Дугове наплавлення з низькочастотними механічними коливаннями пласкої деталі
| dc.contributor.advisor | Лебедєв, Володимир Олександрович | |
| dc.contributor.author | Новиков, Сергій Володимирович | |
| dc.date.accessioned | 2025-03-27T13:26:10Z | |
| dc.date.available | 2025-03-27T13:26:10Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Novykov S. Surfacing by GMAW-S with low-frequency mechanical oscillations of a flat specimen. - Manuscript. The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of technical sciences on a specialty 05.03.06 "Welding and related process and technologies" – E.O. Paton Electric Welding Institute of National Academy of Sciences of Ukraine – National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, 2025. The dissertation is devoted to the study of a technological influence features of transverse mechanical oscillations on surfacing weld process by Short Circuit Gas Metal Arc Welding (GMAW-S). Weld specimen oscillations were a periodic motion along trajectory tangential to circle arc. Frequency oscillations range was from 2.5 Hz to 4.5 Hz, amplitudes range was from 3.0 mm to 7.0 mm, welding currents range was from 100.0 A to 200.0 A, welding travel speeds range was from 10.0 m/h to 26.0 m/h, shielding gas was carbon dioxide with consumption from 15.0 l/min to 25.0 l/min. Surfacing process was carried out with welding wire ER70S-6 with diameter 1.2 mm on flat specimens. Average size of specimens was 220.0 mm × 35.0 mm × 8.0 mm. Material specimens was structural carbon steel Fe37-3FN type with ordinary quality. Deposited metal main characteristics under investigation were: − geometric: width and height of weld bead; − microstructures: crystallite grain size, structural components type; − mechanical: hardness of deposited metal value and hardness value of heat- affected zone (HAZ) of base metal; − technological: period value of short-circuiting transfer of welding wire metal. Based on oscillations type chosen, original installation for surfacing weld by GMAW-S with automatic movement of arc welding torch, welding wire feed and shielding gas was created. Oscillatory drive in installation was programmable stepper motor. Main criteria of the installation create were simplicity design and components availability. The methods of surfacing and welding is widely used in various engineering and economy branches, these determines relevance of quality improving and efficiency of welding structures and surfacing welds. One of technological methods of modifying deposited metal is periodical impact on the welding pool melt, it is carried mainly out mechanically. Most of studies on which modern appropriate equipment based is created relate mainly to welding arc periodically movement impact relatively by detail surface being surfacing (welded) with frequency oscillations range is from few unit’s Hz and hundreds kHz, and amplitude is from tens µm to 2.0 mm. However, some investigations of deposited metal microstructure begin to change already at periodic movement of welding arc frequency about ranging from 1.0 Hz to 1.5 Hz have shown. Therefore, it is relevant to study the periodic impact on deposited metal microstructure with amplitudefrequency characteristics ranged frequency value up to 10.0 Hz and amplitude value from 2.0 mm. The aim of the work is optimization of properties of restored surface layer of ram and bed bolsters of hydraulic press by GMAW-S surfacing using mechanical lowfrequency oscillations of the selected type of specimen, establishing the laws of influence of these oscillations and welding modes on structure and properties of deposited metal and metal of HAZ. The object of the study is complex of deposited metal properties: hardness, microstructure, geometric dimensions of weld bead, short circuiting transfer process. The subject of the study is deposited metal obtained surfacing weld process by GMAW-S using mechanical low-frequency described type oscillations of surfacing specimen. The scientific novelty of the obtained results. The scientific novelty of the obtained results. The work includes complex researches regarding modification of deposited metal by arc-method due to application of mechanical low-frequency oscillations of support plates surfaces of presses used in printing production. The novelty of the study includes the following provisions: 1. For the first time, a new type of periodic influence on the welding pool melt was proposed for modification of a low-alloy deposited metal, which consists in additive effect of mechanical oscillations both in vertical plane and in horizontal plane, which is practically implemented as periodic movement of surfacing specimen along path of circular arc with given length in ranges of frequency from 2.5 Hz to 4.5 Hz and amplitudes from 3.0 mm to 7.0 mm. 2. For the first time, it was established that modification of surface of part deposited by GMAW-S under influence of mechanical oscillations of specified type with frequency of 2.5 Hz, amplitude of 7.0 mm, provides an maximum increase in hardness of deposited metal relative to surfacing without oscillatory influence, which is due to both the dispersion of microstructure and the formation it contains grains with structural components with high hardness: acicular and lamellar ferrite, sorbitol-like pearlite and bainite. 3. The possibility of width increasing of deposited beads ranging from 1.3 times to 1.8 times, reducing height of deposited beads from 1.2 times to 6.4 times and depth of the base metal penetration from to 2.0 times compared to surfacing without oscillations, which is due to dispersion of weld pool melt over a significant area of base metal, has been proven. The practical significance of the results. An installation was created for surfacing weld process by GMAW-S with feasibility of transverse mechanical oscillations of surfacing flat specimens. Oscillations were made in the direction of tangent to circular arc. Application of that oscillations type caused hardness of the deposited metal value increased and welded beads formation with effective geometric dimensions. Technological recommendations have been developed for surfacing weld on flat surface of parts made of carbon steels Fe37-3FN type by economically alloyed welding wire (type ER70S-6) based on the obtained statistical and analytical dependencies. Reliability of the dependencies had been checked during restored surfacing of working surfaces of support plates of hydraulic presses used in printing production for crimping book blocks, brochures, posters and other printing products. This surfacing method was implemented at the Foliant Publishing House (Kyiv) enterprise and was confirmed by relevant act of implementation. The possibility of surfacing with alloyed wire (type SIGUAL M133) at the determined optimal mode with predicted increase in the microhardness of deposited metal compared to corresponding surfacing without oscillatory influence was proven, which proved promising use of this surfacing method for more alloyed wires. Characteristics of work. The introduction provided information on general state of researches of the amplitude-frequency range of periodic impact on the deposited metal, its realization by mechanical devices and shortcomings in spectrum of modern researches, as well substantiates the relevance of the topic, formulated the aim and subject of the study, highlights the scientific novelty and practical significance of the results. The information on connection of work with scientific themes and approbation of results of the dissertation were presented, publications of the author in which the basic maintenance of the dissertation work is stated were presented. Section 1 analyzed the existing sources that highlight the current state of researches on study of physical aspects that determine nature of periodic impact on weld pool melt, microstructure formation and corresponding changes in properties of deposited metal as well. It was determined that a single theory concerning of physical phenomena description in the welding pool while crystallization had not been created. Most of the researches were based on hypotheses and physical or statistical models built for specific conditions of experiments realizations. The amplitude-frequency range of periodic impact was determined for further researches. Section 2 provided a selection of main components of surfacing installation, calculations concerning selection of oscillations generation elements: stepper motor, its driver, control unit; information about welding materials, researches methods that were used during the dissertation work. Section 3 provided analytical calculations on relationship between values welding travel speed, welding current, value of period time short-circuiting transfers mode and oscillation parameters. The influence of oscillations on arc stability, spatter value of electrode wire and power consumption of arc was analyzed. Section 4 presented investigation results of deposited metal hardness and HAZ of base metal, geometric dimensions of weld beads obtained under oscillations conditions of the described type. The hardness and height values of weld beads were researched on the basis of regression models built according to the plan of experiments by "Latin square" method. Investigation of welded beads width was carried out on the basis of the analytical model obtained as a solution of equations system of the forced oscillations of harmonic oscillator and the rotational motion dynamics of oscillating system. Based on model’s analysis, the surfacing weld technological mode for obtaining a weld bead with optimal values of hardness and geometric dimensions is determined. Section 5 presented results of metal microstructure analysis of weld beads obtained according to experiments plan by the "Latin square" method. The main microstructure structural components of deposited metal and HAZ of base metal were established and the main differences in microstructure of these weld beads compared to the weld beads obtained without oscillations influence were established as well. The crystallite size analysis depended on oscillations parameters and surfacing weld mode parameters was also given. The analysis was based on the regression model built by the same conditions as the previous models, which specified in Section 4. The relationship between values of deposited metal hardness and the crystallite size is established. The implementation of researches results on modification of technology of support plates of hydraulic presses surfaces restore were used in printing production for crimping book blocks, brochures, posters and other printing products, is presented. | |
| dc.format.extent | 250 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/73131 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | дугове наплавлення | |
| dc.subject | коливання зразка що наплавляється | |
| dc.subject | розмір кристаліту | |
| dc.subject | ширина валика | |
| dc.subject | висота валика | |
| dc.subject | твердість наплавленого металу | |
| dc.subject | амплітуда коливань зварювальної ванни | |
| dc.subject | частота коливань зварювальної ванни | |
| dc.subject | surfacing weld | |
| dc.subject | oscillations specimen to be surfacing | |
| dc.subject | crystallite size | |
| dc.subject | width of weld bead | |
| dc.subject | height of weld bead | |
| dc.subject | hardness of deposited metal | |
| dc.subject | amplitude of welding pool oscillations | |
| dc.subject | frequency of welding pool oscillations | |
| dc.subject.udc | 621.791.927.5 | |
| dc.title | Дугове наплавлення з низькочастотними механічними коливаннями пласкої деталі | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: