Адитивне дугове наплавлення просторових виробів присадними дротами зі сталей та сплавів

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorКвасницький, Віктор Вячеславович
dc.contributor.authorЛагодзінський, Іван Миколайович
dc.date.accessioned2024-06-11T09:12:05Z
dc.date.available2024-06-11T09:12:05Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractЛагодзінський 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.
dc.description.abstractotherLahodzinskyi I.N. Additive arc surfacing of spatial products with filler wires of steels and alloys. Thesis for the scientific degree of the doctor of philosophy, the field of stydy 13 – Mechanical engineering, program subject area 131 – Applied Mechanics. – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2024. The thesis is devoted to the study of the influence of methods, technological parameters, composition of shielding gas and process conditions of additive layer-bylayer welding with electric arc heat on the formation of spatial products when using solid wire additives made of steels and alloys. The influence of methods and technological parameters of the layer-by-layer arc welding process on the formation of layers, characteristics of the structure formation and mechanical properties of the deposited metal, as well as that on the stress-strain state of complex geometric products is studied. Numerical experimental and computational studies have been conducted to determine the influence of arc layering processes on the distribution of temperature, stresses, and deformations during the fabrication of three-dimensional specimens of copper and nickelbased alloys. Based on the analysis of the obtained results, the knowledge on the influence of pulsed current welding, cold metal transfer arc welding, plasma heating in combination with a wide range of welding wire materials on the unevenness and geometric characteristics of formed surfaces and susceptibility to imperfections was expanded. Metallographic and mechanical studies of the deposited layers were conducted and a comparative analysis of the results was performed. Using the finite element method, the components of the stress-strain state of the obtained additive-deposited samples were determined, the causes of imperfections in the deposited metal were identified, and the results of computational studies were verified. Scientific and practical principles for the application of additive synthesis technologies for the production and restoration of parts from various structural classes of steels, copper-based alloys, aluminum and nickel, as well as equipment for their implementation were developed. The thesis consists of six chapters in which the main results are presented and substantiated. In the introduction, the relevance of topic is justified, the objectives and tasks of the research are outlined, the methods and methodologies of their implementation are provided, and the scientific novelty and practical significance of the research results are formulated. Chapter One provides a literature review of the current state of the art in Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) technologies for the production of spatial products. Existing technologies for generative manufacturing of parts and structures are analyzed, as well as available means for influencing the geometric properties of additively manufactured products. It is found that the information provided in the literature regarding the influence of shielding gas composition in additive arc welding processes such as GMAW-CMT (Gas Metal Arc Welding - Cold Metal Transfer), GMAW-Pulse and PAW-CW (Plasma Arc Welding - Continuous Wave) is contradictory or insufficient. Chapter two outlines the methods for conducting experimental research to determine the geometric characteristics of additively deposited layers, the structure and physico-mechanical properties of the deposited metal, the chemical composition, and the properties of the materials used for research. A description and characteristics of laboratory equipment for deposition, structure investigation, and mechanical property testing are presented, along with the determination of thermal cycles in WAAM. Methods of finite element analysis of stress-strain component formation and verification of obtained calculation results are provided. Technological recommendations and selected equipment for the production of products from low plasticity materials are proposed. In Chapter Three, the process of layer-by-layer deposition of low-carbon steels by GMAW-CMT/Pulse method in combination with argon-based shielding gas mixtures with 2% and 18% CO2 content, as well as deposition of PAW-CW additives in argon, is experimentally investigated. Based on the analysis of the experimental data, regularities in the influence of changes in the composition of the shielding gas environment and the welding current mode on the formation and geometric characteristics of the product walls are established. Experimental studies are conducted to determine the influence of GMAWCMT/pulse deposition methods on the geometric characteristics of products made of aluminum alloys, austenitic stainless steels, and silicon bronzes. Further development of the understanding of the influence of welding current delivery methods on the deviations in the geometric shape of product walls during additive synthesis is obtained through the analysis and generalization of experimental data. On the basis of the conducted experimental research, the possibility of obtaining spatial products by plasma arc deposition using rods of heat-resistant nickel alloy as filler material, manufactured according to the author's proposed methodology, is demonstrated. The Chapter Four is devoted to the investigation of the influence of GMAWCMT/Pulse deposition methods and changes in the shielding gas environment on the formation of structure and mechanical properties of specimens made of low-carbon steel, as well as the welding current mode (GMAW-CMT/Pulse) when using silicon bronzes. Regularities in the formation of structure, occurrence of imperfections and distribution of microhardness in the deposited metal under repeated heating during additive manufacturing of spatial products are established. The nature of failure and indicators of physico-mechanical properties of additively deposited samples of low-carbon steel are studied. A comparative analysis of microstructures and mechanical test data is performed for the deposition of low-carbon steels and nickel-based alloys. In Chapter Five, finite element models are constructed, computer simulations are performed, and an analysis of the results of finite element modeling of stress-strain components in three-dimensional products during additive arc deposition of silicon bronze and heat-resistant nickel-based alloy as compact filler material is conducted. A finite element model is developed to calculate stress-strain components in additively deposited products with complex geometric cross-sections. It is found that the cause of cracks in silicon bronze and GMAW pulsed deposition processes is the formation of tensile stresses exceeding the metal's strength limit in the high temperature range during multiple heating and cooling cycles in the additive deposition process. The thermal deformation processes are investigated during the layer-by-layer plasma arc deposition of the heat-resistant nickel-based filler SBM-4 in combination with two variants of deposition base materials. In order to confirm the adequacy of the results of previous calculations and the possibility of their further application, the verification of the developed finite element model and the results of computer simulation is carried out by comparing their convergence with experimental data. In Chapter Six, technological recommendations are formulated for the layer-bylayer additive manufacturing process of spatial products using electric arc heat as a heat source and compact (solid cross-section wires and rods) filler material. A methodology is proposed for determining metal losses during finishing mechanical processing of products manufactured by various additive arc deposition methods. A computerized setup for additive arc deposition of products with numerical program control based on G-codes is designed and constructed. Examples of products manufactured according to the formulated technical recommendations for additive deposition of complex spatial shapes are given.
dc.format.extent188 с.
dc.identifier.citationЛагодзінський, 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.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/67090
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectадитивні технології
dc.subjectпошарове наплавлення
dc.subjectадитивний синтез
dc.subjectFDM технологія
dc.subject3D-друк
dc.subjectзварні з'єднання
dc.subjectзона термічного впливу
dc.subjectнизьковуглецева сталь
dc.subjectалюмінієвий сплав
dc.subjectбронза
dc.subjectматематичне моделювання
dc.subjectскінченно-елементне моделювання
dc.subjectнапружено-деформований стан
dc.subjectметалографічний аналіз
dc.subjectмеханічні характеристики
dc.subjectструктури
dc.subjectрозміри зерен
dc.subjectadditive technologies
dc.subjectlayer-by-layer deposition
dc.subjectadditive manufacturing
dc.subjectFDM technology
dc.subject3D printing
dc.subjectwelded joints
dc.subjectheat affected zone
dc.subjectlowcarbon steel
dc.subjectaluminum alloy
dc.subjectbronze
dc.subjectmathematical modeling
dc.subjectfinite element modeling
dc.subjectstress-strain state
dc.subjectmetallographic analysis
dc.subjectmechanical properties
dc.subjectstructures
dc.subjectgrain sizes
dc.subject.udc621.791
dc.titleАдитивне дугове наплавлення просторових виробів присадними дротами зі сталей та сплавів
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Lahodzinskyi_dys.pdf
Розмір:
17.89 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ЗВ)
Дисертації (вільний доступ)