Підвищення ефективності процесу електродугового наплавлення шляхом використання комбінованих магнітних полів

Размещено на http://www.allbest.ru/

приазовський державний технічний університет

УДК 621.791.75

підвищення ефективності процесу

електроДУГОВОГО Наплавлення шляхом

використання КОМБІНОВАНих МАГНІТНих ПОЛІв

Спеціальність 05.03.06 - Зварювання та споріднені процеси і технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

НОСОВ ДЕНИС ГЕННАДІЙОВИЧ

Маріуполь - 2010



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпродзержинському державному технічному університеті (м. Дніпродзержинськ) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Размишляєв Олександр Денисович, Приазовський державний технічний університет, професор кафедри «Обладнання та технологія зварювального виробництва»

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Рижов Роман Миколайович Національний технічний університет КПІ, професор кафедри «Електрозварювальні установки»

доктор технічних наук, професор Щетиніна Віра ІванівнаПриазовський державний технічний університет, професор кафедри «Металургія і технологія зварювального виробництва»

Захист відбудеться «17» грудня 2010 р. о 12⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.052.01 при Приазовському державному технічному університети за адресою 87500, м. Маріуполь Донецької обл., вул. Університетська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Приазовського державного технічного університету за адресою 87500, м. Маріуполь Донецької обл., вул. Апатова, 115.

Автореферат розісланий «12» листопада 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 12.052.01

доктор технічних наук, професор В.О. Маслов



Анотація

Носов Д. Г. «Підвищення ефективності процесу електродугового наплавлення шляхом використання комбінованих магнітних полів». - Рукопис. метал флюс наплавлення магнітний

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.06 - Зварювання та споріднені процеси і технології. Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, Маріуполь, 2010 р.

Дисертаційна робота присвячена підвищенню ефективності застосування дугового наплавлення під флюсом з використанням комбінованого магнітного поля (КМП) за рахунок керування формоутворенням валиків що наплавляються (отримання їх асиметричної форми у перетині), зменшення глибини, площі проплавлення та частки основного металу в наплавленому, збільшення частки металу що залишився після механічної обробки та підвищення службових характеристик наплавленого метала.

Розроблено пристрій для генерування КМП і джерело його живлення, які забезпечують регулювання величини індукції, частоти струму кожного з електромагнітів в необхідних межах та забезпечують вказані позитивні ефекти при наплавленні.

Результати виконаних досліджень і отримані на їхній основі рекомендації впроваджені в промислових умовах з економічним ефектом понад 295 тис. грн., а також використовуються при викладанні спеціальних дисциплін для студентів та магістрантів за спеціальністю «Технологія та устаткування зварювання».

Ключові слова: дугове наплавлення, комбіноване магнітне поле, асиметричний валик, частка участі основного металу в наплавленому.



Аннотация

Носов Д. Г. «Повышение эффективности процесса электродуговой наплавки путем использования комбинированных магнитных полей». - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 - Сварка и родственные процессы и технологии. Приазовский государственный технический университет Министерства образования и науки Украины, Мариуполь, 2010 г.

Диссертационная работа посвящена повышению эффективности применения дуговой наплавки под флюсом с использованием комбинированного магнитного поля (КМП) за счет управления формообразованием наплавляемых валиков (получения их асимметричной формы в поперечном сечении), уменьшения глубины, площади проплавления и доли основного металла в наплавленном, увеличения доли металла оставшегося после механической обработки и повышения служебных характеристик наплавленного слоя.

По предложенным уравнениям определены количественные показатели поперечных сечений валиков асимметричной формы; установлены параметры КМП, режимов наплавки и соотношений в сечении ассиметричных валиков, обеспечивающие оптимальные значения этих показателей, а также снижение массы отходов наплавленного металла при последующей механической обработке. На базе расчетных моделей и методик составлены алгоритм определения и оптимизации технологических режимов наплавки тел вращения с использованием КМП, спроектирован расчетно-программный комплекс MCAS-2.

По предложенной расчетной методике установлено, что в зоне термического влияния имеют место циклические изменения температур, соответствующие частоте изменений поперечной составляющей индукции B_х КМП и определены оптимальные параметры КМП (частоты и индукции), которые обеспечивают эффективное термоциклирование металла, измельчение структуры металла в зоне перекрытия валиков и повышение служебных характеристик наплавленных изделий.

Разработано, изготовлено и запатентовано устройство, генерирующее КМП и источник его питания (в управлении режимами которого использован принцип ШИМ), обеспечивающие регулирование величины индукции и частоты тока каждого из электромагнитов в необходимых пределах, показавшее надежную его работоспособность при продолжительной эксплуатации промышленных условиях.

В результате внедрения технологии электродуговой наплавки с использованием КМП изношенных деталей типа тел вращения в условиях НПО «Днепрофмаш» (г. Днепродзержинск) получен экономический эффект в размере 186,3 тыс. грн.; в условиях ОАО «Днепропетровский завод металлоконструкций им. И.В. Бабушкина» (г. Днепропетровск) экономический эффект составил 31,2 тыс. грн.; на заводе ООО «Трансмаш» (г. Днепропетровск) сумма ожидаемого экономического эффекта составляет 78,3 тыс. грн.

Результаты работы используются в научной работе студентов и при изложении дисциплин «Технологические процессы и комплексы для наплавки и упрочнения» и «Наплавка» для магистрантов по специальности «Технология и оборудование сварки».

Ключевые слова: дуговая наплавка, комбинированное магнитное поле, асимметричный валик, доля участия основного металла в наплавленном.



summary

Nosov D. «The efficiency increase of electroarc surfacing process in combined magnetic fields». - Manuscript.

Thesis for Candidate Degree of Technical Sciences on a speciality 05.03.06 - «Welding and related processes and technologies» - Priazovsk State technical university of educational and Scientific Department in Ukraine, Mariupol, 2010.

Dissertation work deals with efficiency increase of arc surfacing application under the flux with combined magnetic field use (СMF) at expense of forming beads governing which are surfaced (the obtaining of their asymmetric form in a cross-section), the diminishing a depth, area of penetration, and a share of parent metal in surfaced one, the increase of metal part which remains after machining and operation characteristics of metal surfaced.

The device for generation СMF and its power supply, which provide the adjusting of induction magnitudes, current frequency of each electromagnet in required parameters and provide above mentioned positive effects at surfacing.

Research results and recommendations which were obtained on its base, were inculcated in industrial conditions with economic effect over 295.000 Uah. They are also used in teaching special disciplines for students and magistrates «The technology and welding equipment».

Key words: arc surfacing, combined magnetic field, asymmetric bead, share of parent metal in surfaced one.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективність застосування дугового наплавлення під флюсом підвищується інтенсифікацією процесу розплавлення електродного дроту і зменшенням глибини і площі проплавлення основного металу. Для цих цілей перспективним є використання зовнішніх магнітних полів.

Аналіз літературних даних показав, що дією подовжнього магнітного поля (ПДМП) можливо підвищення ефективності дугового наплавлення під флюсом за рахунок збільшення коефіцієнту розплавлення дроту і зменшення розмірів зони проплавлення основного металу. Під дією поперечного магнітного поля (ПОМП) ефективність дугового наплавлення під флюсом підвищується тільки за рахунок зменшення ефективності проплавлення основного металу.

Причини, що визначають ефект зниження глибини та зміни форми зони проплавлення основного металу при наплавленні з дією ПДМП та ПОМП, до цього часу не в повній мірі визначені. Науковий та практичний інтерес має вивчення ефективності процесу наплавлення з комбінацією як ПДМП так і ПОМП.

Підвищити ефективність процесу наплавлення можна шляхом зменшення величини западин між наплавленими валиками (тобто зменшенням припусків на токарну обробку). Було зроблено припущення що цього можна досягти якщо валик буде мати асиметричну форму у перетині. Проте розрахункових методик для визначення геометричних параметрів таких валиків та режимних умов за яких вони формуються не існувало.

Встановлення особливостей впливу КМП на процеси утворення форми посилення валика та форми проплавлення основного металу при дуговому наплавленні під флюсом дасть можливість розробити рекомендації для вибору оптимальних параметрів КМП з метою зменшення розмірів зони проплавлення основного металу, частки участі основного металу у наплавленому і частки відходів наплавленого металу при подальшій механічній обробці та підвищення ефективності процесу дугового наплавлення.

У зв'язку з цим вивчення впливу КМП на процес утворення форми посилення валиків і форми зони проплавлення основного металу при дуговому наплавленні, на службові характеристики наплавленого металу є актуальною науково-технічною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в період з 2006 по 2009 рр. у відповідності до тематики науково-дослідних робіт кафедр «Обладнання та технологія зварювального виробництва» Приазовського державного технічного університету і «Технологія та устаткування зварювання» Дніпродзержинського державного технічного університету. Результати наукових досліджень використані в держбюджетних науково-дослідних роботах: «Розробка методів проектування портальних підйомно-транспортних машин на пневмоколісному ході» №250/06-д/б та «Дослідження властивостей зносостійких покриттів робочих поверхонь деталей двигунів внутрішнього згоряння» №250/08-д/б.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності технологічного процесу дугового наплавлення під флюсом при дії зовнішніх комбінованих магнітних полів.

Для досягнення вказаної мети в роботі поставлені наступні задачі:

1. Розробити розрахункову методику для визначення співвідношень показників геометричних розмірів поперечного перетину валиків асиметричної форми при наплавленні з дією КМП з метою їх аналізу та оптимізації.

2. Оптимізувати конструктивну схему електромагнітної системи для умов наплавлення плавким електродом під флюсом із використанням КМП. Розробити пристрій введення КМП і апаратуру керування його живлення які забезпечують необхідні при наплавленні з дією КМП режимні умови для досягнення валика асиметричної форми у перетині.

3. Дослідити вплив частоти та рівня індукції кожної складової КМП на геометричні розміри валиків у перетині, встановити оптимальні значення цих параметрів для забезпечення найбільш ефективного зменшення розмірів зони проплавлення основного металу, частки участі основного металу в наплавленому та припусків на механічну обробку наплавлених шарів.

4. Створити комплекс математичних методик і комп'ютерних програм для розрахунку оптимального рівня складових КМП з урахуванням технологічних параметрів режиму наплавлення під флюсом.

5. Дослідити вплив КМП на механічні, службові характеристики та зносостійкість наплавленого металу.

6. Результати досліджень та розроблені на їх основі рекомендації впровадити в промислових умовах при наплавленні деталей типу тіл обертання.

Об'єкт дослідження - технологічний процес дугового наплавлення дротом під флюсом в комбінованому магнітному полі.

Предмет дослідження - процеси формоутворення валиків при дуговому наплавленні дротом під флюсом з дією КМП.

Методи дослідження. Дослідження по встановленню параметрів зони проплавлення основного металу при дуговому наплавленні дротом під флюсом з дією КМП виконані на установках з використанням стандартних методик та устаткування в лабораторних умовах.

Оптимальні параметри КМП, що забезпечують підвищення продуктивності дугового наплавлення та зниження припусків на механічну обробку визначені за допомогою складеного на базі розроблених математичних методик програмно-розрахункового комплексу. Математична обробка результатів досліджень виконана з використанням існуючого прикладного програмного забезпечення (Microsoft Excel 2003, MathCAD 14, StatSoft Statistica 6.0, Delphi 7.0).

Розміри і форма валиків у поперечному перетині отримані з макрошліфів наплавлених валиків. Стабільність процесу наплавлення досліджено методом осцилографування. Мікроструктуру валиків досліджено з використанням мікроскопів типу РЭМ-106и та МДМ-8. Випробування на зношування виконані на машині МИ-1М. Відносне зношування визначено ваговим методом.

Наукова новизна отриманих результатів визначається результатами виконаних теоретичних і експериментальних досліджень, направлених на підвищення ефективності процесу дугового наплавлення під флюсом в КМП. Вона полягає в наступному.

– Встановлено, що при дуговому наплавленні дротом під флюсом із використанням комбінації подовжнього постійного магнітного поля (МП) B_z індукцією 45…65 мТл при його спрямуванні співосно електроду, поперечного імпульсного однополярного МП B_х частотою 1…4 Гц індукцією 64…78 мТл та подовжнього змінного МП B_z' частотою 50 Гц з індукцією 50…74 мТл при його розташуванні у хвостовій части зварювальної ванни можна отримати асиметричну форму валиків у перетині і підвищити ефективність процесу наплавлення.

– Розроблені розрахункові співвідношення для перерізів валиків асиметричної форми у перетині, які утворюються при наплавленні в КМП, дозволили встановити, що при оптимальних параметрах кожної складової КМП частка участі основного металу у наплавленому г знижується на 30…60 %, частка участі основного металу в металі другого та наступних валиків ц знижується на 20…40 % та підвищується частка металу, що залишився після механічної обробки г_м на 40…50 %; запропонована комбінація магнітних полів дозволила при наплавленні дротом Нп-30ХГСА підвищити твердість наплавленого металу на 8…12 %, підвищити коефіцієнт переходу легуючих елементів на 10…15 %, зменшити «провали» твердості в зоні перетину суміжних валиків, підвищити межу міцності _в на 10 %, межу текучості _т на 15 %, відносне подовження ₅ на 15 % та відносне звуження на 12 %, знизити кількість неметалевих включень на 7 %, підвищити зносостійкість металу на 40…60 %.

– На підставі розроблених рівнянь для розрахунку термічних циклів при наплавленні з використанням КМП встановлено, що в зоні термічного впливу мають місце пульсації температур, які відповідають частоті поперечного однополярного магнітного поля В_х. Глибина пульсацій температури досягає 10 % від максимальної температури металу точок у ЗТВ, при цьому більший розмах пульсацій температури спостерігається при частоті 1…3 Гц цього магнітного поля.

– Доведено, що розроблені з використанням математичних і фізичних моделей рекомендації по вибору оптимальних параметрів КМП забезпечують при наплавленні виробів типу тіл обертання у виробничих умовах мінімальну частку участі основного металу в наплавленому, максимальну продуктивність наплавлення, зменшення припусків на механічну обробку, поліпшення структурного стану металу та підвищення довговічності наплавлених виробів.

Практична цінність отриманих результатів. Проведені автором дослідження дозволили обґрунтовано вибирати параметри КМП для дугового наплавлення дротом під флюсом і забезпечити максимальне підвищення продуктивності процесу за рахунок зниження частки участі основного металу в наплавленому, зменшення припусків на механічну обробку, поліпшення структури наплавленого металу і підвищення його службових характеристик.

Результати виконаних досліджень і отримані на їх основі рекомендації впроваджені в промислових умовах на ТОВ «Трансмаш» (м. Дніпропетровськ) з сумою очікуваного економічного ефекту 78,3 тис. грн.; в умовах ВАТ «Дніпропетровський завод металоконструкцій ім. І.В. Бабушкіна» (м. Дніпропетровськ) отриманий економічний ефект склав 31,2 тис. грн., НВО «Дніпрофмаш» (м. Дніпродзержинськ) 186,3 тис.грн.. Ряд наукових розробок упроваджені в учбовий процес Дніпродзержинського та Приазовського державного технічного університету і захищені Патентом України № 39764.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем самостійно розроблені розрахункові методики для встановлення залежностей впливу КМП на геометричні розміри наплавлених валиків асиметричної форми у перетині; алгоритми розрахунків для визначення та оптимізації параметрів наплавлення з КМП. Здобувач приймав участь у реалізації та налагодженні прикладних програм створених за цими алгоритмами.

Автор брав участь в розробці та реалізації принципової схеми блоку живлення пристрою введення магнітних полів. Всі модельні та промислові зразки устаткування виготовлені при безпосередній участі автора.

Автор самостійно розробив розрахункову модель визначення термічних циклів при дуговому наплавленні з дією КМП та виконав розрахунки по моделі.

Автор брав участь в проведенні експериментів, узагальненні і аналізі отриманих результатів. Написання статей і оформлення заявки на винахід виконувалися безпосередньо автором.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: Научно-технической конференции «Университетская наука» (Мариуполь, 2007, 2008), Всеукраїнській науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів «Зварювання та суміжні технології» (Київ, 2007, 2009), Всеукраїнській науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих науковців «Зварювання та споріднені процеси і технології» (Миколаїв, 2008, 2009), Міжнародній науково-методичній конференції «Повышение износостойкости деталей машин и конструкций. Совершенствование кадров» (Маріуполь, 2008), VІІ Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (Росія, Юрга, 2009), Міжнародній конференції «Сварка и родственные технологии в третье тысячелетие» (Київ, 2008).

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 11 статей, в тому числі 8 у наукових журналах ВАК України, 8 тез наукових конференцій, нові технічні рішення захищено одним Патентом України.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаної літератури, додатків. Загальний об'єм роботи - 205 сторінок. Дисертація містить 68 рисунків, 23 таблиці, список використаної літератури складається з 146 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність напряму досліджень, сформульовані мета роботи, її наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, вказаний особистий внесок автора.

У першому розділі проведено аналіз опублікованих робіт і показано, що в порівнянні з іншими технологічними методами, які дозволяють підвищити ефективність процесу дугового наплавлення дротом під флюсом, спосіб наплавлення з дією МП має ряд переваг. Проаналізовано особливості процесів наплавлення з дією ПДМП та ПОМП. Проаналізовані літературні джерела, в яких висловлені уявлення про причини зниження площі проплавлення основного металу при дуговому наплавленні з дією ПДМП та ПОМП, а також комбінації цих полів (КМП). В роботах Рижова Р. М., Черниша В. П., Кузнєцова В. Д. показана перспективність комбінування МП шляхом почергового розділеного в часі їх генерування в зоні дуги з різними векторними характеристиками. Для подальшого підвищення ефективності процесу наплавлення дротом під флюсом запропоновано використовувати КМП. Проте на сьогодні такі роботи успішно здійснені тільки для МП, заснованих на використанні низькочастотних ПДМП [Болдирев А. М., Размышляев О. Д.]. Показано суперечність літературних даних і недостатня вивченість процесів, що визначають вказані ефекти при наплавленні в КМП. На основі проведеного аналізу обґрунтована мета і сформульовані завдання роботи.

У другому розділі на підставі літературного огляду та сформульованих завдань досліджень визначено матеріали та методи досліджень. Запропоновано електромагнітну систему для створення комбінованих магнітних полів, яка складається із трьох електромагнітів, що утворюють магнітні складові індукцій B_z, B_x, B'_z відносно напряму вектора наплавлення V_н

Обробку результатів досліджень запропоновано виконувати з використанням стандартних методик. Для зменшення кількості дослідів при проведенні експериментів та підвищення достовірності результатів, отриманих шляхом математичної обробки, запропоновано використовувати програму центрального композиційного рото-табельного планування другого порядку. Розглянуті також інші методики, суть яких приведено у відповідних розділах дисертаційній роботи.

У третьому розділі для визначення впливу магнітних полів на розміри валиків у перетині при електродуговому наплавленні дротом Св-08А під флюсом було проведено серію експериментів на одному і тому ж режими наплавлення. Індукції кожної складової КМП встановлювали у межах 10…60 мТл, а частоту - у межах 0…50 Гц. Було встановлено, що дією магнітних полів (рис.1) різної направленості (ПОМП B_x, ПДМП B_z та B'_z) можна впливати на дугу та гідродинаміку рідкого металу ванни та керувати процесами формоутворення валика. Проте окремо кожне з них поле не забезпечує достатньо значних змін показників геометричних розмірів наплавленого валика щоб забезпечити значне підвищення ефективності процесу електродугового наплавлення під флюсом.

Отримані данні про вплив комбінацій магнітних полів на процеси формування валиків при електродуговому наплавленні. Встановлено, що при одночасному впливі на дугу та ванну рідкого металу у процесі електродугового наплавлення дротом під флюсом змінним імпульсним ПОМП B_x та постійним співвісним електроду ПДМП B_z порушується симетричність розташування зони наплавлення відносно зони проплавлення, валик набуває асиметричної форми; спостерігається збільшення висоти і ширини валика на 10 % та зменшення глибини проплавлення на 20 %.

При наплавленні із впливом комбінації змінного ПОМП B_x та ПДМП B'_z розташованого у хвостовій частині ванни (як постійного так і змінного) утворюється валик асиметричної форми у перетині.

Форма зони проплавлення еліпсоподібна, має меншу на 15…20 % глибину порівняно з валиком наплавленим без МП. Зона наплавлення з одного боку має удвічі менший кут нахилу посилення валика та помітно зміщена відносно центра валика. Ширина та висота валика збільшуються у середньому на 18 %.

Найкращі характеристики мають валики наплавлені із впливом комбінації трьох магнітних полів: змінного пульсуючого, направленого перпендикулярно вектору наплавлення ПОМП B_x частотою до 10 Гц, постійного співосного електроду ПДМП B_z та змінного (частотою 50 Гц) розташованого у хвостовій частині ванни ПДМП B'_z. Валик має гарно сформовану, гладку та рівномірну поверхню, набуває асиметричної форми, ширина його збільшується на 20…32 %, глибина проплавлення зменшується на 25…40 %. Крайовий кут змочування ц_к знаходиться у межах 26…65°, тому несплавлення та підтікання шлаку у зоні перекриття валиків при наплавленні суміжними валиками не спостерігаються; шлакова кірка відділяється легко, без додавання додаткових зусиль.

Показано, що для асиметричної форми валиків при їх перетині забезпечується зменшення площі проплавлення основного металу F_пр, частки участі основного металу в наплавленому г, частки участі основного металу в металі другого та наступних валиків ц, регулювання частки участі металу попереднього валика в металі наступного валика д, збільшення площі наплавлення F_н та частки металу, що залишився після механічної обробки г_М.

Для визначення параметрів г, ц, д асиметричних валиків автором запропоновано використовувати формули (1)-(3):

Встановлено, що рівних значень ц, д для валиків наплавлених без КМП та з КМП можна досягти шляхом збільшення кроку наплавлення Н, тобто при однаковому Н частки ц, д валиків наплавлених з КМП менші часток ц, д валиків наплавлених без використання КМП, що дозволяє більш ефективно використовувати легуючі елементи наплавних матеріалів.

Встановлено, що для валиків асиметричної форми наплавлених з КМП максимального рівня легування наплавленого металу можна досягти при оптимальному кроці наплавлення Н=b/2 вже в другому шарі, проти третього-четвертого (із кроком Н=b/3) для симетричних валиків наплавлених без КМП.

Запропоновано методику для визначення частки металу, що залишився після механічної обробки г_М в залежності від відносного кроку наплавлення б та інших показників асиметричного валика (4):



Встановлено залежність між висотою шару наплавленого металу, що залишився після механічної обробки h_LM та часткою г_М. При відносному кроці наплавлення б = 0,5…0,7 функціональні залежності h_LM(б) та г_М(б) мають екстремум. Максимум г_М має на дільниці a_g/b = 0,22…0,30 (відносна асиметрія валика б_а) та б = 0,52…0,70. Достатньо високі показники г_М має в діапазоні a_а = 0,15…0,35 та б = 0,45…0,8.

Розрахунки за формулами (1)-(4) показали, що валики асиметричної форми дозволяють зменшити частку основного металу в наплавленому на 30…60 %; частку основного металу в металі другого та наступних валиків ц на 20…40 %, частку участі металу попереднього валика в металі наступного валика д на 10…12 %, зменшити припуски на механічну обробку поверхні наплавлення на 40…50 % і, тим самим, підвищити ефективність процесу наплавлення з КМП порівняно з технологією наплавлення без використання керівних магнітних полів.

Результати пошарового хімічного аналізу шарів наплавлених дротом Нп-30ХГСА під флюсом АН-348А показали, що при наплавленні в КМП коефіцієнт переходу легуючого елемента підвищується у середньому на 10…15 %. Цим пояснюється характер мікроструктурних змін.

Для визначення впливу кожної складової індукції КМП на геометричні параметри валика було виконано серію експериментальних наплавлень електродним дротом діаметром 3, 4 та 5 мм. Варіювали наступними параметрами: індукцією постійного ПДМП B_z; частотою та індукцією змінних ПДМП B_z' та ПОМП B_х.

Статистичною обробкою цих даних були отримані наступні регресійні залежності (5) основних показників геометричних розмірів валика від складових індукції КМП:

b = 24,12614 - 0,27163 B_z - 0,03248 B_х - 0,21372 B_z' + 0,00474 B_z² + 0,00115 B_х² +

+0,00204 B_z'² + 0,00083 B_z B_х + 0,00113 B_z B_z' + 0,00053 B_х B_z';

L=26,43183 + 0,35773 B_z + 0,05464 B_х + 0,42892 B_z' - 0,00477 B_z² - 0,00048 B_х² -

- 0,00299 B_z'² + 0,00027 B_z B_х - 0,00025 B_z B_z' - 0,00005 B_х B_z';

a_g = -0,211365 - 0,031212 B_z + 0,086273 B_х - 0,022159 B_z' + 0,00052 B_z² -

- 0,000433 B_х² + 0,000105 B_z'² + 0,000533 B_z B_х - 0,000417 B_z B_z' + 0,0008 B_х B_z';

a_h =0,03066 - 0,051477 B_z + 0,076114 B_х - 0,002983 B_z' + 0,000545 B_z² -

- 0,000484 B_х² - 0,000162 B_z'² + 0,000767 B_z B_х - 0,000208 B_z B_z' + 0,000675 B_х B_z';

h_max =2,813634 - 0,017145 B_z + 0,007273 B_х - 0,027784 B_z' - 0,000369 B_z² +

+ 0,000187 B_х² + 0,000199 B_z'² - 0,000333 B_z B_х + 0,00075 B_z B_z' - 0,0002 B_х B_z';

h = 0,64659 - 0,010114 B_z + 0,023432 B_х + 0,007415 B_z' + 0,000328 B_z² +

+ 0,000118 B_х² + 0,000247 B_z'² - 0,0005 B_z B_х - 0,000208 B_z B_z' - 0,000375 B_х B_z';

g =0,82159 + 0,039053 B_z + 0,013432 B_х + 0,013665 B_z' - 0,000727 B_z² +

+ 0,000198 B_х² - 0,000097 B_z'² - 0,000033 B_z B_х + 0,000125 B_z B_z' - 0,000275 B_х B_z'.

Слід зауважити, що формули (5) мають наступні обмеження:мТл.

Встановлена залежність згаданих вище параметрів від діаметру електродного дроту d_е та температури попереднього підігріву деталі Т_пп, визначені відповідні коригувальні коефіцієнти.

Адекватність розрахункових моделей перевіряли з використанням критеріїв Кохрена та Фішера, а також шляхом складання діаграм розкиду, які показують ступінь збігу експериментальних і прогнозованих значень розмірів валиків. Встановлено високий рівень їх верифікації.

На базі отриманих залежностей було складено (на мові програмування Delphi 7.0) програму MCAS-1 (magnetic control in Arc Surfacing) яка дозволяє, використовуючи систему рівнянь (5), із заданою точністю визначити індукцію кожної складової КМП (B_z, B_z', B_х) та скоригувати введені (на початковому етапі розрахунку) дані, щодо основних геометричних розмірів валика відповідно визначеним параметрам КМП.

Аналіз впливу складових індукції КМП на геометричні параметри наплавленого валика дозволив встановити, що оптимальними показниками індукцій складових КМП є такі: індукція постійного ПДМП B_z 45…65 мТл; індукція змінного ПДМП B_z' 50…74 мТл (частотою 50 Гц); індукція поперечного імпульсного однополярного МП B_х 64…78 мТл частотою 1…4 Гц. На рис. 5, в якості приклада, наведено тривимірні графіки залежностей головних геометричних параметрів асиметричного валика від індукцій складових КМП.

Встановлені параметри індукцій складових КМП які забезпечують зменшення глибини та площі проплавлення основного металу, збільшення висоти та ширини валика та зменшення частки участі основного металу в наплавленому.

На базі рівняння для точкового джерела теплової енергії на поверхні напівнескінченного тіла розроблено розрахункову модель, що дозволяє отримати данні про характер розподілу температури при електродуговому наплавленні в КМП, в який враховано вплив магнітних полів на деформацію стовпа дуги в поздовжньому та поперечному до вектору швидкості наплавлення напрямках, а також зміну при цьому ефективної теплової потужності дуги.

Достовірність отриманих розрахунковим методом результатів перевірялась за допомогою експериментального вимірювання температур. Наплавлення виконували на постійному струмі зворотної полярності дротом Нп-30ХГСА діаметром 3 мм на пластини із сталі Ст3пс товщиною 20 мм під флюсом АН-348А з дією КМП на режимі: I_н = 300…320 А, U_д = 28…30 В, V_н = 0,75 см/с. Наплавлення здійснювали з дією КМП які забезпечували якісне формування валика асиметричної форми. Розрахункові та експериментальні дані показали задовільну відповідність, що вказало на можливість використання розрахункового метода для визначення термічних циклів точок в ЗТВ при електродуговому наплавленні в комбінованому магнітному полі.

Встановлено, що в зоні термічного впливу мають місце циклічні зміни температур, які відповідають частоті поперечної складової B_х КМП. Глибина пульсацій сягає 10 % від максимальної температури при індукції В_х 40…70 мТл частотою 1…3 Гц. Визначені оптимальні параметри КМП (частоти та індукції) забезпечують ефективне термоциклювання ЗТВ.

Застосування КМП при наплавленні дротом Нп-30ХГСА під флюсом приводить до утворення дрібної разорієнтованої та рівномірної структури по всьому перетині валика, підвищення твердості на 8…12 %. Межа міцності _в та межа текучості _т підвищуються у на 10...15 %, відносне подовження ₅ та відносне звуження - на 4 одиниці. Розподіл мікротвердості в зоні перекриття суміжних валиків більш рівномірний, що пояснюється пульсацією температури в ЗТВ.

Використання КМП при наплавленні під флюсом дозволяє знизити кількість неметалевих включень на 7 %; підвищити зносостійкість металу на 40…60 % та покращити умови газовідведення із зони наплавлення (зменшується вміст дифузійного та залишкового водню, азоту та кисню).

Четвертий розділ присвячений розробці електромагнітного пристрою для генерування КМП, джерела його живлення та програмно-розрахункового комплексу (ПРК MCAS-2) для визначення технологічних параметрів наплавлення з дією КМП.

Пристрій генерування КМП (патент України № 39764) містить наступні три блоки: перший електромагніт B_z максимально наближений до осі електрода та дуги, створює поздовжнє магнітне поле яке дозволяє керувати гідродинамікою ванни рідкого металу та зменшувати глибину проплавлення; другий електромагніт B_х, розташований узбіч забезпечує створення односпрямованого пульсуючого поперечного магнітного поля, яке забезпечує коливальні рухи дуги і розплавленого метала ванни у поперечному вектору наплавлення напрямку та дозволяє збільшити ширину валика; третій електромагніт B_z' розташований у хвостовій частині, утворює додаткове (переважно подовжнє) магнітне поле яке витісняє розплавлений метал ванни з хвостової її частини у головну та сприяє зменшенню глибини проплавлення.

Система його живлення складається із силового блоку та трьох незалежних блоків регулювання параметрами (БРП) керуючих магнітних полів. БРП реалізовано на принципі широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Живлення котушок електромагнітів здійснюють від незалежних джерел, що дає можливість окремо керувати магнітним полем кожного електромагніта (індукція та частота) та шляхом створення в зоні наплавлення заданої комбінації параметрів магнітних полів дозволяє керувати кристалізацією та формування валика при наплавленні. Сформульовані загальні рекомендації щодо конструктивних особливостей пристрою введення електромагнітних полів та джерела його живлення.

Для визначення технологічних параметрів наплавлення із впливом КМП складено алгоритм оптимізації та спроектовано ПРК MCAS-2 які дозволяють встановити такі залежності: струму наплавлення I_н та швидкості подавання електродного дроту V_п від діаметра деталі D; коефіцієнта наплавлення б_н та напруги дуги U_д від струму наплавлення I_н; залежності ширини b, глибини проплавлення h, висоти g та асиметрії наплавленого валика від індукцій КМП і основних параметрів режиму наплавлення тіл обертання, а також визначити оптимальний крок наплавлення та необхідну (мінімальну) кількість шарів наплавлення для забезпечення потрібного складу наплавленого металу та висоти шару наплавлення, що залишається після механічної обробки.

У п'ятому розділі наведені приклади використання розроблених моделей, пристроїв, алгоритмів та розрахункових програм при виготовленні та відновленні зношених деталей машин методом електродугового наплавлення з дією КМП дротом під флюсом у промислових умовах. Так, на заводі ТОВ «Трансмаш», впроваджена технологія електродугового наплавлення з використанням керуючого КМП зношених деталей цементного та гірничого устаткування (роликів). При наплавленні з дією КМП спостерігається якісне формування наплавлених валиків, підвищується стабільність процесу, частка участі основного металу в наплавленому зменшується на 20 %, продуктивність процесу наплавлення підвищується на 25 %. Сума очікуваного економічного ефекту від впровадження результатів дисертаційної роботи на заводі ТОВ «Трансмаш» складає 78,3 тис. грн.

В умовах НВО «Дніпрофмаш» технологія електродугового наплавлення з використанням керуючого КМП впроваджена при відновленні геометричних розмірів зношених прокатних валків, роликів та бандажів. Використання КМП при наплавленні, у подальшому запобігає виникненню сітки розпалу на робочій поверхні бочки ролика, збільшує регламентну його стійкість. Відновлення роликів методом наплавлення в КМП збільшує строк їхньої експлуатації в 1,6 рази і дозволяє скоротити ремонтно-експлуатаційні витрати не менш чим на 40 % у порівнянні із традиційними методами ремонту, що дозволило отримати економічний ефект у розмірі 186,3 тис. грн.

Результати проведених теоретичних та експериментальних досліджень дисертаційної роботи у вигляді нових технологічних рекомендацій використані в промислових умовах на ВАТ «Дніпропетровський завод металоконструкцій ім. І.В. Бабушкіна» при наплавленні під флюсом зношених деталей підйомно-транспортного устаткування у вигляді тіл обертання (коліс, приводних валків). Виробничі випробування показали зниження витрат на відновлення елементів устаткування за рахунок зменшення припусків на механічну обробку, поліпшення технологічних характеристик наплавлених поверхонь, підвищення терміну служби відновлених виробів, що дозволило одержати економічний ефект у сумі 31,2 тис. грн.

У промислових умовах наплавлення здійснювали на режимах визначених та оптимізованих за допомогою ПРК МСАS-2.

Відпрацьовані технологічні режими наплавлення в КМП пройшли технічну експертизу в НДІ «Профіль» яка підтвердила доцільність впровадження способу наплавлення з використанням КМП у виробництво при виготовленні та відновленні деталей підкласу «Вали та вісі». Аналіз небезпечних та шкідливих факторів дільниці наплавлення показав, що застосування комбінованих магнітних полів не погіршує санітарно-гігієнічних норм.

Результати роботи використовуються в науковій роботі студентів та при викладанні дисциплін «Технологічні процеси та комплекси для наплавлення і зміцнення» для студентів спеціальності 7.092301 «Технологія та устаткування зварювання» та «Наплавлення» для магістрантів 8.092301 «Технологія та устаткування зварювання».



Загальні висновки

1. У дисертаційній роботі наведені теоретичні узагальнення та нові рішення науково-практичного завдання підвищення ефективності процесу електродугового наплавлення дротом під флюсом у комбінованому магнітному полі за рахунок утворення асиметричної форми наплавленого валика, зменшення глибини та площі проплавлення основного металу, зменшення частки участі основного металу в наплавленому та зменшення припусків на механічну обробку наплавленої поверхні.

2. За результатами теоретичного аналізу та експериментальних досліджень встановлено, що використання КМП при наплавленні під флюсом дозволяє отримати валик асиметричної форми у перетині та в більш широких межах, чим при використанні одного поздовжнього магнітного поля, змінювати геометричні розміри перетину валика. Показники глибини проплавлення зменшуються до 30 %, показники ширини та висоти валика зростають відповідно до 20 та 15 % у порівнянні з процесом наплавлення без дії КМП.

3. Створена на базі математичного аналізу та фізичного моделювання розрахункова модель дозволяє встановити показники співвідношень геометричних розмірів валиків асиметричної форми наплавлених з дією КМП та визначити оптимальний крок наплавлення. Показано, що при відносному кроці наплавлення б=0,60…0,72 та відносній асиметрії валика a_g/b = 0,22…0,35 маса відходів наплавленого металу при механічній обробці зменшується на 60 %, частка основного металу в наплавленому г на 30…60 %, припуски на механічну обробку поверхні наплавлення зменшуються на 40…50 %. При наплавленні асиметричних валиків з використанням КМП величина частки участі основного металу в металі наступного валика ц менша значень ц валиків наплавлених без КМП у середньому на 20…40 %.

4. Встановлено, що для симетричної форми валика при наплавленні без використання КМП максимальний рівень легування наплавленого металу досягається лише в третьому-четвертому шарі при оптимальному кроці наплавлення b/3, а для валика асиметричної форми це досягається при оптимальному кроці b/2 вже в другому шарі наплавлення.

5. Встановлено, що застосування КМП при наплавленні дротом 30ХГСА під флюсом АН-348А призводить до утворення дрібної разорієнтованої та рівномірної структури по всьому перетині валика і в зоні перекриття суміжних валиків, не збільшує в ньому кількість неметалевих включень, вміст кисню, азоту, дифузійного та залишкового водню і підвищує твердість на 10 %, межу міцності _в на 120 МПа, межу текучості _т - на 150 МПа, відносне подовження ₅ та відносне звуження на 4 одиниці, зносостійкість металу на 40…60 %. Частота пульсації температури в зоні термічного впливу співпадає із частотою імпульсів індукції поперечної складової КМП B_х, при цьому лита структура наплавленого металу більш однорідна, а величина провалів твердості в зоні перекриття суміжних валиків зменшується в 2…4 рази.

6. На підставі теоретичних та експериментальних досліджень, з використанням методів планування експерименту та математичної обробки експериментальних даних, розроблених математичних моделей запропоновані рівняння та складено розрахункову програму MCAS-1 для визначення складових індукції КМП що забезпечують необхідні розміри перетину валиків; створено алгоритм та складено розрахунково-програмний комплекс MCAS-2 для визначення та оптимізації режимів наплавлення під флюсом з використанням КМП і встановлено, що отримання валика асиметричної форми можливо при поєднанні наступних параметрів КМП: індукція подовжнього постійного МП B_z = 45…65 мТл; індукція поперечного імпульсного частотою 1…3 Гц однополярного МП B_х = 64…78 мТл; індукція подовжнього змінного МП частотою 50 Гц B_z' = 50…74 мТл.

7. Розроблена конструкція пальника для наплавлення з дією КМП та система живлення його електромагнітів які дозволяють реалізувати необхідні рівні частоти та індукцій кожної складової магнітного поля для забезпечення формування асиметричного валика.

8. Результати виконаних досліджень і отримані на їхній основі рекомендації впроваджені в промислових умовах НВО «Дніпрофмаш», ВАТ «Дніпропетровський завод металоконструкцій ім. І.В. Бабушкіна» з економічним ефектом 217,5 тис. грн. та ТОВ «Трансмаш» з очікуваним економічним ефектом 78,3 тис. грн.



Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Носов Д. Г., Перемітько В. В. Про використання магнітних полів для керування формоутворюванням валиків при дуговому зварюванні та наплавленні / Д. Г. Носов, В. В. Перемітько // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету : (технічні науки) / Дніпродзержинськ : видавництво ДДТУ, 2006. - С.60-63.

Автором виконаний огляд існуючих літературних даних з указаного питання.

2. Використання асиметричного магнітного поля для керування формою проплавлення при відновленні прокатних валків / В. І. Бойко, Д. Г. Носов, В. В. Перемітько [та ін.] // Вісник Сумського державного технічного університету : Зб. наук. праць. - Суми : СумДТУ, 2007. - Вип. № 1. - С. 162-167.

Автор брав участь в проведенні експериментальних досліджень і написанні статті.

3. Чередник Е. А. Особенности износа и повышение долговечности деталей машин ходовой части на гусеничном ходу / Е. А. Чередник, В. В. Перемитько, Д. Г. Носов // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету : (технічні науки) / Дніпродзержинськ : видавництво ДДТУ, 2008. - С. 79-82.

Автором узагальнені результати експериментальних досліджень та запропоновані заходи щодо збільшення ресурсу деталей машин.

4. Носов Д. Г. Використання асиметричного магнітного поля для керування формою проплавлення основного металу / Д. Г. Носов, В. В. Перемітько // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету : (технічні науки) / Дніпродзержинськ : видавництво ДДТУ, 2008. - С. 73-78.

Автором узагальнені результати експериментальних досліджень і написано статтю.

5. Носов Д. Г. Розрахунок температурних полів та зони проплавлення при наплавленні з використанням КМП / Д. Г. Носов, В. В. Перемітько // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету : (технічні науки) / Дніпродзержинськ: видавництво ДДТУ, 2009. - С. 25-31.

Автор приймав участь у розробленні розрахункової методики і написанні статті.

6. Носов Д. Г. Оптимізація параметрів режиму наплавлення з використанням комбінованих магнітних полів деталей типу «вал» / Д. Г. Носов // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету : (технічні науки) / Дніпродзержинськ : видавництво ДДТУ, 2009. - С. 25-30.

Автором узагальнені результати експериментальних досліджень та запропоновані шляхи оптимізації режимів наплавлення з дією КМП, написана стаття.

7. Носов Д. Г. Расчетные соотношения для сочетаний валиков асимметричной формы, получаемых при дуговой наплавке с воздействием комбинированных магнитных полей / Д. Г. Носов, А. Д. Размышляев // Вісник Приазовського державного технічного університету : Зб. наук. праць. - Маріуполь : ПДТУ, 2009. - Випуск № 19. - С. 188-191.

Автор брав участь в проведенні експериментальних досліджень і написанні статті.

8. Носов Д. Г. Эффективность применения комбинированных магнитных полей при дуговой наплавке под флюсом / Д. Г. Носов, А. Д. Размышляев // Автоматическая сварка. - 2009. - № 4. - С. 20-25.

Автор приймав участь у написанні статті та узагальненні експериментальних даних. Математичний аналіз експериментальних даних виконано самостійно.

9. Носов Д. Г. Алгоритм оптимізації технологічних параметрів режиму наплавлення деталей типу «вал» та його реалізація / Д. Г. Носов, В. В. Перемітько // Математичне моделювання. - 2009. - №1(20). - С. 33-36.

Автором узагальнені результати експериментальних досліджень та складено алгоритм оптимізації режимів наплавлення з дією КМП, написана стаття.

10. Носов Д. Г. К вопросу о повышении производительности дуговой наплавки посредством внешнего электромагнитного воздействия / Д. Г. Носов, Л. Алехина // Сборник трудов VІІ Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии и экономика в машиностроении». - Юрга, 2009. - С. 21-25.

Автором узагальнені результати експериментальних досліджень та написана стаття.

11. Носов Д. Г. Источник питания электромагнитной системы для дуговой наплавки с применением внешних управляющих магнитных полей / Д. Г. Носов // Сварщик. - 2010. - № 4. - С. 18-19.

Автором розроблено джерело живлення пристрою введення МП, узагальнені результати досліджень та написана стаття.

12. Носов Д.Г. К вопросу об управлении долей основного металла при наплавке / Д. Г. Носов, В. В. Перемитько // Зварювання та суміжні технології : IV Всеукраїнська наук.-техн. конф. молодих учених та спеціалістів, 23-25 травня 2007 р. : тези доповідей. - Київ, 2007. - С. 80-81.

Автор брав участь в проведенні експериментів, обробці результатів досліджень.

13. Носов Д.Г. Использование магнитных полей для управления формированием валиков при дуговой наплавке / Д. Г. Носов, А. Д. Размышляев // Университетская наука-2007 : междунар. науч.-техн. конф. : тезисы докл. - Мариуполь, 2007. - С. 129-130.

Автором проведена підготовка устаткування, виготовлені зразки, проведені дослідження і узагальнені їх результати.

14. Носов Д. Г. Вплив асиметрії комбінованих електромагнітних полів на структуру та службові характеристики наплавленого металу / Д. Г. Носов // Зварювання та споріднені процеси і технології : Всеукраїнська наук.-техн. конф. студентів, аспірантів і молодих науковців, 3-7 вер. 2008 г. : тези доповідей . - Миколаїв, 2008. - С. 106.

Автором проведені експерименти, узагальнені результати і написані тези.

15. Носов Д. Г. Математичне моделювання процесу наплавлення в асиметричному магнітному полі / Д. Г. Носов, А. Д. Размышляев // Университетская наука-2007 : междунар. науч.-техн. конф. : тезисы докл. - Мариуполь, 2008. - С. 143.

Автором проведена математична обробка експериментальних даних стосовно наплавлення в КМП і підготовлені тези доповіді.

16. Носов Д.Г. Дослідження гідродинаміки ванни за допомогою «холодної» моделі в комбінованих магнітних полях / Д. Г. Носов // Повышение износостойкости деталей машин и конструкций. Совершенствование кадров : III Междунар. науч.-метод. конф., 5-9 мая 2008 г. : тезисы докл. - Мариуполь, 2008. - С. 60-61.

Автором розроблено пристрій для дослідження гідродинаміки «холодної» рідкої ванни, виконані експерименти і підготовлені тези доповіді.

17. Peremitko V. Widening of capabilities of magnetic control of penetration in arc surfacing / V. Peremitko, D. Nosov // welding and related technologies into third millennium, International Conf. 24-26 Nov. 2008 - Kyiv, Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine, 2008. - P. 94.

Автором узагальнені результати експериментальних досліджень і підготовлені тези доповіді.

18. Носов Д. Г. Методика оптимізації технологічних режимів при наплавленні з використанням комбінованих магнітних полів / Д. Г. Носов // Зварювання та споріднені процеси і технології : Всеукраїнська наук.-техн. конф. студентів, аспірантів і молодих науковців, 14-17 жовт. 2009 г. : тези доповідей . - Миколаїв, 2009. - С. 86.

Автором проведені експерименти, узагальнені їх результати і написані тези.

19. Носов Д. Г. Спосіб дугового наплавлення із використанням зовнішніх магнітних полів і пристрій для його реалізації / Д. Г. Носов, І. М. Новак // Зварювання та суміжні технології : IV Всеукраїнська наук.-техн. конф. молодих учених та спеціалістів, 27-29 травня 2009 р. : тези доповідей - Київ, 2009. - С. 104.

Автором запропоновано спосіб дугового наплавлення з використанням КМП та схема пристрою для його реалізації, проведені експерименти і підготовлені тези доповіді.