Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нафиков Марат Закиевич

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ АВТОТРАКТОРНЫХ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ НАПЛАВКОЙ

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

Саранск 2010

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая и прикладная механика» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет»

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мачнев Валентин Андреевич

доктор технических наук, профессор Сорокин Виталий Матвеевич

доктор технических наук, профессор Латыпов Рашит Абдулхакович

Ведущая организация ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Защита состоится 10 июня 2010 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.06 при ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева» по адресу: 430409, г.Саранск, п. Ялга, ул. Российская, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»

Отзывы на автореферат, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять в двух экземплярах по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «___» ___________ 2010 года и размещен на официальном сайте ВАК Минобрнауки России http:/vak.ed.gov.ru 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук В.А. Комаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

деталь вал наплавка проволока

Актуальность проблемы. Одним из главных составляющих звеньев технического обслуживания и ремонта машин является восстановление изношенных деталей.

С полным основанием к числу прогрессивных и ресурсосберегающих способов восстановления можно отнести электроконтактные. Эти способы, основанные на методе шовной сварки, выгодно отличаются от электродуговых малым нагревом детали, отсутствием выгорания легирующих элементов, минимальными припусками на последующую механическую обработку наплавленного металла и др. При электроконтактных способах восстановления в качестве присадочных материалов могут применяться стальные ленты и проволоки, а также металлические порошки.

Проволоки удобны, доступны и недороги, не требуют предварительной подготовки или раскроя. Промышленностью выпускается самая широкая номенклатура проволок различного химического состава. Однако данный присадочный материал применяется для восстановления изношенных деталей типа «вал» реже, чем ленты и порошки. Объясняется это во многом несовершенством существующей технологии восстановления. Сварное соединение металлопокрытия с основным металлом детали при электроконтактной наплавке (ЭКН) формируется без образования общей сварной ванны, в твердой фазе. Поэтому прочность формируемого соединения в значительной степени зависит от технологических режимов наплавки. Отсутствуют простые, применимые в условиях сельскохозяйственных ремонтных предприятий методы контроля качества сварного соединения. Недостатками электроконтактной наплавки также являются неоднородность структуры металлопокрытия, повышенный износ инструмента - ролика-электрода и др.

В связи с изложенным, обоснование технологических процессов и разработка технических средств восстановления автотракторных деталей ЭКН стальных проволок является актуальной научно-технической проблемой.

Цель работы. Повышение эффективности и качества восстановления изношенных деталей на основе совершенствования технологического процесса электроконтактной наплавки стальных проволок и разработки нового технологического оборудования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ современного состояния восстановления деталей электроконтактными способами.

2. Разработать эффективный неразрушающий способ определения прочности сварного соединения присадочного и основного металлов.

3. Провести теоретические и экспериментальные исследования процесса пластической деформации присадочной проволоки с учетом действующих сил и возникающих напряжений, установить на этой основе закономерности, условия и разработать математическую модель формирования соединения покрытия с основным металлом, определить возможности повышения качества восстановления деталей.

4. Исследовать влияние технологических режимов ЭКН на качественные показатели и свойства сформированных металлопокрытий, эксплуатационные характеристики восстановленных валов.

5. Разработать и модернизировать наплавочное оборудование в части создания новых конструкций инструментов - роликов-электродов с повышенной износостойкостью их рабочих поверхностей, а также систем автоматического регулирования процесса наплавки.

6. Разработать и внедрить в производство типовой технологический процесс восстановления деталей типа «вал» электроконтактной наплавкой проволокой из углеродистых и легированных сталей, оценить его технико-экономическую эффективность.

Объект исследования. Технологический процесс восстановления деталей типа «вал» сельскохозяйственной техники электроконтактной наплавкой проволокой.

Предмет исследования. Закономерности формирования металлопокрытия электроконтактной наплавкой стальных проволок.

Научную новизну исследований составляют:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований образования соединения покрытия с основным металлом, что позволило построить математическую модель процесса (св. рег.2006614259) и установить основные закономерности формирования металлопокрытия при ЭКН. А именно:

- решение задачи пластической деформации присадочной проволоки при ЭКН с учетом действующих сил и возникающих напряжений, позволившее разработать новые способы определения геометрических параметров деформации - единичной площадки металлопокрытия (пат. 2220829), размеров контактов присадочного металла с деталью и инструментом, перекрытия контактных площадок по длине валика (пат. 2263565);

- установленные связи между осевой деформацией присадочной проволоки и прочностью сцепления покрытия с основой в виде зависимостей (2), что позволило разработать оперативный способ определения качества (прочности) сварного соединения (а.с. 641306), осуществимый на рабочем месте оператором-наплавщиком;

- условие формирования при ЭКН соединения в твердой фазе в виде зависимости (13), связывающей действующие в присадочном металле осевые растягивающие напряжения с пределом сопротивления пластической деформации, позволившее исследовать кинетику процесса образования соединения металлопокрытия с основным металлом детали (пат.2278009, 2338635);

- новый расчетный способ определения температуры нагрева присадочного металла по осевой деформации присадочной проволоки при ее наплавке (пат.2315683), позволивший установить, что при оптимальных режимах ЭКН температура нагрева и предел сопротивления деформации присадочного металла совпадают с аналогичными параметрами при горячей обработке металлов давлением;

- способ определения износа ролика-электрода (пат.2284888), основанный на замерах параметров деформации присадочной проволоки при ее наплавке на одинаковых режимах изношенным и неизношенным инструментом, что позволило исследовать износостойкость различных электродных материалов в условиях ЭКН и разработать ряд конструкций роликов-электродов, рабочие поверхности которых защищены от износа сеткой (пат.880662) или проволокой (пат.1530380) из жаропрочных материалов, или же сменными элементами из медной фольги (пат.2307009, 2355534);

- новые способы автоматического регулирования процесса ЭКН (а.с.923064, 1434640), при которых в качестве контролирующего и управляющего параметра при ЭКН цилиндрических поверхностей используют среднюю скорость затягивания присадочной проволоки в зону формирования соединения, а при наплавке конических и фасонных поверхностей - отношение разности скоростей затягивания проволоки и линейной скорости наплавляемой поверхности к последней.

2. Установленные закономерности влияния технологических факторов режима ЭКН на прочность сцепления металлопокрытия с основой, физико-механические характеристики, структуру, твердость, износостойкость, ударную вязкость наплавленного слоя, усталостную прочность восстановленных валов.

3. Теоретические и экспериментальные исследования по разработке научно обоснованной методики определения рациональных режимов наплавки присадочных проволок из углеродистых и легированных сталей.

Положения, выносимые на защиту.

1. Теоретическое обоснование процесса пластической деформации присадочной проволоки при восстановлении деталей типа «вал» ЭКН.

2. Модель формирования сварного соединения покрытия с основным металлом детали при электроконтактной наплавке.

3. Экспериментальная оценка структуры, свойств и качества сформированных металлопокрытий и восстановленных деталей.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по совершенствованию и разработке конструкций инструментов - роликов-электродов.

5. Методика определения оптимальных режимов ЭКН валов присадочными проволоками различного диаметра из углеродистых и легированных сталей.

Практическую значимость представляют:

- эффективный способ определения прочности сцепления покрытия с основным металлом вала (а.с. 641306);

- рекомендации по проектированию технологических процессов восстановления изношенных деталей типа «вал» и научно обоснованная методика выбора режимов восстановления наружных цилиндрических поверхностей присадочными проволоками различного диаметра и химического состава;

- новые конструкции роликов-электродов (а.с. 880662; а.с. 1530380; пат. 2307009; пат. 2355534) с повышенной износостойкостью рабочих поверхностей;

- способы автоматического регулирования процесса ЭКН (а.с. 484060, а.с.1434640);

- способ защиты шпоночных пазов при ЭКН (а.с. 1449305);

- способ ЭКН с уменьшенным шагом наплавки по винтовой линии (пат.2263012).

Реализация результатов работы. Практические рекомендации по проектированию технологических процессов восстановления изношенных деталей ЭКН рассмотрены и одобрены научно-техническими советами министерств сельского хозяйства Республики Башкортостан, Республики Мордовия, Оренбургской, Челябинской и Ульяновской областей и рекомендованы к внедрению.

Оборудование и разработанные технологические процессы восстановления внедрены в Чишминском, Мелеузовском, Зирганском, Имянлекульском ремонтно-технических предприятиях, ООО «Ремонтник» Буздякского района, ООО «Техника» г. Баймака Республики Башкортостан, ООО «Форк-трейд» г.Уфы, ФГУП 487 ЦАРЗ МО РФ, на научно-производственном участке кафедры «Технология металлов и ремонт машин» ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ».

Результаты проведенных исследований используются в девятнадцати вузах Российской Федерации при изучении курсов «Надежность и ремонт машин», «Технология ремонта машин», «Реновация машин и оборудования».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференция БГАУ(БСХИ) (Уфа, 1974-2009 г.г.), ЧГАУ(ЧИМЭСХ) (Челябинск, 1976 и 1978 г.г.), на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях (Челябинск, Уфа, Саранск, Ташкент, 1981-2009 гг.). Получено 22 авторских свидетельства СССР и патентов РФ на изобретения. На программу для ЭВМ «Зона образования сварного соединения в пределах контактных площадок» получено свидетельство об официальной регистрации.

Публикации. По результатам работы над диссертацией опубликовано 53 работы, в том числе 20 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 282 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц, 123 рисунка. Список литературы включает 260 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность работы, показана перспективность совершенствования технологических процессов ЭКН стальных проволок при восстановлении изношенных деталей, кратко отражено основное содержание диссертационной работы.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» проанализированы эксплуатационные, конструктивные и технологические характеристики восстанавливаемых автотракторных деталей типа «вал», сделан литературный обзор работ, посвященных электроконтактным способам восстановления изношенных деталей с применением в качестве присадочного метала стальных лент и проволок, а также металлических порошков, намечена цель и сформулированы конкретные задачи исследования.

Для восстановления деталей типа «вал» наиболее рациональны способы, позволяющие наносить слой металлопокрытия толщиной 0,10…0,25 мм на сторону после механической обработки, обеспечивающие твердость металлопокрытия в пределах HRC 50…55 и не дающие существенного снижения усталостной прочности деталей.

К числу наиболее перспективных и ресурсосберегающих технологий относится ЭКН стальных проволок. Этот способ, предложенный в шестидесятые годы Ю.В. Клименко, получил дальнейшее развитие благодаря последующим его работам, а также исследованиям В.В. Булычева, В.А. Дубровского, В.А. Емельянова, В.С. Ибрагимова, Э.С. Каракозова, В.Т. Катренко, Р.А. Латыпова, А.В. Поляченко, А.И. Пономарева, Л.Б.Рогинского, М.Н. Фархшатова и других исследователей.

В известных исследованиях решаются конкретные задачи, связанные с разработкой технологических процессов восстановления деталей ЭКН, исследуются свойства металлопокрытий и др. Крайне ограниченное число исследований посвящено изучению механизма формирования сварного соединения, теория процесса разработана совершенно недостаточно.

Анализ литературных данных показал, что объяснять механизм, изучать закономерности формирования соединения покрытия с основным металлом детали, прогнозировать пути повышения качества восстановления необходимо с точки зрения современных представлений теории соединения металлов в твердой фазе, в частности, основываться на известных положениях о том, что прочность такого соединения определяется деформацией в стыке соединяемых поверхностей - легко контролируемым в условиях ЭКН параметром.

Во второй главе «Исследование процесса формирования сварного соединения при электроконтактной наплавке» рассмотрена физическая природа образования соединения, составлена схема и решена теоретически задача пластической деформации присадочного металла, разработаны новые способы определения параметров деформации проволоки. Сформулировано условие образования сварного соединения при ЭКН. Рассмотрена кинетика процесса.

На рисунке 1 приведена схема формирования металлопокрытия.

К валу 1 (радиусом ) роликом-электродом 2 (радиусом ) прижимается с силой присадочная проволока 3 (диаметром ). При прохождении импульса тока присадочный металл проволоки разогревается до температуры, близкой к температуре плавления, а свойства стали приближаются к свойствам вязкой жидкости.

1 - вал, 2 - ролик-электрод, 3 - присадочная проволока, 4 - контактная площадка со стороны вала, 5 - контактная площадка со стороны ролика-электрода, 6 - металлопокрытие, 7 - элементарная призма

Рисунок 1 - Схема формирования металлопокрытия: а - формирование контактных площадок; б - развертка контактной площадки; в - напряжения на выделенном элементе

По мере разогрева и деформирования присадочной проволоки увеличиваются площадки 4 и 5 ее контакта с поверхностями вала и ролика-электрода, соответственно возрастает количество теплоты, отводимой из зоны формирования сварной площадки, снижается плотность линий тока. Наиболее интенсивно деформируются более разогретые объемы присадочного металла, что способствует выравниванию температуры и давления в пределах контактов. Полная осадка проволоки со стороны вала больше осадки со стороны инструмента, т.к. >>.

Скорость роста прочности сварного соединения при формировании его в твердой фазе выражается известной зависимостью

, (1)

где - относительная (безразмерная) прочность сварного соединения, равная отношению пределов прочности соединения при конкретном технологическом режиме и максимально возможного; - площадь в м² одного активного центра, зависящая от энергии , выносимой дислокацией при образовании активного центра, и высоты энергетического барьера , при достижении которого в пределах одного активного центра образуются межатомные связи; - скорость деформации в с^-1; - расстояние в м между дислокациями (-плотность дислокаций, м^-2); -модуль вектора Бюргерса в м.

Выражение (1) математически правильно не интегрируется, поэтому интересующие нас зависимости между прочностью сварного соединения и относительной деформацией присадочной проволоки определяли экспериментально, прогнозируя при этом следующий вид модели:

,

где и -безразмерные эмпирические коэффициенты; - относительное удлинение присадочной проволоки при ее наплавке; - длина наплавленного валика; - длина проволоки, затраченной на формирование валика; С - постоянная интегрирования.

1 - углеродистые стали, 2 - сталь 30ХГСА

Рисунок 2 - Зависимости прочности сцепления металлопокрытия с основой от осевой деформации присадочной проволоки

После статической обработки результатов экспериментов (рисунок 2) выявлены следующие зависимости между прочностью сварного соединения и относительной осевой деформацией проволоки из углеродистых сталей и стали 30ХГСА соответственно:

;

. (2)

Формирование сварного соединения начинается с порогового значения деформации . При максимально достижимой осевой деформации проволоки прочность соединения получается наиболее высокой. Полученные зависимости (2) являются усредненными характеристиками качества (прочности) сварного соединения.

На основании выявленных зависимостей разработан простой, осуществимый на рабочем месте оператором-наплавщиком неразрушающий способ определения прочности сцепления покрытия с основой вала (а.с. 641306).

В результате каждого термомеханического цикла на поверхность наплавляемого вала наносится порция металла - единичная площадкой металлопокрытия. Разработан способ определения геометрических параметров такой площадки (пат. 2220829). Показано, что среднюю толщину металлопокрытия можно определить без непосредственного ее измерения по относительной осевой деформации присадочной проволоки при наплавке

, (3)

где - шаг наплавки вала по винтовой линии.

После осадки проволоки равномерно разогретый присадочный металл образует контактные площадки 4 и 5 с цилиндрическими поверхностями вала и ролика (рисунок 1,а). Развертки таких контактных площадок близки по форме к полуэллипсам (рисунок 1,б). Полуосями эллипсов являются половина ширины наплавленного валика и длины контактных дуг и соответственно. Полуось замеряем после наплавки, а длины контактных дуг определяем аналитически следующим образом. По схеме на рисунке 1 получаем геометрические соотношения:

, (4)

(5)

. (6)

Обозначения в формулах (4-6) соответствуют рисунку 1.

Рассмотрим состояние равновесия присадочного металла между валом и роликом (рисунок 1), приняв при этом ряд допущений:

1. Не учитываем вращение вала и ролика, осевое перемещение присадочной проволоки.

2. Не учитываем действующие в контактах силы трения и сцепления покрытия с основой.

3. Считаем давления по контактным площадкам со стороны вала и со стороны ролика-электрода постоянными по площадям контактных площадок и равными сопротивлению присадочного материала пластической деформации при его одноосном напряженном состоянии ().

В состоянии, близком к описываемому, находится присадочный металл в конце осадки проволоки.

На контактной площадке, показанной на рисунке 1,б, выделен элемент площадью

На элемент, являющийся боковой гранью элементарной призмы на рисунке 1,а, действует малое усилие, равное . Горизонтальная составляющая этого усилия равна

Просуммировав по контактным площадкам элементарные силы , действующие на присадочный металл, как со стороны вала, так и со стороны ролика, получим

. (7)

Можно определить длины контактных дуг и , решив систему уравнений (3-7) (пат. 2263565).

Полный объем пластически деформируемого присадочного металла, заключенного между валом и роликом, равен

Длина дуги контакта присадочного металла с деталью, найденная по соотношениям (4 - 7), получена в предположении, что деталь не вращается. Фактический размер сварной площадки будет больше на величину и равен

, (8)

где - окружная скорость вращения детали; - длительность импульса тока.

Присадочный металл испытывает также напряжения растяжения, которые можно определить следующим способом. Проведем произвольное поперечное сечение сварной площадки (рисунок 1,а). Положение проведенного сечения определяется углами и , которые связаны соотношением

.

На присадочный металл, расположенный выше проведенного сечения, со стороны вала и со стороны ролика действует растягивающая сила . Ее можно определить, просуммировав осевые составляющие элементарных сил , действующих на присадочный металл от вала и инструмента по тем частям контактных площадок, что расположены выше проведенного сечения

. (9)

Площадь показанного на рисунке 1 произвольного сечения сварной площадки равна:

, (10)

. (11)

Если считать, что нормальные напряжения равномерно распределены по поперечному сечению формируемой сварной площадки, то

. (12)

На рисунке 3 показаны графики распределений отношений нормальных растягивающих напряжений в поперечных сечениях присадочной проволоки к пределу текучести присадочного металла в зависимости от координаты сечения для трех различных режимов наплавки. Наплавлялись валы из стали 45 ГОСТ 1050-88 диаметром =50 мм наплавляющим роликом диаметром = 300 мм с применением пружинной проволоки 2 класса ГОСТ 9389-75 диаметром = 1,8 мм.

1 - = 0,152, 2 - = 0,172, 3 - = 0,458, 4 - = 0,37 (сталь 30ХГСА)

Рисунок 3 - Зависимости растягивающих напряжений в присадочном металле от координат поперечных сечений контактных площадок при различных режимах наплавки

Кривая 1 на рисунке 3 построена для случая наплавки на режиме: = 4,2 кА; = 0,036 м/с; = 3 мм/об; = 1,5 кН; = 0,04 с; =0,08 с. Относительная осевая деформация присадочной проволоки составила в этом случае значение = 0,152.

График 2 на рисунке 3 соответствует режиму наплавки: = 4,4 кА; = 0,036 м/с; = 3 мм/об; = 1,5 кН; = 0,04 с; =0,08 с; = 0,172.

График 3 соответствует наплавке на режиме: = 7,2 кА; = 0,020 м/с; = 3 мм/об; = 1,3 кН; = 0,04 с; =0,08 с; = 0,458.

В соответствии с зависимостью (2) относительная осевая деформация присадочной проволоки = 0,152 недостаточна для образования сварного соединения основного и присадочного металлов. График 1 на рисунке 3 проходит ниже ординаты . Иными словами, действующие в присадочном металле растягивающие напряжения нигде не достигают предела текучести, соответствующего данному режиму наплавки. Значению в примере 2 соответствует, как следует из зависимости (2) и рисунка 2, минимальная, близкая к нулю прочность сварного соединения. Соединение образуется только в самом начале сварной площадки, в зоне наибольшей деформации присадочной проволоки. В указанном поперечном сечении контактной площадки, при , действуют напряжения , величина которых совпадает с пределом текучести металла проволоки, что видно из графика 2 на рисунке 3.

В третьем опыте значению относительной осевой деформации = 0,458 соответствует прочность сцепления металлопокрытия с основой, близкая к максимально возможной. На графике 3 имеется значительная по размерам зона контактной площадки мм, в которой растягивающие напряжения превышают максимально воспринимаемые присадочным материалом без разрушения напряжения - предел текучести при данной температуре. Объяснение этому явлению может быть только одно: в этой зоне уже образовалось сварное соединение, воспринимающее излишнюю растягивающую нагрузку. В этой зоне контактной площадки происходит под значительным давлением относительное движение разогретого до пластического состояния присадочного металла по наплавляемой поверхности. Такое движение приводит к разрушению, частичному раскислению и выносу плотных окисных и адсорбированных пленок из стыка присадочного и основного металлов, что, в свою очередь, способствует образованию качественного сварного соединения в твердой фазе.

Фактически образование соединения начинается уже при напряжениях , составляющих 0,97…0,98 от напряжений , за счет пластической деформации микронеровностей металла основы.

Таким образом, можно сделать заключение, что условие формирования сварного соединения при ЭКН можно записать, как

. (13)

Разработанный нами способ определения зоны образования сварного соединения металлопокрытия с основой при ЭКН (пат. 2278009), основанный на замерах относительной осевой деформации присадочной проволоки после наплавки, позволяет определить размеры зоны контактной площадки, в которой образуется сварное соединение.

Условием формирования сплошного покрытия без непроваров является обязательное перекрытие тех зон контактных площадок, в которых образуется сварное соединение.

Рисунок 4 - К определению коэффициента перекрытия зон образования соединения

Коэффициент перекрытия таких зон можно определить, пользуясь схемой на рисунке 4

. (14)

При наплавке вала на режиме, близком к оптимальному (график 3 на рисунке 3), = 0,020.

Были проведены эксперименты, позволившие выявить кинетику образования сварного соединения (пат. 2338635). Наплавляли цилиндрические разборные образцы диаметром 50 мм. Во всех этих опытах технологические параметры режима наплавки поддерживали постоянными, на оптимальном уровне. Исключение составила только длительность импульсов тока , которую изменяли ступенчато. В этих экспериментах определяли относительную осевую деформацию присадочной проволоки и вычисляли по выше приведенным зависимостям максимальные растягивающие напряжения в поперечных сечениях сварных площадок (при координате сечения ). Были построены на рисунке 5графики зависимостей и .

Выше (13) было сформулировано условие образования сварного соединения при ЭКН как . По рисунку 5 видно, что образование сварного соединения начинается через 0,0062 с после начала цикла. Правильность расчетов подтверждается тем, что моменту начала образования соединения покрытия с основой соответствует (2) пороговое значение осевой деформации проволоки. Из рисунка 6, показывающего изменение формы и размеров зоны формирования сварного соединения в пределах контактных площадок, видно, что рост такой зоны практически завершается через 0,020…0,025 с.

Рисунок 5 - Зависимости относительной осевой деформации присадочной проволоки и максимальных нормальных напряжений в зоне формирования сварного соединения от длительности импульса тока

Рисунок 6 - Кинетика образования сварного соединения при прохождении импульса тока: а - изменение длины зоны; б - изменение площади зоны сварного соединения

Оптимальной длительностью импульса тока является значение 0,04 с. Металлографические исследования показывают, что к этому моменту времени полностью завершаются релаксационные процессы, а в стыке основного и присадочного металлов образуются общие зерна. Соединение при этом получается более пластичным.

На основе проведенных исследований разработана модель формирования соединения при ЭКН валов (св. регистр. прогр. для ЭВМ №2006614259), позволяющая рассчитывать основные параметры пластической деформации проволоки и формирования сварного соединения в зависимости от технологических режимов наплавки, материалов и диаметров детали и проволоки.

Нами разработана методика определения значения предела сопротивления металла проволоки пластической деформации и расчетный способ определения температуры его нагрева в каждом конкретном случае наплавки (пат. 2315683).

Можно показать, что

. (15)

Напряжения деформирования зависят от температуры нагрева стали. Известен ряд эмпирических формул для определения предела текучести стали в зависимости от температуры нагрева металла.

Для условий контактной сварки углеродистых сталей применяют формулу К.А. Кочергина

, (16)

где - температура нагрева,С; - температура плавления стали; - предел текучести металла в холодном состоянии.

При горячей обработке металлов давлением используют формулу Экеленда

МПа (17)

где , , - содержание в стали углерода, марганца, хрома, %.

По результатам анализа математической модели процесса формирования сварного соединения определены зависимости предела текучести и температуры нагрева присадочного металла для различных значений относительной осевой деформации присадочной проволоки (рисунок 7).

Можно отметить следующее:

1. С увеличением усилия на ролике сопротивление пластической деформации присадочного металла возрастает.

Рисунок 7 - Зависимости параметров присадочного металла от относительной осевой деформации проволоки

При увеличении усилия снижаются переходные сопротивления в контактах вал - проволока и проволока - деталь, а тепловыделение в очаге деформации из-за этого, наоборот, снижается. Для получения равных пластических деформаций на менее нагретый присадочный металл необходимо оказывать более интенсивное силовое воздействие, чем на горячий. Этим мы объясняем снижение механической характеристики присадочного металла по мере уменьшения усилия на ролике-электроде при наплавке.

2. Прочное и качественное сцепление металлопокрытия с основой образуется при больших значениях деформации (рисунок 2), т.е. при режимах наплавки с максимально большим тепловыделением. По рисунку 7 можно заметить, что в этой, довольно обширной области значения предела текучести и температуры присадочного материала почти не изменяются, т.е. процесс идет очень стабильно. Именно в этой области режимов необходимо вести технологический процесс наплавки. Тепловыделение в зоне формирования сварного соединения ограничивается перегревом, повышенным искрением и выплесками присадочного металла. Иными словами, существуют оптимальные режимы процесса ЭКН, которые и должны каждый раз определяться при разработке технологических процессов восстановления изношенных валов.

3. Найденные значения температуры нагрева присадочной проволоки подтверждаются экспериментом; они соответствуют оптимальным температурам ковки (штамповки) для соответствующих марок сталей.

С точки зрения прочности сварного соединения лучше, если основная деформация проволоки произойдет со стороны вала, а не со стороны инструмента. На рисунке 8 показана зависимость соотношения составляющих осадки присадочной проволоки в зависимости от радиуса ролика-электрода . Аналитические расчеты были проведены при значениях диаметра проволоки мм, радиуса вала мм, толщины покрытия мм.

Рисунок 8 - Изменение отношения составляющих осадки присадочной проволоки в зависимости от радиуса ролика-электрода

Можно заметить, что увеличение положительно сказывается на прочности сварного соединения, но увеличение размера инструмента свыше 150…175 мм на качестве наплавки практически не отражается. Диаметр ролика-электрода 300 мм мы считаем оптимальным. Рекомендуемая его толщина - 8…15 мм.

На электродный материал, оказывается многократное воздействие температуры и давления со стороны присадочной проволоки. Ролик-электрод постепенно изнашивается, на его рабочей поверхности образуется кольцевая канавка износа.

Так как инструмент изготавливается из мягких, высоко тепло- и электропроводных материалов, размер сечения канавки износа быстро увеличивается, из-за чего ухудшается деформация присадочной проволоки и падает качество наплавки (рисунок 9).

^___ экспериментальная зависимость;

---- теоретическая зависимость

Рисунок 9 - Влияние износа рабочей поверхности электрода на прочность сварного соединения

Повышенный износ инструмента - существенный недостаток ЭКН, сдерживающий использование процесса в ремонтном производстве. Канавка износа имеет весьма малое поперечное сечение и не имеет четкого контура.

Разработанный способ определения износа ролика-электрода, как площади поперечного сечения кольцевой канавки на его рабочей поверхности, основан на измерении относительной осевой деформации присадочной проволоки при ее наплавке (пат. 2284888).

Из присадочной проволоки длиной (рисунок 10, а) на поверхности цилиндрического образца формируют валик металлопокрытия длиной (рисунок 10, б) с применением неизношенного ролика-электрода и определяют относительную осевую деформацию проволоки . Затем на том же режиме на образец наплавляют валик длиной изношенным роликом-электродом с кольцевой канавкой износа, величину которого необходимо определить. После наплавки изношенным инструментом определяют относительную осевую деформацию присадочной проволоки . При наплавке второго валика разогретый до пластического состояния присадочный металл заполняет кольцевую канавку, копируя ее профиль и образуя на поверхности наплавляемого валика наплыв, сечение которого соответствует поперечному сечению кольцевой канавки на изношенном ролике-электроде (рисунок 10, в). Можно получить формулу для определения площади сечения кольцевой канавки износа

. (18)

Рисунок 10 - Развертки валиков металлопокрытия: а - исходная присадочная проволока; б - валик, наплавленный неизношенным роликом-электродом; в - валик, наплавленный изношенным роликом-электродом

В главе 3 «Методика экспериментального исследования» изложена методика экспериментальных исследований, дано описание применяемых приборов и аппаратуры.

Для проведения исследований была спроектирована и изготовлена экспериментальная наплавочная установка, в которой была использована электрическая часть серийной машины шовной сварки. Подвод тока к детали осуществляется через ролик и патрон станка. Окончательные эксперименты по отработке технологических процессов восстановления изношенных валов проводились на наплавочной установке УКН 01-1-02Н конструкции ГОСНИТИ, выполненной по двухроликовой схеме наплавки.

Эксперименты проводились на образцах диаметром 50 мм из стали 45 ГОСТ 1050-88 и стали 30ХГСА ГОСТ 4543-71. В большинстве экспериментов применялись углеродистая пружинная проволока ПК-2 ГОСТ 9389-75 и легированная проволока Нп-30ХГСА ГОСТ 10543-98 диаметром 1,8 мм. Применялись также и присадочные проволоки других марок.

Прочность сцепления металлопокрытия с основным металлом детали определяли методом Олларда с усовершенствованными (коническими) штифтами. Также качество сварного соединения определяли способом а.с. 641306 по осевой деформации присадочной проволоки.

Структура, твердость, микротвердость наплавленного металла и ЗТВ изучались на микроскопе МИМ-7, приборе Роквелла ТК-2, микротвердомере Axiovert-100A c приставкой MXT-10.

Исследования износостойкости наплавленных покрытий проводили на машине МИ-2. Износ образцов при ускоренных испытаниях определялся весовым методом.

Характеристики упругости металлопокрытия определялись (совместно с Кишиневским СХИ) динамическим методом, основанным на последовательном замере частот собственных колебаний образцов по мере удаления слоев металла.

Исследования остаточных напряжений в металлопокрытии и ЗТВ проводились двумя методами. Измерялись деформации образцов в виде пластин и колец при непрерывном удалении напряженных поверхностных слоев непрерывным электролитическом травлении. Опыты проводились в Уфимском ГАТУ. Кроме того, использовался метод пенетрации, основанный на замерах упругопластических деформации при вдавливании в поверхностные наплавленные слои индентора в виде шарика (эксперименты проводились совместно с Челябинским ГАУ).

Усталостные испытания образцов диаметром 50 мм по схеме чистого изгиба проводились на усталостных машинах резонансного типа конструкции ЦНИИТМАШ.

В основу методики определения износостойкости роликов-электродов, изготовленных из различных электродных материалов, был положен разработанный нами способ определения износа пат. 2284888.

Значительная часть экспериментов была проведена с использованием методик активного планирования эксперимента.

Четвертая глава «Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение» содержит результаты экспериментальных исследований и их анализ.

Исследовалось влияние технологических факторов режима наплавки, приведенных в таблице 1, на прочность сварного соединения, твердость, структурную неоднородность и износостойкость металлопокрытия. Применялись следующие выходные параметры: - среднеарифметическая твердость металлопокрытия (HRC), - среднеквадратическое отклонение результатов замеров твердости от средней твердости; - коэффициент вариации замеров твердости; - износ образцов (мг) при ускоренных износных испытаниях; - относительное удлинение присадочной проволоки.

Таблица 1 - Технологические факторы режима ЭКН и уровни их варьирования

Обозначение	Технологические факторы	Уровни варьирования	Размерность
		верхн.	средн	нижн
	Действующее значение тока наплавка	8,5	6,75	5	кА
	Расход охлаждающей жидкости	2	1	0	л/мин
	Расстояние по образующей от плоскости наплавляющего ролика до места подвода охлаждающей жидкости	30	15	0	мм
	Длительность импульса тока	0,06	0,04	0,02	с
	Длительность паузы между импульсами тока	0,10	0,08	0,06	с
	Усилие на ролике-электроде	1,75	1,525	1,3	кН
	Окружная скорость вращения детали	0,030	0,0225	0,015	м/с
	Шаг наплавки по винтовой линии	3,5	3	2,5	мм/об

В результате статистической обработки результатов факторных экспериментов были получены следующие уравнения регрессии:

; (19)

; (20)

; (21)

. (22)

Анализ уравнения регрессии (22) и контрольные эксперименты показывают, что наиболее существенно на осевую деформацию проволоки и на прочность соединения влияют факторы, определяющие интенсивность тепловыделения в зоне сварки - ток наплавки и усилие на ролике-электроде.

Максимально возможная прочность сварного соединения получается при следующем оптимальном режиме наплавки валов диаметром 50 мм проволокой 1,8 ПК-2 ГОСТ 9389-75: =7…7,2 кА; =0,04 с; =1,2…1,3 кН; =0,018…0,020 м/с. При наплавке на найденном режиме разрушение соединения происходит по телу штифтов, изготовленных из стали 45.

На твердость, структурную неоднородность и износостойкость металлопокрытия наиболее существенно влияет шаг наплавки по винтовой линии, а также режим охлаждения. Эксперименты показали, что шаг наплавки следует устанавливать максимально большим, уменьшая тем самым ширину зоны отпуска при наложении последующего смежного валика металлопокрытия. С точки зрения обеспечения лучшей однородности структуры и износостойкости покрытия благоприятны режимы охлаждения с умеренным расходом охлаждающей жидкости, исключающим попадание охлаждающей жидкости непосредственно в зону сварки.

Средняя твердость металлопокрытия из углеродистой проволоки ПК-2 равна 52…54 HRC, а для легированной проволоки НП-30ХГСА 48…50 HRC. Микротвердость по сечениям единичных площадок металлопокрытия равна соответственно 9,2 и 8,1 ГПа.

Металлопокрытие, нанесенное на оптимальном режиме (= 3мм/об; =1 л/мин; =0) проволокой ПК-2 диаметром 1,8 мм имеет износостойкость в условиях абразивного трения в 1,4…1,5 раза превышающую износостойкость закаленной ТВЧ стали 45.

Можно сделать вывод о том, что факторы, влияющие износостойкость покрытия, практически не влияют на прочность сварного соединения. Найденные режимы наплавки позволяют получить одновременно наилучшие значения указанных эксплуатационных характеристик восстановленных деталей.

Металлографические исследования показали, что структура наплавленного металла неоднородна и имеет чередующиеся структуры закалки и частичного отпуска в местах перекрытия смежных валиков.

После наплавки на оптимальных режимах неоднородность структуры получается минимальной, в покрытии отсутствуют дефекты в виде пор, трещин, раковин и др. В зоне соединения наплавленного и основного металлов полностью завершаются релаксационные процессы, приводящие к образованию общих зерен в контакте, что свидетельствует о качественном сцеплении и повышенной пластичности соединения (рисунок 11)

Рисунок 11 - Зоны соединения, полученные при оптимальных режимах наплавки: а - наплавка проволоки ПК-2 на основу сталь 45; б - проволокиНп-30ХГСА на сталь 30ХГСА

Введением в технологический процесс дополнительных упрочняющих операций - поверхностной закалки ТВЧ и глубокого электромеханического упрочнения можно полностью ликвидировать неоднородность структуры.

Значения модулей упругости Е и G металлопокрытия, нанесенного на оптимальном режиме, совпадают с соответствующими характеристиками эталонных образцов, изготовленных из стали 45. Измерениями выявлено наличие небольших по величине (порядка 0,1…0,2у_Т) осевых и окружных остаточных напряжений в наплавленном слое (рисунок 12).

Ударная вязкость наплавленных на найденных режимах образцов практически совпадает с этим показателем для эталонных ненаплавленных образцов из нормализованной стали 45.

Рисунок 12 - Остаточные напряжения на поверхности металлопокрытий, определенные методом пенетрации: а) ЭКН проволокой ПК-2; б) проволокой Нп-30ХГСА

Высокие физико-механические свойства и благоприятный характер остаточных напряжений объясняются термомеханическим характером воздействия со стороны ролика-электрода на присадочный металл. Отсутствие трещин, непроваров и других дефектов, сжимающие остаточные напряжения и уменьшение неоднородности структуры металлопокрытия при наплавке на оптимальных режимах являются причинами меньшего, чем при большинстве известных способов восстановления, снижения усталостной прочности.

В таблице 2 приводятся результаты усталостных испытаний наплавленных и упрочненных образцов.

Таблица 2 - Влияние на усталостную прочность электроконтактной наплавки и последующего упрочнения

№ серии	Способ восстановления и упрочнения	Предел выносливости, МПа
		стандартный метод испытаний	ускоренный метод
1	Нормализованная сталь 45 (эталон)	230	231	1,00
2	ЭКН проволокой ПК-2 на оптимальном режиме	220	206	0,90
3	ЭКН проволокой НП-30ХГСА	-	164	0,71
4	ЭКН проволокой ПК-2 + закалка ТВЧ	-	316	1,87
5	ЭКН проволокой ПК-2 + электромеханическое упрочнение роликом	280	291	1,26
6	ЭКН проволокой ПК-2 + ППД	-	260	1,13

Примечание: - усталостная прочность наплавленного образца; - усталостная прочность эталонного образца.

На рисунке 13 приводятся результаты износных испытаний роликов-электродов, изготовленных из различных материалов. В экспериментах на найденных оптимальных режимах с применением инструментов диаметром 300 мм наплавлялись образцы диаметром 50 мм из стали 45 проволокой ПК-2 диаметром 1,8 мм. Существенное снижение качества сварного соединения при применении роликов-электродов из горячекатаной меди происходит уже через 1,5…2 часа машинного времени.

1 - электрод из горячекатаной меди, 2 - электрод из бронзы Бр. Х, 3 - электрод из бронзы Бр.НБТ

Рисунок 13 - Износы рабочих поверхностей роликов-электродов в зависимости от числа циклов наплавки

При применении более износостойких (и более дорогих) электродов из никель-бериллиевых бронз рабочую поверхность ролика-электрода достаточно заправить один раз за рабочую смену.

Эксплуатационные испытания восстановленных на оптимальных режимах деталей ходовой части гусеничных тракторов ДТ-75 показали их высокую работоспособность и надежность.

В пятой главе «Разработка технологии восстановления валов. Технико-экономическая эффективность восстановления изношенных деталей» приводятся рекомендации для проектирования технологических процессов восстановления автотракторных деталей типа «вал». Процесс ЭКН можно рекомендовать для восстановления валов диаметром до 120…150 мм с износами до 0,7…1,0 мм на сторону, работающих на износ, при динамических и повторно-переменных нагрузках, а также в неподвижных соединениях. Исключение составляют тяжело нагруженные коленчатые валы, спроектированные без значительного запаса прочности.

Для наплавки поверхностей, к которым не предъявляются особые требования, рекомендуется применять проволоки с низким содержанием углерода. Для восстановления деталей, поверхности которых должны быть износостойкими, выносливыми при повторно-переменных нагрузках, следует применять углеродистые или легированные присадочные проволоки марок Нп-50, Нп-65Г, Нп-80, Нп-30ХГСА и др. по ГОСТ 10543-98, пружинную проволоку ПК-2 по ГОСТ 9389-75.

При наплавке проволокой диаметром 1,8 мм можно восстанавливать детали с износами до 0,20…0,25 мм на сторону, т.е. подавляющее большинство валов сельскохозяйственной техники. При больших значениях износов применяются проволоки большего диаметра или производится многослойная наплавка.

В зависимости от состояния восстанавливаемых поверхностей перед наплавкой могут быть следующие подготовительные операции: правка изогнутых валов на прессе; очистка и обезжиривание восстанавливаемых поверхностей общепринятыми способами; правка центровых отверстий; предварительная механическая обработка (обычно шлифованием) поверхностей деталей с односторонним износом; обезжиривание присадочной проволоки.

При восстановлении поверхностей с неповрежденными шпоночными пазами рекомендуется применять твердосплавные защитные вставки П-образного поперечного сечения с механически обработанными режущими кромками полок (а.с. 1449305). Выступающие по уровню наплавляемого слоя металлопокрытия режущие кромки при наплавке перерезают сварные валики по одному.

Для наплавки деталей простой формы (осей, валов) специальной оснастки не требуется - эти детали крепятся в патроне наплавочной установки.

При наплавке длинных или нежестких валов обязательно применение заднего центра. При наплавке деталей сложной формы, изделий в сборе, тонкостенных втулок и т.д. требуется применение специальной оснастки.

В главе 4 экспериментально определены оптимальные режимы наплавки валов диаметром 50 мм присадочной проволокой ПК-2 диаметром 1,8 мм. На практике возникает необходимость восстановления деталей различных диаметров с разными износами и пользоваться присадочными проволоками различного химического состава. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика определения режимов наплавки. Составлены таблицы оптимальных режимов для различных случаев восстановления.

Нами предложены два способа (а.с. 484060, а.с.1434640) автоматического регулирования процесса ЭКН, в которых в качестве регулируемого параметра используется скорость затягивания присадочной проволоки в зону формирования сварного соединения.

Важнейшей частью наплавочной установки является инструмент - ролик-электрод. Предложены новые конструкции роликов-электродов, долговечность которых многократно превышает срок службы традиционно применяемых инструментов (рисунок 14).

Рисунок 14 - Новые конструкции роликов-электродов

Разработанные по результатам настоящих исследований технологические процессы восстановления деталей типа «вал» были внедрены в семи ремонтных предприятиях РБ. Контроль качества наплавки включает в себя периодические замеры твердости, а также проверку качества сцепления покрытия с основой по деформации присадочной проволоки в соответствии со способом а.с. 641306.

Технико-экономическую эффективность ЭКН проволокой оценивали по стоимости восстановления 1 дм² поверхности условной цилиндрической детали диаметром 50 мм в сравнении с вибродуговой наплавкой, электроконтактной приваркой стальных лент, электроконтактным напеканием металлических порошков.

Проведенные расчеты показали, что наименьшие затраты на восстановление деталей как подвижных, так и неподвижных соединений получаются при ЭКН стальных проволок, что объясняется высокой производительностью процесса, относительно невысокой ценой присадочного материала, минимальными припусками на последующую механическую обработку.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Усовершенствован ресурсо- и энергосберегающий технологический процесс электроконтактной наплавки стальных проволок, что позволило на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований условий и установленных закономерностей формирования соединения в твердой фазе, повысить эффективность и качество восстановления изношенных деталей типа «вал».

2. Установлено, что основной причиной, препятствующей в условиях ЭКН формированию прочного сварного соединения, являются оксидные и гидрооксидные пленки. Относительное движение разогретого до пластического состояния присадочного металла по наплавляемой поверхности приводит к их дроблению и выносу из контакта. Из трех составляющих пластической деформации присадочной проволоки в качестве измеряемого и контролируемого параметра следует использовать осевую составляющую , в наибольшей степени характеризующую деформационные процессы, происходящие в плоскости стыка, и наиболее точно замеряемую при наплавке вала по винтовой линии на конкретном исследуемом режиме. В зависимости от режимов наплавки может меняться в пределах от 15 до 45…48%.

3. Выявлены количественные связи между осевой деформацией и прочностью сцепления покрытия с основой. На основе полученных зависимостей (2) разработан оперативный способ определения качества сварного соединения, осуществимый на рабочем месте оператором-наплавщиком.

4. Разработана математическая модель пластической деформации присадочной проволоки, составленная с учетом действующих на присадочный металл усилий и возникающих в нем напряжений и предусматривающая замер осевой деформации проволоки после ее наплавки.

Определено условие (13) формирования сварного соединения в пределах контактных площадок и разработан аналитический способ определения размеров зоны образования соединения металлопокрытия с основой, как границы относительного движения присадочного металла по наплавляемой поверхности.

Установлено, что для формирования сплошного покрытия без непроваров и обеспечения наиболее прочного сварного соединения режимы ЭКН необходимо выбирать из условия одновременного обеспечения максимально достижимой осевой деформации проволоки и оптимальных значений коэффициентов перекрытия зон образования соединения (5…10% в случае наплавки проволок их углеродистых сталей и 40…45% при наплавке проволоки НП-30ХГСА).

Разработан способ определения момента начала формирования сварного соединения, рассмотрена кинетика образования соединения покрытия с основой вала и установлено, что образование химических связей начинается через 0,006…0,007 с и практически заканчивается через 0,02…0,025 с после начала цикла, а оптимальной длительностью импульса тока является значение 0,04 с.

...