Приазовський державний технічний університет

КОНДРАШОВ

Костянтин Олександрович

УДК 621.791.927

УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ ПЛАЗМА-МІГ НАПЛАВЛЕННЯ

ПОРОШКОВИМ ДРОТОМ ВИРОБІВ, ПРАЦЮЮЧИХ В УМОВАХ

ТЕРМОЦИКЛІЧНИХ НАВАНТАЖЕНЬ

Спеціальність: 05.03.06-Зварювання і споріднені технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Маріуполь 2001 р.

Дисертація є рукописом

Робота виконана у Приазовському державному технічному університету (ПДТУ) Міністерства освіти і науки, м. Маріуполь

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Чигарьов Валерій Васильович,

ПДТУ, завідувач кафедрою

“Металургія і технологія

зварювального виробництва”

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор

Размишляєв Олександр Денисович,

ПДТУ, декан зварювального факультету

кандидат технічних наук, с.н.с.

Зареченський Анатолій Васильович,

Державний проектний технологічний

інститут, м. Маріуполь, ведучий спеціаліст

Провідна установа – Національний технічний університет

України “Київський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться .18.12.2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, Донецька обл., м. Маріуполь, вул. Республіки, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ПДТУ: 87500, м.Маріуполь, вул. Апатова, 115

Автореферат розісланий 18.11.2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор ____________ Маслов В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертаційна робота присвячена вивченню характеристик процесу плазма-МІГ наплавлення, розробці обладнання і складу матеріалу, що наплавляється, з високою термостійкістю в агресивному середовищі.

Актуальність теми. Поряд із притаманними цьому процесу перевагами практика його застосування обмежена через ряд невирішених наукових, конструкторських і технологічних питань. До таких проблем можна віднести особливості плавлення порошкових дротів, термічну ефективність процесу, шунтування плазмової дуги і створення спеціалізованого устаткування. Вирішення цих питань дозволить розширити застосування однієї з ефективних ресурсозберігаючих технологій нанесення зміцнюючих покрить із заданими властивостями.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на основі програм НДП “Ресурсозберігаючі технології й енергозбереження” разом із заводом “АІЗ-Енергія” (м. Слов'янськ) у 1998-2000 рр. Тема НДДКР Міністерства освіти і науки України “Розробка економно легованих матеріалів та дослідження впливу попередніх обробок на підвищення механічних властивостей”, категорія 040201 № д.р. 0100U002578. Автором особисто встановлено умови, в яких плавиться порошковий дріт і запропоновано введення до складу шихти компонентів, що забезпечують необхідну якість наплавленого металу.

Мета і задачі дослідження. Метою цієї роботи є визначення теплоенергетичних характеристик плазма- МІГ процесу; особливостей плавлення порошкового дроту в умовах горіння двох дуг (плазмової і дуги електрода, що плавиться); підвищення стабілізації процесу; розробка оптимального складу порошкового дроту для наплавлення прес-форм; створення надійного устаткування; вивчення екологічних аспектів плазма- МІГ процесу.

Відповідно до зазначеної мети в цій роботі ставилися наступні задачі:

а) визначити теплоенергетичні характеристики і к.к.д. у залежності від основних параметрів режиму наплавлення;

б) визначити характер плавлення порошкового дроту й установити діапазон режимів, що забезпечують перенос без розбризкання, шунтування полоциліндрової дуги і найменшу глибину проплавлення;

в) уточнити і удосконалити математичну модель теплових процесів, що протікають у порошковому дроті при плазма-МІГ наплавленні;

г) розробити порошковий дріт, що забезпечує не тільки заданий склад і якість наплавленого металу, але і розширюватиме діапазон режимів стабільного протікання процесу;

д) розробити плазмотрон і електричну схему для стійкої його роботи, що забезпечить стабільне протікання процесу наплавлення порошковим дротом;

е) розробити універсальне спеціалізоване джерело живлення;

ж) визначити залежність виділення зварювальних аерозолів від основних параметрів режиму наплавлення;

з) провести промислове освоєння розробок.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є процес плазма-МІГ наплавлення.

Предметом дослідження. Предметом дослідження є енергетичні особливості процесу, від яких залежить вибір оптимальних параметрів режиму, визначення складу порошкового дроту і вимог до плазмотрона, зокрема вольт-амперних характеристик, розподілу теплової енергії, характеру плавлення електроду.

Методи дослідження: синхронне осцилографування і швидкісна кінозйомка (дослідження вольт-амперних характеристик, процесу плавлення, шунтування плазмової дуги).

Математичне моделювання (вивчення теплового процесу в порошковому дроті).

Кількісна макро- і мікроскопія (розміри структурних зон).

Оптична мікроскопія (мікротвердість структурних складових)

Калоріметричні виміри теплових витрат у вузлах плазмотрона і зварювальних зразків.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше вивчені теплоенергетичні характеристики процесу, установлені залежності термо-к.к.д. від основних параметрів режиму плазма-МІГ наплавлення.

Вперше визначені статичні вольт-амперні характеристики дуги електрода, що плавиться, при даному процесі.

Вперше визначені особливості плавлення порошкового дроту, формування краплі і встановлені оптимальні варіанти переносу усередині полоциліндричної дуги.

Вперше встановлені діапазони критичного струму шунтування плазмової дуги електродом, що плавиться, встановлена залежність стабільності процесу від вильоту електрода, що плавиться, напруги в стовпі плазмової дуги і витрати плазмоутворюючого газу.

Вперше визначено процес формування наплавленого валика при додатковому впливі полоциліндричної плазмової дуги.

Одержала подальший розвиток математична модель теплового процесу в порошковому дроті при плазма-МІГ наплавленні.

Встановлено принципи побудови спеціалізованих джерел живлення для плазма-МІГ процесів і визначено основні вимоги до спеціалізованого плазмотрона.

Вперше визначені параметри режимів, що впливають на загазованість зони зварювання при плазма-МІГ процесі.

Практичне значення отриманих результатів. Удосконалено склад порошкового дроту, що забезпечує одержання наплавленого металу, стійкого до термоциклічних навантажень.

Розроблено універсальне джерело живлення, що забезпечує надійну стабілізацію процесу з характеристиками, що відповідають вольт-амперним характеристикам обох дуг.

Розроблено плазмотрон, конструкція якого забезпечує рівномірне нагрівання вильоту порошкового дроту, що дозволяє проводити не тільки автоматичне наплавлення, але і наплавлення з ручним переміщенням плазмотрона (при ремонті виробів складної конфігурації, наприклад, внутрішніх поверхонь прес-форм).

На основі проведених досліджень і розробок було виготовлене устаткування і порошковий дріт, що упроваджені на “АІЗ-Енергія” (м. Слов'янськ) при наплавленні прес-форм для виробництва скляних ізоляторів. Отримано фактичний річний економічний ефект за рахунок заміни матеріалу, що наплавляється, в сумі 26790 гривень у цінах 1999 року. Стійкість наплавлених прес-форм у порівнянні зі стійкістю чавунних, що раніше застосовувалися, збільшилася в 4,1 рази, а наплавлених розробленим порошковим дротом в порівнянні з тими, що наплавлені раніше застосованими дротами – у 2 рази.

Особистий внесок здобувача. Автором удосконалена методика дослідження теплоенергетичних характеристик процесу плазма-МІГ наплавлення. Проведено відповідні експерименти і дані деякі пояснення залежностей термо-к.к.д. від параметрів режиму наплавлення. Автор провів підготовчі й експериментальні роботи з визначення вольт-амперних характеристик дуги плавкого електроду. Автором оброблені результати швидкісної кінозйомки процесу плавлення порошкового дроту при наплавленні в робочих режимах. Автором вирішені загальні диференціальні рівняння теплопровідності з початковими і граничними умовами, що моделюють нагрівання порошкового дроту в плазмотроні. На підставі отриманих даних автором був розроблений порошковий дріт для зміцнення і відновлення прес-форм, що використовуються у виробництві скляних ізоляторів. Автор доробив конструкцію електродно-соплового вузла плазмотрону з трифазним живленням допоміжних дуг. При особистій участі автора виготовлене універсальне джерело живлення. Автор провів експерименти по визначенню критичного струму шунтування плазмової дуги плавким електродом. Автор провів експерименти і виготовив зразки мікрошліфів для технологічних досліджень. Розроблений автором матеріал, що наплавляється, конструкція плазмотрона і технологія наплавлення впроваджена на АІЗі (м. Слов'янськ) при особистій участі здобувача. Апробація розробок підтвердила очікуване автором підвищення стійкості прес-форм для скла в порівнянні із стійкістю прес-форми, що раніше застосовувались на підприємстві.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися на Міжнародній конференції до 130-річчю Є.О. Патона (м. Київ, 2000 рік); на V Міжнародної науково-технічної конференції (м. Тбілісі, 2000 рік); на Міжнародній конференції (м. Орел, 2001 рік); на Міжнародній конференції “Сучасні проблеми електрометалургії сталі” (м.Челябінськ, 2001 рік); на Міжнародній конференції (м. Київ, 2001 рік); на Міжнародній конференції (м. Феодосія, 2001 рік); на Міжнародній конференції “Обробка металів тиском” (м.м. Краматорськ-Слов'янськ, 2000 рік); на VI Міжнародної конференції “Тепло-і масообмінні процеси в металургійних системах” (м. Маріуполь, 2000 рік); на Міжнародній науково-методичній конференції “Сучасні проблеми зварювання і споріднених технологій, удосконалювання підготовки кадрів” (м. Маріуполь, 2001 рік); на загальноміській науково-практичній конференції (м. Маріуполь, 2000 рік); на VII регіональній науково-технічній конференції (м. Маріуполь, 2000 рік); на наукових семінарах кафедри “Металургія і технологія зварювального виробництва” Приазовського Державного технічного університету (м. Маріуполь, 1998-2001 р.р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 25 робот, у тому числі 10 статей у спеціалізованих виданнях ВАК України, 13 тез доповідей на міжнародних, регіональних і міських науково-технічній конференціях, отримано 2 патенти.

Структура дисертації. Дисертація складається з введення, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел із 163 найменувань і додатків з загальною кількістю 190 сторінок, включаючи 170 сторінок машинописного тексту, 40 малюнків, 14 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступна частина. Обґрунтована актуальність теми; сформульована мета і методи вирішення проблеми, що розробляється; відмічена наукова новизна і практичне значення роботи; подано перелік наукових конференцій, семінарів, на яких апробувалися результати, і кількість публікацій та патентів, що стосуються теми дисертації.

Розділ 1. Стан питання. Виконано аналіз причин руйнування і засобів поліпшення експлуатаційних властивостей прес-форм. Основними видами руйнування робочої поверхні прес-форм для скла є утворення сітки розпалу і стертя. Труднощі технології виготовлення і ремонту зумовлені тім, що до наплавленого матеріалу застосовуються вимоги сумісництва матеріалу високої термопроводності з жаростійкістю. Узагальнено досвід використання матеріалів, що застосовуються для прес-форм, інших інструментів і деталей машин, які працюють при термоциклічному навантажені й в агресивному середовищі. З великого спектру матеріалів можна відокремити чавуни і сталі, леговані нікелем, хромом, вольфрамом, чи ванадієм і молібденом. При оптимізації складу основного і наплавленого металу треба враховувати співвідношення факторів з більш високим ступенем, таких як експлуатаційна здатність прес-форм, вартість методу і собівартість робіт. Крім того поверхня прес-форм повинна бути гладкою, легко оброблятися механічним різанням, бути достатньо стійкою до окислення при високих температурах. У світовій практиці найбільш оптимальною технологією, що задовольняє цим вимогам, є плазма-МІГ наплавлення порошковим дротом. Одною з основних задач є розробка складів порошкового дроту. Наведено аналіз основних схем процесів плазмового наплавлення, який показав, що найбільші технологічні можливості має плазма-МІГ наплавлення порошковим дротом. Цей спосіб дозволяє забезпечити стабільне додаткове нагрівання дроту і розширення діапазону застосування компонентів шихти. Плазмове наплавлення нагрітим дротом дозволяє одержати покриття з наперед передбаченими властивостями.

Але дослідження вітчизняних і закордонних фахівців і попередні експерименти автора показали, що при плазма-МІГ наплавленні порошковим дротом можливі порушення стабільності процесу, що викликаються шунтуванням дуги, захаращенням сопла плазмотрона тощо. Крім того відсутність спеціалізованого устаткування для плазма-МІГ процесу, а також даних про його екологічні характеристики гальмують широке застосування цього ефективного методу нанесення покриття в промисловості.

Розділ 2. Дослідження тепло-енергетичних і технологічних особливостей плазма-МІГ наплавлення порошковим дротом.

Особливістю досліджуваного процесу є існування одночасне двох дуг, концентрично розташованих у просторі. Об'ємний стовп зовнішньої дуги стискується потоком газу з зовнішнього каналу сопла і силами пинч-ефекта. При достатній щільності струму активна пляма як у верхній частині дуги, так і на поверхні виробу має форму кільця. Плавкий електрод вводиться аксіально в плазмовий потік. Тому замість холодного захисного газу при плазма-МІГ наплавленні кінець електрода і палаюча з його дуга знаходяться в термічно іонізованому потоці.

Дослідження особливостей процесу наплавлення здійснювали в аргоні при зворотній полярності плазмової дуги і дугового розряду з використанням електродного дроту Св-06Х19Н10Т діаметром 1,6 мм на обертовому циліндрі зі сталі 12Х18Н9Т діаметром 200 мм чи плоскому зразку, що переміщується. Для того, щоб переконатися в тім, що подаваний з конічного каналу газ стискає стовп дуги, тобто забезпечує плазмоутворюючий ефект, були проведені експерименти по дослідженню впливу витрати газу на напругу полоциліндричної дуги. Припускаючи, що катодне й анодне спадання напруги дуг не змінюється зі зміною витрати газу, різниці потенціалів при відмінних витратах, відносимо за рахунок зміни ступеня стиску стовпа дуги. Електрод, що плавиться, був знеструмлений, однак його кінець знаходився на рівні, що відповідає робочому положенню при наплавленні. Дослідження проводилися на струмах від 100 до 300 А при внутрішньому діаметрі кільцевого електрода 8 мм, ширині кільця 2 мм. Участь газового потоку у формуванні дуги забезпечує можливість великого вибору.

При струмі 100 А и внутрішньому діаметрі кільцевого електрода (каналу сопла) 6 мм і зовнішньому діаметрі 9 мм напруга плазмової дуги підвищується з 36,5 В при витраті 4 л/хв до 38,5 В при 10 л/хв; при струмі 300 А і діаметрах кільцевого електрода 8/11 мм - з 37 В до 42,5 В.

Таблиця 1

Вплив сили струму плазмової дуги і витрати плазмоутворюючого газу

на падіння напруги у стовпі плазмової дуги

QАr, л/хв 4 6 8 10 Примітки

Іпл.д, А Ж п.е., мм

Uд пл., В 36,5 37 37,5 38,5 120 6

Uд пл., В 36,5 37,5 39 40,5 200 8

Uд пл, В 37 39 40,5 42,5 300 8

Одночасно було встановлено, що при струмах менш 170...180 А дуга не охоплює весь торець електрода, тобто мається деяка кількість активних (анодних) плям. Цей стан дуги майже не залежить від витрати газу в межах обраного діапазону режимів для того самого діаметра електрода.

Плазма-МІГ процес являє собою сукупність електрофізичних явищ і складається з 3-х основних періодів: збудження обох дуг (початок наплавлення); власне процес наплавлення - стабільний плин процесу; припинення процесу наплавлення.

На відміну від плазмової дуги, що збуджується тільки високочастотним розрядом осцилятора, процес горіння цієї дуги може починатися як з короткого замикання, так і за допомогою осцилятора. Найкращим варіантом збудження є безконтактне збудження за рахунок імпульсу підвищеної напруги, що подається на неплавкий електрод. З іншого боку, процес збудження плавкого електроду полегшує присутність іонізованого потоку з кільцевого електрода. Але необхідно обмежувати іонізуючий і термічний вплив плазмового потоку, що оточує плавкий електрод, тому що активні плями дуги можуть виникнути на бічній поверхні дроту поблизу і по найкоротшій відстані до мідного сопла і викликати шунтування. Принцип Штеенбека про мінімум напруги при dЕ/db = const = 0 відноситься до вільно палаючих дуг, застосуємо в досліджуваному процесі до дуг з невеликою силою струму, і, отже, такого діаметра, що ще не обмежений зазначеними умовами існування. При підвищенні струму кожної з дуг вище граничного значення (при який їхній розмір не збільшувався, тобто db = const), напруга електричного поля зростає. При шунтуванні плазмової дуги, на дроті виникають анодна і катодна плями або одна пляма (катодна для прийнятої нами полярності) (мал. 1).

Перший цикл експериментів проводився при постійному струмі центральної дуги (при постійній швидкості подавання електродного дроту), рівному 200 А. Критичний струм, при якому наставало шунтування визначали для різних витрат плазмоутворюючого аргону (табл.2).

Таблиця 2

Залежність критичного струму від витрати плазмоутворюючого аргону

Витрата плазмоутворюючого аргону, л/хв Критичний струм, А

8 400

10 350

12 320

14 300

Мал. 1 Схема шунтування плазмової дуги електродним дротом: а – одиночна дуга; б – подвійна дуга; Аr – направлення стискуючої дії потоку аргону

Величина критичного струму оберненно пропорційна витраті плазмоутворюючого газу, що можна пояснити підвищенням напруженості стовпа плазмової дуги зі збільшенням швидкості стискаючого потоку до тієї величини, при якій енергія горіння прямої дуги (неплавкий електрод - виріб) перевищує енергію горіння зашунтованої дуги. Виникненню явища шунтування сприяє механічний вплив потоку газу з зовнішнього сопла та пинч-эфект, що стискає полоциліндричну дугу, ці явища наближають стовп дуги до дроту. Дослідження пайової участі основного металу в наплавленому металі проводили при зміні сили струму плазмової дуги і постійному струмі дуги плавкого електрода і при постійному значенні струму плазмової дуги і струмі дуги, що змінюється в діапазоні робочих режимів, що горить між плавким електродом і виробом. Це пояснюється тим, що збільшення швидкості подачі дроту приводить до збільшення видимого вильоту дроту і при деякої, критичної для даного режиму горіння плазмової дуги, величини видимого вильоту починається шунтування плазмової дуги.

Таблиця 3

Залежність критичного струму від швидкості подавання порошкового дроту

Швидкість подачі, м/год 43 59 74 92 113

Критичний струм, А 380 360 340 315 290

Статичні вольт-амперні характеристики (ВАХ) визначалися при трьох серіях експериментів.

При першій серії експериментів збуджувалася плазмова дуга, усередині якої знаходився знеструмлений металевий стрижень діаметром 2 мм, що імітує плавкий електрод. ВАХ знімалася для трьох положень плазмотрона, при яких відстань від торця кільцевого електрода до виробу встановлювали 8, 10, і 14 мм. Для всіх досліджуваних довжин дуг ВАХ залишається плавно висхідною, однак зі збільшенням довжини (при незмінній витраті плазмоутворюючого газу) крутість їх зменшується, що свідчить про зниження ступеня стиску дуги на ділянці, за межами плазмотрона. Отримані нами експериментальні дані підтверджуються відомою залежністю, що відноситься до квазистатичних дуг:

,

де UV(і) - напруга на стовпі дуги; і - струм дуги; V - швидкість газу при обдуві; А = const - коефіцієнт.

Апроксимація вираження згодом уточнювалася, і були запропоновані ще дві формули:

[В] і [В], де U0 - константа

Метою другої серії експериментів було зняття ВАХ дуги електрода, що плавиться, що знаходиться в кільцевому каналі, при відсутності плазмової дуги. Сила струму встановлювалася по швидкості подавання електродного дроту в межах 100-400 А. Характеристика є жорсткою і має незначний підйом величиною 1-2 В протягом підвищення сили струму. Це пояснюється додатковим спаданням напруги на токопідвідних контактах, зростанням ступеня стиску, скороченням видимого вильоту через збільшення швидкості подачі.

З метою розробки вимоги до джерела живлення для виробничих установок, були досліджені зовнішні ВАХ обох дуг при реальних режимах наплавлення. У результаті було встановлено, що ВАХ плазмової дуги майже не змінюється. Характеристика дуги, збуджуваної між електродом і виробом, стає більш положистою (різниця напруг – 4В на 100А).

Виходячи з того, що ВАХ полоцилиндричної плазмової дуги в діапазоні робочих режимів експериментального плазмотрона майже паралельна осі струму, чи незначно зростає (Uд.пл./Ід.пл.<=0), зовнішня характеристика джерела живлення може бути падаючої. При виборі типу зовнішньої характеристики джерела живлення для роботи у виробничих умовах необхідно враховувати можливі механічні й електромагнітні збурювання. При падаючій характеристиці джерела дуга досить еластична і має запас стійкості, необхідний для збереження режиму наплавлення в припустимих межах.

Вибір джерела живлення плазмової дуги з падаючої ВАХ обумовлений особливостями стиснутої дуги, що відрізняє її від вільно палаючої дуги: коливання електричних параметрів режиму при змінах ступеня стиску, викликаних зміною витрати аргону; перехід з полоциліндричної дуги на окремі дуги при недостатній щільності струму; повним чи частковим шунтуванням плазмової дуги осьовою дугою, що горить між плавким електродом і виробом. При застосуванні джерел живлення з падаючою характеристикою, енергетичні умови роботи самого пальника майже не змінюються. Джерело живлення вибирається з такою зовнішньою характеристикою, щоб при змінах довжини дуги режим зварювання не перетерплював змін, що виходять за визначені межі.

Дослідження ВАХ дуги плавкого електрода при горінні її усередині полоциліндричної дуги виконувалися з урахуванням виду переносу розплавленого металу. З огляду на що при крупнокрапельному переносі спостерігалися коливання стрілок приладів, нами записувалися середні величини струму і напруги. Застосовувався порошковий дріт одного з експериментальних складів, діаметрів 2 мм; повний виліт дроту 118 мм.; довжина дуги складала 15 - 7 мм.

Слід зазначити, що однієї з особливостей досліджуваного процесу наплавлення є збільшений виліт електродного дроту. Спадання напруги на вильоті попередньо визначалося на відрізку порошкового дроту і з деяким допущенням воно є пропорційно силі струму. По ВАХ стійкої течій процесу плавлення електродного дроту в першій і другій серіях експериментів (мал. 2) видно, що зі збільшенням швидкості подачі електрода (тобто зі зростанням зварювального струму) лінії ВАХ зміщаються вправо, а нахил їх стає більш положистим. Результати експерименту підтверджують правильність вибору джерела живлення із жорсткою зовнішньою характеристикою.

Мал. 2. Вольт-амперна характеристика процесу плавлення електродного дроту: - всередині плазмової дуги (1.3); О – плазмова дуга не збуджувалась; 1 і 2 – Vпод.пл.е. = 150 м/год.; 3 і 4 – Vпод.пл.е. = 250 м/год.; Іпл = 180 А; Uпл. = 42 В; Qar = 8 л/хв.

Шляхом розподільного калоріметрирування води, що охолоджує електродний і сопловий вузли плазмотрону і сухого калоріметрирування зварювальних зразків було досліджено теплову характеристику процесу. Встановлено, що із зростанням струму плазмової дуги в робочому діапазоні при інших незмінних параметрах ефективна потужність нагрівання зростає прямо пропорційно струму з 75% до 83%, що пояснюється концентрацією енергії дуги і зменшенням витрат тепла у простір за межі зони зварювання.

З метою вибору оптимальних умов досягнення високої якості підготовки поверхні, що наплавляється, досліджувалось катодне розпилення. Ширина зони катодного розпилення чітко виділялася і замірялася на сталевих циліндричних зразках діаметром 96 - 98 мм. Значний вплив на ефект катодного розпилення робить величина сили струму плазмової дуги, змінюється ширина зони з 11 до 15 мм при збільшенні струму від 100 до 250 А. Менший вплив робить витрата плазмоутворюючого газу (мал.3).

Мал. 3. Зміна ширини зони катодного розпилення в залежності від току плазмової дуги і витрати плазмо-утворюючого газу при постійних: Uпл. = 42В; Ф внутр. = 5 мм; Ф нар. = 8 мм; Vн = 35 м/год; 1. Вк = f (Іпл); Q = 8л/хв; 2. Вк = f(Qar); Іпл = 150А; 3. Вк =f(Qar); Іпл = 180А; 4. Вк = f(Qar); Іпл = 200А; 5. Вк = f(Qar); Іпл = 300А;

Широкі дослідження форми шва проводилися по макрошліфах. Перша серія експериментів проводилася при впливі на зразки тільки полоциліндричної плазмової дуги. Зовнішній діаметр полоциліндричного електрода складав 10 мм. При силі струму плазмової дуги 75 - 90 А и більш з'являється слід нагрівання - ширина смуги зони термічного впливу, складає 10 - 15 мм. Глибина зони термічного впливу зростає прямопропорційно росту сили струму плазмової дуги і досягає 1,5 мм при струмі 200 А. При струмі більш 100 А стає помітним шар переплавленого основного металу (мал. 4). Ширина і глибина зони проплавлення, як і типи переносу залежать від сили струму. Максимальна глибина проплавлення при 200 А складає менш 1 мм (швидкість переміщення 20 м/год). Ширина наплавленого валика коливається в межах 6,0 - 8,0 мм. Висота валика змінюється від 3,0 до 5,0 мм у робочому діапазоні струмів (100 - 200 А). Основний інтерес представляє спільний вплив на формування валика обох дуг: плазмової і той, що між плавким електродом та виробом.

Плазма-МІГ наплавлення порошковим дротом може конкурувати по низькій величині коефіцієнта розплавлювання основного металу з іншими прогресивними технологіями, і може бути використана при виготовленні і ремонті виробів з невеликим шаром наплавленого металу (наприклад, штампового інструмента), замість наплавлення пульсуючою дугою.

Розділ 3. Розробка порошкового дрота для плазма-МІГ наплавлення виробів, працюючих в умовах термоцикличних навантажень. Аналіз літературних даних показав, що для вибору оптимального складу шихти сердечника плавкого електрода необхідно розробити математичну модель теплового процесу в порошковому дроті при плазма-МІГ наплавленні. Удосконалена нами математична модель дозволила (на підставі рішення загального диференціального рівняння теплопровідності з початковими і граничними умовами, що моделюють нагрівання порошкового дроту в плазмотроні) установити аналітичні залежності визначення теплопровідності шихти порошкового дроту. Були проведені дослідження з визначення особливостей процесу плавлення порошкового дроту при плазма-МІГ наплавленню за допомогою швидкісної кінокамери СКС-1м через об'єктив “Юпітер-11” з фокусною відстанню 135 мм на чорно-білу кіноплівку з частотою до 4000 кадрів/с. Найбільш оптимальними є режими середньокраплинного (діаметр краплі приблизно дорівнює діаметру електрода) переносу без шунтування. Краплі проходять дуговий проміжок, перекриваючи дугу по діаметрі так, що активні плями утворюються з обох її сторін. Для порошкового дроту (діаметром 3 мм) цьому режиму відповідає: струм 200-280 А, середня напруга дуги 22 В, при параметрах плазмової дуги: струм 125-200 А и напруга 40-42 В, швидкість переміщення 22 м/год. Виконані експерименти на режимах, що гарантують струмінний перенос показали, що при цій формі переносу різко підвищується тиск дуги на ванну, і як наслідок збільшується глибина проплавлення, що неприйнятно для наплавлення.

Зниження змісту в наплавленому металі кисню, сірки і фосфору підвищує його стійкість до термоциклічних навантажень. Комплексне введення в шихту порошкового дроту алюмокальція, ферроцерія, мідно-берилієвої лігатури збільшує стійкість наплавлених прес-форм для формування скляних ізоляторів. У порошковий дріт для плазма-МІГ наплавлення в середовищі аргону доцільно вводити лише невелику кількість газошлакоутворюючих компонентів, що мають високу активність. У результаті досліджень наплавлених металів на їхню стійкість проти утворення сітки розпалу встановлено, що найбільш перспективним для наплавлення прес-форм для скла є метал типу 2Х13Н12ГД2Ю. Розроблений порошковий дріт для плазма-МІГ процесу наплавлення прес-форм поряд з високими технологічними показниками має гарні в екологічному відношенні показники.

За заданим типом наплавленого металу розроблено склад порошкового дроту для плазма-МІГ наплавлення. При цьому способі наплавлення досягнуті високі показники коефіцієнту переходу легуючих елементів. Склад легуючої частини серцевини порошкового дрота відпрацьовувався шляхом наближення складу наплавленого металу до заданого. Склад газошлакоутворюючої основи вибирався по мінімальним витратам електродного металу на розбризкування і вигар, по впливу на формування валика. З метою зниження кисню в наплавленому металі до складу порошкового дроту не вводилися кисневмисні елементи: кремнезем, глинозем, оксиди натрію і калію. Для зниження змісту в наплавленому металі сірки і фосфору комплексно вводилися в сердечник дроту алюмокальцій і ферроцеррій. Для зміцнення стали, підвищення її механічних властивостей при високих температурах, що дуже важливо при формуванні голівки ізоляторів до складу шихти порошкового дроту вводився берилій у вигляді мідно-берилієвої лігатури в кількості 12-15%. Берилій має малий атомний радіус 0,035 нм і утворить тверді розчини впровадження, спотворюючи кристалічні ґрати. Даний ефект спостерігається уже при змісті берилія в частках відсотка. Із запропонованих складів шихти виготовлено дрот діаметром 2,0 і 3,0 мм з коефіцієнтом заповнення 0,38-0,43 з сталевої стрічки марки 08кп перетином 0,5х14 мм2.

При плазма-МІГ наплавленні порошковим дротом отримані наступні зварювально-технологічні показники: втрати на розбризкування lВ.Р. = 4-5%; вихід придатного металу КВ = 91%, коефіцієнт наплавлення aН = 16 – 19 г/А год.

Дослідження показали, що в наплавленому металі немає дефектів. Мікроструктура металу наплавлення розробленим порошковим дротом представляє собою мартенсітно-аустенітну структуру. Мікротвердість структурних складових мартенситу 4,5 - 4,8 кН/мм2, аустеніту 2,8 - 3,0 кН/мм2

Розроблений порошковий дріт має досить добрі наплавочно-технологічні властивості, тому що коефіцієнт утрат j = 4,7%, що по величині - досить невелике значення.

Розділ 4. Розробка обладнання для плазма-МІГ процесу. Ефективність впровадження плазмово-дугових процесів у значній мірі залежить від конструкції плазмотрона. Згідно з розміром внутрішнього формуючого сопла запроваджуються і розміри інших елементів, що його охоплюють, наприклад, зовнішнього сопла для подачі захисного газу. Розміри і геометричні залежності електродного вузла плазмотрона вибиралися з умов оптимального струмового навантаження з розрахунку 10 – 15 А/мм2..

Оптимальним варіантом плазмотронов для плазма-МІГ наплавлення є розроблена конструкція з трьома додатковими неплавкими електродами, розташованими по окружності, розділеної на три частини і під кутом до осі 45 % - 60 %, що забезпечує рівномірне нагрівання плавкового електрода. Завдяки розробленій схемі живлення дуги неплавких електродів (мал. 4) відбувається рівномірне нагрівання плавкого електрода з усіх боків. Причому нагрівання активною плямою дуги набагато ефективніше, ніж нагрівання тільки теплом плазмової дуги у базовому варіанті. Це дозволяє вести процес наплавлення на менших струмах плазмової дуги, збільшуючи при цьому продуктивність розплавлення плавкого електрода, і, як наслідок, підвищуючи продуктивність наплавлення, і одночасно зменшити потужність плазмової дуги. Таким чином вдалось знизити витрати електроенергії, зменшити габарити, вагу джерела живлення плазмової дуги, отже, знизити витрату матеріалів при його виготовленні, тобто зменшити його вартість. Вартість джерела живлення плазмової дуги знижується також за рахунок того, що в ньому відсутній випрямний блок, тому що розроблена зварювальна установка передбачає живлення плазмової дуги перемінним трифазним струмом без його випрямлення. Стає можливим виконання плазмового наплавлення не тільки автоматом, але і напівавтоматом, де плавкий електрод (після його проходження по гнучкому боудену і пальнику) викривляється. Остання обставина не впливає на процес нагрівання плавкого електрода активними плямами дуг – кількість тепла, що виділяється в них, залежить від полярності дуги плавкого електрода, складу оболонки електрода, плазмоутворюючого газу і сили струму плазмової дуги, тобто нагрівання легко задається режимом зварювання.

Розроблений плазмотрон і схема його живлення дозволили замінити аргоно-дугове наплавлення порошковим дротом внутрішніх поверхонь прес-форм для скла на більш ефективний плазма-МІГ процес. Проведені дослідження показали, що для стабілізації способу плазма-МІГ наплавлення порошковим дротом необхідно розробити універсальне джерело живлення. Нами запропонована конструкція (мал. 5), що заснована на трансформаторі, загальному для ланцюгів живлення плазмової дуги і дуги плавкого електрода з окремими системами випрямлення струму. Розроблено два види схем установок для плазмового наплавлення, що успішно пройшли апробацію в лабораторних умовах і можуть бути рекомендовані для промислового застосування.

Мал. 4 Принципова схема підключення плазмотрона з допоміжними електродами Мал. 5 Схема універсального джерела живлення для плазма-МІГ процесу

Розділ 5. Дослідження технологічних особливостей і техніко-економічних показників процесу плазма-МІГ наплавлення. Вивчено особливості технологічного процесу плазма-МІГ наплавлення порошковим дротом. Іспити стійкості прес-форм у виробничих умовах показали, що стійкість наплавлених робочих поверхонь прес-форм розробленим порошковим дротом прес-форм зросла в 2 рази. Річний економічний ефект від цього впровадження у 2000 році склав 26790 грн.

Проведені нами дослідження залежностей виділення зварювальних аерозолей від струму плавкого електрода і від витрати плазмоутворюючого і захисного газів показали, що плазма-МІГ процес в екологічному відношенні найбільш сприятливий у порівнянні з іншими плазмово-дуговими способами. Впровадження технологічного процесу плазма-МІГ наплавлення на підприємстві , заглиблені дослідження нами екологічних аспектів цього методу нанесення покрить дозволило одержати соціальний ефект, що полягає в зниженні захворюваності робітників силікозом.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що проявляється у вивчені можливостей плазма-МІГ процесу для наплавлення металу із, насамперед, визначними властивостями, зокрема, дослідження тих характеристик процесу, що необхідні для розробки технології, порошкового дроту і джерела живлення, призначених для впровадження у виробництво прес-форм.

2. Визначено, що найбільш ефективним є процес плазма-МІГ наплавлення дроту при зворотній полярності плазмової дуги і зворотної полярності дуги, що горить між плавким електродом і виробом. Полоциліндрична дуга, що горить з кільцевого неплавкого електрода, охоплює торець при щільності струму більш 6 - 7 А/мм2. При щільності струму до 6 А/мм2 на електроді-аноді існує кілька активних плям.

3. Встановлено, що стабільність процесу підвищується при зменшенні видимого вильоту електрода, що плавиться, зменшенні спадання напруги в стовпі плазмової дуги, збільшенням товщини холодного шару газу в каналі сопла.

4. Встановлено, що вольт-амперні характеристики плазмової дуги є пологозростаючими, зі зменшуваною крутістю в міру збільшення довжини чи зменшення витрати плазмоутворюючого газу і щільності струму; статична вольт-амперна характеристика дуги, збуджуваної між плавким електродом і виробом, є жосткою з незначним підйомом на 1-2 В на 100 А.

5. Встановлено, що додатковий процес нагрівання порошкового дроту теплом полоциліндричної дуги і теплом, що виділяється на збільшеному вильоті дозволяє досягти переносу краплями середніх розмірів при зменшеному струмі, що сприяє зменшенню глибини проплавлення і повному розплавлюванню компонентів шихти.

6. Доведено, що зі збільшенням сили струму плазмової дуги (при інших незмінних параметрах) спостерігається пропорційний ріст ефективної потужності нагрівання. При збільшенні довжини плазмової дуги зростає частка спадання напруги в стовпі в порівнянні з часткою спадання напруги на електроді. Зростає теплова потужність, що йде на нагрівання виробу.

7. Встановлено, що зниження змісту в наплавленому металі кисню, сірки і фосфору підвищує його стійкість до термоциклічних навантажень; комплексне введення в шихту порошкового дроту алюмокальція, ферроцерія, мідно-берилієвої лігатури збільшує стійкість наплавлених прес-форм для формування скляних ізоляторів. У порошковий дріт для плазма-МІГ наплавлення в середовищі аргону доцільно вводити лише невелику кількість газошлакоутворюючих компонентів, що мають високу активність.

8. У результаті досліджень впливу складу наплавлених металів на їхню стійкість проти утворення сітки розпалу встановлено, що найбільш перспективним для наплавлення прес-форм для скла є метал типу 2Х13Н12ГД2Ю.

9. Експериментально доведено, що для забезпечення рівномірної твердості по перетині наплавленого шару металу наплавлення варто вести з мінімальним кроком; з метою зменшення імовірності утворення тріщин у наплавленому шарі, наплавлення варто проводити на мінімальному струмі, що дозволяє істотно підвищити швидкість кристалізації наплавленого металу.

10. Визначено, що розміри і геометричні залежності вузла плазмотрона необхідно вибирати з умов оптимального токового навантаження циліндричного електроду з розрахунку 10 – 15 А/мм2. Встановлено, що оптимальним варіантом плазмотронів для плазма-МІГ наплавлення є розроблена конструкція з трьома додатковими неплавкими електродами, розташованими по окружності, поділеної на три частини і під кутом до осі 45-60 %, що забезпечує рівномірне нагрівання плавкого електрода.

11. Встановлено, що для стабілізації процесу плазма-МІГ наплавлення доцільно застосовувати універсальне джерело живлення. Принципова схема такого джерела розроблена з урахуванням ВАХ плазма-МІГ процесу.

12. Зроблена оцінка санітарно-гігієнічних умов й встановлено, що плазма-МІГ наплавлення найбільше екологічно чистий процес у порівнянні з іншими способами плазмової обробки металів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Макаренко Н.А., Грановский А.В., Кондрашов К.А. Улучшение технологических характеристик плазма-МИГ наплавки порошковой проволокой // Автоматическая сварка. – 2001. - №6, С.53-55

2. Чигарев В.В., Макаренко Н.А., Кондрашов К.А., Воропай Н.М. Особенности плавления электродной проволоки при наплавке способом плазма-МИГ // Автоматическая сварка. 2001. - №8, С 12-15

3. Чигарев В.В., Макаренко Н.А., Кондрашов К.А. Особенности разработки технологии изготовления пресс-форм, стойких к термоциклических нагрузкам // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. – Краматорськ: ДДМА. – 2000.– С. 511-514

4. Чигарев В.В., Макаренко Н.А., Кондрашов К.А. Улучшение формирования наплавленного слоя при наплавке // Вісник ПДТУ: Зб.наук.праць – Маріуполь – 2000. - №9. – С. 153-155.

5. Чигарев В.В., Макаренко Н.А., Кондрашов К.А. Повышение стойкости наплавленного слоя при plasma-MIG наплавке // Вісник ПДТУ: Зб.наук.праць – Маріуполь, – 2000. - №10. – С. 190-191.

6. Чигарев В.В., Кондрашов К.А., Макаренко Н.А. Особенности плавления электродного металла и формирование валика при плазма-МИГ наплавке порошковой проволокой // Вісник ПДТУ: Зб.наук.праць – Маріуполь, – 2000. - №11. С. 172-174.

7. Чигарев В.В., Макаренко Н.А., Кондрашов К.А. , Грановский А.В. Тиристорная установка для сварки легких металлов // Збірник наукових праць УДМТУ. – Миколаїв: – 2001. - № 1 . – С. 101-106

8. Макаренко Н.А., Кондрашов К.А. Разработка математической модели теплового процесса в порошковой проволоке при plasma-MIG наплавке // Інтегровані технології та енергозбереження. – Харків: ХДПУ. – 2000. - № 4 – С. 36-40.

9. Макаренко Н.А., Кондрашов К.А. Восстановление и упрочнение штампов и пресс-форм // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. – Краматорськ: ДДМА. – 2001.– С. 101-103

10. Макаренко Н.А., Кондрашов К.А. Универсальный источник питания для плазма-МИГ наплавки // Збірник наукових праць УДМТУ // Миколаїв. – 2001.- №2- с.96-100

11. Корниенко А.Н., Макаренко Н.А., Кондрашов К.А., Грановский А.В. Универсальный источник питания для плазма-МИГ сварки и наплавки // Сварочное производство. – 2001 - № 9, С. 25-26.

12. Патент України № 41617 МКІ В23к Спосіб плазмо-дугового наплавлення /Чигарьов В.В., Макаренко Н.О., Кондрашов К.О., Грановський О.В. – заявл. № 2116281 от 07.11.2000, опубл. 17.09.01 № 8.

13. Патент України № 41618 МКІ В23к Зварювальна установка / Чигарьов В.В., Макаренко Н.О., Кондрашов К.О., Грановський О.В. – заявл. № 2116282 от 07.11.2000, опубл. 17.09.01 № 8.

14. Чигарев В.В., Кондрашов К.А. Технологические особенности плазма-МИГ наплавки // Труды Международной конференции, посвященной 130-летию Е.О. Патона. – Киев: ИЭС. – 2000. – С. 139.

15. Макаренко Н.А., Грановский А.В., Кондрашов К.А., Карпенко В.В. Анализ методов улучшения эксплуатационных характеристик пресс-форм // Тематичний збірник наукових праць Міжнародної науково-технічної конференції “Удосконалення процесів і обладнання виробництва та обробки металопродукції для металургії та машинобудуваннія”. – Слов'янськ-Краматорск: ДДМА. – 2000.– С. 477-479 .

16. Корниенко А.Н., Макаренко Н.А., Кондрашов К.А. Исследование эффективности нагрева изделия при плазма-МИГ наплавке. // Труды V Международной научно-технической конференции “Проблемы сварки, металлургии и родственных технологий”. – Тбилиси: GWA. – 2000. – С. 104-108.

17. Чигарев В.В., Макаренко Н.А., Кондрашов К.А, Грановский А.В., Кассов В.Д. Аналитический анализ