RU2217279C2

RU2217279C2 - Method for electron-beam surfacing

Info

Publication number: RU2217279C2
Application number: RU2001113837/02A
Authority: RU
Inventors: С.И. Белюк; В.Е. Панин; В.Г. Дураков; В.П. Безбородов
Original assignee: Институт физики прочности и материаловедения СО РАН; Российский материаловедческий центр
Priority date: 2001-05-21
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2003-11-27
Also published as: RU2001113837A

Abstract

FIELD: welding, surfacing, possibly manufacture of new parts, restoration of worn parts such as shafts, axles, plungers, cutters for chopping and granulating materials. SUBSTANCE: method comprises steps of creating melting zone on surface of surfaced part by means of electron beam; feeding surfaced powder material and simultaneously in direction of moving article feeding surfacing material in the form of wire or belt vertically spaced from surfaced face to zone of directing electron beam with power density sufficient for melting material. Surfacing material may be of metal or alloy corresponding to material of surfaced article. Powder material contains alloying elements. EFFECT: enhanced efficiency of method, increased factor of using surfaced material, improved quality of surfaced layer. 4 cl

Description

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. The invention relates to the field of surfacing, and in particular to methods for electron beam surfacing of flat and cylindrical surfaces, and can be used for the manufacture of new and restoration with simultaneous hardening of worn parts such as a shaft, an axis, a plunger, a rod, knives for cutting, cutting and granulation of materials etc.

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. A known method of electron-beam surfacing (Schennikov D.V., Kachalov V.M. Electron-beam surfacing of metals // Welding, production, 1984, 3, p. 16-17), in which a fusion zone is created on the surface of the workpiece with using an electron beam and fed into this zone consumable material in the form of a wire or tape.

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. The disadvantage of this method is that the use of wire and tape from unalloyed or low alloyed materials does not solve the problems of hardening of products, as well as the difficulties associated with the supply of wire and tape from highly alloyed alloys with low ductility.

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. A known method of electron-beam surfacing of bodies of revolution (Materials of the XI All-Union Scientific and Technical Conference on electron-beam welding. - L.: Shipbuilding, 1991, p. 58-59), in which a fusion zone is created on the surface of a body of revolution using an electron beam , deployed in a line along the generatrix, powder material is fed into the reflow zone and rotational-translational movement is imparted to the workpiece.

Недостатком указанного способа является нерациональное использование порошкового материала и энергии электронного луча. The disadvantage of this method is the irrational use of powder material and the energy of the electron beam.

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. The closest method of the same purpose to the claimed invention in terms of features is the method of electron beam surfacing (RF patent 2156321, CL 7 C 23 C 24/10, 1997), in which a melt zone with a linear sweep is created on the surface of the deposited product in the form of several parallel lines, the deposited material is fed into the melt zone, and the deposited product is informed of the movement, while the deposited powder material is fed into the gap between the scanning lines, and the powder material is informed supply board, perpendicular with respect to movement of deposited product.

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. The disadvantage of this known method is that when forming a deposit of powder material of a dispersed composition (up to 40 microns) and especially light alloys, in particular, aluminum-based, part of the powder scatters under the action of electrostatic forces arising from the charge of the powders by scattered and reflected electrons, and reactive forces arising from the rupture of a strong oxide shell (film) of powder particles due to an increase in internal pressure due to heating and expansion of the material of the particles and under the electron beam. As a result of this, the productivity and economy of the surfacing process are reduced.

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. The main technical task of the invention is to increase the productivity and economy of the method of electron beam welding due to increased utilization of the deposited material while improving the quality of the deposited layer on the surface of the product.

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. The problem is achieved in that in the method of electron beam surfacing on the surface of the deposited product, a melt zone is created by an electron beam, the deposited powder material is fed into the melt zone, the deposited product is informed of the movement, and the deposited powder material is given a feed direction perpendicular to the movement of the deposited product.

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. New is that simultaneously with the deposited powder material in the direction of movement of the product serves surfacing material in the form of a wire or tape at a vertical distance from the deposited surface in the zone of passage of the electron beam with an energy density sufficient to melt the material.

Оптимальным является подача наплавочного материала на расстоянии не менее 1 см по вертикали. Optimum is the filing of the surfacing material at a distance of at least 1 cm vertically.

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. In this case, depending on the tasks to be taken to protect products from wear, hardening and restoration of worn surfaces, the surfacing material in the form of a wire or tape can be made of metal or alloy corresponding to the material of the deposited product, and powder material from the same alloy or alloy containing alloying elements.

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. Simultaneous with the powder material, the supply of surfacing material in the direction of movement of the product at least 1 cm vertically from the deposited surface into the zone of passage of the electron beam with an energy density sufficient for melting the material increases the productivity and efficiency of the proposed method of electron beam welding due to increased utilization deposited material, as allows you to completely prevent the spread of light powder materials coated with a durable oxide film.

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.).The range of distances of at least 1 cm between the surface of the deposited product and the supplied surfacing wire or tape is due to the following circumstances:
- firstly, when using this range, simultaneous heating of the surface of the deposited product to high temperatures, its cleaning and creation of the so-called juvenile ("absolutely clean") surface with the preparation of the material (by transferring atoms of this surface to a highly excited state) and interaction with surfaced material, as well as the melting of the surfaced material (powder, wire or tape);
- secondly, when using this range, a high feed rate of the surfacing material (wire or tape) is ensured, its intensive and complete melting with the formation of droplets of uniform size. In this case, the conditions for droplets of molten deposited material to enter the molten molten bath formed on the surface of the deposited product from a previously deposited wire or tape and powder are realized without spraying, which significantly reduces material loss;
- thirdly, with the specified range, the need for strict regulation of the gap between the surface of the deposited product and the end face of the wire or tape during the growth of layers of the deposited material (coating) is eliminated, which makes it possible to apply coatings of large thickness (up to 10 mm), for example, from aluminum (silumin) alloys homogeneous in structure with a dense disperse structure and high physical and mechanical properties (tensile and bending strength, hardness, etc.) and operational properties (wear resistance, antifriction strength, toughness, etc.).

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. When using a distance below the specified range, a high feed rate of the surfacing material will not be ensured due to insufficient gap between the surface of the deposited product and the end of the wire or tape and the impossibility of coating a large thickness, as well as the complexity of technical implementation.

Верхняя граница указанного расстояния определяется плотностью энергии электронного луча, создающего зону расплава. The upper boundary of the specified distance is determined by the energy density of the electron beam creating the melt zone.

Способ электронно-лучевой наплавки реализован на базе сварочной электронно-лучевой установки ЭЛУ-5, дополнительно оборудованной устройством подачи проволоки, порошковым питателем и блоком развертки луча. The electron beam welding method is implemented on the basis of the ELU-5 welding electron-beam installation, additionally equipped with a wire feed device, a powder feeder and a beam scanner.

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. For surfacing, industrially produced aluminum wire and powder materials from aluminum alloys SvAK-5, SvAK10, Svak12, SvAMg6, SvAMg7, as well as materials containing Si, Mg, Cu, Ni, Mn, are used. Surfacing occurs by feeding wire into the zone of passage of the electron beam at a distance of not less than 1 cm vertically from the surface of the melt zone and feeding the powder material with a powder feeder into the melt zone created by the electron beam from the material of the product and the wire.

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. The pistons were surfaced from the AL-25 alloy. The physical and mechanical tests of the deposited products showed that the use of the proposed method allows, while maintaining the values of hardness, density and strength of the coatings, to increase the coefficient of use of powder material by 15-20% and the productivity of the process of surfacing by 30-40%.

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. Thus, the proposed method of electron beam welding increases the productivity and efficiency of the proposed method of electron beam welding due to an increase in the utilization rate of the surfacing material while improving the quality of the deposited layer on the surface of the product.

Claims

1. The method of electron beam surfacing, in which a melt zone is created on the surface of the deposited product by an electron beam, the deposited powder material is fed into the melt zone, the movement is deposited to the deposited product, and the feed direction is perpendicular to the deposited product, perpendicular to the movement of the deposited product, characterized in that simultaneously with the deposited powder material in the direction of movement of the product serves surfacing material in the form of a wire or tape at a distance and vertically on the deposited surface area of passage of the electron beam with an energy density sufficient to melt the material.

2. The method according to claim 1, characterized in that the surfacing material in the form of a wire or tape is served at a distance of at least 1 cm vertically.

3. The method according to claim 1, characterized in that the surfacing material in the form of a wire or tape is made of metal or alloy corresponding to the material of the deposited product.

4. The method according to claim 1, characterized in that the powder material contains alloying elements.