Технологія виправлення точкових ливарних дефектів тонкостінних елементів авіаційних деталей з високоміцних алюмінієвих сплавів дозованим наплавленням

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Спеціальність 05.07.02 - Проектування, виробництво та випробування літальних апаратів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Технологія виправлення точкових ливарнихдефектів тонкостінних елементів авіаційних деталей з високоміцних алюмінієвих сплавів дозованим наплавленням

Лашко Сергій Миколайович

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті

ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Горлов Олександр Кузьмич,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут», м. Харків,

професор кафедри технології виробництва літальних апаратів.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор

Кузнєцов Валерій Дмитрович,

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут», м. Київ,

завідувач кафедри інженерії поверхні;

кандидат технічних наук, доцент

Богуслаєв Олександр Вячеславович,

ВАТ «Мотор Січ», м. Запоріжжя, провідний інженер.

Захист відбудеться « 16 » грудня 2010 р. о 14 00 год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий «___» ________ 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої радиО. М. Застела

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За останні двадцять років використання литих деталей у планері літаків зросло на 25...30%, у конструкції двигунів - на 40...60%, в агрегатному виробництві - на 15...20%, у спеціальних виробах - на 18...23%. Приблизно 50...60% деталей, що утворюють зовнішній контур сучасних літаків (відсіки корпусів, елементи крила і оперення), та деталей внутрішнього набору (шпангоути, балки, фітинги, кронштейни, важелі, качалки та ін.) можна виготовляти у вигляді монолітних конструкцій різними способами лиття.

Алюмінієві сплави, зокрема їх високоміцні різновиди, широко використовують у практиці авіабудування як конструкційний матеріал, тому що вони мають високі механічні характеристики при малій питомій вазі. Від загальної номенклатури відливків деталі з високоміцних ливарних алюмінієвих сплавів становлять 30...50%. Значну їх частину складають невеликі тонкостінні відливки з плоскими елементами. Середня товщина стінок таких відливків становить 3 мм, найбільша - 5...7 мм.

Незважаючи на вдосконалювання технологій лиття, в заготовках систематично спостерігаються ливарні дефекти, такі як: внутрішні й зовнішні усадочні раковини, недоливи, газові раковини, рихлоти (нещільна структура металу всередині або на поверхні деталі у вигляді червоточин), тріщини, піщані засори, флюсові й шлакові вкраплення різних розмірів. Брак з цих причин становить 5...20% від загальної кількості відливків. Появі браку сприяє значна усадка алюмінієвих сплавів при кристалізації, схильність до утворення пористості, викликаної виділенням розчинених газів.

Статистичний аналіз ливарних дефектів, виконаний на ХДАВП, свідчить, що одиночні газові і усадочні раковини й шлакові включення дорівнюють 60...80%. З урахуванням особливостей кристалізації дефекти часто виявляються в місцях локального зменшення товщини деталі, на тонких стінках.

Діючими технічними інструкціями допускається виправлення дефектів зварюванням за умови забезпечення високих механічних властивостей металу деталі, а також відсутності повторних дефектів у наплавленому металі у вигляді пор, включень інших металів, холодних і гарячих тріщин.

Відповідно до високоміцних алюмінієвих сплавів, відомі способи виправлення дефектів зварюванням (вольфрамовим електродом в інертних газах, киснево-ацетиленовим або мікроплазмовим) часто не задовольняють комплексу вимог щодо якості авіаційних деталей, що призводить до обмеження використання цих способів виправлення дефектів силових деталей літаків. Крім того, перелічені способи не відповідають сучасному рівню виробництва відносно трудомісткості виготовлення, автоматизації й норм витрати матеріалів.

У зв'язку з цим актуальним є дослідження нових способів виправлення ливарних дефектів зварюванням на авіаційних деталях з високоміцних алюмінієвих сплавів, які розширили б область застосування зварювання при усуненні дефектів, сприяли б збільшенню кількості відновлених деталей, підвищенню рівня автоматизації виробництва, поліпшенню умов праці.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В основу дисертації покладено матеріали, які узагальнюють дослідження, виконані автором у межах реалізації держбюджетних тем Міністерства освіти і науки України: Д/Р 0100U003163 «Створення наукових основ дугового зварювання тонколистових конструкцій з алюмінієвих сплавів із прецизійним дозуванням присаджувального матеріалу та роздільним регулюванням нагріву мундштука й електрода, розробка обладнання для зварювання», Д/Р 0103U004094 «Наукові основи створення сучасних технологічних систем аерокосмічної галузі», Д/Р 0106U001045 «Методологічні основи проектування сучасних технологічних процесів виготовлення деталей і вузлів літальних апаратів».

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності випра-влення дефектів авіаційних деталей з високоміцних ливарних алюмінієвих сплавів і розроблення технології виправлення точкових дефектів дозованим наплавленням.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити таки завдання:

Дослідити процес точкового електродугового нагрівання деталі. Розробити математичну модель дугового нагрівання деталі з вісесиметричною обробкою. Обумовити значення параметрів математичної моделі для цього процесу.

Дослідити процеси відведення тепла в охолоджувальні елементи оснащення (підкладку, мундштук) і визначити коефіцієнт термічного опору контактної пари дюралюміній-мідь.

Дослідити процеси плавлення електрода, формування краплі біля торця мундштука, відривання краплі під дією імпульсу газодинамічної сили та визначити умови керованого переносу на деталь електродного металу заданої маси й температури.

Дослідити ефективність використання дуги, що надходить з мундштука, для попереднього підігріву деталі.

Дослідити механічні характеристики деталей, відновлених різними способами зварювання, вивчити вплив технологічних параметрів дозованого наплавлення на структуру й властивості металу в зоні термічного діяння.

Розробити типовий технологічний процес виправлення точкових ливарних дефектів авіаційних деталей з алюмінієвих сплавів, розробити рекомендації щодо режимів наплавлення, модифікувати установку для дозованого наплавлення.

Об'єкт дослідження - процес виправлення ливарних дефектів деталей літаків. дефект ливарний авіаційний сплав

Предмет дослідження - технологія виправлення точкових ливарних дефектів авіаційних деталей з високоміцних алюмінієвих сплавів дозованим наплавленням.

Методи дослідження. У роботі широко використано числові методи математичного моделювання, які базуються на основних положеннях теорії теплопередачі, газодинаміки, механіки суцільного середовища. Для перевірки вірогідності теоретичних досліджень, а також визначення закономірностей проведено комплексні експериментальні дослідження з використанням стандартної контрольно-вимірювальної апаратури. Дослідження механічних характеристик зразків (міцність, пластичність, мікротвердість) виконано із застосуванням універсальних засобів й іспитових стендів. Дослідження структури металу в зоні термічного впливу проведено методом оптичної і електронної растрової мікроскопії. Елементний склад і розподіл легуючих елементів визначено за допомогою енергодисперсійного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше встановлено, що основними умовами, що дозволяють здійснити заварювання дефекту дозованим наплавленням, є двокрокова подача електрода, причому на другому кроці подачі формування краплі необхідної маси відбувається при зменшеному струмі дуги (щільність струму в електроді становить 10…15 А/мм2) зі швидкістю, що дорівнює швидкості оплавлення, а також при закрученні електричної дуги магнітним полем з індукцією (3...9)10-4 Тл.

Дістало подальший розвиток математичної моделі процесу точкового дозованого аргонодугового наплавлення. Знайдено функції розподілу теплового потоку за вісесиметричною обробкою. На основі порівняння розрахункових і експерименталь-них термічних циклів показано, що ККД нагріву деталі електричною дугою в дослі-джуваному діапазоні струмів лежить у межах 0.33...0.4, а коефіцієнт зосередженості - 5...7 см-2. Установлено, що значення контактного термічного опору між міддю і алюмінієм при величині тиску 40…100 кПа становить 1.02…1.19 Км2/Вт.

Вперше одержано розрахункові залежності температури та маси крапель електродного металу від технологічних параметрів стосовно дроту різного діаметра зі сплаву 1201 та визначено область раціональних технологічних параметрів процесу керованого газодинамічного переносу краплі.

Визначено точність нанесення крапель металу при запропонованому способі дозованого наплавлення. Встановлено, що застосування закручення дуги магнітним полем збільшує точність нанесення крапель металу на 10…20%.

Одержано кількісний розподіл легуючих елементів у зоні термічного впливу. Показано, що ширина зони часткового оплавлення меж зерен при дозованому наплавленні становить 1...2 мм, а при ручному аргонодуговому - 2,5...5 мм.

Практична значення одержаних результатів.

Запропоновано новий спосіб і розроблено технологію виправлення точкових ливарних дефектів авіаційних деталей з високоміцних алюмінієвих сплавів дозованим наплавленням. Сформульовано рекомендації щодо типових розмірів зварних з'єднань і режимів аргонодугового дозованого наплавлення.

Розробка методику вибору раціональних технологічних параметрів процесу та розроблено систему стиснення електричної дуги магнітним полем для існуючого обладнання дозованого наплавлення.

Установлено, що зварювальна дуга, яка надходить з масивного мідного мундштука, викликає істотну ерозію торцевої частини мундштука, а коефіцієнт ерозії знаходиться у межах 0,9…1,610-8 кг/Ас.

Модифіковано обладнання для дозованого наплавлення, розроблено функціональну схему блока керування циклом зварювання, конструкцію нової наплавочної головки.

Одержано математичну модель нагріву деталі з обробкою, яка дозволяє розрахувати поле термічних напружень і виявити параметри процесу, які є безпечними щодо тріщиноутворення.

Показано, що при дозованому наплавленні відновлені деталі зберігають більш високу міцність (в = 360…380 МПа), ніж при аргонодуговому наплавленні (в = 280…320 МПа) й можна зняти обмеження зі значної кількості силових деталей щодо виправлення дефектів зварюванням, збільшується обсяг деталей, які можна відновити таким способом, підвищується якість та ефективність такого відновлення.

Особистий внесок здобувача. Основна частина ідей, теоретичних розробок та експериментальних досліджень належать особисто авторові. У роботах, написаних у співавторстві, здобувачеві належать: реалізація методик розрахунку теплових, газодинамічних процесів у вигляді комп'ютерних програм; проведення числових досліджень та аналіз їх результатів; формулювання висновків і рекомендацій. Розроблення методів й алгоритмів розрахунку теплових процесів, а також визначення й вимір контактного термічного опору виконувалися разом зі співробітниками Національного аерокосмічного університету, прізвища яких наведено в списку публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи викладалися автором і обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні» ІКТМ'2001, ІКТМ'2003, ІКТМ'2004, ІКТМ'2007, ІКТМ'2008, ІКТМ'2009 (м. Харків, 2001-2009); міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми створення та забезпечення життєвого циклу авіаційної техніки» (м. Харків, 2008).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у восьми статтях (дві без співавторства) у збірниках наукових праць і видань переліку ВАК України (бюл. №4, 5, 1999 р.) та десятьох добірках матеріалів і тез конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації становить з 160 стор., у тому числі 63 рисунка на 11 стор., 24 таблиці на 12 стор., список використаних джерел з 112 найменувань на 10 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі наведено огляд існуючих способів виправлення ливарних дефектів зварюванням, виявлено їхні недоліки, обґрунтовано актуальність досліджень, розглянуто способи виправлення дефектів дозованим наплавленням.

Процес заварювання дефекту дозованим аргонодуговим наплавленням полягає: в установці деталі таким чином, щоб обробка знаходилася на осі електрода; у подачі електрода до контакту з деталлю; в розмиканні контакту електрод-деталь і збудженні електричної дуги, зворотному русі електрода; у дуговому нагріванні деталі; у формуванні краплі необхідної маси з металу, що наноситься та перенесенні краплі в обробку імпульсним впливом потоку захисного газу.

Потрібне теплопідведення до електрода для формування краплі необхідної маси часто відрізняється від теплопідведення до деталі, що істотно залежить від товщини металу. Для тонкостінної деталі доцільно виконувати заварювання з наскрізним проплавленням на підкладці, що відводить тепло з колошовної зони (рис. 1, а), для товстостінної - застосовувати попередній підігрів деталі дугою від мундштука (рис. 1, б) або подачу електрода у два кроки (рис. 1, в). Нагрівання деталі дугою на першому кроці подачі електрода, коли капля має малий об'єм, та формування необхідної її маси на другому кроці дозволяє гнучко регулювати температуру краплі, уникнути ерозії мундштука від дії високих температур, підвищити стабільність і точність нанесення металу у місце обробки деталі.



а	б	в

Рис. 1. Способи дозованого наплавлення: а - з формуванням краплі в один крок подачі електрода; б - з попереднім підігрівом деталі дугою, що надходить від мундштука; в - з формуванням краплі у два кроки подачі електрода.

Сформульовано мету та задачі дисертації.

У другому розділі наведено результати дослідження процесу точкового дугового нагрівання деталі, визначено його основні параметри і їхнє діяння на розміри зони термічного впливу.

Розроблено математичну модель нагрівання деталі стабільною електричною дугою. Модель призначено для визначення температурного поля пластини з вісесиметричною обробкою методом скінченних різниць. Враховано залежність теплофізичних характеристик металу від температури, а також їхніх змінень при фазових пере ходах; розглянуто контактний теплообмін виробу з підкладкою. Побудову дискретних аналогів здійснено методом балансів.

Відповідно до основних законів термодинаміки (закону перенесення тепла у твердому тілі, конвективного, променистого теплообміну з навколишнім середовищем, теплопередачі через межу двох тіл) у скінченних різницях виведено формули для визначення теплових потоків на гранях елементів усередині тіла:

, ;	(1)

Для граней, що контактують із повітрям, теплові потоки визначаються відповідно до законів Ньютона й Стефана-Больцмана. Для граней, що контактують із підкладкою, теплові потоки розраховують за формулою

,	(2)

де RТК - термічний контактний опір.

При описанні джерела нагріву прийнято, що нагрівання деталі здійснюється завдяки потужності, яка виділяється в катодній плямі:

,	(3)

де к - коефіцієнт нагрівання катода; Iд, Uд - струм і напруга дуги.

Розподіл теплового потоку вздовж радіуса деталі r (рис. 2)

,	(4)

де - найбільший тепловий потік; k - коефіцієнт зосередженості дуги; R - відстань від центра краплі до точки поверхні деталі;

Rmin - мінімальна відстань від центра краплі до поверхні деталі.

Для сферичної і конічної обробок відповідно

,	(5)
,	(6)

де Lк - відстань від центра краплі до плоскої поверхні деталі; Rф - радіус фрези; hрд - глибина обробки, - кут при вершині обробки.

а	б

Рис. 2. Крива розподілу теплового потоку на поверхні обробки:

а - сферичної форми; б - конічної форми

Отримані системи рівнянь реалізовано у вигляді алгоритму та комп'ютерної програми. Після введення вихідних даних щодо джерела нагріву, геометричних параметрів деталі і умов теплообміну з навколишнім середовищем формується матриця граничних умов, яка визначає теплові потоки через грані елементів. Вихідними даними є: залежність температури в заданій точці від часу, форма й положення ізотермічних ліній температурного поля в заданий момент часу.

Для визначення параметрів математичної моделі, а саме характеристик електричної дуги як джерела нагріву, проведено дослідження термічних циклів нагрівання деталі. Для цього в алюмінієву пластину з обробкою були зачеканені спаї ХК термопар, виводи яких відімкнуто до електронного запам'ятовуючого осцилографа Rigol DS5022M. У результаті одержано експериментальний термічний цикл, який було порівняно з розрахунковим. При змінюванні ККД нагрівання катода к визначено, що в досліджуваному діапазоні струмів (25...80А) розрахунковий та експериментальний цикли найкраще збігаються, коли к лежить у межах 0.33…0.4. При цьому більшим значенням струмів відповідають менші значення к. При вимірюванні температури одночасно у двох точках і виконанні відповідного моделювання процесу, визначено діапазон значень коефіцієнта зосередженості теплового потоку k, при якому розрахункові результати збігалися з експериментальними з точністю, що не перевищує похибку вимірювань. Установлено, що значення коефіцієнта k міститься у межах 5...7 см-2.

Для оцінювання ефективності відведення тепла в охолоджувальні елементи (підкладку, мундштук) визначили умови контактного теплообміну. Значення термічного опору контактної пари дюралюміній-мідь одержали методом стаціонарного теплового потоку на приладі дискового типу. При збільшенні притиску середньостатистичне значення термічного опору зменшується, однак змінюється в межах довірчого інтервалу значень (табл. 1).

Таблиця 1

Контактний термічний опір пари AlCu4-Cu

Номер серії	mпр, кг	pпр, кПа	М(RТК)?10-3, К?м2/Вт	(RТК)?10-3, К?м2/Вт	0,9(RТК), ?10-3 К?м2/Вт
1	32,3	41,2	1,1508	0,043178	1,22…1,082
2	55,3	70,5	1,116	0,041388	1,182…1,050
3	84,8	108,0	1,0685	0,041578	1,135…1,002

У третьому розділі наведено результати досліджень процесів плавлення електрода й керованого перенесення краплі електродного металу.

Тепловий розрахунок процесу нагрівання та плавлення електрода зведено до розрахунку температурного поля стрижня скінченної довжини, який нагрівається джоулевим теплом від проходження електричного струму, й тепловим потоком від дуги, та охолоджується масивним тепловідвідним мідним мундштуком.

Проведено розрахунок динаміки плавлення електродного дроту Св-1201 і маси краплі біля торця мундштука (рис. 3). Результати розрахунку порівняно з результатами експерименту щодо вимірювання довжини розплавленої частини електрода Lр, який проведено іншими авторами за допомогою швидкісної кінозйомки. Результати вимірювань Lр збіглися з розрахунковими з точністю до 5 % у широких межах Iд і tд. Аналіз залежностей показав, що величина mк спочатку збільшується лінійно, потім її зростання уповільнюється й при деякому значенні tд зупиняється. Температура краплі Тк у початковий момент формування зростає швидко, потім зріст уповільнюється і у кінцевій стадії формування Тк досягає сталого значення. При збільшенні струму дуги Тк зростає. Більшим значенням маси краплі відповідає більше значення Тк при такому ж струмі дуги. Величина перегріву крапель із алюмінієвого сплаву 1201 становить 250…400 К.

а	б

Рис. 3. Залежність маси mк і температури Тк краплі від часу зварювання tд при діаметрі електрода: а - 2 мм; б - 3 мм

Розглянуто процес керованого перенесення краплі металу електрода, що плавиться, та вплив параметрів режиму зварювання на числове значення сил, що діють на краплю. Встановлено, що величина сили поверхневого натягу визначається в основному діаметром електрода, що плавиться, й температурою краплі, а величина електродинамічної сили - діаметром електрода й силою струму. Показано, що змінення сил поверхневого натягу внаслідок перегріву краплі - незначне, а вплив електромагнітної сили суттєво збільшується зі зростанням сили струму й зменшенням діаметра електрода. На основі рівняння балансу цих сил отримано залежність маси самовідривання краплі mк.кр від параметрів режиму зварювання (сили струму й часу горіння електричної дуги).

Розглянуто процес керованого відривання краплі газодинамічним способом. Розроблено алгоритм визначення швидкості газового потоку, газодинамічної сили й кінетичної енергії, підведеної до краплі від імпульсу газового потоку. Встановлено залежність цих параметрів від місткості ресивера й порожнини соплової частини, тиску в ресивері, діаметра соплової частини на виході, а також маси краплі.

Отримано область значень технологічних параметрів процесу дозованого наплавлення, при яких забезпечується стабільність газодинамічного перенесення. Встановлено, що при mк = (0,75...1,0)mк.кр процес керованого перенесення є нестабільним через часте зривання краплі внаслідок дії неврахованих сил (розгойдування краплі на торці електрода, інерційно-масові сили при його гальмуванні). Припустима нижня межа маси краплі при обраних параметрах газодинамічної системи обмежена можливістю підвести до краплі необхідну кінетичну енергію. При цьому необхідно враховувати, що газодинамічне відривання відбувається при вимкненій дузі через час tзс, тобто в момент здування відсутня електродинамічна сила й температура краплі знижується, що призводить до збільшення потрібної енергії відривання.

Розроблено математичну модель нагрівання мундштука. Досліджено вплив геометричних параметрів на температурне поле мундштука в процесі циклу наплавлення. Вибрано раціональну форму мундштука. Встановлено, що для запобігання розплавленню алюмінієвого дроту в каналі мундштука, торець дроту має бути заглибленим вище торця мундштука на 2...3 мм.

Досліджено стан поверхні торця мундштука до й після серії дій на нього електричною дугою. Початковий стан торця являв собою шліфовану поверхню. Після серії з 30 циклів дії електричною дугою силою Iд = 90…100А (тривалість дії tд=0,8 с, тривалість паузи - 5…10 с) на поверхні торця електрода з'явилися точкові ерозійні плями глибиною 0,04...0,1 мм і діаметром 0,05...0,25 мм.

На приладі ВЛА-200г-м виконано контроль зважуванням маси мундштука до проведення серії циклів дії на нього електричною дугою та після її проведення. Втрата маси mм становить 23…38 мг, що не перевищувало 0,07% від початкової маси мундштука. Коефіцієнт ерозії Кэ знаходиться у межах 0,9…1,6·10-8 кг/А·с.

Отримані результати дозволяють зробити висновок, що в досліджуваному діапазоні струмів з торця мундштука здійснюється характерне краплинне масовинесення, через що спосіб з дугою, що надходить від мундштука, не слід застосовувати для виправлення дефектів на відповідальних деталях літака.

Експериментально досліджено точність нанесення металу шляхом статистичного аналізу розподілу відхилень центрів нанесених на підкладку крапель від осі електрода. Знайдено параметри, що забезпечують високу точність нанесення та стабільність технологічного процесу. Застосування магнітного поля дозволяє підвищити точність нанесення металу на 10…20% (табл. 2). Крім цього, переміщення опорних плям дуги вздовж периметра обробки, викликане магнітним полем, позитивно впливає на стабільність розмірів зварювальної ванни і, як наслідок, форму підсилення зварної точки.

Таблиця 2

Параметри розподілу значень відхилень центра нанесеної краплі від осі електрода

Спосіб наплавлення	Параметри розподілу, мм
	Математичне очікування	Мода	Граничне відхилення
Без магнітного поля	0,2846	0,21	0,814
З магнітним полем	0,23	0,1881	0,728

У четвертому розділі викладено результати досліджень механічних характеристик деталей літака, відновлених наплавленням у середовищі інертних газів.

Дослідження впливу процесу заварювання дефекту на механічні властивості відливків проводили під час порівняльних випробувань зразків, виконаних ручним аргонодуговим, а також дозованим наплавленням. Після відповідного термічного оброблення більш високі показники міцності мають зразки, заварені дуговим дозованим наплавленням (табл. 3).

Таблиця 3

Результати випробувань механічних властивостей зразків, заварених ручним аргонодуговим (TIG) і дозованим наплавленням (d-MIG)

Метод наплавлення	Марка присадного дроту	Середні значення
		Межі міцності, в, МПа	Подовження, , %
TIG	Св-1201	280... 320	3,0…6,0
d-MIG		360... 380	4,0…8,0

Проведено дослідження з метою визначити напрямок формування оптимальних параметрів процесу дозованого нанесення металу. Лінійну модель побудовано з використанням методу планованого повного факторного експерименту типу 22, при реалізації якого було виконано чотири досліди. Кожний дослід дублювали тричі (рівномірне дублювання дослідів). Оцінено вплив сили зварювального струму X1 і часу горіння зварювальної дуги X2 на механічні характеристики зразків. Як значення функцій відгуку процесу прийнято міцність y й подовження y зразків після термічного оброблення.

У результаті було отримано рівняння регресії на досліджуваній ділянці факторного простору:

;	(11)
.	(12)

Результати аналізу отриманих рівнянь свідчать, що на цій ділянці факторного простору на міцність відливків, заварених дозованим наплавленням і з подальшим загартуванням, основним параметром, що впливає на міцність, є час зварювання. Сила струму, а також ефекти взаємодії, статистично не є значущими.

Для дослідження мікро- й макроструктури шліфи протравлювали реактивом Келлера. Структуру металу деталі у зоні зварного з'єднання вивчали на оптичному мікроскопі NEWFOT-30 та растровому електронному мікроскопі РЕМ-106. Елементний аналіз виконували енергодісперсійним методом. У зоні часткового оплавлення добре видно сітчасту структуру вздовж меж зерен. Дослідження елементного складу показали, що для цієї зони характерні протяжні виділення фази з високим вмістом міді на межах зерен (на рис. 4 темні лінії), а також прилеглі до них ділянки, локально збіднені міддю (світлі лінії).

Аналіз «за профілем» дозволив визначити розподіл легуючих елементів перпендикулярно межи злиття основного й присаджувального металів (рис. 5).

а	б

Рис. 4. Мікроструктура зони часткового оплавлення:

а - при дозованому наплавленні; б - при ручному аргонодуговому

а	б

Рис. 5. Розподіл легуючих елементів:

а - при дозованому наплавленні; б - при ручному аргонодуговому

Аналіз показав, що в зоні часткового оплавлення спостерігається сильна нерівномірність розподілу легуючих елементів, пов'язана в основному з ліквацією міді. При дозованому наплавленні ширина зони часткового оплавлення є меншою, що пов'язано з меншими діючими температурами й більш коротким терміном їхньої дії. Аналіз зразків показав, що при дозованому наплавленні ширина зони часткового оплавлення становить 1...2 мм, при ручному аргонодуговому зварюванні - 2,5...5 мм.

Мікротвердість зони наплавленого металу лежить у межах 90...100 НВ, основного - 120...130 НВ. Поблизу границі злиття мікротвердість змінюється в значних межах (80...130 НВ), місцями є локальні зниження до 40...50 НВ.

П'яту главу присвячено розробленню технології виправлення дефектів на деталях з алюмінієвих сплавів дозованим аргонодуговим наплавленням.

Проаналізовано основні параметри процесу і їхні взаємозв'язки, розроблено методику вибору та/або розрахунку взаємозалежних параметрів дозованого наплавлення та рекомендації щодо типових обробок під зварювання, розмірів зварних з'єднань (табл. 4), а також режимів дугового наплавлення. Алгоритм визначення параметрів реалізовано у вигляді підсистеми інтелектуальної системи підтримки прийняття рішень.

Циклограма процесу (рис. 6) нанесення однієї краплі містить такі етапи: I -збудження електричної дуги; II - нагрівання деталі до утворення зварювальної ванни; III - утворення краплі електродного металу необхідної маси; IV - здування краплі підвищенням швидкості захисного газу. Для реалізації послідовності операцій розроблено регулятор циклу.

Рис.6. Суміщена циклограма основних параметрів процесу

Основні параметри процесу: Iчд - струм чергової дуги; Iд1, Iд2 - струм зварювальної дуги; tп - час подавання електрода; tзд - час затримки вмикання силової дуги; tд1 - час нагрівання деталі; tд2 - час формування і нагрівання краплі; tзс - час затримки відривання краплі; tс - час вмикання клапана здування краплі; tц - час циклу наплавлення; vг.з. - швидкість захисного газу; vг.і. - швидкість імпульсотвірного газу; vе - швидкість подавання електроду.

Умовами, які дозволяють здійснити заварювання дефекту, є: а) подавання електроду на другому кроці (етап III) зі швидкістю, що дорівнює швидкості оплавлення при щільності струму 10…15 А/мм2; б) закручення електричної дуги магнітним полем з індукцією (3...9)10-4 Тл, що забезпечує стабільне переміщення катодної плями та рівномірне нагрівання вісесиметричної обробки (більшим струмам відповідають менші значення магнітної індукції).

Розроблено рекомендації щодо порядку роботи на установці дозованого наплавлення при заварюванні дефектів деталей літаків.

Таблиця 4 Типові розміри обробок й зварних з'єднань	g1, мм		не більш 1,0	не більш 1,5
	g, мм	+0,5 +0,8	+0,8 +1	+1	+0,5 +0,8	+0,8 +1	+0,8 +1
	D, мм не більше	10 12 12	12 14 14	14	10 12	12 14	12 14
	d, мм		1,5…2,5
	h, мм	2 3 4	3 4 5	3 4	2 3 4
	r, мм	4	5		4
	S, мм	Від 3 до 7 Від 3 до 7 Від 3 до 7	Від 3 до 5 Від 3 до 5	Від 2,5 до 3,5 Від 3,5 до 4,5 Від 4,5 до 5,5	Від 1,5 до 2,5 Від 2,5 до 3,5	Від 1,5 до 2,5 Від 2,5 до 3,5
	Конструктивні елементи	зварного з'єднання
		обробки
	Номер варі-анта	1 2 3 4 5 6	7 8	9 10 11	12 13	14 15

ВИСНОВКИ

Розроблено новий спосіб дозованого наплавлення, який забезпечує високу ефективність виправлення ливарних дефектів тонкостінних елементів деталей літака з високоміцних алюмінієвих сплавів. Основними умовами є двокрокове подавання електрода, причому на другому кроці формування краплі необхідної маси від-бувається при зменшеному струмі дуги, а також закрученні дуги магнітним полем.

Запропоновано математичну модель нагріву деталі електричною дугою з вісеси-метричною обробкою, що дозволяє визначати температурне поле деталі для заданих параметрів процесу. Знайдено функції розподілу теплового потоку по обробці. Отр-имані системи рівнянь реалізовано у вигляді алгоритму та програми. Досліджено термічні цикли нагріву металу під час заварювання дефекту. Показано, що ККД нагріву деталі дугою при дозованому наплавленні в досліджуваному діапазоні струмів лежить у межах 0.33...0.4, а коефіцієнт зосередженості дуги - 5...7 см-2.

З'ясовано, що контактний термічний опір пари дюралюміній-мідь незначно змінюється в діапазоні тисків 40…110 кПа й становить 1.02…1.19?10-3 К?м2/Вт.

Розроблено математичну модель плавлення електрода й формування краплі біля торця масивного мундштука. Отримано залежності температури та маси крапель електродного металу від технологічних параметрів, стосовно дроту різного діаметра зі сплаву 1201. Досліджено кероване перенесення крапель металу газодинамічним способом. Наведено область раціональних технологічних параметрів процесу. Визначено точність нанесення металу при запропонованому способі дозованого наплавлення. Встановлено, що закручення дуги магнітним полем збільшує точність нанесення крапель металу на 10…20%.

Виявлено, що зварювальна дуга, що надходить з масивного мідного мундштука, викликає істотну ерозію торцевої частини мундштука. Визначено діапазон значень коефіцієнту ерозії, який становить 0,9...1.6·10-8 кг/А·с, що обмежує застосування цього способу для виправлення дефектів відповідальних деталей літаків.

Порівняльні випробування міцності зразків дозволяють стверджувати, що при дозованому наплавленні відновлені деталі зберігають більш високу міцність (в=360…380 МПа), ніж при ручному аргонодуговому (в=280…320 МПа). Показано, що для алюмінієвих сплавів системи Al-Cu у зоні, що піддавалися тривалому впливу зварювальних температур, формується сітчаста структура виділень евтектики між зернами, а також ділянок зерен, локально збіднених міддю. Встановлено, що ширина зони часткового оплавлення меж зерен при дозованому наплавленні становить 1...2 мм, а при ручному аргонодуговому зварюванні - 2,5...5 мм. Визначено, що найбільш істотним фактором, який впливає на міцність зразків, є час зварювання.

Запропоновано типовий технологічний процес виправлення дефектів авіаційних деталей. Розроблено методику визначення параметрів технологічних операцій з використанням інтелектуальної системи підтримки прийняття рішень. Сформульовано рекомендації щодо типових розмірів обробок, зварних з'єднань і режимів дугового наплавлення. Розроблено основні елементи устаткування для дозованого наплавлення.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ за ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ

Лашко С.Н. Перенос капель металла плавящегося электрода при дуговом нагреве и действии кратковременной силы / Н.М. Тарасов, С.Н. Лашко // Авиационно-космическая техника и технология: труды Нац. аєрокосм. ун-та «ХАИ».

- Х. - 2000. - №17. - С. 211-212.

Лашко С.Н. Моделирование численным методом процесса точечной наплавки при раздельном горении дуги с мундштука и электрода / Н.М. Тарасов, А.К. Горлов, С.Н. Лашко // Авиационно-космическая техника и технология: труды Нац. аєрокосм. ун-та «ХАИ».- Х. - 2001. - №25. - С. 10-12.

Лашко С.Н. Численное моделирование процесса формирования капли расплавленного металла на торце плавящегося электрода / Н.М. Тарасов, А.К. Горлов, С.Н. Лашко // Автоматическая сварка. - 2002. - №6. - С. 24-27.

Лашко С.Н. Численное моделирование теплового состояния пластины при дуговом нагреве с учетом теплообмена с теплоотводящей подложкой

/ Н.М. Тарасов, А.К. Горлов, С.Н. Лашко // «Открытые информационные компьютерные интегрированные технологии»: сб. науч. трудов. - Х.: Нац.аэрокосм.ун-т «ХАИ». - 2003. - Вып. 19. - С. 169-173.

Лашко С.Н. Разработка системы моделирования технологических процессов наплавки шипов / С.Н. Лашко // «Открытые информационные компьютерные интегрированные технологии»: сб. науч. трудов.- Х.: Нац.аэрокосм.ун-т «ХАИ». - 2004. - Вып. 24. - С. 156-159.

Лашко С.Н. Исследование металлургических процессов при сварке сплава АМ4.5Кд / С.Н. Лашко // Вісті академії інженерних наук України. - 2009. - №1.

- С. 29-32.

Применение магнитного поля для стабилизации формы выступа при аргонодуговой дозированной наплавке / А.К. Горлов, А.М. Жуков, Е.П. Рогачев, С.Н. Лашко // Вісті академії інженерних наук України. -2009. -№1. - С. 251-254.

Исследование точности нанесения металла при дозированной аргоно-дуговой наплавке / А.К. Горлов, Е.П. Рогачев, А.М.Жуков, С.Н. Лашко // Вопросы проектирования и производства конструкций ЛА: сб. науч. трудов. - Х.:ХАИ.

- 2010. - Вып.3 (63). - с. 31-36.

У працях, написаних у співавторстві, автором виконано таку роботу:

[1] - виконано аналіз видів краплинного переносу при дуговому зварюванні та способів керування переносом зовнішнім імпульсним впливом;

[2] - розроблено алгоритм і програму процесу точкового дозованого наплавлення з попереднім підігрівом деталі дугою, що надходить із мундштука;

[3] - розроблено алгоритм і програму моделювання процесу плавлення й формування краплі розплавленого металу;

[4] - запропоновано при розрахунку теплового поля пластини враховувати теплообмін з підкладкою; дороблено програмну реалізацію математичної моделі;

[7] - виконано експериментальні дослідження, оброблення і аналіз результатів, сформульовано технологічні рекомендації щодо закручення дуги магнітним полем.

[8] - виконано експериментальні дослідження, оброблення і аналіз результатів, побудовано гістограму розподілу відхилень центрів нанесеного металу.

АНОТАЦІЯ

Лашко С. М. Технологія виправлення точкових ливарних дефектів тонкостінних елементів авіаційних деталей з високоміцних алюмінієвих сплавів дозованим наплавленням. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.07.02 - проектування, виробництво й випробування літальних апаратів. Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, 2010.

Роботу присвячено питанням підвищення ефективності виправлення ливарних дефектів авіаційних деталей з високоміцних алюмінієвих сплавів та містить опис досліджень, експериментів, розрахункових схем та алгоритмів математичного моделювання, результати яких дозволили розробити технологію виправлення точкових ливарних дефектів новим способом - дозованим наплавленням.

Визначено закономірності формування зварювальної ванни на деталі з обробкою, а також закономірності плавлення електроду, що охолоджується масивним мідним мундштуком, під дією електричної дуги. Встановлено умови, що дозволяють виконати заварювання дефекту. Визначено вплив параметрів процесу на механічні властивості деталей.

Ключові слова: дозоване наплавлення, виправлення дефектів лиття, авіаційні деталі, високоміцні алюмінієві сплави.

АННОТАЦИЯ

Лашко С. Н. Технология исправления точечных литейных дефектов тонкостенных элементов авиационных деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов дозированной наплавкой. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02 - проектирование, производство и испытания летательных аппаратов. Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2010.

Целью исследования является повышения эффективности исправления литейных дефектов авиационных деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов.

Диссертация посвящена вопросам технологии исправления точечных литей-ных дефектов тонкостенных элементов авиационных деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов дозированной наплавкой.

В диссертации получены следующие научные и практические результаты.

Разработан новый способ исправления литейных дефектов на деталях из алюминиевых сплавов аргонодуговой наплавкой, при котором заварка дефекта выполняется одиночными каплями металла плавящегося электрода строго дозиро-ванной массы. Установлено, что основными условиями, позволяющими осущест-вить заварку дефекта, являются: двухшаговая подача электрода, причем на втором шаге подачи формирование капли требуемой массы идет при уменьшенном токе дуги (плотность тока в электроде равняется 10…15 А/мм2) со скоростью, равной скорости оплавления; закрутка дуги магнитным полем с индукцией (3…9) 10-4 Тл.

Получила развитие математическая модель процесса точечной дозированной аргонодуговой наплавки. Найдены функции распределения теплового потока по осесимметричной разделке. Показано, что КПД нагрева детали электрической дугой в исследуемом диапазоне токов лежит в пределах 0.33…0.4, а коэффициент сосредоточенности - 5…7 см-2. Установлено, что значения контактного термического сопротивления между медью и алюминием при давлениях 40…100 кПа, которые составляют 1,02…1,19 Км2/Вт. Получена область рациональных технологических параметров процесса управляемого переноса капель металла.

Определена точность нанесения металла для предложенного способа дозированной наплавки. Установлено, что применение закрутки дуги магнитным полем увеличивает точность нанесения металла на 10-20%.

Получено распределение легирующих элементов в зоне термического влияния. Показано, что ширина зоны частичного оплавления границ зерен при дозированной наплавке составляет 1…2 мм, а при ручной аргонодуговой сварке - 2,5…5 мм.

Выяснено, что сварочная дуга, горящая с массивного медного мундштука, вызывает существенную эрозию торцевой части мундштука. Установлено, что коэффициент эрозии лежит в пределах 0,9…1,610-8 кг/Ас.

Показано, что при дозированной наплавке восстановленные детали сохраняют более высокую прочность (в=360…380 МПа), чем при аргонодуговой наплавке (в=280…320 МПа) и можно снять ограничения по исправлению дефектов сваркой с части силовых деталей, увеличивается объем деталей, которые восстановятся сваркой, повышается эффективность их восстановления.

Даны рекомендации по типовым размерам сварных соединений и режимам точечной аргонодуговой дозированной наплавки применительно к заварке дефектов на деталях из высокопрочных алюминиевых сплавов. Приведена методика выбора рациональных технологических параметров дозированной наплавки.

Ключевые слова: дозированная наплавка, исправление дефектов литья, авиационные детали, высокопрочные алюминиевые сплавы.

ABSTRACT

Lashko S. N. Technology of castings reconstruction of spot defects in the thin-walled elements of aviation details made of highstrength aluminum alloys by d-MIG welding. - Manuscript.

Thesis for Scientific Degree of Candidate in Specialty 05.07.02 - Aircraft design, manufacture and testing. - The National Aerospace University named after N. Y. Zhukovsky “Kharkov Aviation Institute”, Kharkov, 2010.

Work is devoted to the ways of efficiency increasing for the reconstruction of aircraft castings made of highstrength aluminum alloys and contains description of researches, experiments, calculation charts and modeling, the results of which allowed to develop technology castings reconstruction by new method - d-MIG welding.

The rules are certain for forming of the weld bath on details with groove and melting of electrode, which cools down by massive copper holder, under the action of voltaic arc. Terms which allow executing the castings reconstruction are set. Find out the influence of the process parameters on mechanical properties of details.

Key words: d-MIG welding, castings reconstruction, aircraft parts, highstrength aluminum alloys.

Размещено на Allbest.ru

...