Адитивне дугове наплавлення просторових виробів присадними дротами зі сталей та сплавів
Вантажиться...
Дата
2024
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Лагодзінський І.М. Адитивне дугове наплавлення просторових виробів присадними дротами зі сталей та сплавів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 – Механічна інженерія за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024.
Дисертаційна робота присвячена дослідженню впливу способів, технологічних параметрів режимів, складу захисного газового середовища та умов ведення процесу адитивного пошарового наплавлення з використанням тепла електричної дуги на формування просторових виробів при використанні присадних матеріалів у вигляді дроту суцільного перетину зі сталей та сплавів. У роботі досліджений вплив способів та технологічних параметрів процесу пошарового дугового наплавлення на формоутворення шарів, особливості формування структури та механічні властивості пошарово наплавленого металу, характер напружено-деформованого стану готових виробів складної геометричної форми. В роботі проведені чисельні експериментальні та розрахункові дослідження щодо визначення впливу процесів дугового пошарового синтезу на розподіл температур формування напружень та деформацій при виготовленні просторових зразків зі сплавів на основі міді та нікелю. На базі аналізу отриманих результатів розширені уявлення про вплив імпульсної подачі зварювального струму, методу «холодного перенесення металу» при дуговому наплавленні (СМТ процес), плазмового нагріву у комбінації з широкою номенклатурою зварювальних матеріалів у вигляді дроту на нерівномірність та геометричні характеристики сформованих адитивним дуговим наплавленням поверхонь та схильність до виникнення критичних дефектів. Виконані металографічні та механічні дослідження металу наплавлених шарів, проведений порівняльний аналіз результатів. Із застосуванням методу скінченних елементів визначені компоненти напружено-деформованого стану (НДС) отриманих адитивно наплавлених зразків, встановлені причини утворення критичних дефектів наплавленого металу, здійснена верифікація результатів розрахункових досліджень. Створені наукові та практичні засади застосування технологій адитивного синтезу для виготовлення та відновлення деталей зі сталей різних структурних класів, сплавів на основі міді, алюмінію та нікелю та обладнання для їх реалізації. Дисертаційна робота складається з шести розділів, у яких викладені та обґрунтовані основні результати дисертаційної роботи. У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, наведені мета та задачі дослідження, методи та методики їх проведення, сформульовані наукова новизна та практична цінність результатів досліджень. У першому розділі проведений літературний аналіз сучасного стану адитивних WAAM технологій виготовлення просторових виробів. Проаналізовані існуючі технології генеративного виготовлення деталей та конструкцій, наявні засоби впливу на геометричні характеристики адитивно наплавлених виробів. Встановлено, що наведені в літературі відомості щодо впливу складу захисного газового середовища при дуговому адитивному наплавленні методами GMAWCMT, GMAW-Pulse та PAW-CW носять суперечливий характер, або недостатньо досліджені. Показано, що недостатньо досліджений напрям щодо особливостей застосування компактного матеріалу у вигляді дротів суцільного перетину або прутків для виготовлення та ремонту деталей із кремнієвих бронз та жароміцних нікелевих сплавів при застосуванні електричної дуги як джерела тепла. Розглянутий сучасний стан методів скінченно-елементного моделювання. Доведено, що застосування методів математичного моделювання із застосуванням сучасних програмних комплексів та комп’ютерного обладнання дозволяє здійснити прогнозування компонент напружено-деформованого стану адитивно наплавлених виробів складної просторової форми. За результатами аналізу наявних літературних відомостей сформульовані мета і завдання досліджень. У другому розділі наведені методики виконання експериментальних досліджень по визначенню геометричних характеристик адитивно наплавлених шарів, структури та фізико-механічних властивостей наплавленого металу, хімічний склад та властивості матеріалів, що використані для проведення досліджень. Представлений опис та характеристики лабораторного обладнання для наплавлення, досліджень структури та механічних властивостей, визначення термічних циклів адитивного дугового наплавлення, методики скінченноелементного аналізу формування компонент напружено-деформованого стану, верифікації отриманих розрахункових результатів. Запропоновані технологічні рекомендації та обране обладнання для виготовлення прутків з малопластичних матеріалів. У третьому розділі експериментально досліджений процес пошарового наплавлення низьковуглецевої сталі із застосуванням GMAW-CMT/Pulse методів у комбінації із захисними газовими сумішами на основі аргону з 2 та 18 % СО2 у своєму складі та PAW-CW адитивного наплавлення в середовищі аргону. На основі проведеного аналізу отриманих експериментальних даних встановлені закономірності впливу зміни складу газового середовища та методу подачі зварювального струму на формування та геометричні характеристики стінок виробів. Проведені експериментальні дослідження та встановлений вплив GMAWСМТ/Pulse методів наплавлення на геометричні характеристики виробів з алюмінієвих сплавів, аустенітних нержавіючих сталей та кремнієвих бронз. На основі аналізу та узагальнення експериментальних даних отримали подальший розвиток уявлення щодо впливу методів подачі зварювального струму на відхилення геометричної форми отриманих поверхонь стінок виробів у процесі адитивного синтезу. На основі проведених експериментальних досліджень доведена можливість отримання просторових виробів плазмово-дуговим способом наплавлення зі застосуванням в якості присадного матеріалу прутків жароміцного нікелевого сплаву, які виготовлені за запропонованою автором методикою. Четвертий розділ присвячений дослідженню впливу умов GMAWCMT/Pulse методів наплавлення та зміни захисного газового середовища на формування структури і механічні властивості металу отриманих зразків із низьковуглецевої сталі, а також методу подачі зварювального струму (GMAWCMT/Pulse) при використанні кремнієвих бронз. Встановлені закономірності формування структури, виникнення дефектів, характеру розподілу мікротвердості в наплавленому металі за багаторазового нагріву при адитивному формуванні металу просторових виробів. Досліджений характер руйнування і показники фізико-механічних властивостей адитивно наплавлених зразків з низьковуглецеої сталі. Проведений порівняльний аналіз мікроструктур та даних механічних випробувань при наплавленні низьковуглецевих сталей та сплаву на основі нікелю. У п’ятому розділі побудовані розрахункові скінченно-елементні моделі, здійснене комп’ютерне моделювання та проведений аналіз результатів скінченноелементного моделювання компонент напружено-деформованого стану просторових виробів при адитивному дуговому наплавленні кремнієвої бронзи та жароміцного сплаву на основі нікелю у вигляді компактного присадного матеріалу. Розроблена скінченно-елементна модель для розрахунків компонент напружено-деформованого стану адитивно наплавлених виробів складного геометричного перерізу. Встановлено, що причиною виникнення дефектів – тріщин при використанні кремнієвої бронзи та GMAW/GMAW-Pulse методів наплавлення є формування напружень розтягу, що перевищують границю міцності металу в області високих температур при багаторазових циклах нагріву та охолодження металу в процесі адитивного наплавлення. Досліджені термодеформаційні процеси при пошаровому плазмоводуговому наплавленні жароміцного нікелевого припою SBM-4 у комбінації з двома варіантами основ для наплавлення. З метою підтвердження адекватності результатів попередніх розрахунків та можливості її подальшого застосування здійснена верифікація розробленої скінченно-елементної моделі та результатів комп’ютерного моделювання шляхом порівняння їх збіжності з отриманими експериментальними даними. У шостому розділі сформульовані технологічні рекомендації щодо процесу пошарового адитивного виготовлення просторових виробів з використанням тепла електричної дуги як джерела нагріву та компактного (дроти та прутки суцільного перетину) присадного матеріалу. Запропонована методика визначення технологічних втрат металу в процесі фінішної механічної обробки виготовлених різними способами дугового адитивного наплавлення просторових виробів. Спроектована та створена компьютерізована установка для адитивного дугового наплавлення виробів з числовим програмним керуванням на основі Gкодів. Наведені приклади виготовлених за сформульованими автором технічними рекомендаціями адитивно наплавлених виробів складної просторової форми.
Опис
Ключові слова
адитивні технології, пошарове наплавлення, адитивний синтез, FDM технологія, 3D-друк, зварні з'єднання, зона термічного впливу, низьковуглецева сталь, алюмінієвий сплав, бронза, математичне моделювання, скінченно-елементне моделювання, напружено-деформований стан, металографічний аналіз, механічні характеристики, структури, розміри зерен, additive technologies, layer-by-layer deposition, additive manufacturing, FDM technology, 3D printing, welded joints, heat affected zone, lowcarbon steel, aluminum alloy, bronze, mathematical modeling, finite element modeling, stress-strain state, metallographic analysis, mechanical properties, structures, grain sizes
Бібліографічний опис
Лагодзінський, І. М. Адитивне дугове наплавлення просторових виробів присадними дротами зі сталей та сплавів : дис. … д-ра філософії : 131 Прикладна механіка / Лагодзінський Іван Миколайович. – Київ, 2024. – 188 с.