RU2808868C1 - Method for hardening pressed electrodes from titanium alloys - Google Patents
Method for hardening pressed electrodes from titanium alloys Download PDFInfo
- Publication number
- RU2808868C1 RU2808868C1 RU2023112595A RU2023112595A RU2808868C1 RU 2808868 C1 RU2808868 C1 RU 2808868C1 RU 2023112595 A RU2023112595 A RU 2023112595A RU 2023112595 A RU2023112595 A RU 2023112595A RU 2808868 C1 RU2808868 C1 RU 2808868C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- pressed
- range
- hardening
- carried out
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 6
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 5
- NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N ytterbium Chemical compound [Yb] NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 9
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 3
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 3
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000010313 vacuum arc remelting Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 229910000883 Ti6Al4V Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000010301 surface-oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано при изготовлении прессованного расходуемого электрода для выплавки слитков из титановых сплавов в вакуумной дуговой электропечи.The invention relates to the field of special electrometallurgy and can be used in the manufacture of a pressed consumable electrode for smelting ingots from titanium alloys in a vacuum arc electric furnace.
Титан и его сплавы являются одними из наиболее востребованных материалов в различных областях промышленности, особенно в авиастроении, поэтому к качеству титановой продукции предъявляются очень высокие требования, в частности к дефектобезопасности и целевым показателям химического состава, обеспечивающего требуемые свойства материала. Химический состав будущего изделия закладывается на этапе изготовления из набора шихтовых материалов прессованного электрода, во время этого же процесса должна быть обеспечена и дефектобезопасность процесса. Гомогенность химического состава по объёму слитка обеспечивается несколькими факторами: Titanium and its alloys are one of the most popular materials in various fields of industry, especially in aircraft construction, therefore very high requirements are placed on the quality of titanium products, in particular to defect safety and target chemical composition indicators that ensure the required properties of the material. The chemical composition of the future product is laid down at the stage of manufacturing a pressed electrode from a set of charge materials; during the same process, the defect safety of the process must be ensured. The homogeneity of the chemical composition by volume of the ingot is ensured by several factors:
- прессование электрода, состоящего из большого количества порций шихтовых материалов с рассчитанным единым целевым химическим составом;- pressing of an electrode consisting of a large number of portions of charge materials with a calculated single target chemical composition;
-проведение двойного либо тройного вакуумного дугового переплава.-carrying out double or triple vacuum arc remelting.
Помимо качества продукции современные технологии производства титановых слитков с применением вакуумного дугового переплава должны обеспечивать высокую взрывобезопасность процесса, снижение трудоёмкости и затрат на производство. In addition to product quality, modern technologies for the production of titanium ingots using vacuum arc remelting should ensure high explosion safety of the process, reducing labor intensity and production costs.
Одним из факторов, влияющих на обеспечение целевых показателей химического состава, дефектобезопасность и взрывобезопасность процесса является механическая прочность прессованных электродов. При прессовании электродов используется широкий набор шихтовых материалов, обладающих различным фракционным составом, насыпной плотностью, способностью сцепления компонентов шихты между собой, что в итоге снижает механическую прочность. Для обеспечения требуемого уровня механической прочности целесообразно перед процессом плавления проводить упрочнение прессованных электродов. One of the factors influencing the provision of target parameters of the chemical composition, defect safety and explosion safety of the process is the mechanical strength of the pressed electrodes. When pressing electrodes, a wide range of charge materials are used that have different fractional compositions, bulk densities, and the ability of charge components to adhere to each other, which ultimately reduces mechanical strength. To ensure the required level of mechanical strength, it is advisable to harden the pressed electrodes before the melting process.
Известен расходуемый электрод, изготовленный с применением титановых отходов, при этом упрочнение электрода осуществляют посредством приваривания титановых полос к образующей поверхности электродов (Патент US2886883, МПК H05B7/07, публ. 19.05.1954). A consumable electrode made using titanium waste is known, and the electrode is strengthened by welding titanium strips to the generatrix of the electrode surface (Patent US2886883, IPC H05B7/07, published 05/19/1954).
Недостатками известного решения являются высокая стоимость расходных материалов для упрочнения, наличие человеческого фактора, т.к. процесс производится в ручном режиме, отсутствие гарантии целостности электрода в процессе переплава, несоответствие целевого химического состава получаемого слитка за счёт наваривания на электрод пластин, высокая вероятность падения фрагментов упрочняющих пластин в ванну жидкого металла во время плавки. The disadvantages of the known solution are the high cost of consumables for hardening, the presence of the human factor, because the process is carried out manually, there is no guarantee of the integrity of the electrode during the remelting process, the discrepancy between the target chemical composition of the resulting ingot due to the welding of plates onto the electrode, a high probability of fragments of reinforcing plates falling into the liquid metal bath during melting.
Известен способ упрочнения расходуемого электрода, изготовленного прессованием отдельных порций шихты, путем пропускания по электроду импульсов тока, при этом с целью повышения механической прочности электрода измеряют электрическое сопротивление каждого из упрочняемых участков электрода и импульсы тока подводят к каждому из участком с повышенным электрическим сопротивлением (а.с. СССР №1037435, МПК C22B 9/20, H05B7/07, публ. 23.08.1983) – прототип.There is a known method of strengthening a consumable electrode, made by pressing individual portions of the charge, by passing current pulses through the electrode, and in order to increase the mechanical strength of the electrode, the electrical resistance of each of the areas of the electrode to be strengthened is measured and current pulses are applied to each area with increased electrical resistance (a. pp. USSR No. 1037435, IPC C22B 9/20, H05B7/07, published 08/23/1983) - prototype.
Прототип предназначен для упрочнения малогабаритных расходуемых электродов и не адаптирован для применения в промышленных условиях при изготовлении прессованных расходуемых электродов, диаметр которых достигает 800 мм.The prototype is intended for strengthening small-sized consumable electrodes and is not adapted for use in industrial conditions in the manufacture of pressed consumable electrodes, the diameter of which reaches 800 mm.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка автоматического способа упрочнения прессованных электродов, в том числе и крупногабаритных, позволяющего повысить их механическую прочность.The problem to be solved by the invention is the development of an automatic method for strengthening pressed electrodes, including large ones, which makes it possible to increase their mechanical strength.
Техническими результатами, достигаемыми при осуществлении изобретения, являются снижение затрат на упрочнение прессованных электродов, повышение механической прочности прессованных электродов, приводящей к повышению дефектобезопасности за счет отсутствия разрушения прессованных упрочненных электродов в процессе плавления, обеспечение воспроизводимости процесса за счёт его автоматизации.The technical results achieved by implementing the invention are reducing the cost of hardening pressed electrodes, increasing the mechanical strength of pressed electrodes, leading to increased defect safety due to the absence of destruction of pressed hardened electrodes during the melting process, ensuring reproducibility of the process due to its automation.
Указанный технический результат достигают тем, что в способе упрочнения прессованных электродов из титановых сплавов, включающем размещение прессованного электрода на роликах, вращающих электрод, взаимное позиционирование прессованного электрода и рабочего инструмента, операцию упрочнения в виде формирования проплавленных швов на боковой поверхности прессованного электрода, согласно изобретению операцию упрочнения осуществляют посредством непрерывного иттербиевого волоконного лазера с применением технологического газа, при этом мощность излучения лазера поддерживают в диапазоне 15-50 кВт, а отклонение лазерного луча от положения фокусной точки задают в интервале 20-150 мм. Формирование проплавленного шва осуществляют со скоростью 0,4-4 мм/мин. В качестве технологического газа используют аргон. Расход технологического газа задают в интервале 10-400 л/мин. Зазор между внешним торцом сопла технологической оснастки и поверхностью электрода, поддерживают в интервале 4-50 мм. На одном прессованном электроде формируют от 6 до 50 проплавленных швов. Операцию упрочнения осуществляют в автоматическом режиме по заданной программе. The specified technical result is achieved in that in the method of hardening pressed electrodes from titanium alloys, including placing the pressed electrode on rollers rotating the electrode, mutual positioning of the pressed electrode and the working tool, the hardening operation in the form of forming fused seams on the side surface of the pressed electrode, according to the invention, the operation hardening is carried out using a continuous ytterbium fiber laser using process gas, while the laser radiation power is maintained in the range of 15-50 kW, and the deviation of the laser beam from the position of the focal point is set in the range of 20-150 mm. The formation of a fused seam is carried out at a speed of 0.4-4 mm/min. Argon is used as a process gas. The process gas flow rate is set in the range of 10-400 l/min. The gap between the outer end of the nozzle of the technological equipment and the surface of the electrode is maintained in the range of 4-50 mm. From 6 to 50 fused seams are formed on one pressed electrode. The hardening operation is carried out automatically according to a given program.
Сущность способа заключается в следующем. The essence of the method is as follows.
Процесс реализуют на установке лазерного упрочнения (ЛУ), в которой реализовано трёхкоординатная система перемещения лазерной головки (ЛГ). В качестве источника излучения установки используют непрерывный иттербиевый волоконный лазер, что обусловлено его высокой надежностью при низком энергопотреблении и незначительных затратах на его обслуживание. Упрочнение прессованных электродов осуществляют посредством проходов лазерного луча, которые формируют на образующей цилиндрической поверхности прессованного электрода участки в виде проплавленных швов. Транспортировка прессованного электрода в/из зоны обработки и его вращение на роликах осуществляется системой перемещения и вращения. Управление оборудованием осуществляется посредством стойки управления, переносного пульта управления. Подача защитного газа в зону обработки обеспечивается посредством сопла технологической оснастки, обеспечивающей подачу защитного газа в зону шва, тем самым защищая его от окисления. Под воздействием энергии лазера происходит разогрев боковой цилиндрической поверхности расходуемого электрода и ее плавление. В процессе упрочнения мощность излучения лазера поддерживают в диапазоне 15-50 кВт, а отклонение лазерного луча от положения фокусной точки составляет 20-150 мм, что обеспечивает нагрев и проплавление металла на требуемую толщину поверхности. В качестве технологического газа используют аргон. Аргон за счет высокой плотности в сочетании с поддерживаемым интервалом зазора между внешним торцом сопла технологической оснастки и поверхностью электрода, составляющим 4-50 мм, обеспечивает высокую защиту поверхности шва от окисления. Кроме того, использование аргона по сравнению с иными газами, например гелия, значительно снижает затраты. Расход технологического газа 10-400 л/мин обусловлен диапазоном скорости формирования шва и необходимостью защиты шва различной ширины. В предлагаемом изобретении формирование проплавленного шва осуществляют со скоростью 0,4-4 мм/мин. Указанная скорость позволяет получить оптимальную производительность, заданную ширину шва, установленную толщину проплава поверхности, обеспечивает отсутствие перегрева элементов технологической оснастки. The process is implemented on a laser hardening unit (LS), which implements a three-coordinate system for moving the laser head (LH). The installation uses a continuous-wave ytterbium fiber laser as a radiation source, which is due to its high reliability, low power consumption and low maintenance costs. Hardening of the pressed electrodes is carried out through passes of a laser beam, which form areas in the form of fused seams on the generatrix of the cylindrical surface of the pressed electrode. Transportation of the pressed electrode to/from the processing zone and its rotation on rollers is carried out by a moving and rotating system. The equipment is controlled via a control stand and a portable control panel. The supply of protective gas to the processing zone is ensured by means of a nozzle of technological equipment, which ensures the supply of protective gas to the weld zone, thereby protecting it from oxidation. Under the influence of laser energy, the lateral cylindrical surface of the consumable electrode is heated and melted. During the hardening process, the laser radiation power is maintained in the range of 15-50 kW, and the deviation of the laser beam from the position of the focal point is 20-150 mm, which ensures heating and melting of the metal to the required surface thickness. Argon is used as a process gas. Argon, due to its high density, combined with a maintained gap interval between the outer end of the tooling nozzle and the electrode surface, amounting to 4-50 mm, provides high protection of the weld surface from oxidation. In addition, the use of argon compared to other gases, such as helium, significantly reduces costs. Process gas consumption of 10-400 l/min is determined by the range of seam formation speeds and the need to protect seams of various widths. In the proposed invention, the formation of a fused weld is carried out at a speed of 0.4-4 mm/min. The specified speed allows you to obtain optimal productivity, a specified seam width, a specified thickness of surface penetration, and ensures the absence of overheating of the technological equipment elements.
В зависимости от качества прессованного электрода, определяемого составом исходной шихты и его габаритов, на одном прессованном электроде формируют от 6 до 50 проплавленных швов. Контроль качества полученных швов осуществляют визуально на соответствие фотоэталону сравнения. Depending on the quality of the pressed electrode, determined by the composition of the initial charge and its dimensions, from 6 to 50 fused seams are formed on one pressed electrode. Quality control of the resulting seams is carried out visually for compliance with the comparison photo standard.
Промышленная применимость изобретения подтверждается примером его конкретного выполнения. The industrial applicability of the invention is confirmed by an example of its specific implementation.
Осуществляли упрочнение прессованного электрода диаметром 560 мм и длиной 4200 мм из титанового сплава Ti6Al4V. Операцию упрочнения осуществляли с использованием иттербиевого волоконного лазера ЛС-19 (IPG/ИРЭ-Полюс), оптической головки IPG D50 S (IPG/ИРЭ-Полюс). Мощность лазера составляла 19 кВт. В качестве защитного газа применяли аргон. Расход защитного газа аргона составлял 100л/мин; скорость формирования проплавленных швов - 1,3мм/мин. На прессованный электрод нанесли 12 швов. Отклонение лазерного луча от положения фокусной точки составляло 30 мм. Зазор между внешним торцом сопла технологической оснастки и поверхностью электрода составлял 20 мм. Процесс упрочнения производился в автоматическом режиме.A pressed electrode with a diameter of 560 mm and a length of 4200 mm made of titanium alloy Ti6Al4V was strengthened. The hardening operation was carried out using an LS-19 ytterbium fiber laser (IPG/IRE-Polyus) and an IPG D50 S optical head (IPG/IRE-Polyus). The laser power was 19 kW. Argon was used as a shielding gas. The flow rate of argon shielding gas was 100 l/min; the speed of formation of fused seams is 1.3 mm/min. 12 stitches were applied to the pressed electrode. The deviation of the laser beam from the position of the focal point was 30 mm. The gap between the outer end of the technological equipment nozzle and the electrode surface was 20 mm. The hardening process was carried out automatically.
После проведения операции упрочнения оценивали качество проплавленных швов, которое соответствовало установленным требованиям: несплошности и окисления поверхности отсутствовали. Фотография прессованного электрода после упрочнения приведена на фиг.№1. Последующий процесс плавления прессованного электрода в вакуумной дуговой печи прошёл без замечаний, падения фрагментов прессованного электрода в процессе плавления не зафиксировано. Химический состав выплавленного слитка соответствовал требованиям нормативной документации. Из слитка были изготовлены катаные прутки диаметром от 26 до 55мм. Прутки подвергали ультразвуковому контролю, испытаниям механических свойств и исследованию структуры. Прутки в полной мере соответствовали всем установленным требованиям. After the hardening operation, the quality of the fused welds was assessed, which met the established requirements: there were no discontinuities or surface oxidation. A photograph of the pressed electrode after hardening is shown in Fig. No. 1. The subsequent process of melting the pressed electrode in a vacuum arc furnace went without any comments; no falling fragments of the pressed electrode were recorded during the melting process. The chemical composition of the smelted ingot met the requirements of regulatory documentation. Rolled rods with a diameter from 26 to 55 mm were made from the ingot. The rods were subjected to ultrasonic testing, mechanical properties testing, and structure research. The rods fully met all established requirements.
Таким образом, предлагаемый способ, по сравнению с известными, обеспечивает высокую механическую прочность прессованного электрода, позволяет сократить затраты на получение расходуемых электродов, способствует высокой воспроизводимости процесса за счёт автоматизации.Thus, the proposed method, in comparison with the known ones, provides high mechanical strength of the pressed electrode, reduces the cost of obtaining consumable electrodes, and promotes high reproducibility of the process due to automation.
Claims (7)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2808868C1 true RU2808868C1 (en) | 2023-12-05 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3070468A (en) * | 1958-10-29 | 1962-12-25 | Nicholas J Grant | Method of producing dispersion hardened titanium alloys |
| SU1037435A1 (en) * | 1982-05-18 | 1983-08-23 | Московский Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Энергетический Институт | Method of strengthening consumable electrode |
| SU1696504A1 (en) * | 1989-08-14 | 1991-12-07 | Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина | Method of laser-arc treatment of low-carbon steel structures |
| RU2075536C1 (en) * | 1993-09-29 | 1997-03-20 | Опытное конструкторское бюро "Факел" | Method of treatment of precision parts from titanium alloys |
| RU2350441C2 (en) * | 2007-02-21 | 2009-03-27 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") | Process of receiving of metal coating by overlaying welding method with ultra-fine grained structure and reinforced particles in nanoscale range |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3070468A (en) * | 1958-10-29 | 1962-12-25 | Nicholas J Grant | Method of producing dispersion hardened titanium alloys |
| SU1037435A1 (en) * | 1982-05-18 | 1983-08-23 | Московский Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Энергетический Институт | Method of strengthening consumable electrode |
| SU1696504A1 (en) * | 1989-08-14 | 1991-12-07 | Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина | Method of laser-arc treatment of low-carbon steel structures |
| RU2075536C1 (en) * | 1993-09-29 | 1997-03-20 | Опытное конструкторское бюро "Факел" | Method of treatment of precision parts from titanium alloys |
| RU2350441C2 (en) * | 2007-02-21 | 2009-03-27 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") | Process of receiving of metal coating by overlaying welding method with ultra-fine grained structure and reinforced particles in nanoscale range |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI712458B (en) | Wire manufactured by additive manufacturing methods | |
| GB1114857A (en) | Welding process using beamed radiant energy | |
| CN101564785A (en) | Double wire automatic submerged arc welding process | |
| Choudhury et al. | Improving arc stability during wire arc additive manufacturing of thin-walled titanium components | |
| Singh et al. | A study to enhance the depth of penetration in grade P91 steel plate using alumina as flux in FBTIG welding | |
| CN104999167A (en) | Thick steel plate vertical welding method | |
| RU2808868C1 (en) | Method for hardening pressed electrodes from titanium alloys | |
| JP2007307591A (en) | Method for manufacturing building member | |
| Barroi et al. | Influence of the laser and its scan width in the LDNA surfacing process | |
| CN105312765B (en) | A kind of nuclear power station monopole magnetic control strip electrode electroslag surfacing method and device | |
| Lawal et al. | Tungsten inert gas (TIG) and metal inert gas (MIG) welding applications-critical review | |
| Burca et al. | Resistance spot welding particularities of the nickel alloy Nimonic 80 A | |
| RU2699493C1 (en) | Method of aluminum alloy nonconsumable electrode welding | |
| RU2447980C2 (en) | Method of laser electroslag welding | |
| CN104985283A (en) | Method for welding thick steel plates through single-wire electrogas welding machine | |
| US5324914A (en) | Method and apparatus for welding precipitation hardenable materials | |
| RU2789971C2 (en) | Method for welding homogenous porous materials | |
| JP2021154298A (en) | Gas shield arc-welding method and gas shield arc-welding device | |
| JP6918895B2 (en) | Plating removal method, welding method, welded material, structure | |
| SU1701457A1 (en) | Method of repairing castings of alloys susceptible to cracking | |
| US3674973A (en) | Laydown electroslag welding process | |
| SU484059A1 (en) | The method of welding overlap dissimilar metals | |
| Kvasnytskyi et al. | Influence Of gmaw anD Paw methODs Of aDDItIve arc surfacIng anD shIelDIng gas cOmPOsItIOn On surface geOmetrY anD metal structure OF PRODUCTS FROM LOW-CARBON 09G2S STEEL | |
| KR100602383B1 (en) | The electro gas welding totch and Thick steel pipe welding method by electro gas welding | |
| RU2697756C1 (en) | Method of defect-free hybrid laser-arc welding of thin-wall butt joints |