Приазовский державний технічний університет
Приазовський державний технічний університет
Кадава
Віктор Володимирович
УДК 621.791.75
Удосконалення складу і процесу наплавлення порошковою стрічкою деталей із низьколегованих сталей, працюючих
в умовах тертя металу об метал
Спеціальність: 05.03.06. – Зварювання і споріднені технології
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Маріуполь 2002 р.
Дисертація є рукописом.
Робота виконана в Приазовському державному технічному університеті (ПДТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.
Науковий керівник | доктор технічних наук, професор
Чигарьов Валерій Васильович
ПДТУ, зав. кафедрою “Металургія і технологія зварювального виробництва”
Офіційні опоненти | доктор технічних наук, професор
Гулаков Сергій Володимирович
ПДТУ, зав. кафедрою “Автоматизація технологічних процесів”
кандидат технічних наук
Шевченко Ігор Валерійович
Краматорський завод металоконструкцій, начальник цеху, м. Краматорськ
Провідна установа: | Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Київ
Захист відбудеться _14 лютого_____2003р. о_14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.12.052.01. при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, вул. Університетська, 7 , м. Маріуполь Донецької обл.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університету: вул. Апатова, 115, .м. Маріуполь Донецької обл.
Автореферат розісланий 27 грудня 2002 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради К.12.052.01
доктор технічних наук, професор Маслов В.О.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Відповідно до основних напрямків розвитку матеріальної галузі України передбачено підняти ефективність використання ресурсів, знизити матеріалоємність виробництва. Підвищення ефективності виробництва безпосередньо пов'язане з удосконалюванням технологічних процесів, одним з яких є наплавлення відкритою дугою.
Розрізняють в основному два види наплавлення: відбудовна й зміцнювальна чи плакування поверхні шаром металу, що забезпечує необхідні експлуатаційні характеристики. Такий розподіл носить умовний характер, оскільки можна одночасно відновлювати й зміцнювати деталі машин і механізмів. Відбудовне наплавлення дозволяє додати необхідні чи первісні розміри зношеним деталям. Для цього прагнуть забезпечити в наплавленому шарі відповідний хімічний склад, що задовольняє умовам експлуатації. Це досягається відповідним електродним матеріалом і способом наплавлення. При цьому вирішальне значення набувають питання продуктивності наплавочних робіт, якості наплавленого металу.
Актуальність теми. Велику роль в економії витрат праці, підвищенні якості наплавочних робіт і продуктивності праці грає застосування наплавочних матеріалів у виді порошкової стрічки. Порошкові стрічки забезпечують практично будь-який склад наплавленого металу і більш високі показники наплавлення в порівнянні з іншими наплавочними матеріалами. При зростаючих обсягах наплавлення порошковими стрічками збільшуються енергетичні витрати. Однак питома продуктивність наплавлення підвищується не адекватно. Цьому перешкоджає нерівномірність плавлення оболонки і сердечника, в результаті чого не розплавлені частки шихти розсипаються в зварювальну ванну.
Для відбудовного наплавлення деталей з низьколегованих сталей, що працюють в умовах тертя металу об метал, розроблений ряд порошкових стрічок, однак їхнє застосування недостатньо ефективне.
Аналіз показав, що при наплавленні порошковими стрічками виникають наступні основні проблеми, що вимагають рішення:
- забезпечення однакових температур нагрівання оболонки і сердечника;
- усунення розсипання часток шихти в зварювальну ванну;
- збільшення продуктивності розплавлювання електрода і наплавлення;
- удосконалювання зварювально-технологічних властивостей порошкових стрічок.
Застосування в порошкових стрічках традиційних інгредієнтів шихти не забезпечує досягнення високих показників їхніх властивостей.
У цьому зв'язку є актуальним проведення теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на удосконалювання складу порошкової стрічки з поліпшеним комплексом службових характеристик і шляхів збільшення продуктивності її розплавлення.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до тематики науково-дослідних робіт кафедри “Металургія і технологія зварювального виробництва” Приазовського державного технічного університету: “Розроблення економнолегованих матеріалів і дослідження впливу попередніх обробок на підвищення механічних властивостей” № Держ. реєстрації 0100U002578.
Мета і задачі дослідження. Поліпшення технологічних характеристик процесу наплавлення і складу порошкової стрічки для механізованого дугового наплавлення деталей з низьколегованих сталей, що працюють в умовах тертя металу об метал.
Для цього були поставлені і вирішені наступні задачі:
1. Дослідити можливість застосування нетрадиційних матеріалів у шихті порошкових стрічок.
2. Вивчити вплив природи зв’язуючого на закономірності нагрівання і розплавлювання порошкової стрічки.
3. Дослідити процеси, що забезпечують рівномірність плавлення оболонки і сердечника порошкової стрічки.
4. Розробити порошкову стрічку для наплавлення комплексно легованого сплаву, що забезпечує більш високу зносостійкість деталей, які працюють в умовах тертя металу об метал.
5. Удосконалити технологічну схему наплавлення порошковою стрічкою, що підігрівається.
Об’єкт дослідження – механізоване дугове наплавлення комплексно легованих сплавів порошковою стрічкою.
Предмет дослідження – процес рівномірного надходження компонентів шихти в зварювальну ванну при наплавленні комплексно легованих сплавів.
Методи дослідження – основні задачі роботи вирішувалися розрахунковими й експериментальними методами. Розробка складу наплавленого металу проводилася із застосуванням сучасних методів багатофакторного експерименту для дослідження й оптимізації багатокомпонентних систем. Експериментальні методи містили в собі осцилографування, методи тензометрії, вимір геометричних параметрів і механічних властивостей. Зміст легуючих елементів у наплавленому металі визначали хімічним методом. Дослідження зварювально-технологічних характеристик порошкових стрічок і властивостей наплавленого металу проводили на лабораторних установках і в промислових умовах.
Наукова новизна отриманих результатів. Серед основних положень і розробок, представлених у дисертації, новими для науки і практики є наступні:
- Визначені основні критерії, яким повинне відповідати сполучне сердечника порошкової стрічки:
- максимальна теплопровідність, що забезпечує його інтенсивний прогрів до повного термохімічного перетворення з формуванням заданої структури новоутворень;
- мінімальний негативний вплив на зварювально-технологічні властивості порошкової стрічки;
- оптимальні температури початку основних процесів термічного розпаду;
- висока технологічність у виготовленні, що забезпечує досягнення однорідності його розподілу по обсязі сердечника;
- забезпечення переходу дискретної композиції сердечника в зв'язану систему при мінімально можливій кількості адгезіва;
- забезпечення відповідності екологічним і санітарно-гігієнічним нормам;
- доступність і низька вартість.
- Установлено, що введення до складу шихти технологічних добавок у виді полістиролу марки ПСБ-А сприяє зміні основних енергосилових, геометричних і фізичних параметрів процесу прокатки порошкової стрічки, що забезпечує її виготовлення зі стабільними зварювально-технологічними властивостями.
- Установлено, що використання як компоненту шихти полістиролу дозволяє в процесі прокалювання порошкової стрічки створити ефект ущільнення сердечника, який знижує схильність шихти до розсипання при наплавленні, що вирішує технологічні і металургійні проблеми одержання наплавленого шару з необхідними характеристиками.
Практична цінність отриманих результатів.
Проведені автором і за його участю дослідження і розроблені рекомендації дозволили вдосконалити склад порошкової стрічки з поліпшеним комплексом службових характеристик для наплавлення деталей з низьколегованих сталей, що працюють в умовах тертя металу об метал. Розроблено установку, конструкція якої забезпечує рівномірне нагрівання і плавлення порошкової стрічки. Розроблені рекомендації щодо виготовлення порошкової стрічки з використанням органічних сполучних у шихті сердечника можуть бути використані при виробництві порошкових стрічок іншого призначення. Для контролю режимів спільного обтиснення оболонки і сердечника розроблений пристрій, у якому тензоелемент виготовляється в залежності від конструкції двовалкової кліті стану з виробництва порошкових стрічок. Запропонований пристрій може бути рекомендований для визначення оптимальних режимів обтиснення при виготовленні порошкових стрічок різних складів. Проведено апробацію порошкової стрічки й установки для наплавлення в умовах АТ “Краматорський завод важкого верстатобудування”. Впровадження розробленої порошкової стрічки та технології наплавлення дозволило одержати річний економічний ефект 63,8 тис. грн. (у цінах 2001 р.). Робота може бути рекомендована для впровадження на підприємствах, зайнятих підвищенням терміну служби деталей машин і устаткування, що працюють в умовах механічного зносу.
Особистий внесок здобувача. Конкретна особиста участь в отриманні результатів, поданих у дисертаційній роботі, полягає в наступному: проведений аналітичний огляд стану питання дослідження, поставлені задачі дослідження, розглянутий загальний підхід до розв’язання; самостійно теоретично та експериментально обґрунтовані запропоновані положення; проведені дослідження щодо оптимізації складу порошкової стрічки, напрацьовані дослідні склади порошкової стрічки; проведені експерименти і виготовлені зразки макрошліфів для технологічних досліджень; сплановані і оброблені результати експериментів, виконані відповідні розрахунки з використанням ЕОМ; проаналізовані та узагальнені отримані результати, розроблені інженерні рішення. Виробничі дослідження розробленого складу і технології наплавлення виконувалися автором на Краматорському заводі важкого верстатобудування спільно з працівниками кафедри і заводу.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи повідомлені й обговорені:
- на міжнародній науково-технічній конференції “Удосконалення процесів і обладнання виробництва та обробки металопродукції для металургії та машинобудування”, м. Краматорськ – Слов’янськ, 18-20 жовтня 2000 р.;
- на II міжнародній конференції по зварювальним матеріалам країн СНД “Дуговая сварка. Материалы и качество на рубеже XXI века”, м. Орел, 4-8 червня 2001 р.;
- на міжнародній науково-технічній конференції “Перспективні технології та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії”, м. Краматорськ, 23-26 квітня 2001 р.;
- на VIII регіональній науково-технічній конференції, присвяченій 10-річчю незалежності України, м. Маріуполь, 2001 р.;
- на наукових семінарах ПДТУ (Маріуполь, 2000-2002 р.);
- на науковому семінарі відділу “Фізико-хімічних досліджень зварюваності конструкційних сталей і чавунів” ІЕЗ ім. Є.О.Патона (Київ, 2002).
Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковані 9 статей в наукових журналах, в тому числі 6 статей у фахових виданнях ВАК, отриманий патент України. Структура дисертації. Дисертація складається із введення, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 147 найменувань, 1 додаток і містить 193 сторінки машинописного тексту, 67 рисунків, 15 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступній частині обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і методи рішення розроблювальної проблеми, відзначені наукова новизна і практичне значення роботи, приведений перелік наукових конференцій, семінарів, де апробувалися результати, і кількість публікацій, що відносяться до теми дисертації.
Розділ 1. Сучасний стан питання.
Виробнича практика довела високу ефективність застосування як наплавочних матеріалів порошкових стрічок. Порошкові стрічки забезпечують високу продуктивність наплавлення в порівнянні з іншими наплавочними матеріалами. Регульовані співвідношення між оболонкою і сердечником дозволяють при наплавленні порошковими стрічками одержувати практично будь-який склад наплавленого металу. Ця перевага незаперечна при наплавленні легованих сплавів, тобто у випадках, коли виготовити леговані дроти і стрічки суцільного перетину практично неможливо. Ефективність використання порошкових стрічок для великих обсягів наплавлення знижується, оскільки продуктивність наплавлення неадекватна високим енерговитратам на процес плавлення електрода. Це обумовлюється тим, що зі збільшенням параметрів режиму змінюється співвідношення швидкостей плавлення оболонки і сердечника, теплової потужності на нагрівання і плавлення сердечника недостатньо. В результаті частки сердечника, що не розплавилися, переходять у зварювальну ванну, минаючи стадію краплі, і знижують якість наплавленого металу через хімічну неоднорідність наплавленого шару. У зв'язку з цим зменшують заповнення стрічки, що, у свою чергу, знижує продуктивність наплавлення. Існуючі моделі плавлення порошкових електродів і особливості плавлення порошкових стрічок свідчать, що умови нагрівання і плавлення оболонки краще, ніж сердечника. Щоб домогтися підвищення продуктивності плавлення порошкової стрічки і наплавлення, потрібно вишукати шляхи регулювання теплової потужності на електроді з таким розрахунком, щоб при збільшенні швидкості плавлення електрода оболонка і сердечник розплавлялися рівномірно. Перспективним напрямком у збільшенні продуктивності розплавлювання електрода варто вважати використання попереднього підігріву порошкової стрічки від окремого джерела. Поліпшенню технологічних характеристик процесу наплавлення і складу порошкової стрічки для наплавлення деталей з низьколегованих сталей присвячені наступні розділи.
Розділ 2. Підвищення міцнісних характеристик сердечника порошкової стрічки
Конструктивні особливості порошкових стрічок визначають спонтанний перехід частини шихти сердечника в наплавлений метал, минаючи стадію краплі, не піддаючись повному впливу зварювальної дуги.
Схильність шихти до розсипання оцінювали за результатами обчислення коефіцієнта заповнення порошкової стрічки після впливу примусової вібрації протягом 30с. Критерієм схильності шихти до розсипання служило відносне зменшення коефіцієнта заповнення стрічки до і після іспиту, виражене у відсотках.
Один з ефективних методів збільшення зв'язку між частками шихти полягає у використанні зв’язуючих матеріалів, ідея застосування яких полягає в переході порошкоподібної композиції сердечника в хімічно зв'язану систему з властивостями, близькими до характеристик суцільних середовищ. Розглянуті з фізико-хімічних позицій фактори, що впливають на зниження схильності шихти до розсипання при наплавленні, виявили істотні резерви міцності, що можуть надавати порошкоподібній композиції сердечника зв’язуючі матеріали. Ці резерви можуть бути реалізовані через збільшення щільності упакування сердечника і поліпшення розподілу зв’язуючого в обсязі шихтового сердечника порошкової стрічки.
Експерименти показали, що введення до складу шихти полімерного матеріалу класу полістиролів істотно поліпшує експлуатаційні характеристики порошкової стрічки. Використовували “полістирольний пил” – суспензійний бісерний полістирол марки ПСБ-А (відсів через сито 1600 отв/см2). Елементний склад: 89,8% С; 8% H2; 0,18% S; 0,22% N2; 1,9% O2. У полімерну матрицю полістиролу включені молекули ізопентану, що забезпечують вспучування при нагріванні за рахунок низької температури кипіння (близько 30оС). При прокатці порошкової стрічки рідкий ізопентан перетворюється в газ, що створює розтяжне зусилля на полімерну плівку гранул (бісеру). Тиск усередині гранул не є розривним для стирольних плівок, а швидке нагрівання в очагу деформації інтенсивно розм'якшує стирольну основу гранул, тим самим сприяючи їхньому вільному зростанню під тиском ізопентану, що випаровується. Полістирол, отримуючи каучукоподібні властивості, заповнює проміжки між частками шихти. Завдяки потенційної енергії, що міститься в гранулах, розвиваються значні зусилля, що приводять до ущільнення компонентів шихти сердечника. По закінченні прокатки стрічку нагрівали до температури 164-170оС. При досягненні зазначеної температури відбувається плавлення полістиролу і спікання в розплавленій пластмасі компонентів шихти сердечника порошкової стрічки в однорідну масу. Це обумовлено тим, що структурування полістиролу визначається винятково фізичними параметрами агрегатних переходів з рідкого стану у твердий (при температурі 164-170оС) за рахунок налипання компонентів шихти з розплавленими частками сполучного.
Установлено, що введення в шихту домішок полістиролу змінює основні енергосилові, геометричні і фізичні параметри процесу прокатки, забезпечуючи необхідне ущільнення сердечника. Для контролю режимів спільного обтиснення оболонки і сердечника розроблений пристрій, у якому тензоелемент виготовляється залежно від конструкції двовалкової кліті стану з виробництва порошкових стрічок.
Доведено, що для ефективного ущільнення компонентів шихти найбільш доцільне введення в шихту 1-2 мас. % полістиролу. У цьому випадку схильність шихти до розсипання знижується до 5-7що забезпечує одержання стабільних зварювально-технологічних характеристик процесу.
Розділ 3. Дослідження впливу природи зв’язуючого на зварювально-технологічні властивості порошкової стрічки
Як досліджувані модельні речовини використовували поліфункціональні композиції на основі органічних і неорганічних олігомерних сполук. Зв’язуючі вводили до складу шихти у виді дрібнодисперсних порошків чи розчинів відповідних сполук.
Аналіз осцилограм запису температур оболонки і сердечника при плавленні порошкової стрічки (Iсв =750 А, Uд=32 В, виліт електрода l=60 мм) показує, що в міру наближення спаїв термопар до дуги збільшується градієнт температур між оболонкою і сердечником для усіх варіантів порошкових стрічок. Однак час досягнення максимальних температур з неорганічним зв’язуючим (рідке скло) значно менший, ніж для стрічок з органічним зв’язуючим. Нагрівання сердечника з рідким склом практично відсутнє. При зв’язуючому органічної природи відбувається шунтування струму, і сердечник у результаті прогрівається більш ефективно. Оскільки частина струму, що протікає по металевій оболонці, при цьому йде через сердечник, то і нагрів оболонки на вильоті знижується. Шунтування струму сердечником підтверджується експериментальними даними. Із залежності електричного опору досліджуваних електродів від температури (рис. ) видно, що при кімнатній температурі опір стрічки з різними зв’язуючими практично однаковий. Опір стрічки із залізним порошком і рідким склом збільшується з підвищенням температури менш інтенсивно.
Для порошкової стрічки з рідким склом при струмі 1200 А установити залежність коефіцієнта плавлення оболонки і коефіцієнта плавлення сердечника від вильоту не вдалося. Це обумовлено характером плавлення порошкової стрічки – на торці утворювався виступ сердечника, що не розплавився, довжиною 10-15 мм, це призводило до нестабільного процесу наплавлення, обривам дуги і коротких замикань оболонки при руйнуванні неоплавленого сердечника. Сердечник з меншою електро- і теплопровідністю (рідке скло + залізний порошок) сприяє одержанню великих величин і (рис.2). При збільшенні вильоту для стрічок з рідким склом більше, ніж у стрічок з органічним зв’язуючим. Так при струмі 700А і збільшенні вильоту від 20 до 120 мм приріст для стрічок з рідким склом складає 4 г/Агод, а для стрічок з органічним зв’язуючим – 2,5 г/Агод. При струмі 1200 А приріст з органічним зв’язуючим практично такий самий, як і при струмі 750 А. Залежність і від вильоту носить лінійний характер. Це дозволяє шляхом екстраполяції отриманих залежностей на нульовий виліт визначити коефіцієнти розплавлення електрода за рахунок тепла на вильоті і тепла дуги . Значення , і приведені в таблиці.
1 – оболонка порошкової стрічки;
2 – порошкова стрічка, сердечник: залізний порошок + органічне зв’язуюче, Кн=50%;
3 – порошкова стрічка, сердечник: залізний порошок + рідке скло, Кн=45%;
Рисунок 1 – Залежність опору електродів від температури
Таблиця – Показники розплавлення порошкової стрічки в залежності від зварювального струму і складу сердечника
Коефіцієнт
розплавлення, г/Агод | Зварювальний струм, А | Сердечник порошкової стрічки
без
сердечника | Fe порошок +
органічне зв’язуюче | Fe порошок + рідке скло
750 | 17,1 | 19,4 | 30
1200 | 20,4 | 21,8–
750 | 2,4 | 3,8 | 4
1200 | 4,8 | 5,0–
750 | 14,7 | 15,6 | 26
1200 | 15,6 | 16,8–
а) | б) | ¦ – оболонка порошкової стрічки;
x – порошкова стрічка, сердечник: залізний порошок + органічне зв’язуюче, Кн=50%;
? – порошкова стрічка, сердечник: залізний порошок + рідке скло, Кн=45%;
Рисунок 2 – Залежність коефіцієнту розплавлення порошкової стрічки від вильоту при Iсв=1200 А (а) і Iсв=750 А (б)
Дослідження теплового стану сердечника з різними зв’язуючими в складі шихти по довжині вильоту електрода розкриває загальні закономірності, що дозволяють передбачати результати взаємодії зв’язуючого з інгредієнтами сердечника, спрогнозувати особливості змін агрегатного стану зв’язуючних, тепломасопереносу, фазових переходів, розрахувати напрямок і границі фізико-хімічних реакцій і визначити основні вимоги до зв’язуючого сердечника:
- максимальна теплопровідність, що забезпечує його інтенсивний прогрів до повного термохімічного перетворення з формуванням заданої структури новоутворень;
- мінімальний негативний вплив на зварювально-технологічні властивості порошкової стрічки;
- оптимальні температури початку основних процесів термічного розпаду;
- висока технологічність у виготовленні, що забезпечує досягнення однорідності його розподілу по обсязі сердечника;
- забезпечення переходу дискретної композиції сердечника в зв'язану систему при мінімально можливій кількості адгезіва;
- забезпечення відповідності екологічним і санітарно-гігієнічним нормам;
- доступність і низька вартість.
Розділ 4. Розроблення і дослідження порошкової стрічки для відновлення деталей, що працюють в умовах тертя металу об метал
Використовуючи як параметри оптимізації зносостійкість, опірність утворенню кристалізаційних тріщин і твердість, методом планування експерименту розроблений склад металу для відновлення деталей з низьколегованих сталей, що працюють в умовах тертя металу об метал, з оптимальним поєднанням зносостійкості і технологічності.
Для вивчення впливу кількості і складу газошлакоутворюючих компонентів комплексно легованої порошкової стрічки, режимів наплавлення на стійкість горіння дуги, криючу здатність шлаку і стійкість до пороутворення проводилися експерименти з порошковими стрічками з різними газошлакоутворюючими композиціями. Для кількісного опису досліджуваних закономірностей і істотного зменшення числа дослідів застосовували комплексно-ґратчасте планування. На підставі отриманих моделей побудовані графіки (рис. 2), що дають можливість представити вплив співвідношення газошлакоутворюючих матеріалів у шихті порошкової стрічки на досліджувані характеристики. З урахуванням стійкості горіння дуги, належної криючої здатності шлаку, якісного формування зварного шва, надійності захисту розплавленого металу від повітря обране оптимальне співвідношення газошлакоутворюючих компонентів сердечника дослідженої порошкової стрічки, а саме - плавиковий шпат: карбонатний шлам : перовскітовий концентрат = 5:2:3. Встановлено, що для одержання наплавленого металу (0,20-0,25 C; 0,8-1,0 Mn; 0,25-0,40 Si; 0,7-0,9 Cr; 0,22-0,26 V; 0,20-0,25 Ti) необхідна порошкова стрічка, що має наступний склад компонентів у шихті, мас%: суспензійний бісерний полістирол – 1,1; плавиковий шпат – 6,0; перовскіт – 3,6; карбонатний шлам – 2,4; феромарганець – 1,6; феросиліцій – 1,9; ферохром – 2,6; ферованадій – 1,3; феротитан – 2,2; залізний порошок – решта. Оцінку хімічної неоднорідності наплавленого металу робили за змістом у ньому хрому. Це обумовлене тим, що хром, маючи найвищу температуру плавлення (у порівнянні з іншими використовуваними елементами), коли потрапляє в зварювальну ванну, минаючи стадію краплі, в найбільшому ступені піддається неоднорідному розподілу в наплавленому металі. Критерієм хімічної неоднорідності служило середньоквадратичне відхилення змісту хрому і коефіцієнт його варіації VCr:
(1)
де Cr – середній зміст хрому в наплавленому металі.
Експерименти показали, що при використанні порошкової стрічки з полістиролом VCr = 1,45–1,77, що в 2,8–3,2 рази менше, ніж при використанні порошкової стрічки без полістиролу. Крім поліпшення однорідності наплавленого металу підвищується також і його зносостійкість на 24–26%.
Були проведені дослідження впливу режимів наплавлення на постійному струмі на вимірники процесу плавлення порошкової стрічки і геометричні характеристики наплавленого валика.
Збільшення зварювального струму приводить до підвищення коефіцієнта розплавлення р. При швидкості наплавлення 20м/год підвищення струму від 600А до 700А викликає збільшення р від 17,04г/Агод до 18/20г/Агод, а при підвищенні струму до 800А р збільшується до 20,74г/Агод. При швидкості наплавлення 25м/год підвищення струму від 600А до 700А і до 800А викликає збільшення р від 16,69г/Агод до 18,45г/Агод і до 18,79г/Агод. Збільшення зварювального струму від 600А до 700А підвищує коефіцієнт наплавлення н при Vн=20м/год від 14,59г/Агод до 16,06г/Агод. При св=800А н збільшується до 18,46г/Агод. При швидкості наплавлення 30м/год підвищення зварювального струму від 600А до 700А і до 800А приводить до збільшення н від 13,96г/Агод до 16,2г/Агод і до 17,82г/Агод. Разом з тим аналіз показує, що зі збільшенням швидкості наплавлення коефіцієнти розплавлення і наплавлення зменшуються. Наприклад, при струмі 800А збільшення швидкості наплавлення від 20м/год до 30м/год знижує коефіцієнт розплавлення з 20,74г/Агод до 20,46г/Агод, а коефіцієнт наплавлення від 18,46 г/Агод до 18,13г/Агод. При струмі 600А збільшення швидкості наплавлення від 15м/год до 25м/год р зменшується від 18,62г/Агод до 16,69г/Агод, а н також зменшується від 16,35г/Агод до 13,96г/Агод. Коефіцієнт втрат електродного металу Кв небагато зменшується з підвищенням зварювального струму. Так збільшення св від 600А до 700А і до 800А при швидкості 20м/год зменшує Кв від 12,28% до 9,73%. Збільшення струму при Vн=25м/год у тому ж діапазоні досліджених режимів знижує Кв від 14,04% до 10,71% і до 8,23%. Підвищення св від 600А до 700А і до 800А при швидкості 20м/год збільшує ширину валика від 22,97мм до 23,84мм і до 25,87мм, а висоту – від 3,77мм до 4,98мм і до 5,15мм. При струмі 800А збільшення швидкості наплавлення від 20м/год до 30м/год зменшує ширину валика від 25,87мм до 22,85мм, а висоту – від 5,5мм до 4,26мм. При швидкості наплавлення 20м/год підвищення струму від 600А до 700А и до 800А збільшує площу наплавлення від 67,7мм2 до 83,0мм2 і до 99,3мм2.
Була вивчена також можливість наплавлення розробленою порошковою стрічкою на перемінному струмі замість наплавлення на постійному. Порівняння вимірників процесу розплавлення розробленої порошкової стрічки на постійному і перемінному струмах показало наступне. При наплавленні на перемінному струмі коефіцієнт розплавлення на 18-22% більший, ніж на постійному. Коефіцієнт втрат при наплавленні на постійному струмі в 1,5-2 рази менший, ніж при наплавленні на перемінному струмі. Ширина і висота наплавленого валика, площа наплавлення змінюються в приблизно однакових діапазонах. Розбризкування електродного металу на перемінному струмі відбувається в основному великими (більше 2г) і середніми (0,05-2г) краплями, а на постійному струмі – середніми (0,05-2г) і дрібними (< 0.05г). Загальна маса розбризканого електродного металу на перемінному струмі приблизно в два рази більша, ніж на постійному.
а) | б) | в)
Рисунок 2 – Вплив співвідношення газошлакоутворюючих матеріалів у шихті порошкової стрічки на криючу здатність шлаку (а), стійкість горіння дуги (б) і стійкість до пороутворення (в).
Розділ 5. Дослідження теплового стану вильоту порошкової стрічки при наплавленні з попереднім підігрівом
Електрична схема пристрою для керування процесом попереднього підігріву порошкової стрічки на її вильоті наведена на рис. 3.
Т1-трансформатор нагрівання (ТДМ-500 чи ТДФ-1001)
VS1 і VS2- тиристори (Т10-80-12)
ИП – джерело живлення (КИУ 1201)
БФУ – блок фазового керування тиристорним контактором
ДА1 – підсилювач сигналу (операційний підсилювач К140УД1)
БС – блок порівняння
ДТ – датчик струму (вимірювальний шунт 75ШСММ3-1500-0,5)
R1 – регулятор струму підігріву
Рисунок 3 – Електрична схема пристрою для керування процесом попереднього підігріву порошкової стрічки на її вильоті
Підігрів здійснювали на ділянці між роликами і наконечником. Джерелом попереднього підігріву є трансформатор Т1, в якості якого застосовувалися ТДМ-500 чи ТДФ-1001. Керування струмом підігріву Iп виконували за допомогою тиристорного контактора на тиристорах VS1 і VS2, наприклад, Т10-80-12. Регулювання струму здійснювали зміною кута включення тиристорів, що змінюється за допомогою реостата R1.
Вплив попереднього підігріву на енергетичні характеристики зварювального контуру полягає в тому, що зміни умов попереднього підігріву порошкової стрічки супроводжуються таким перерозподілом потужностей між анодом (при наплавленні на зворотній полярності), вильотом і ділянкою попереднього підігріву, що їхня сума залишається приблизно постійною:
(2)
де Rв – опір вильоту;
Rуп – опір ділянки попереднього підігріву;
Uэ=Uа+Uв – сума анодного падіння напруги і роботи виходу електрона.
З рівняння (2) випливає, що зі збільшенням струму підігріву Iп струм дуги Iд зменшується. Оскільки при сталості Vп порошкової стрічки (Vп=const) збільшення температури попереднього підігріву приводить до зменшення Iд (що може привести до відхилення співвідношення між частками основного й електродного металу в металі шва), то для запобігання зниження зварювального струму нижче заданого граничного значення передбачений ланцюг зворотного зв'язку за струмом. Сигнал зворотного зв'язку одержують від датчика струму ДТ, в якості якого використовували вимірювальний шунт 75ШСММ3-1500-0,5, далі сигнал підсилювався підсилювачем ДА1 (операційний підсилювач К140УД1) і подавався на блок порівняння БС, де порівнювався із сигналом, що відповідає заданому значенню струму. При зменшенні Iсв до рівня нижче заданого одержували коригувальний сигнал, що впливає на блок фазового керування тиристорним контактором БФУ, забезпечуючи зменшення струму підігріву. Нижче зони підігріву пристрій обладнаний охолоджувальним елементом.
Внаслідок перерозподілу тепла між оболонкою і сердечником нерівномірність нагрівання шихти сердечника незначна. Як показали експерименти, тепловкладення в основний метал не змінюються. Полегшуються умови для виникнення і переносу електродних крапель, при цьому розмір крапель зменшується, а загальна маса зібраних крапель збільшується приблизно в 1,3 рази. Наявність підігріву розширює межі можливих змін напруги дуги з 32-36 В до 29-40 В без порушення стабільності процесу і якості металу шва. Коефіцієнт наплавлення збільшився приблизно в 1,8-2,0 рази. Коефіцієнт втрат на розбризкування зменшився в 2,5-2,8 рази. Розбризкування електродного металу відбувається переважно дрібними (менше 0,05 г) краплями.
Загальні висновки
1. Приведене теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі рівномірного надходження компонентів шихти в зварювальну ванну, що необхідно для підвищення експлуатаційних характеристик наплавленого металу.
2. Використовуючи як параметри оптимізації зносостійкість, опірність утворенню кристалізаційних тріщин і твердість, методом планування експерименту розроблений склад металу (0,20-0,25% C; 0,8-1,0% Mn; 0,25-0,40% Si; 0,7-0,9% Cr; 0,22-0,26% V; 0,20-0,25% Ti) для відновлення деталей з низьколегованих сталей, що працюють в умовах тертя металу об метал, з оптимальним поєднанням зносостійкості і технологічності.
3. Доведено, що використання в якості газоутворюючого компонента карбонатного шламу, що є відходом виробництва, дозволяє запобігти вибуховий характер газоутворення і поліпшити якість захисту розплавленого металу.
4. Дослідження теплового стану сердечника з різними зв’язуючими в складі шихти по довжині вильоту електрода дозволило визначити основні вимоги до зв’язуючого сердечника:
- максимальна теплопровідність, що забезпечує його інтенсивний прогрів до повного термохімічного перетворення з формуванням заданої структури новоутворень;
- мінімальний негативний вплив на зварювально-технологічні властивості порошкової стрічки;
- оптимальні температури початку основних процесів термічного розпаду;
- висока технологічність у виготовленні, що забезпечує досягнення однорідності його розподілу по обсязі сердечника;
- забезпечення переходу дискретної композиції сердечника в зв'язану систему при мінімально можливій кількості адгезіва;
- забезпечення відповідності екологічним і санітарно-гігієнічним нормам;
- доступність і низька вартість.
5. Розроблено порошкову стрічку зі змістом газошлакоутворюючих (плавиковий шпат: карбонатний шлам: перовскітовий концентрат =5:2:3) у кількості 6-7% у шихті, що забезпечує стабільні зварювально-технологічні властивості.
6. Показано, що зміни основних енергосилових, геометричних і фізичних параметрів процесу прокатки порошкової стрічки з полістиролом у шихті в залежності від коефіцієнта тертя носять нелінійний характер і можуть бути описані поліномом четвертого ступеня.
7. Визначено область оптимальних режимів наплавлення, що забезпечує одержання якісного формування наплавленого валика на постійному і перемінному струмі. При наплавленні на перемінному струмі коефіцієнт розплавлення р на 18-22% більше, а коефіцієнт втрат у 1,5-2 рази більше, ніж при наплавленні на постійному струмі. Розбризкування електродного металу на перемінному струмі відбувається в основному великими (більше 2г) і середніми (0,05-2г) краплями, а на постійному струмі – середніми (0,05-2г) і дрібними (< 0.05г). Загальна маса розбризканого електродного металу на перемінному струмі приблизно в два рази більша, ніж на постійному.
8. Модернізовано установку для наплавлення з пристроєм для попереднього підігріву, що забезпечує рівномірне плавлення оболонки і сердечника, яке поліпшує якість наплавленого шару.
9. Розроблений технологічний процес, порошкова стрічка й устаткування пройшли промислові іспити в умовах ВАТ “Краматорський завод важкого верстатобудування” і рекомендовані до використання в машинобудуванні для наплавлення деталей, що працюють в умовах тертя металу об метал.
10. Впровадження результатів роботи дозволило одержати річний економічний ефект у сумі 63,8 тис.грн. (у цінах 2001 р.).
Основний зміст дисертації викладений у наступних публікаціях:
1. Кассов В.Д., Чигарев В.В., Кадава В.В. Наплавка порошковой лентой как эффективный метод повышения долговечности металлургического оборудования// Захист металургійних машин від поломок: Зб. наук. праць.–Вип.5.–Маріуполь, 2000.–С.262-265.
2. Кассов В.Д., Чигарев В.В., Кадава В.В. Высококачественные порошковые электроды для восстановления штамповой оснастки// Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. праць.– Краматорськ, 2000.–С. .
3. Кассов В.Д., Воленко И.В., Кадава В.В. Моделирование нагрева оболочки порошковой ленты// Вісник Приазовського держтехуніверситету: Зб. наук. праць.– Маріуполь, 2001.– № 11.– С. .
4. Кассов В.Д., Чигарев В.В., Кадава В.В. Выбор оптимальных режимов наплавки тел вращения порошковой лентой// Сб. научн. трудов Украинского государственного морского технического университета.–Николаев: УДМТУ, 2001.–№2 (374).–С.100-106.
5. Кассов В.Д., Чигарев В.В., Кадава В.В. Моделирование параметров наплавки инструмента порошковой лентой// Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Междунар. сб. научн. трудов.–Донецк: ДонГТУ.–2001.–вып. 15.–С.133-139.
6. Кассов В.Д., Кадава В.В. Термоциклические изменения в сердечнике дифференцированно подогреваемой порошковой ленты при наплавке штамповой оснастки// Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Зб. наук. праць.– Краматорськ, 2001.–С.104-109.
7. Патент України №43716 МКІ В23К 9/04, 9/16. Установка для дугового зварювання і наплавлення порошковим електродом/ Чигарьов В.В., Кассов В.Д., Гавриш П.А., Кадава В.В.; Приазовський державний технічний університет. – №2001053574; Заявл. 28.05.2001; Опубл. 17.12.2001; Бюл. №11.
8. Чигарев В.В., Кадава В.В., Воленко И.В. Оптимизация режимов производства порошковой ленты// Сб. докладов II Междунар. конф. по сварочным материалам стран СНГ “Дуговая сварка. Материалы и качество на рубеже XXI века”.– Орел. – 2001.– С.197.
9. Чигарев В.В., Воленко И.В., Кадава В.В. Моделирование нагрева вылета порошкового электрода// Тези доповіді VIII регіональній науково-технічній конференції, присвяченій 10-річчю незалежності України. – Маріуполь: ПДТУ.–2001.–С.169-170.
В приведених роботах автору належить наступне:
[1], [5], [7] Проведені експериментальні дослідження та оброблені результати.
[2] Проведений аналіз переваги наплавлення порошковою стрічкою в порівнянні з іншими способами наплавлення, оброблені результати швидкісної кінозйомки процесу плавлення порошкової стрічки, проведені диференційно-термічні і термографічні дослідження.
[3] Експериментально перевірена математична модель.
[4], [6] Розроблені програмні засобів і їхня чисельна реалізація
[8] Розроблений пристрій для вимірювання сили прокатки порошкової стрічки.
[9] Проведене дослідження температуропровідності шихти в залежності від ступеню її ущільнення і розміру часток.
Анотація
Кадава В.В. Удосконалювання складу і процесу наплавлення порошковою стрічкою деталей з низьколегованих сталей, працюючих в умовах тертя металу об метал.–рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 – “Зварювання і споріднені технології”.– Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, Маріуполь, 2002 р.
Дисертація присвячена питанню поліпшення технологічних характеристик процесу наплавлення і складу порошкової стрічки для механізованого дугового наплавлення деталей з низьколегованих сталей, що працюють в умовах тертя металу об метал.
Був проведений комплекс теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на розвиток методів розрахунку, уточнення вихідних даних, вирішення оптимізаційних задач і, як наслідок, поліпшення технологічних характеристик процесу наплавлення і складу порошкової стрічки для електродугового наплавлення деталей з низьколегованих сталей.
Розроблено склад металу (0,20-0,25% C; 0,8-1,0% Mn; 0,25-0,40% Si; 0,7-0,9% Cr; 0,22-0,26% V; 0,20-0,25% Ti) для відновлення деталей з низьколегованих сталей, що працюють в умовах тертя металу об метал, з оптимальним поєднанням зносостійкості і технологічності.
Розроблено порошкову стрічку зі змістом газошлакоутворюючих (плавиковий шпат: карбонатний шлам: перовскітовий концентрат =5:2:3) у кількості 6-7% у шихті, що забезпечує високі зварювально-технологічні властивості.
Була модернізована установка для наплавлення з пристроєм для попереднього підігріву, що забезпечує рівномірне плавлення оболонки і сердечника, яке поліпшує якість наплавленого шару.
Розроблені технологічний процес, порошкова стрічка й устаткування пройшли промислові іспити в умовах ВАТ “Краматорський завод важкого верстатобудування” і рекомендовані до використання в машинобудуванні для наплавлення деталей, що працюють в умовах тертя металу об метал. Упровадження результатів роботи дозволило одержати річний економічний ефект у сумі 63,8 тис.грн. (у цінах 2001 р.).
Ключові слова: порошкова стрічка, комплексно легований сплав, зварювально-технологічні властивості, газошлакоутворюючі компоненти, зв’язуючі матеріали, нагрів, плавлення.
Summary
Kadava V.V. Perfection of structure and process of surfacing a powder ribbon of details from low alloyed steels, working in conditions of metal about metal friction.- Manuscript.
Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.03.06 - “ Welding and related technologies ”. - Priazovsky state technical university of the Ministry of science and education of Ukraine, Mariupol, 2002.
The dissertation is devoted to a question of improvement of technical characteristics on surfacing process and structure of a powder ribbon for mechanized arc surfacing details from low alloyed steels, working in conditions of metal about metal friction.
The complex theoretical and the experimental researches directed on development of methods of calculation, specification of the initial data, the decision optimization problems and, as a results, improvement of technical characteristics on surfacing process and structure of a powder tape for electro arc surfacing details from low alloyed steels was carried out.
The structure of metal is developed (0,20-0,25 % C ; 0,8-1,0 % Mn; 0,25-0,40 % Si; 0,7-0,9 % Cr; 0,22-0,26 % V; 0,20-0,25 % Ti) for restoration of details from low alloyed steels, working in conditions of metal about metal friction, with an optimum combination of wear resistance and adaptability to manufacture.
The powder ribbon with the contents gas and slag forming in amount of 6-7 % in core, providing good welding-technological properties.
Installation for surfacing with the device for preliminary heating, providing uniform fusion of an environment and the core that improves quality surfacing a layer was modernized.
The developed technological process, powder tape and the equipment have passed industrial tests in conditions of company “Kramatorsk’s plant of heavy machine-tool construction” and are recommended to use in mechanical engineering for surfacing the details working in conditions of metal about metal friction. Introduction of results of work has allowed to receive annual economic benefit in the sum 63.800 grn. (in the prices of 2001).
Key words: a powder tape, complex alloyed an metal, welding-technological properties, gas and gas and slag forming the components, binding materials, heat, fusion.
Аннотация
Кадава В.В. Совершенствование состава и процесса наплавки порошковой лентой деталей из низколегированных сталей, работающих в условиях трения металла о металл.–Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 – “Сварка и родственные технологии”.– Приазовский государственный технический университет Министерства образования и науки Украины, Мариуполь, 2002 г.
Диссертация посвящена вопросу улучшения технологических характеристик процесса наплавки и состава порошковой ленты для механизированной дуговой наплавки деталей из низколегированных сталей, работающих в условиях трения металла о металл.
Конструктивные особенности порошковых лент предопределяют самопроизвольный переход части шихты сердечника в наплавленный металл, минуя стадию капли, не подвергаясь полному воздействию сварочной дуги.
Был проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на развитие методов расчета, уточнение исходных данных, решение оптимизационных задач и, как следствие, улучшение технологических характеристик процесса наплавки и состава порошковой ленты для электродуговой наплавки деталей из низколегированных сталей.
Было проведено исследование теплового состояния сердечника с различными связующими в составе шихты по длине вылета электрода, которое раскрыло общие закономерности, позволяющие предвидеть результаты взаимодействия связующего с ингредиентами сердечника, спрогнозировать особенности изменений агрегатного состояния связующих, тепломассопереноса, фазовых переходов, рассчитать направление и границы физико-химических реакций и определить основные требования к связующему сердечника: максимальная теплопроводность, обеспечивающая его интенсивный прогрев до полного термохимического превращения с формированием заданной
