Размещено на http://www.allbest.ru

Приазовський державний технічний університет

Кассов Валерій Дмитрович

УДК 621.791.75

Розвиток наукових основ виробництва порошкових електродів та удосконалення технології зносостійкого наплавлення

Спеціальність 05.03.06. - Зварювання і споріднені технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Маріуполь - 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Приазовському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор

Чигарьов Валерій Васильович,

завідувач кафедри “Металургія і технологія зварювального виробництва” Приазовського державного технічного університету МОН України

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, професор

Лебєдєв Юрій Михайлович,

професор кафедри зварювального виробництва Національного університету кораблебудування ім. адмірала Макарова МОН України, м. Миколаїв

доктор технічних наук, професор

Розмишляєв Олександр Денисович,

декан зварювального факультету Приазовського державного технічного університету МОН України, м. Маріуполь

доктор технічних наук, професор

Харченко Геннадій Костянтинович,

провідний науковий співробітник Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, м. Київ

Провідна організація: Запорізький національний технічний університет МОН України, м. Запоріжжя

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Приазовського державного технічного університету: 87500, м. Маріуполь Донецької обл., вул. Апатова, 115.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д12.052.01

доктор технічних наук, професор В.О. Маслов

Размещено на http://www.allbest.ru

загальна характеристика роботи

порошковий електрод плавлення нагрів

Основні напрями економічного розвитку України передбачають зростання промислового виробництва, підвищення якості продукції, створення ефективних технологічних процесів. Здійснення цих планів, як свідчить досвід розвинених країн, неможливе без використання і подальшого розвитку наплавлення, роль якого за умов економії енергетичних ресурсів, дефіцитних і дорогих матеріалів як засобу підвищення терміну використання швидкозношуваних деталей машин та їх багаторазового відновлення, є приоритетною.

Актуальність теми. Наплавлення порошковими електродами (стрічками, проволоками) є одним з ефективних ресурсозбережних методів регенерації конструктивних розмірів і зміцнення нанесенням спеціальних сплавів, що мають високий опір зносу і забезпечують тривале збереження оптимальної геометрії робочого органу. Відповідність регламентацій експлуатаційної надійності наплавленого металу, здатності протистояти різним видам зношення, додержання принципів взаємозамінності та економічної доцільності багато в чому визначається якістю порошкового електроду і наплавленого ним металу. Однак одна зі стійких тенденцій виробництва порошкових електродів полягає в тому, що їх відсортування як у виготовлювача, так і споживачем є наслідком невідповідності їх зварювально-технологічних властивостей вимогам, що висуваються. З точки зору показників якості при реалізації традиційних схем спільного обтискання сердечника й оболонки у двовалковій кліті стану методи прогнозування ступеню стабільності їх коефіцієнтів заповнення, геометричних параметрів, які визначають ефективність подальших наплавлювальних операцій, подано, зазвичай, на емпіричному рівні, на узагальненні виробничого досвіду.

У науково-технічній літературі недостатньо відомостей про автоматизовані системи прогнозування та управління процесами нагрівання та плавлення порошкових електродів, які забезпечують перехід тугоплавких часток у наплавлений шар у вихідному стані, потрібну їх об'ємну концентрацію при наплавленні композиційних сплавів і високу хімічну однорідність шва при наплавленні легованих зносостійких сплавів.

Не отримали необхідного розвитку й узагальнення методи розрахунку складу порошкових електродів, які забезпечують їх раціональне проектування відповідно умов потрібної зносостійкості. Недостатньо відомостей про розроблення методів розрахунку технологічних параметрів процесу наплавлення з урахуванням забезпечення певного хімічного складу наплавленого металу, розмірів деталей, мінімальних припусків на подальше механічне оброблення.

У зв'язку з цим проведення комплексних теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на максимальне уточнення вихідних даних, розвиток методів прогнозування, розрахунку, оптимізації процесів, математичних моделей і алгоритмів, технологічних прийомів, технічних і організаційних заходів, які розвивають відомі досягнення в галузі наплавлення порошковими електродами зносостійких сплавів, є актуальною задачею, що має для підприємств промислового комплексу України важливе наукове і практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно тематиці кафедри „Металургія і технологія зварювального виробництва” Приазовського державного технічного університету. Висновки і пропозиції дисертаційного дослідження використано в держбюджетних науково-дослідних роботах: „Розробка безнікелевих сталей, що містять марганець, з метастабільним аустенітом, та засобів обробки, забезпечуючих регулювання його кількості та стабільності для підвищення рівня його властивостей” (номер державної реєстрації 0197U002521), „Розробка наукових основ створення композиційних сплавів з високою стійкістю в умовах температурно-силового впливу та високоефективних технологій їх отримання” (номер державної реєстрації 0197U002524), „Розробка економно легованих матеріалів і дослідження впливу попередніх обробок на підвищення механічних властивостей” (номер державної реєстрації 0100U002578), „Підвищення довговічності деталей машин за рахунок розробки зносостійкого наплавлювального матеріалу і нових технологій зміцнення” (номер державної реєстрації 0103U001475). Внесок автора як виконавця протягом 1997-2004 рр. полягає в удосконаленні технології виготовлення порошкових стрічок для наплавлення композиційних і комплекснолегованих сплавів, в оптимізації технологічних параметрів процесу наплавлення, у розробленні технологічних рекомендацій.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення техніко-економічних характеристик процесу наплавлення композиційних і комплекснолегованих сплавів на основі розвитку методів розрахунку і розробки практичних рекомендацій щодо удосконалення процесу виробництва порошкових електродів і технології наплавлення.

Для досягнення мети було сформульовано такі основні завдання:

проаналізувати та узагальнити сучасні уявлення про технологію виготовлення порошкових електродів, закономірності їх нагріву, плавлення та формування наплавленого шару під час наплавлення зносостійких сплавів;

уточнити вихідні дані й розробити кількісні методи розрахунку й автоматизованого проектування процесу спільного обтискання сердечника та оболонки порошкової стрічки у двовалковій кліті стану;

розвити методи математичного моделювання та розробити програмно-методичні комплекси прогнозування й управління процесом плавлення порошкових стрічок і порошкових дротів;

дослідити на основі фізичного і термодинамічного моделювання поведінки нетрадиційних матеріалів, що містять вуглець, в області високих температур і виявити чинники, які впливають на якість наплавленого композиційного сплаву;

вивчити вплив складових шихти на характеристики масопереносу електродного металу й переходу легуючих елементів;

розширити інженерні методи розрахунку і прогнозування складу наплавленого металу через сердечник порошкового електроду;

розробити й апробувати в промисловому виробництві нові технічні рішення, а також рекомендації щодо удосконалення діючих технологій, які забезпечують підвищення техніко-економічних показників процесу наплавлення композиційних і комплекснолегованих сплавів.

Об'єкт дослідження - процеси виробництва порошкових електродів і наплавлення композиційних і комплекснолегованих сплавів.

Предмет дослідження - методи розрахунку процесів виготовлення високоякісного порошкового електроду, його нагрівання й плавлення, параметрів наплавлення.

Методи дослідження. Методичну та теоретичну основу дослідження складають основні положення теорії зварювальних процесів, пластичності й теплопровідності суцільного і дисперсного середовища, термодинамічні методи, що містять інженерні та кількісні підходи, методи теорії планованого експерименту та математичної статистики, а також методи теорії дослідження операцій, у тому числі розв'язання задач оптимізаційного плану й імітаційного моделювання. Експериментальні дослідження виконано на вимірювальних і моделюючих установках у лабораторних, а натурні дослідження - в промислових умовах і містять методи вимірювання зварювально-технологічних, термічних, фізико-механічних характеристик, хімічного складу наплавленого металу. Математичне оброблення результатів дослідження виконувалось із використанням існуючого прикладного програмного забезпечення, а також спеціально створеного пакета програм для оптимізації параметрів і режимів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розвитку методології проектування технології наплавлення зносостійких сплавів порошковими електродами.

У дисертації вперше:

розроблено методи розрахунку та автоматизованого проектування процесу виготовлення порошкової стрічки, які враховують кількісні та якісні описи основних закономірностей механізму формування напружено-деформованого стану оболонки, реалізація яких дозволяє оптимізувати енергосилові параметри процесу залежно від матеріалу оболонки і складу сердечника та прогнозувати ймовірний характер стохастичного змінення результуючих показників якості порошкової стрічки;

установлено кількісну залежність між складом у шихті шаруватих сполук вуглецю з галогенідами перехідних металів у вищому валентному стані, ступенем їх терморозширення і режимом наплавлення, використання якої в реальних умовах наплавлення композиційних сплавів забезпечує дозований масоперенос тугоплавких часток до зварювальної ванни у вихідному стані, створює умови мінімального насичення металу шва воднем;

запропоновано кількісний метод визначення теплового поля сердечника порошкового електроду, що підігрівається на вильоті, який дозволяє розрахувати параметри підігріву залежно від щільності зварювального струму, коефіцієнта заповнення, нерівномірності нагрівання оболонки й сердечника та теплофізичних властивостей порошкового електроду, це забезпечує вибір ефективного автономного джерела підігріву;

удосконалено:

методичні основи багатокритеріальної оптимізації технологічних параметрів процесів наплавлення для розв'язання інженерних задач розрахунку режимів наплавлення порошковими електродами з урахуванням розмірів деталей, потрібної геометрії і хімічного складу наплавленого металу, кількості нанесених шарів, мінімальних припусків на подальше механічне оброблення;

дістали подальшого розвитку:

методи теорії розповсюдження теплоти в матеріалах з неоднорідними теплофізичними властивостями, що враховують реальний характер розподілу граничних умов на вильоті електродів, реалізація яких дозволяє прогнозувати та управляти рівномірністю плавлення оболонки і сердечника залежно від режимів наплавлення, параметрів і теплофізичних властивостей порошкових електродів різного конструкційного виконання;

метод розрахунку комплексного легування наплавленого металу на основі розширених за обсягом і уточнених кількісно уявленнях про вплив різних мінералів і легуючих на характеристики масопереносу електродного металу і переходу легуючих елементів, що забезпечує раціональне проектування складу порошкового електроду згідно з умовами потрібної зносостійкості сплаву;

науково обґрунтовані технологічні рекомендації щодо підвищення продуктивності процесу, якості наплавленого металу, забезпечення потрібної зносостійкості та економії матеріальних ресурсів.

Практичне значення одержаних результатів. Створено наукові підходи і розроблені нові технологічні рішення, а також рекомендації щодо вдосконалення чинних технологій, які дозволяють удосконалити процес виробництва порошкових електродів і технології наплавлення.

Сформовано комплекс програмних засобів з автоматизованого розрахунку процесу ущільнення сердечника в оболонці під час їх спільного обтискання в двовалковій кліті стану, на основі якого рекомендується вибір режимів прокатки, що забезпечують виготовлення порошкових стрічок із стабільними зварювально-технологічними властивостями для наплавлення композиційних і комплекснолегованих сплавів.

Розроблено програмний комплекс для моделювання теплових процесів у порошкових стрічках і порошкових дротах, який дозволяє оцінити теплове поле в будь-якій точці електрода на його вильоті та визначити шляхи управління тепловим станом системи “оболонка - сердечник”.

Запропоновано математичну модель комплексного легування наплавленого металу через сердечник порошкового електроду, яка дозволяє оцінити газошлакоутворюючі системи з точки зору скорочення втрат легуючих елементів і оптимізувати склад порошкового електрода для наплавлення конкретного зносостійкого сплаву.

Розроблено програмний комплекс для розрахунку технологічних параметрів процесу наплавлення, що забезпечує зниження трудомісткості та підвищення ефективності процесу.

Розроблено рекомендації щодо використання у складі сердечника порошкового електрода галогено- і вуглецевомістких компонентів, які вирішують технологічні і металургійні проблеми одержання композиційного шару з потрібними властивостями.

Результати роботи у вигляді технологічних рекомендацій, а також програмних засобів впроваджено на АТ “Маріупольський металургійний комбінат ім. Ілліча” і АТ “Азовмаш” (м. Маріуполь), АТ “Донецький енергозавод” (м. Донецьк), АТ “Краматорський завод важкого верстатобудування” і АТ “Енергомашспецсталь” (м. Краматорськ), АТ “Кримський содовий завод” (м. Красноперекопськ), АТ “Завод дорожніх машин” (м. Бердянськ) і низці інших підприємств машинобудівного і металургійного профілю з реальним економічним ефектом понад 1,3 млн.грн. Ряд наукових розробок впроваджено в навчальному процесі Приазовського державного технічного університету і Донбаської державної машинобудівної академії в межах курсів “Теоретичні основи зварювання”, “Моделювання систем”, “Термодинаміка і теплові процеси при зварюванні”, “Теорія і технологія металургійного виробництва” тощо для студентів спеціальностей 7.092301, 7.092303, 7.080402, 7.090403, 7.090205 та використовується в науково-дослідній роботі студентів і аспірантів кафедри “Металургія і технологія зварювального виробництва” Приазовського державного технічного університету і кафедри “Зварювальне виробництво ” Донбаської державної машинобудівної академії.

Особистий внесок здобувача полягає в розвитку теоретичних і технологічних основ підвищення якості порошкового електроду і наплавленого ним металу при досягненні оптимального хімічного складу й економії матеріальних ресурсів. Основні наукові положення, розробки, висновки та рекомендації, які виносяться на захист, одержані автором самостійно. Результати дисертації ОДНООСОБОВО викладено автором у 26 опублікованих роботах [1-17, 40-43, 47-49, 51, 52] і в 26 роботах участь автора складає не менше 35%; захищено 25 авторськими свідоцтвами та 5 патентами, у яких автор брав участь у розробленні складу порошкових електродів для наплавлення конкретних зносостійких сплавів, способів виготовлення електродів, конструкцій установок для наплавлення тощо.

Особистий внесок автора дисертації у наукові роботи, опубліковані у співавторстві, конкретизовано у списку публікацій за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на 40 міжнародних конференціях, у тому числі: “Организация и технологии ремонта машин, механизмов, оборудования” (м. Київ, 2001), “Дуговая сварка. Материалы и качество на рубеже XXI века” (м. Орел, 2001), “Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века” (м. Донецьк, 2001), “Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем” (м. Краматорськ, 2001, 2002), “Обработка, сварка и упрочнение конструкционных материалов. Качество и перспективы развития” (м. Луганськ, 2002), “Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок” (м. Запоріжжя, 2002), “Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве” (м. Москва, 2003), “Проблемы механики горно-металлургического комплекса” (м. Дніпропет-ровськ, 2004), “Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов” (м. Харків, 2003, 2004), “Славяновские чтения “Сварка - XXI век” (м. Липецьк, 2004), 23 IVC Annual Conference and Technical Workshop (Tel Aviv, 2004), “Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку” (м. Краматорськ, 2004, 2005). У повному обсязі дисертаційна робота доповідалась на науковому семінарі відділу „Фізико-механічних досліджень зварюваності конструкційних сталей і чавунів” Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАНУ (м. Київ, 2004).

Публікації. Основні положення і результати дисертації опубліковано в 52 роботах, у тому числі 39 науково-технічних статей у спеціалізованих виданнях ВАК, нові технічні рішення захищено 30 авторськими свідоцтвами і патентами.

Структура и обсяг дисертації. Дисертаційна робота загальним обсягом 296 сторінок машинописного тексту містить 28 таблиць і 126 рисунків, складається зі вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел з 433 найменувань і 8 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми дослідження, сформульовано мету роботи й визначено шляхи її досягнення, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дано характеристику наукової новизни та практичного значення одержаних результатів, а також їх апробації та впровадження.

Розділ 1. Сучасний стан питання

Великий внесок у розвиток фундаментальних основ наплавлення, теорії й практики проектування, виробництва, вивчення процесів масопереносу, у розроблення складів, конструкцій порошкових електродів і технологію наплавлення, одержання корозійностійких і композиційних сплавів внесли роботи науковців провідних наукових шкіл України, зокрема ІЕЗ ім. Є.О.Патона, Запорізького національного технічного університету, Національного університету кораблебудування, Приазовського державного технічного університету та інших.

Наплавлення як невід'ємна складова ремонтного господарства у сучасних умовах охоплює широкий комплекс різних за своїм характером технологічних операцій, передбачених особливостями багатокомпонентної структури ремонтного виробництва. Різноманітність технологічних схем та їх тісний взаємозв'язок, а також завдань, що вирішуються при дослідженні кожного окремого процесу, роблять необхідним подальший розвиток узагальнених і, при можливості, максимально уніфікованих методів розрахунку різного рівня композиційної складності, які дозволяють повною мірою врахувати специфіку умов реалізації кожної окремої складової всієї технологічної низки такої складноорганізованої системи як наплавлення.

У цілому, основними напрямами вдосконалення технології наплавлення композиційних і комплекснолегованих сплавів порошковими електродами деталей, які працюють у різних умовах зношування, є використання нових високоефективних технічних рішень, оптимізація технологічних режимів, спрямованих на підвищення якості порошкового електрода, якості й економії наплавленого металу, продуктивності процесу. Це потребує розвитку відповідних методів розрахунку, причому їх структура, а також використовувані логічні й функціональні взаємозв'язки повинні враховувати закономірності надання нарощуваній поверхні потрібних властивостей. Багатоваріантність задач дослідження процесів виготовлення порошкових електродів, їх нагрівання й плавлення, формоутворення наплавленого металу обумовлює доцільність використання методів математичного моделювання для одержання потрібних обсягів інформації в реальному масштабі часу. Підвищення вимог до обсягів і ступеню достовірності результатів математичного моделювання цих процесів потребує уточнення вихідних посилань, а також граничних умов у їх детермінованому і ймовірному аспектах. Проведений аналіз дозволив визначити напрям наукового дослідження.

Розділ 2. Вибір напряму і методів дослідження

Необхідність підвищення ступеню наукового обґрунтування технічних рішень, що приймаються в галузі наплавлення, нерозривно пов'язана з проведенням широкого кола багатосторонніх теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на розвиток методів розрахунку й розроблення рекомендацій щодо удосконалення конкретних технологій, потребує певної трансформації низки наукових положень, розроблених суміжними науками, а також залучення спільних приладів і методик, відповідної математичної обробки одержаних даних. При цьому однією з основних вимог, що висуваються до обсягу і характеру цих досліджень, є використання комплексного підходу, який у повній мірі враховує особливості й взаємозв'язок окремих ланок всього технологічного ланцюга від виготовлення порошкового електроду до наплавлення.

Методичною і теоретичною базою дослідження було обрано основні положення теорії зварювальних процесів, пластичності й теплопровідності суцільного й дисперсного середовища, термодинамічні методи, що містять інженерні і кількісні підходи, методи теорії планованого експерименту і математичної статистики, а також методи теорії дослідження операцій, у тому числі розв'язання задач оптимізаційного плану й імітаційного моделювання. Використання основних положень фундаментальних наук стосовно сфери дугового наплавлення порошковими електродами дозволяє продовжити побудову її наукової системи і забезпечити подальше удосконалення технологічних процесів з метою підвищення якості, надійності і довговічності наплавлених деталей. Для забезпечення необхідної точності і розширення обсягу одержуваної інформації експериментальні дослідження виконувались на вимірювальних і моделюючих установках (у тому числі спеціально сконструйованих) у лабораторних умовах, а з метою максимального наближення до фізичних об'єктів - у промислових умовах з використанням методів вимірювання термічних, фізико-механічних характеристик, хімічного складу, зварювально-технологічних властивостей. Математична обробка результатів дослідження виконувалась із використанням існуючого прикладного програмного забезпечення, а також спеціально створеного пакету програм для оптимізації параметрів і режимів.

Розділ 3. Математичне моделювання й експериментальне дослідження силових параметрів виробництва порошкової стрічки

Під час виготовлення порошкових електродів, що містять у сердечнику частки тугоплавких карбідів металу, виникають проблеми, пов'язані із порушенням цілісності профілю, що обумовлене осколковою формою здрібнених часток карбідів, які можуть бути різним чином зорієнтовані гранями або ребрами відносно оболонки при спільній деформації складових порошкової стрічки під час прокатування у двовалковій кліті стану. Вірогідність порушення цілісності оболонки прогнозували на основі моделювання вкорінення твердої частки сердечника, представленої в формі ідеалізованого клину, конусу, піраміди, кулі у горизонтальну площину пластичного матеріалу оболонки залежно від напруги в очагу деформацій, розмірів і форми часток сердечника. Результати кількісної й експериментальної реалізації розробленої моделі за різних умов довели, що із зростанням максимальних контактних напруг процесу обтискання порошкової стрічки або розмірів часток глибина вкорінення частки зростає; найбільша глибина вкорінення спостерігається у разі використання часток у формі конусу. Одержані результати було покладено в основу практичних рекомендацій під час розроблення оптимальної технології виготовлення шихти сердечника. Встановлено, що найбільш універсальним методом зниження ймовірності одержання дефектних ділянок оболонки є введення до складу шихти антифрикційних домішок (наприклад, графіту, зв'язуючих матеріалів), які зменшують напруження в очагу деформацій (рис.1). Доведено, що режими обтискання порошкової стрічки під час її виготовлення мають суттєвий вплив на показники плавлення, їх стабільність, частку основного металу в наплав леному і вміст зміцнюю чих часток, особливо при введенні до складу сердечника тугоплавких та енергомістких компонентів. Для оптимізації режимів обтискання розроблено одномірну математичну модель напружено-деформо-ваного стану в очагу деформації, відмінною особливістю якої є врахування реального характеру розподілу за довжиною очагу деформації геометричних параметрів, умов контактного тертя і відносної щільності шихтової композиції сердечника, а також можливості пластичної деформації оболонки.

По геометричних параметрах (h₀, h₁- вихідна і кінцева товщина сердечника, h_п0- вихідна товщина металевої оболонки, ₀- вихідна щільність сердечника, ж₀- товщина зв'язуючого між оболонкою та шихтою прошарку) і конструктивному виконанню (R- радіус валків кліті) було визначено кінцеву щільність сердечника ₁, силу обтискання Р, максимальні контактні напруження Р_max. Для визначення Р_max необхідно виконати спільне рішення умов статичної рівноваги (1) й умови пластичності (2) для сердечника й оболонки (3 і 4):

Наведена сукупність аналітичних описів склала повний алгоритм кількісного одномірного математичного моделювання процесу обтискання порошкової стрічки. Реалізація розробленої моделі довела, що до основних технологічних параметрів, які дозволяють впливати на результуючу щільність сердечника й енергосилові параметри процесу, належать ступінь деформації порошкової стрічки, матеріал оболонки та радіус робочих валків. Так, із зростанням ступеню обтискання спостерігається збільшення відносної щільності сердечника (рис.2а) й енергосилових параметрів процесу (рис.2б).

Для зниження трудомісткості кількісної реалізації при розрахунку основних параметрів процесу було розроблено регресійну модель, яку можна застосовувати під час розв'язання багатоваріантних задач, якими, зокрема, є задачі оптимізаційного плану і задачі імітаційного моделювання. Виконано автоматизоване проектування процесу виготовлення порошкової стрічки, у результаті якого одержано рівняння (7) і (8), що дозволяють визначати вихідні параметри процесу залежно від заданого типоразмеру електроду. Як критерії проектування при цьому вибрано необхідні значення [h₁], [₁], як параметри проектування - h₀, як цільові функції - одержані регресійні описи. Власно рішення містило внутрішній цикл на основі ітераційної процедури з визначення h₀, що забезпечувало потрібні результуючі значення h₁:

Під час визначення оптимальних вихідних параметрів було використано метод цілеспрямованого перебирання. Розроблено програмні засоби у середовищі Quick Basic 7.0. Як приклад, на рис.3 наведено розрахункові залежності для визначення вихідної товщини сердечника h₀ по потрібній щільності сердечника ₁ та товщині порошкової стрічки h₁.

Із застосуванням методу Монте-Карло розроблено імітаційну модель процесу виготовлення порошкової стрічки, що дозволяє прогнозувати основні показники її якості залежно від оптимальних технологічних режимів. Установлено, що на величину коефіцієнта варіації результуючої товщини сердечника приблизно однаковий вплив має і величина коефіцієнта варіації вихідної товщини порошкового сердечника, і варіація його вихідної відносної щільності, а варіація вихідної товщини оболонки на цей коефіцієнт впливає несуттєво. Варіація вихідних параметрів процесу виготовлення порошкової стрічки у двовалковій кліті стану відіграє суттєву роль як у формуванні показників якості готових електродів, так і енергосилових параметрів процесу. Отже розробка заходів, спрямованих на забезпечення стабільності режиму обтискання, дозволяє одержувати порошкові стрічки із заданими показниками якості з точки зору точності геометричних і фізико-механічних характеристик у межах партії одного номінального типорозміру. Із застосуванням кількісного рекурентного розв'язання кінцево-різницевої форми умов статичної рівноваги визначеного елементарного обсягу очагу деформації, а також із використанням елементів теорії планування експериментів і теорії дослідження операцій розроблено комплекс математичних моделей і програмних засобів з автоматизованого розрахунку і проектування технології процесу виготовлення порошкової стрічки, що враховують особливості чинної технологічної схеми і вимоги, що висуваються до якості готового порошкового електроду. Одержані результати використано під час розроблення порошкових стрічок для наплавлення композиційних і комплекснолегованих сплавів на деталі металургійного, сільськогосподарського, будівельно-дорожнього обладнання, що працюють в умовах інтенсивного абразивного зношування.

Розділ 4. Теплові процеси при наплавленні порошковим електродом

Процеси наплавлення порошковими електродами потребують точного призначення технологічного режиму. У зв'язку з використанням як шихтових домішок нетрадиційних вуглецевомістких матеріалів, чутливих до термічного впливу, для яких швидкість реакцій термолізу обмежується швидкістю нагрівання сердечника, особливого значення набуває оцінювання теплових процесів. Його кількісна точність дає можливість спрогнозувати загальні закономірності змінення агрегатного стану сполук, перепаду температур, тепломасопереносу, фазових переходів, розрахувати напрямок і межу фізико-хімічних реакцій; намітити шляхи управління технологічними параметрами процесу наплавлення порошковим електродом.

З теплофізичної точки зору нагрівання порошкового електроду на вильоті в процесі наплавлення характеризується місцевим виділенням теплоти із заданою потужністю та розподілом цієї теплоти по обсягу порошкоподібного сердечника через теплопровідність. При цьому сердечник порошкового електроду слід розглядати як статистичний комплекс елементарних областей, де частки взаємопов'язані не тільки зовсім різними хімічними, механічними, але й термічними властивостями. Було досліджено тепловий стан вильоту порошкового електроду різного конструктивного виконання. Наприклад, через розв'язання диференціального рівняння теплопровідності у циліндричних координатах одержано математичну модель нагрівання сердечника (9), яка дозволяє визначити температуру в будь-якій точці сердечника порошкової стрічки, що знаходиться на вильоті:

, (9)

за граничних умов:

; (10)

(11)

; (12)

. (13)

У формулі (11) R - радіус сердечника порошкової стрічки. Формула (12) визначає умову обмеженості температури сердечника. Формула (13) визначає умову симетричності, яка означає, що теплообмін між поверхнями сердечника й оболонки проволоки відбувається з усіх боків однаково. Це відображає той факт, що форма сердечника являє собою прямий круговий циліндр і що температура нагріву не залежить від полярного кута, а ізотермами сердечника є поверхні обертання. У рівнянні (9) використано критерій Фур'є ; критерій Предводітелєва ; відносний радіус ; відносну безрозмірну температуру нагріву сердечника (а - коефіцієнт температуропроводности сердечника, м²/с; , - довжина вильоту, м, - швидкість плавлення (подавання) порошкової стрічки, м/с; w - коефіцієнт, що характеризує зв'язуючий прошарок між оболонкою і шихтою, 0<w1, при w=1 прошарок відсутній; - коефіцієнти, які залежать від режиму наплавлення); - модифікована функція Бесселя першого роду нульового порядку; - функція Бесселя першого роду нульового порядку; - функція Бесселя першого роду першого порядку; _n - корінь характеристичного рівняння J₀(_n)=0.

Запропоновано математичну модель теплового стану вильоту порошкової стрічки, яка дає можливість визначити залежність температури нагрівання оболонки від щільності зварювального струму, розмірів, коефіцієнта заповнення, нерівномірності нагрівання оболонки і сердечника і теплофізичних властивостей порошкової стрічки. Розглядаючи сердечник порошкової стрічки як тіло, обмежене двома паралельними площинами оболонки і стрічки, було одержано математичну модель нагрівання сердечника на вильоті порошкової стрічки.

Установлено, що незалежно від конструктивних особливостей порошкового електроду різниця температур нагрівання оболонки і сердечника зростає із підвищення швидкості плавлення і розмірів порошкового електроду. Для одержання потрібної температури нагрівання порошкового електроду необхідно знижувати струм і підвищувати виліт електроду. Спосіб наплавлення з підвищеним вильотом не вичерпує всіх резервів зростання продуктивності і поліпшення якості наплавленого металу.

Доведено, що під час наплавлення порошковим електродом, який підігрівається на вильоті, у сердечнику інтенсифікуються термохімічні і теплофізичні процеси взаємодії інгредієнтів системи “сердечник-оболонка”, природа й кінетика яких має позитивний вплив як на продуктивність, так і на зварювально-технологічні характеристики процесу наплавлення. Запропоновано методику розрахунку параметрів підігрівання порошкового електроду та джерела підігрівання за заданими швидкістю плавлення, температурою підігрівання, нерівномірністю плавлення оболонки й сердечника та теплофізичними властивостями порошкового електроду.

Розроблено математичні моделі для розрахунку температури в будь-якій точці сердечника підігріваємого порошкового електроду різного конструктивного виконання. Наприклад, розв'язуючи диференційне рівняння розподілу температури в сердечнику порошкової стрічки на ділянці підігріву для t  [0, t_н] (або Fo  [0, Fo_н]), одержано математичну модель нагрівання сердечника (14), яка дозволяє визначити температуру в будь-якій точці сердечника підігріваємої порошкової стрічки:

, (14)

за початкової температури сердечника:

де - початкова температура оболонки стрічки, досягнута за час t_н на ділянці підігріву довжиною L_н.

У формулі (14) означені Bi - критерій Біо; r - половина товщини сердечника порошкової стрічки; A_n - початкові теплові амплітуди, що визначаються із співвідношення:

Для досягнення рівномірності нагріву сердечника й оболонки необхідно прийняти Pd близьким до нуля, тобто положити швидкість нагрівання оболонки порошкової стрічки на вильоті g практично рівній нулю. Для вирівнювання нагрівання сердечника за перетином порошкової стрічки потрібен достатній час перебування на вильоті. При Pd = 0 маємо:

(15)

Розрахунки, проведені з використанням залежностей (14) і (15), дозволили прийняти технологічну схему наплавлення підігріваємою порошковою стрічкою: швидке нагрівання протягом першої стадії (на ділянці підігріву) й охолодження на вильоті електроду з метою максимального перерозподілу тепла між оболонкою і сердечником порошкової стрічки. У цьому випадку нерівномірність нагрівання сердечника стає незначною (менше 3% при F₀ = 0,5). Розв'язуючи диференційне рівняння теплопровідності Лапласа, одержано математичну модель для розрахунку температури в будь-якій точці сердечника підігріваємої порошкової стрічки. Додаткове підігрівання, зокрема, поширює діапазон робочих напруг як у бік менших, так і в бік більших значень (рис. 4), знижує газонасиченість металу шва (рис. 5).

Для реалізації розроблених математичних моделей, що описують температурні поля оболонки і сердечника порошкового електроду різного конструктивного виконання залежно від геометричних параметрів, теплофізичних властивостей і режимів наплавлення, запропоновано узагальнений програмний комплекс, що забезпечує оперативний розрахунок температури в будь-якій точці порошкового електроду та візуалізацію результатів розрахунків теплових процесів, що відбуваються під час наплавлення порошковим електродом. Використання комплексу дозволило розробити технологічні рекомендації щодо зносостійкого відновлювального наплавлення деталей на низці підприємств України. Застосування комплексу в учбовому процесі довело, що його можна використовувати для демонстрації на ЕОМ основних положень теорії поширення теплоти в матеріалах з різними теплофізичними властивостями, самонавчання студентів і розв'язання реальних складних задач нагріву електроду при зварюванні та наплавленні.

Розділ 5. Металургійні процеси при наплавленні порошковими електродами з галогено- й вуглецевомісткими компонентами в сердечнику

Під час наплавлення композиційних сплавів для забезпечення регульованого переходу зміцнюючих часток до зварювальної ванни у вихідному стані, минаючи стадію краплі, як технологічні домішки до складу шихти доцільно вводити шаруваті сполучення графіту з галогенідами перехідних металів у вищому валентному стані в кількості (масс.%) , де N - кратність зростання обсягу шаруватого сполучення графіту під час нагрівання. Термоудар, що відбувається при цьому, із дозованим зусиллям F на дискретні тугоплавкі частки шихти сердечника протягом наплавлення (S - площа поперечного перетину шихти сердечника, мм²; k - коефіцієнт, що залежить від форми порошкового електроду, k = (2,21-3,27)10^-2 Н/мм²) забезпечує рішення проблеми керованого процесу переносу тугоплавких часток до зварювальної ванни.

Структурна лабільність шаруватих сполучень графіту з галогенідами металів сприяє за умов термічного впливу легкості їх перетворення до вихідних сполук, які протягом наплавлення сприяють зв'язуванню водню в термічно стійкі сполучення. Проведено моделювання процесів зв'язування водню. Розрахунок рівноваги виконувався на основі мінімізації ізобарно-ізотермічного потенціалу системи , де ni - число молей компонентів, pi - порційний тиск газоподібних компонентів, аi - активність компонентів, які знаходяться в розчині.

З метою визначення умов розрахунку сконструйовано модельну систему сумарною масою 100 г, що містить 0,6 г вуглецю (як кількість, типова для використовуваних на практиці порошкових електродів), 0,003 г водню (як кількість, що перевищує на 20 % граничну розчинність водню в 100 г заліза при температурі плавлення), галогеномісткі домішки в кількості від 0,05 до 3,6 г, решта - залізо. Термодинамічний аналіз рівноважного складу газових фаз у системах Fe-H₂-FeCl₃, Fe-C-H₂-FeCl₃ показав високу реакційну здатність шаруватих сполучень графіту, що вводяться до складу шихти порошкового електроду, відносно молекулярного й атомарного водню (рис.6). При температурі понад 1500 К починається ефективне зниження рівноважної концентрації молекулярного водню, що викликане його зв'язуванням у молекули HCl і розведенням газової фази за рахунок випару хлоридів заліза (рис.6а). При температурах понад 2000 К спостерігається підвищення змісту атомарного хлору, що сприяє зв'язуванню атомарного водню. Доведено, що в інтервалі [% FeCl₃] від 0,03 до 3,6 спостерігається ефективна взаємодія між хлоридами заліза і воднем, про що свідчить перевага концентрації HCl над H₂.

У результаті реакції FeCl₃+C газова фаза збагачується молекулярним хлором, у результаті дисоціації якого при температурі понад 1500 К спостерігається підвищення змісту атомарного хлору (рис.6б). У наслідок цього в системі Fe-C-H₂-FeCl₃ порівняно із Fe-H₂-FeCl₃ зростає повнота зв'язування водню. Установлено, що фторвуглецевомісткі домішки мають вищу дегідрогенізуючу спроможність порівняно з хлорвуглецевомісткими (рис.7). Застосування одержаних рекомендацій у реальних умовах наплавлення забезпечує дозований масоперенос часток до зварювальної ванни у вихідному стані, створює умови для мінімального насичення металу шва воднем.

Розділ 6. Моделювання й оптимізація технологічних параметрів наплавлення порошковим електродом

Запропоновано рівняння, що мають високу інформативність, для розрахунку із достатньою точністю хімічного складу наплавленого шару з урахуванням часток основного металу , металу попереднього валику в наступному під час наплавлення порошковим дротом (16) і порошковою стрічкою (17) залежно від відносного шагу , коефіцієнта підсилення и параметра валика p:

; (16)

;

(17)

Наплавлення необхідно проводити на режимах, що забезпечують низькі значення величини співвідношення висоти підсилення валика до його ширини (параметр p 0,3) і з відносним шагом наплавлення   0,7. При цьому, якщо коефіцієнт 2, то потрібного хімічного складу буде досягнуто вже в другому шарі наплавлення (табл. 1). Так склад наплавленого металу 3Х4В3Ф (0,25% С; 0,6% Mn; 0,6% Si; 4,0% Сr; 0,6% V; 3,5% W; 0,2% Ti) досягається вже у другому шарі наплавлення. При наплавленні порошковою стрічкою Пл-3Х4В3Ф (б=0,75; Р=0,15; в=2,8) у другому шарі одержано: 0,24% С; 0,58% Mn; 0,62% Si; 4,1% Cr; 0,57% V; 3,54% W; 0,21% Ti.

Таблиця 1

Залежність складу метала, наплавленого Пл-3Х4В3Ф, від числа шарів

	Р	в	Номер шару	Хімічний склад наплавленого шару, %
				C	Mn	Si	Cr	V	W	Ti
0,6	0,2	2	1 2 3	0,17 0,23 0,24	0,42 0,54 0,58	0,42 0,54 0,58	2,78 3,63 3,89	0,42 0,54 0,58	2,43 3,17 3,40	0,14 0,18 0,19
		3	1 2 3	0,19 0,24 0,25	0,46 0,57 0,59	0,46 0,57 0,59	3,09 3,79 3,95	0,46 0,57 0,59	2,71 3,32 3,46	0,15 0,19 0,20
0,8	0,1	2	1 2 3	0,18 0,23 0,24	0,43 0,55 0,59	0,43 0,55 0,59	2,87 3,68 3,91	0,43 0,55 0,59	2,51 3,22 3,42	0,14 0,18 0,20
		3	1 2 3	0,20 0,24 0,25	0,48 0,57 0,59	0,48 0,57 0,59	3,17 3,83 3,96	0,48 0,57 0,59	2,77 3,35 3,47	0,16 0,19 0,20

На основі виявлених закономірностей впливу різних мінералів і легуючих присадок на характеристики масопереносу електродного металу і перехід легуючих елементів встановлено комплекс статично значущих параметрів, що визначають фізико-хімічні умови взаємодії фаз і склад металу під час наплавлення порошковими електродами, і розроблено статистичну математичну модель комплексного легування наплавленого металу через сердечник порошкового електроду у вигляді системи нелінійних рівнянь (18):

Значення множинної кореляції R, дисперсії адекватності S², залишкового середнього квадратичного відхилення S, середньої відносної похибки розрахунку , дисперсії відтвореності дослідів ² (для числа ступенів свободи f = 20) і розрахункова величина критерію Фішера F наведено в табл. 2. Для всіх рівнянь системи (18) , що не суперечить гіпотезі адекватності.

Таблиця 2

Результати статистичного аналізу системи рівнянь (18)

Розрахункові величини	Рівняння для визначення в наплавленому металі вмісту:
	C	Mn	Si	Cr	V	Ti	Mo	W
R	0,872	0,834	0,808	0,838	0,826	0,792	0,894	0,885
S2	0,0067	0,0083	0,0335	0,0818	0,0041	0,0243	0,0046	0,0020
S	0,082	0,091	0,183	0,286	0,064	0,156	0,068	0,045
,%	6,8	5,6	10,4	4,4	3,8	7,3	3,7	3,2
2	0,0041	0,0047	0,0191	0,0693	0,0028	0,0141	0,0029	0,0011
F	1,63	1,77	1,75	1,18	1,46	1,72	1,59	1,82

Ці дослідження підтверджують, що найбільший вплив на перехід легуючих елементів до наплавленого металу мають хімічні властивості шлаку, зокрема, його основність й окислювальний потенціал газової фази. Коефіцієнти кореляції рівнянь (18) R < 0,9. Це свідчить про те, що поряд із хімічними властивостями шлаку, які враховуються цими рівняннями, на перехід легуючих елементів мають вплив його фізичні властивості (температура плавлення і затвердіння, в'язкість у рідкому стані та її змінення по мірі зміни температури, рідкотекучість, газопроникливість, щільність у рідкому стані), що обумовлюють захисну дію шлаку. У той же час оскільки система рівнянь (18) адекватно описує експериментальні дані, то для практичних розрахунків складу металу під час легування через сердечник порошкового електроду фізичними властивостями шлаку, як такими, що не мають статистично значущого впливу, можна знехтувати.

Система рівнянь (18) дозволяє прогнозувати хімічний склад металу, наплавленого порошковим електродом із вмістом: C 0,2-0,4%; Mn 0,5-8,0%; Si 0,5-3,0%; Cr 0-17%; V 0-5%; Ti 0-2%; Mo 0-6%; W 0-10%; C_гш 1-10%, у тому числі СО₂ 0-2%, при основності вихідного шлаку К_о = 0,2-30. За допомогою системи рівнянь (18) можна розрахувати склад наплавленого металу при відомому вмісті легуючих елементів і складі газошлакоутворюючих компонентів порошкового електроду. Використовуючи цю модель, можна визначити також різні системи газошлакоутворюючих компонентів з точки зору скорочення втрат легуючих елементів, що особливо важливо при розробленні комплексно легованих електродів і при виборі з кількох систем, що задовольняють іншим вимогам, оптимальної, що приводить до значного скорочення витрат легуючих елементів.

Одержання металу наплавлення заданого складу є обов'язковою, але не достатньою умовою оптимального технологічного процесу дугового наплавлення. Другою умовою, що визначає такий процес, є вибір геометрії наплавлення, яка характеризується мінімумом відходів протягом подальшої механічної обробки. Крім економії зварювальних матеріалів і зниження трудомісткості таке наплавлення забезпечує поліпшення якості наплавленого шару, оскільки кожен наступний шар наноситься на рівну поверхню попереднього шару.

Запропоновано рівняння для розрахунку товщини наплавленого шару після проточування h круглих (19) і плоских (20) поверхонь залежно від режиму наплавлення:

при (19)

(20)

де D - діаметр деталі, мм; _н= 7,8510^-3 г/мм³ - щільність металу наплавлення; _н - коефіцієнт наплавлення, г/А·г; V_н - швидкість наплавлення, мм/г.

Розрахунки свідчать, що при діаметрах наплавлюваних деталей D > 300 мм результати, одержані при застосуванні формул (19) і (20) в області оптимальних значень відносного шагу наплавлення , відрізняються на 2-3 %. Для вибору оптимальних режимів наплавлення порошковим електродом, що забезпечують одержання заданих характеристик і хімічного складу наплавленого шару за умов мінімального припуску на механічну обробку по експериментальних даних були побудовані рівняння регресії, що пов'язують режими наплавлення з технологічними параметрами процесу.

У результаті для порошкових дротів одержано:

- залежність зварювального струму I_св (А) від діаметру деталі D=50-500 мм:

; (21)

- залежність коефіцієнта наплавлення _н (г/Аг) і напруги дуги U_Д(В) від зварювального струму I_св =170-400 А:

; ; (22)

- залежність ширини наплавленого валика b (мм) і коефіцієнта від зварювального струму I_св =170-400 А і швидкості наплавлення V_н=15-40 м/г:

; (23)

. (24)

Для вибору швидкості Vн (м/г) необхідно розв'язати квадратне рівняння:

, де (25)

Аналогічно для порошкових стрічок:

- залежність зварювального струму I_св (А) від діаметру деталі D=100-900 мм:

I_св=550+0,5D; (26)

- залежність напруги дуги U_д (В) від зварювального струму I_св=500-1000 А:

U_д=19,2+0,016 I_св; (27)

- залежність коефіцієнта наплавлення _н (г/А·г) від зварювального струму I_св=500-1000 А і ширини стрічки b_л=10-50 мм:

_н= -19,26+8,4110^-2 I_св - 0,3610^-4I_св²+0,265b_л; (28)

- залежність ширини наплавленого валика b (мм) від зварювального струму I_св=500-1000 А, швидкості наплавлення V_н=15-40 м/г і ширини порошкової стрічки b_л=10-50 мм:

b=4,0+ b_л+0,01 I_св-0,25V_н; (29)

- залежність коефіцієнта підсилення шва від зварювального струму I_св = 500-1000 А і швидкості наплавлення V_н = 15-40 м/г:

=0,394+0,43I_св^-2+0,061V_н-0,01410^-2I_свV_н; (30)

- залежність параметру валика р (співвідношення висоти наплавленого шару з шириною валика) від зварювального струму I_св = 500-1000 А, швидкості наплавлення V_н = 15-40 м/г і ширини порошкової стрічки b_л=10-50 мм:

...