Дугове наплавлення з низькочастотними механічними коливаннями пласкої деталі
Вантажиться...
Дата
2025
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Новиков С.В. Дугове наплавлення з низькочастотними механічними коливаннями пласкої деталі. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 – зварювання та споріднені процеси і технології. – Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025.
Дисертаційна робота присвячена дослідженню особливостей технологічного впливу поперечних механічних коливань на процес дугового наплавлення в середовищі вуглекислого газу. Коливання являють собою періодичний рух за траєкторією дуги окружності деталі, що наплавляється. Частотний діапазон коливань є від 2,5 Гц до 4,5 Гц, амплітудний – від 3,0 мм до 7,0 мм. Дугове наплавлення здійснюється аналогом суцільного дроту Св-08Г2С діаметром 1,2 мм на пласкі зразки середнім розміром 220,0 мм × 35,0 мм × 8,0 мм з конструкційної вуглецевої сталі типу Ст3сп звичайної якості силою струму наплавлення від 100,0 А до 200,0 А при швидкості наплавлення від 10,0 м/год до 26,0 м/год. Захисний газ – вуглекислий, з витратою від 15,0 л/хв до 25,0 л/хв. Характеристиками, що визначають вплив коливань означеного типу на процес дугового наплавлення, обрано:
− геометричні: ширина та висота наплавленого валику;
− мікроструктури: розмір зерна кристаліту, тип структурних складових;
− механічні: величина твердості наплавленого металу та металу зони термічного впливу (ЗТВ);
− технологічні: величина періоду горіння дуги між короткими замкненнями при перенесенні електродного металу у зварювальну ванну.
За обраним типом коливань створено оригінальну установку для наплавлення з автоматичним переміщенням зварювального пальника, подаванням електродного дроту та захисного газу, де коливальним приводом є програмований кроковий двигун. Основними критеріями створення установки були простота конструкції та доступність складових. Метод електродугового наплавлення та зварювання широко використовується у різноманітних галузях техніки та народного господарства, що обумовлює актуальність вдосконалення існуючих та дослідження нових методів підвищення якості зварних конструкцій та наплавлених поверхонь. Одним з технологічних прийомів модифікування наплавленого металу є періодичний вплив на розплав зварювальної ванни, що здійснюється переважно механічним способом. Більшість існуючих досліджень стосується впливу дуги, що періодично переміщується з частотою за орієнтованим діапазоном від 1,0 Гц до 1,0 кГц та амплітудним – від десятків мікрон до 2,0 мм відносно поверхні виробу, що наплавляється (зварюється). Проте у деяких дослідженнях показано, що мікроструктура наплавленого металу починає змінюватись вже за частоти періодичного впливу близької від 1,0 Гц до 1,5 Гц. Тому, актуальним є дослідження якості наплавленого металу, отриманого в умовах періодичної дії частотою в околі значень від 1,0 Гц до 1,5 Гц та за амплітудою від 2,0 мм і вище. Метою роботи є оптимізація властивостей відновленого поверхневого шару опорних плит гідравлічного пресу дуговим наплавленням з використанням механічних низькочастотних коливань поверхні деталі обраного типу, встановлення закономірностей впливу цих коливань та режимів наплавлення на структуру та властивості наплавленого металу та металу зони термічного впливу. Об’єктом дослідження є комплекс властивостей наплавленого металу: твердість, мікроструктура, геометричні розміри наплавленого валику, процес перенесення електродного металу. Предметом дослідження є наплавлений метал, отриманий з використанням механічних низькочастотних гармонійних коливань зазначеного типу зразка, що наплавляється. Наукова новизна одержаних результатів. У роботі проведені комплексні дослідження щодо підвищення твердості відновленого поверхневого шару опорних пластин пресів, які використовуються у поліграфічному виробництві методом дугового наплавлення з використанням механічних низькочастотних коливань опорної пластини. До новизни дослідження можна віднести такі положення:
1. Вперше досліджено можливості модифікування низьколегованого наплавленого металу адитивною дією механічних низькочастотних коливань, що здійснюються у вертикальній та горизонтальній площинах та практично реалізується періодичним рухом зварювального виробу за траєкторією дуги окружності з частотою за діапазоном від 2,5 Гц до 4,5 Гц та з амплітудою – від 3,0 мм до 7,0 мм.
2. Вперше встановлено, що модифікування поверхневого шару деталі, що наплавляється дуговим наплавленням під дією механічних коливань означеного типу за частоти 2,5 Гц, амплітуди 7,0 мм, забезпечує максимальне збільшення твердості наплавленого металу відносно наплавлення без коливального впливу, що обумовлене як диспергуванням мікроструктури, так і формуванням в ній зерен із структурними складовими з високою твердістю: голчастого та пластинчатого фериту, сорбітоподібного перліту та бейніту.
3. Доведена можливість збільшення ширини наплавлених валиків від 1,3 рази до 1,8 рази, зменшення їх висоти – від 1,2 рази до 6,4 рази та глибини проплавлення основного металу у 2,0 рази у порівнянні з наплавленням без коливань, що обумовлене розосередженням розплаву зварювальної ванни на значну площу основного металу.
Практичне значення отриманих результатів. Створено установку для наплавлення пласких деталей з функцією їх коливань за напрямком дуги окружності, що обумовлює підвищену твердість наплавленого металу та формування валиків з ефективними геометричними розмірами. Розроблено технологічні рекомендації щодо наплавлення на пласкі поверхні деталей з вуглецевих сталей типу Ст3сп економно-легованим дротом на основі отриманих статистичних та аналітичних залежностей, достовірність яких перевірено при відновлювальному наплавленні робочих поверхонь опорних плит гідравлічного пресу, що використовуються у поліграфічному виробництві для обтискання книжних блоків, брошур, постерів та інших поліграфічних виробів. Даний спосіб наплавлення було реалізовано на підприємстві Видавничий Дім «Фоліант» у м. Київ, що підтверджується відповідним актом впровадження. Доведена можливість наплавлення легованим дротом типу Нп-30ХГСА на визначеному оптимальному режимі з прогнозованим підвищенням мікротвердості наплавленого металу у порівнянні з відповідним наплавленням без коливального впливу, що довело перспективність використання даного методу наплавлення для більш легованих дротів. Характеристика роботи. У вступі наведено відомості про загальний стан вивчення амплітудно-частотного діапазону періодичного впливу на наплавлений метал, його реалізацію механічним способом та недоліки у спектрі сучасних досліджень і обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі дослідження, висвітлено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. Представлено інформацію про зв'язок роботи з науковими темами та апробацію результатів дисертації, наведено публікації автора, в яких викладено основний зміст дисертаційної роботи. У розділі 1 проаналізовано існуючі джерела, що висвітлюють сучасний стан досліджень щодо вивчення фізичних аспектів, що обумовлюють природу періодичного впливу на розплав зварювальної ванни та формування мікроструктури і відповідних змін службових властивостей наплавленого металу. Визначено, що єдиної теорії щодо опису фізичних явищ у зварювальній ванні під час кристалізації не створено. Більшість досліджень спирається на гіпотези та фізичні чи статистичні моделі, побудованих для окремих умов реалізації експериментів. Визначено амплітудно-частотний діапазон періодичного впливу щодо подальших досліджень. У розділі 2 наведено вибір основних вузлів установки для наплавлення, наведено розрахунки щодо вибору елементів генерації коливань: крокового двигуна, його драйверу, блоку керування; відомості про зварювальні матеріали, методи досліджень, які використовувалися в процесі виконання дисертаційної роботи. У розділі 3 наведено аналітичні розрахунки щодо взаємозв’язку швидкості наплавлення, струму наплавлення, періоду горіння дуги з параметрами коливань. Проаналізовано вплив коливань на стабільність горіння дуги, ступінь розбризкування електродного дроту та енерговміст дуги. У розділі 4 представлено результати дослідження твердості наплавленого металу та металу ЗТВ, геометричних розмірів валику, отриманого в умовах коливань означеного типу. Дослідження твердості та висоти валику проводились на основі регресійних моделей, побудованих за планом експериментів за методом ”латинський квадрат”. Дослідження ширини наплавленого валику проводилось на основі аналітичної моделі, що отримана як рішення системи рівнянь примусових коливань гармонійного осцилятора та динаміки обертального руху коливальної системи. На основі аналізу моделей визначено режим наплавлення щодо отримання валика з оптимальними значеннями твердості та геометричних розмірів. У розділі 5 наведені результати аналізу мікроструктури металу наплавлених валиків, отриманих за планом експериментів методом ”латинський квадрат”. Встановлені основні структурні складові мікроструктури наплавленого металу та металу ЗТВ та встановлені основні відмінності у мікроструктурі цих валиків у порівнянні з валиками, що отримані без впливу коливань. Також наведено аналіз розміру кристаліту в залежності від параметрів коливань та параметрів режиму наплавлення на основі регресійної моделі, що будувалась за тих умов, що й попередні моделі, вказані у пункті 4. Встановлено взаємозв’язок між величиною твердості наплавленого металу та розміру кристаліту. Наведено впровадження результатів досліджень щодо модернізації технології відновлення поверхонь опірних плит гідравлічних пресів, що використовуються у поліграфічному виробництві для обтискання книжних блоків, брошур, постерів та інших поліграфічних виробів.
Опис
Ключові слова
дугове наплавлення, коливання зразка що наплавляється, розмір кристаліту, ширина валика, висота валика, твердість наплавленого металу, амплітуда коливань зварювальної ванни, частота коливань зварювальної ванни, surfacing weld, oscillations specimen to be surfacing, crystallite size, width of weld bead, height of weld bead, hardness of deposited metal, amplitude of welding pool oscillations, frequency of welding pool oscillations
Бібліографічний опис
Новиков, С. В. Дугове наплавлення з низькочастотними механічними коливаннями пласкої деталі : дис. … канд. техн. наук : 05.03.06 – зварювання та споріднені процеси і технології / Новиков Сергій Володимирович. – Київ, 2025. – 250 с.