RU2740548C1 - Способ упрочнения листа из сплава на основе железа - Google Patents
Способ упрочнения листа из сплава на основе железа Download PDFInfo
- Publication number
- RU2740548C1 RU2740548C1 RU2019138284A RU2019138284A RU2740548C1 RU 2740548 C1 RU2740548 C1 RU 2740548C1 RU 2019138284 A RU2019138284 A RU 2019138284A RU 2019138284 A RU2019138284 A RU 2019138284A RU 2740548 C1 RU2740548 C1 RU 2740548C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sheet
- remelting
- iron
- laser beam
- based alloy
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
- B23K26/354—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment by melting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/06—Surface hardening
- C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способу обработки листовых заготовок из сплава на основе железа лазерным лучом. Лазерным лучом локальный участок листа из сплава на основе железа переплавляют по прямой или криволинейной траектории вдоль и/или поперек на полную или не полную толщину. Одновременно с переплавом осуществляют подачу металла, содержащего карбидообразующий элемент в виде порошка или проволоки в зону расплава, таким образом, чтобы металл, содержащий карбидообразующий элемент, переходил в жидкое состояние, взаимодействуя с расплавленным металлом листа из сплава на основе железа. Плавление лазерным лучом осуществляют с удельным тепловложением 20-25 кДж/м, скоростью перемещения лазерного луча 15-250 мм/с и мощностью лазерного излучения 1-20 кВт. В результате достигается повышение жесткости листовых заготовок. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к области обработки листовых заготовок из сплава на основе железа лазерным лучом с плавлением.
Известен способ получения ребра жесткости (патент №2247619, МПК B21D 22/24(2000.01), опубл. 10.03.2005) при штамповке деталей с ребрами жесткости. Изобретение относится к листовой штамповке и может быть использовано в машиностроении для получения точных деталей, имеющих ребра жесткости. Способ штамповки деталей с ребрами жесткости из листовой заготовки включает вырубку заготовки и рельефную формовку ребер жесткости. При этом сначала формуют ребра жесткости в направлении, противоположном требуемому, а затем переформовывают полученные ребра в обратном направлении в соответствии с конструкцией получаемого изделия. Достигается повышение жесткости, геометрической точности, исключение потери устойчивости в виде "хлопунов" детали.
Однако известный способ может быть использован только для повышения жесткости тонкостенных заготовок (толщина стенки до 2 мм), а также после использования данного способа изменяется геометрия заготовки, появляются остаточные напряжения, и применяется энергозатратное и изнашиваемое оборудование.
Известен способ лазерной термической обработки металлического листа (патент №2653738, МПК C21D 1/09(2006.01), C21D 9/46(2006.01), опубл. 14.05.2018) наиболее близкий к заявляемому изобретению и принятый за прототип. Изобретение относится к области машиностроения, в частности к области термической обработки заготовки лазерным лучом на большую глубину. Техническим результатом изобретения является увеличение жесткости исходной листовой заготовки за счет получения упрочненных локальных зон металлического листа с измененной микроструктурой на всю глубину заготовки посредством локального полного переплава металлического листа лазерным лучом.
Однако известный способ может быть использован только для металлических листов из перлитных, бейнитных или мартенситных закаливающихся сталей, в которых, в результате высоких скоростей охлаждения, после переплава лазерным лучом образуются закалочные структуры, имеющие высокую твердость и прочность.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является недостаточная жесткость листов, изготовленных из низколегированных (09Г2, 09Г2Д, 09Г2С, 10ГС) и низкоуглеродистых (Ст0, Ст1кп, Ст2сп, Ст2пс, Сталь10, Сталь15, Сталь08 и подобные) сплавов на основе железа, аустенитых легированных и высоколегированных не закаливающихся сплавов на основе железа (08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н10Б, 08Х17Н13М2Т и подобные).
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении жесткости листа из низколегированного или низкоуглеродистого, или аустенитного сплава на основе железа за счет создания упрочненных локальных зон с измененным химическим и фазовым составом.
Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения листа из сплава на основе железа, включающим плавление лазерным лучом локальных зон на полную или не полную толщину листа и охлаждение, при этом при плавлении отступают на заданный шаг относительно первого переплава и осуществляют следующий переплав до получения необходимого количества переплавленных локальных зон, обеспечивающих требуемую жесткость листа, отличающийся тем, что при переплаве лазерным лучом одновременно в зону локального плавления подают карбидообразующий элемент, причем плавление лазерным лучом осуществляют с удельным тепловложением 20-25 кДж/м, скорости перемещения лазерного луча 15-250 мм/сек и мощности лазерного излучения 1-20 кВт.
Карбидообразующий элемент в зону переплава подают в виде порошка с объемом подачи 3-60 гр/мин.
Карбидообразующий элемент в зону переплава подают в виде проволоки со скоростью подачи 1-5 м/мин.
Переплав локальных зон осуществляют вдоль и/или поперек листа по прямой или криволинейной траектории.
На фигуре 1 представлена принципиальная схема осуществления переплава листа из сплава на основе железа с подачей карбидообразующего элемента в виде проволоки.
На фигуре 2 представлена принципиальная схема осуществления переплава листа из сплава на основе железа с подачей карбидообразующего элемента в виде порошка.
Позиции на фигурах: 1 - обрабатываемый лист из сплава на основе железа, 2 - лазерный луч, 3 - проволока из сплава, содержащего карбидообразующие элементы, 4 - ванна расплава, 5 - система подачи алюминиевого порошка, 6 - порошок, содержащий карбидообразующие элементы.
Устройство для осуществления способа состоит из роботизированного комплекса лазерной обработки, лазерной головы, системы подачи защитного газа (на фигуре не показано), системы подачи проволоки, содержащей карбидообразующие элементы, системы подачи порошка, содержащего карбидообразующие элементы, сварочного стола, прижимных устройств, обрабатываемого листа из сплава на основе железа 1.
Сущность способа заключается в следующем.
Механической и химической обработкой подготавливают лист из сплава на основе железа 1 необходимых размеров в диапазоне (Д×Ш×Т) 150×100×0.5 мм до 3000×1500×15 мм из низкоуглеродистых сталей марок Ст0, Ст1кп, Ст2сп, Ст2пс, Сталь10, Сталь15, Сталь08, или из низколегированных сталей марок 09Г2, 09Г2Д, 09Г2С, 10ГС, или из аустенитых легированных и высоколегированных не закаливающихся сталей 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н10Б, 08Х17Н13М2Т. Лист из сплава на основе железа 1 фиксируют на сварочном столе или на полете портальной установки (на фигуре не показано). Лазерным лучом 2 локальный участок листа из сплава на основе железа 1 переплавляют по прямой или криволинейной траектории вдоль и/или поперек на полную или не полную толщину, при этом одновременно с переплавом осуществляется подача металла, содержащего карбидообразующий элемент в виде порошка или проволоки в зону расплава, таким образом, чтобы металл, содержащий карбидообразующий элемент, переходил в жидкое состояние, взаимодействуя с расплавленным металлом листа из сплава на основе железа.
При этом уровень удельного тепловложения подбирается таким образом, чтобы образовавшаяся общая ванна расплава не начинала кипеть с образованием разбрызгивания и выплесков жидкого металла.
Режимы переплава зависят от толщины листа, требуемой глубины переплава, степени изменения химического состава и микроструктуры металла листа из сплава на основе железа в результате обработки. Основными параметрами режима переплава лазерным лучом являются линейная скорость переплава, мощность лазерного излучения, скорость подачи проволоки или объем подачи порошка. Стратегия обработки и режимы локального переплава задаются программой роботизированного комплекса.
При осуществлении процесса локального переплава используется плавное нарастание и убывание мощности лазерного луча 2, с целью обеспечения стабильности процесса переплава, т.е. недопущения разбрызгивания, спокойного поведения расплавленного металла и улучшения косметических характеристик переплавляемого листа.
После первого прохода локального переплава лазерный луч перемещается на заданный шаг относительно первого переплава и осуществляется второй проход переплава на соответствующих первому проходу режимах.
Между проходами локального переплава может выдерживаться время для естественного охлаждения заготовки или применяться принудительное охлаждение потоком воды, воздуха, инертного газа или смеси газов.
Операции продолжаются до конца осуществления необходимого количества проходов локального переплава, которые будут зависеть от геометрических размеров обрабатываемого листа и шага между проходами переплава. Используют материалы, низкоуглеродистые стали марок: Ст0, Ст1кп, Ст2сп, Ст2пс, Сталь10, Сталь15, Сталь08; низколегированные стали марок: 09Г2, 09Г2Д, 09Г2С, 10ГС; аустенитые легированные и высоколегированные не закаливающиеся стали марок: 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н10Б, 08Х17Н13М2Т.
Рекомендуемый уровень удельного тепловложения, при котором не будет происходить разбрызгивания расплавленного металла, но будет расплавляться лист из сплава на основе железа, находится в диапазоне 20-25 кДж/м. В зависимости от линейной скорости обработки и удельного тепловложения, будет зависеть количество металла (подаваемого в виде порошка или проволоки), содержащего карбидообразующий элемент, расплавленного в локальном участке листа из сплава на основе железа, скорость и объем диффузионных процессов, таких как образование простых карбидов на основе карбидообразующих элементов, образование сложных карбидов на основе железа и карбидообразующих элементов, образование других химических соединений на основе железа и карбидообразующих элементов.
При обработке некоторых марок сплавов на основе железа за счет высоких скоростей локального переплава и соответственно высоких скоростей охлаждения, возможно появление кристаллизационных трещин, во избежание появления которых необходимо снизить скорости обработки или применить предварительный, сопутствующий и последующий подогрев.
Режимы локального переплава зависят от марки сплава на основе железа, толщины листа 1, требуемой глубины переплава, требуемого количества карбидообразующих элементов, попавших в переплавленную зону листа из сплава на основе железа, находятся в диапазоне: скорость перемещения лазерного луча 15-250 мм/сек, мощность лазерного излучения 1-20 кВт, скорость подачи присадочной проволоки 1-5 м/мин, объем подачи присадочного порошка 3-60 гр/мин, также для заготовок толщиной свыше 8 мм может применяться заглубление фокуса в диапазоне 1-4 мм.
Таким образом, за счет локального изменения химического, компонентного и фазового состава посредством легирования локального участка листа из сплава на основе железа карбидообразующими элементами, переплавленного лазерным лучом с одновременной подачей карбидообразующих элементов, достигается эффект увеличения жесткости листа из сплава на основе железа.
Обоснование технического результата заключается в следующем. Эффект повышения жесткости листа из сплава на основе железа достигается за счет того, что при переплаве лазерным лучом расплавленный металл листа из сплава на основе железа взаимодействует с карбидообразующими элементами, подаваемыми в зону расплава в виде порошка или в виде проволоки. В результате химического взаимодействия расплавленных железа и карбидообразующих элементов, входящих в состав порошка или присадочной проволоки, происходит образование простых карбидов на основе карбидообразующих элементов; образование сложных карбидов на основе железа и карбидообразующих элементов; образование других химических (интерметаллидных) соединений на основе железа и карбидообразующих элементов.
Карбиды - TiC, Cr7C3, Cr23C6, WC, W2C, NbC, Nb2C, V2C, Mo2C и др.; сложные карбиды - Fe3Mo3C, Fe3W3C, (Cr, Fe)7C3, (Cr, Fe)23C6; и др.; интерметаллидные химические соединения - Fe3Nb2, Fe7Mo6, Fe-Cr, Fe-V, Fe-W и др., способствуют увеличению количества зародышей зерен - центров кристаллизации, при кристаллизации локального, переплавленного лазерным лучом участка, в который подаются карбидообразующие элементы. Это приводит к измельчению размера зерна, ввиду того, что количество зародышей зерен увеличивается в том же объеме металла. Уменьшение размеров зерна, в свою очередь, приводит к препятствию перемещения и торможению дислокаций, то есть к снижению пластичности, а, соответственно, к увеличению твердости и жесткости обработанного участка. Также уменьшение размера зерна в металле локального переплавленного участка приводит к увеличению вязкости данного участка.
Наличие карбидообразующих элементов способствует образованию закалочных структур, таких как мартенсит и бейнит в переплавленном металле и закалочных структур троостит и сорбит в зоне термического влияния, что также приводит к торможению дислокаций. Таким образом за счет увеличения твердости и прочности, снижения пластичности локального участка обработанного листа происходит увеличение жесткости и упрочнение обрабатываемого листа. Это может применяться взамен приварки ребер жесткости и позволит не изменять геометрию листа за счет приварки ребер жесткости, при этом увеличивать жесткость листа. Также увеличение твердости и прочности отдельных функциональных участков листа из сплава на основе железа позволит сэкономить материальные средства за счет использования низкоуглеродистых и низколегированных сплавов на основе железа, взамен легированных и высоколегированных или упрочнять, не упрочняемые термической обработкой легированные сплавы на основе железа.
Claims (4)
1. Способ упрочнения листа из сплава на основе железа, включающий плавление лазерным лучом локальных зон на полную или не полную толщину листа и охлаждение, при этом при плавлении отступают на заданный шаг относительно первого переплава и осуществляют следующий переплав до получения необходимого количества переплавленных локальных зон, обеспечивающих требуемую жесткость листа, отличающийся тем, что при переплаве лазерным лучом одновременно в зону локального плавления подают карбидообразующий элемент, причем плавление лазерным лучом осуществляют с удельным тепловложением 20-25 кДж/м, скоростью перемещения лазерного луча 15-250 мм/с и мощностью лазерного излучения 1-20 кВт.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что карбидообразующий элемент в зону переплава подают в виде порошка с объемом подачи 3-60 г/мин.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что карбидообразующий элемент в зону переплава подают в виде проволоки со скоростью подачи 1-5 м/мин.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что переплав локальных зон осуществляют вдоль и/или поперек листа по прямой или криволинейной траектории.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019138284A RU2740548C1 (ru) | 2019-11-26 | 2019-11-26 | Способ упрочнения листа из сплава на основе железа |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019138284A RU2740548C1 (ru) | 2019-11-26 | 2019-11-26 | Способ упрочнения листа из сплава на основе железа |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2740548C1 true RU2740548C1 (ru) | 2021-01-15 |
Family
ID=74184042
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019138284A RU2740548C1 (ru) | 2019-11-26 | 2019-11-26 | Способ упрочнения листа из сплава на основе железа |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2740548C1 (ru) |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4015100A (en) * | 1974-01-07 | 1977-03-29 | Avco Everett Research Laboratory, Inc. | Surface modification |
JPH0565530A (ja) * | 1991-09-10 | 1993-03-19 | Hitachi Ltd | 耐応力腐食割れ性オーステナイト系材料及びその製造方法 |
US20050263219A1 (en) * | 2004-06-01 | 2005-12-01 | Daimlerchrysler Ag | Device and method for remelting metallic surfaces |
JP2008031539A (ja) * | 2006-07-31 | 2008-02-14 | Hitachi Ltd | マイクロ波浸炭炉及び浸炭方法 |
RU2345174C1 (ru) * | 2007-07-12 | 2009-01-27 | ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "Брянский государственный технический университет" | Состав для поверхностного лазерного упрочнения деталей из конструкционных сталей |
RU2445378C2 (ru) * | 2010-03-22 | 2012-03-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Лазерно-плазменные технологии" | Способ получения износостойкой поверхности металлов и их сплавов (варианты) |
JP5065530B2 (ja) * | 2000-09-22 | 2012-11-07 | オリンパス株式会社 | 顕微鏡 |
RU2542922C2 (ru) * | 2013-07-16 | 2015-02-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") | Порошковая композиционная смесь для лазерной наплавки на металлическую подложку |
RU2653738C1 (ru) * | 2016-11-22 | 2018-05-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Способ лазерной термической обработки металлического листа |
-
2019
- 2019-11-26 RU RU2019138284A patent/RU2740548C1/ru active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4015100A (en) * | 1974-01-07 | 1977-03-29 | Avco Everett Research Laboratory, Inc. | Surface modification |
JPH0565530A (ja) * | 1991-09-10 | 1993-03-19 | Hitachi Ltd | 耐応力腐食割れ性オーステナイト系材料及びその製造方法 |
JP5065530B2 (ja) * | 2000-09-22 | 2012-11-07 | オリンパス株式会社 | 顕微鏡 |
US20050263219A1 (en) * | 2004-06-01 | 2005-12-01 | Daimlerchrysler Ag | Device and method for remelting metallic surfaces |
JP2008031539A (ja) * | 2006-07-31 | 2008-02-14 | Hitachi Ltd | マイクロ波浸炭炉及び浸炭方法 |
RU2345174C1 (ru) * | 2007-07-12 | 2009-01-27 | ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "Брянский государственный технический университет" | Состав для поверхностного лазерного упрочнения деталей из конструкционных сталей |
RU2445378C2 (ru) * | 2010-03-22 | 2012-03-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Лазерно-плазменные технологии" | Способ получения износостойкой поверхности металлов и их сплавов (варианты) |
RU2542922C2 (ru) * | 2013-07-16 | 2015-02-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") | Порошковая композиционная смесь для лазерной наплавки на металлическую подложку |
RU2653738C1 (ru) * | 2016-11-22 | 2018-05-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Способ лазерной термической обработки металлического листа |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10780529B2 (en) | Welded blanks made from aluminized steel sheets and having advantageous welded joint characteristics | |
CA2939839C (en) | Method for laser welding one or more workpieces made of hardenable steel in a butt joint | |
CA2891732C (en) | Method for laser welding one or more workpieces of hardenable steel in a butt joint | |
EP1285719B1 (de) | Verfahren zur Erzeugung von verschleissbeständigen Randschichten mittels Laser | |
WO2019042730A1 (de) | VERFAHREN ZUM LASERSTRAHLSCHWEIßEN EINES ODER MEHRERER STAHLBLECHE AUS PRESSHÄRTBAREM MANGAN-BORSTAHL | |
CN108349004B (zh) | 增强型结构部件 | |
RU2755485C1 (ru) | Способ предварительной обработки перед сваркой стальных листов с покрытием | |
EP4005728A1 (en) | Laser welding coated steel blanks with filler wire | |
CN108290245A (zh) | 增强型结构部件 | |
RU2701974C1 (ru) | Способ обработки листа из титанового сплава | |
US11478877B2 (en) | Reinforcing structural components | |
CA3133769C (en) | Method for fusion welding of one or more steel sheets of press-hardenable steel | |
RU2740548C1 (ru) | Способ упрочнения листа из сплава на основе железа | |
RU2653738C1 (ru) | Способ лазерной термической обработки металлического листа | |
CA3162879A1 (en) | Method for welding coated steel sheets | |
Gerhards et al. | Laser beam welding of press hardened ultra-high strength 22MnB5 steel | |
RU2787826C1 (ru) | Способ сварки плавлением одного или нескольких стальных листов из закаливаемой под прессом стали | |
RU2323264C1 (ru) | Способ лазерно-световой термической обработки металлических материалов с регулируемым охлаждением | |
Lamikiz et al. | Cutting parameters for the reduction in material degradation in the laser cutting of advanced high-strength steels | |
Meier et al. | Induction assisted laser beam welding of high strength steel sheets | |
Shrestha | Hot cracking investigation in submerged arc welds of high strength steel plate produced by thermo-mechanically controlled rolling |