks of very short length and having open vertices accessible for laser processing are exposed to laser exposure. Due to the small depths of heat penetration and the nature of the distribution of the pattern generated in the zone of laser exposure to stresses in this method, the goal cannot be achieved by pulsed laser processing of sufficiently long and deep cracks from the side of their exit to the surface.

Цель изобретения состоит в "залечивании" (полном заплавлении) трещин с глубиной, не превышающей глубину проплавления поверхностного слоя изделия источником с высокой плотностью энергии, например лазерно-дуговым, и тем самым в предотвращении разрушения изделия в процессе его эксплуатации от первоначально имеющегося поверхностного дефекта. The purpose of the invention is to “heal” (completely melt) cracks with a depth not exceeding the penetration depth of the surface layer of the product by a source with a high energy density, for example, laser-arc, and thereby to prevent destruction of the product during its operation from the initially existing surface defect.

Поставленная цель достигается тем, что в способе восстановления деталей с поверхностными трещинами, включающем оплавление трещины источником с высокой плотностью энергии, предварительно осуществляется подогрев изделия до температур, обеспечивающих формирование в окрестности вершины трещины поля напряжений, определяемого коэффициентом интенсивности К, меньшим критической величины вязкости разрушения К_rc.This goal is achieved by the fact that in the method of repairing parts with surface cracks, including melting the crack with a source with a high energy density, the product is preliminarily heated to temperatures ensuring the formation of a stress field in the vicinity of the crack tip determined by the intensity coefficient K less than the critical value of fracture toughness K _rc .

Для заявленного технического решения и его признаков характерно следующее отличительное свойство. "Залечивание" трещины осуществляется только в том случае, когда в процессе воздействия источника с высокой плотностью энергии в окрестности вершины трещины формируется напряженное состояние, характеризующееся максимальной величиной коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины К не превышающей величины критического коэффициента интенсивности напряжений (критической величины вязкости разрушения) К_rc, при котором не происходит раскрытия трещины и ее удается полностью заплавить. Для реализации поставленной цели не требуется достижения условия формирования в окрестности вершины трещины напряжений сжатия. Температура подогрева, приводящая, с одной стороны, к уменьшению реальной величины растягивающих напряжений, формирующихся в окрестности вершины трещины при воздействии источника с высокой плотностью энергии, с другой, к возрастанию самой критической величины вязкости разрушения К_rc, может изменяться в достаточно широких пределах в зависимости от исходного структурно напряженного состояния поверхности обрабатываемого изделия, механических характеристик материала, геометрических параметров трещины, параметров воздействия источника с высокой плотностью энергии.The claimed technical solution and its features are characterized by the following distinctive property. Crack healing is carried out only when a stress state is formed in the vicinity of the crack tip during the action of a source with a high energy density, characterized by the maximum value of the stress intensity factor at the crack tip K not exceeding the value of the critical stress intensity factor (critical value of fracture toughness) To _rc , at which the crack does not open and it can be completely melted. To achieve this goal, it is not necessary to achieve the conditions for the formation of compression stresses in the vicinity of the crack tip. The heating temperature, leading, on the one hand, to a decrease in the real value of tensile stresses that form in the vicinity of the crack tip under the action of a source with a high energy density, and, on the other hand, to an increase in the most critical value of the fracture toughness K _rc , can vary over a wide range depending on from the initial structurally stressed state of the surface of the workpiece, mechanical characteristics of the material, geometric parameters of the crack, exposure parameters source but with a high energy density.

Для технических свойств аналога и прототипа характерно формирование лишь напряжений сжатия, но отнюдь не предусматривается, как в заявленном способе, в процессе заплавления трещины формирование в окрестности ее вершины напряженного состояния, характеризующегося величиной коэффициента интенсивности К, меньшей критической величины вязкости разрушения К_rc.The technical properties of the analogue and the prototype are characterized by the formation of only compressive stresses, but it is by no means envisaged that, as in the claimed method, the formation of a stress state in the vicinity of its peak, characterized by the intensity coefficient K, less than the critical fracture toughness К _rc , in the process of melting a crack.

Предлагаемый способ восстановления реализован следующим образом. The proposed recovery method is implemented as follows.

Образцы вырезались из головок железнодорожных рельсов, изготовленных из стали 75Г и имеющих продольные трещины глубиной до 3,5 мм и длиной 300-400 мм. Размеры образцов составляли 75х40х25 мм. Вырезка образцов осуществлялась таким образом, чтобы разница по глубине трещины по всей длине образца не превышала 0,15 мм. Перед обработкой глубина трещин оценивалась с торцов образца. "Залечивание" трещин проводилось с помощью лазерно-дугового источника с суммарной мощностью до 1,5 кВт. Samples were cut from the heads of railway rails made of 75G steel and having longitudinal cracks up to 3.5 mm deep and 300-400 mm long. The dimensions of the samples were 75x40x25 mm. The samples were cut so that the difference in the depth of the crack along the entire length of the sample did not exceed 0.15 mm. Before processing, the depth of cracks was estimated from the ends of the sample. Cracks were healed using a laser-arc source with a total power of up to 1.5 kW.

В состав лазерно-дугового источника входили СО₂-лазер непрерывного действия с мощностью излучения Р≃0,5 кВт и сварочный пост ВСВУ-80 на ток J 80 А. Вольфрамовый электрод сварочной головки подводился к месту воздействия лазерного луча под углом 45^о к его оси. Диаметр электрода составлял 3 мм, зазор между ним и образцом 1 мм. Электрод был смещен относительно лазерного пятна на 1-2 мм. Электрод служил катодом, образец анодом.The structure of a laser-arc source consisted of CO ₂ laser with a power of continuous radiation R≃0,5 kW and the welding station VSVU-80 J Current 80 A tungsten electrode of the welding head was brought to the site of action of a laser beam at an angle of ⁴⁵ ° to its axis. The diameter of the electrode was 3 mm; the gap between it and the sample was 1 mm. The electrode was offset from the laser spot by 1-2 mm. The electrode served as a cathode, a sample as an anode.

В качестве плазмообразующего газа использовался аргон, расход которого составлял 0,13 л/с. Скорость перемещения образцов не превышала 5,5 мм/с. Подогрев образцов осуществлялся в муфельной печи ПМ-8 до температур 200, 300 и 400^оС. Образцы выдерживались при данной температуре в течение 1 ч. Качество лазерно-дуговой дорожки и наличие трещин анализировалось как с поверхности, так и с нескольких поперечных сечений образцов.As a plasma-forming gas, argon was used, the flow rate of which was 0.13 l / s. The speed of movement of the samples did not exceed 5.5 mm / s. Heating of the samples was carried out in a muffle furnace PM-8 to temperatures of 200, 300 and 400 ^C. The samples were kept at this temperature for 1 hour. The quality of laser-arc track and cracks was analyzed both from the surface and from the several cross-sections of the samples.

Для сравнивания результатов проводилась лазерно-дуговая обработка образцов без использования их подогрева. Результаты экспериментов по залечиванию трещин приведены в таблице. To compare the results, laser-arc processing of samples was carried out without using their heating. The results of crack healing experiments are shown in the table.

Эксперименты показали, что при лазерно-дуговой обработке без подогрева образцов полностью "залечиваются" только трещины, глубина h_тркоторых не превышает 0,6 h_пл, где h_пл глубина оплавления.The experiments showed that during laser-arc processing without heating the samples, only cracks are completely “healed”, the depth h _{tr of} which does not exceed 0.6 h _pl , where h _{pl is the} depth of reflow.

При оплавлении трещин с глубиной более 0,6 h_пл отмечено их подрастание до глубины, превышающей h_пл (табл.). В результате этого заплавленной оказывается только верхняя часть трещины, аналогичная картина наблюдается при обработке трещин с глубиной h_тр > h_пл.When melting cracks with a depth of more than 0.6 h _pl , their growth to a depth exceeding h _pl was noted (table). As a result of this, only the upper part of the crack is fused; a similar pattern is observed when processing cracks with a depth of h _tr > h _pl .

При обработке по предлагаемому способу, включающему оплавление трещины с использованием подогрева образца, глубина полностью "залечиваемых" трещин возрастает и приближается к глубине оплавления. При этом как видно из приведенных результатов использованные параметры воздействия лазерно-дугового источника на поверхность головки железнодорожного рельса с заданным исходным структурно напряженным состоянием обеспечивают полное заплавление трещин с глубиной, соизмеримой с глубиной проплавления, при отсутствии эффекта подрастания трещин лишь при подогреве до 300 и 400^оС. Подогрев до 200^оС приводит к увеличению глубины полностью "залечиваемых" трещин примерно до 0,8 h_пл. При оплавлении трещин с большей глубиной подогрев до 200^оС не позволяет избежать их подрастания до глубины, превышающей h_пл, и потому с использованием подогрева до 200^оС не удается полностью реализовать эффект полного "залечивания" трещин глубиной, большей 0,8 h_пл.When processing by the proposed method, including the fusion of a crack using sample heating, the depth of the completely "healed" cracks increases and approaches the depth of fusion. In this case, as can be seen from the above results, the parameters used for the effect of the laser-arc source on the surface of the rail head with a given initial structurally stressed state provide complete melting of the cracks with a depth commensurate with the penetration depth, in the absence of the effect of crack growth only when heated to 300 and 400 ^o C. Preheating to 200 ^° C leads to an increase in the depth of fully “cured” cracks to approximately 0.8 h _pl . When melting cracks with a greater depth, heating to 200 ^° C does not allow them to grow to a depth exceeding h _pl , and therefore, using heating to 200 ^° C, it is not possible to fully realize the effect of complete healing of cracks with a depth greater than 0.8 h _pl .

Полученные результаты указывают на то, что эффект полного "залечивания" трещин глубиной, не превышающей глубину проплавления, в отсутствии дополнительного их роста обусловлен использованием предлагаемого способа обработки трещин. При этом минимальная температура подогрева, при которой достигается эффект полного "залечивания" трещин глубиной, соизмеримой с глубиной проплавления, задается условием формирования в окрестности вершины трещины максимальной интенсивности напряжений, меньшей критической величины вязкости разрушения К_rc, и определяется исходным структурно напряженным состоянием поверхности обрабатываемого изделия, механическими характеристиками материала, геометрией трещины, параметрами воздействия источника с высокой плотностью энергии.The results obtained indicate that the effect of complete “healing” of cracks with a depth not exceeding the penetration depth in the absence of additional growth is due to the use of the proposed crack treatment method. In this case, the minimum heating temperature at which the effect of complete “healing” of cracks with a depth commensurate with the penetration depth is achieved is determined by the condition for the formation of a maximum stress intensity in the vicinity of the crack tip less than the critical value of fracture toughness K _rc and is determined by the initial structurally stressed surface state of the workpiece , mechanical characteristics of the material, crack geometry, exposure parameters of a source with a high energy density.

Дополнительным преимуществом предлагаемого способа является то, что подогрев при прочих равных условиях обработки ведет к возрастанию глубины зоны оплавления и тем самым способствует "залечиванию" более глубоких трещин. An additional advantage of the proposed method is that heating, ceteris paribus, leads to an increase in the depth of the fusion zone and thereby contributes to the "healing" of deeper cracks.

Claims

METHOD FOR RESTORING DETAILS WITH SURFACE CRACKS, including melting a crack with a source with a high energy density, for example, laser-arc, characterized in that before melting the crack, the part is heated to a temperature of formation of a stress field in the vicinity of the crack tip with an intensity coefficient less than the critical fracture toughness.