Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 15
1.1. Способы электроконтактного нагрева и сварки металлов, проблемы их совершенствования 15
1.2. Основные средства и методы определения температуры при электроконтактном нагреве и сварке, в других роде : венных процессах ^^^^' ^8
1.2.1. Средства и методы измерения температуры 28
1.2.2. Расчетные методы определения температуры 36
1.3. Предпосылки к использованию обратных задач
теплопроводности для совершенствования технологий
електроконтактного нагрева и сварки металлов 41
Выводы но главе, постановка цели и задач исследования.... 47
Глава 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОМ НАГРЕВЕ И СВАРКЕ МЕТАЛЛОВ 50
2.1. Определение температуры поверхности детали по результатам измерений температуры на ее двух различных глубинах 50
2.1.1. Расчет температуры поверхности детали без учета температурной зависимости ее теплофизических характеристик 51
Расчет температуры поверхности детали с учетом температурной зависимости ее теплофизических 57
Одновременное определение теплового потока и температуры поверхности медного электрода при электроконтактном нагреве и сварке металлов 63
2.3. Теорема устойчивости алгоритма, основанного на методе квазиобращения
Выводы 69
Глава 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 70
3.1. Общая методика 70
3.2. Экспериментальные установки для электроконтактной 71 диффузионной сварки
3.3. Выбор материала, образцов и присадочного материала для проведения исследований 77
3.4. Методика регистрации основных параметров процесса сварки
3.5. Методика измерения температур 83
3.6. Методика численных экспериментов 90
3.7. Методика сопоставления основных качественных показателей полученных покрытий 92
3.8. Части ысм стод и к и 94
3.8.1. Методика определения прочности сцепления слоя с основой 94
3.8.2. Определение микропористости полученного слоя 99
3.8.3. Оценка микроструктуры и микротвердости покрытий и основы 102
Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 103
4.1. Сопоставление результатов измерения и расчета температуры поверхности при сварке на стальные образцы
4.1.1. Линейный случай 103
4.2. Результаты расчета температуры поверхности медного электрода 112
4.3. Сопоставление основных качественных показателей покрытий 115
4.4. Анализ микроструктуры и микротвердости покрытий и основы 118
Выводы 122
РЕКОМЕМЕНДАЦИІ
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ТЕХНИКО-ГЖОИОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЫПОЛНЕНЫХ РАЗРАБОТОК
5.1. Методика расчета температуры поверхности деталей и рекомендации по выбору режимов процессов электроконтактного нагрева и сварки металлов 124
5.2. Предносьи ки и рекомендации по совершенствованию оборудования и технологий электроконтактного нагрева и сварки металлов 132
5.2.1. Рекомендации по совершенствованию конструкции и повышению ресурса электрода 135
.2.2. Рекомендации по уменьшению деформаций и формированию структуры восстанавливаемых деталей 138
Оценка общего коэффициента полезного действия электроконтактной установки
Оценка экономического эффекта выполненных разработок 145
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 148
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 151
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 166
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ^^3 170
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 179
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 189
- Способы электроконтактного нагрева и сварки металлов, проблемы их совершенствования
- Определение температуры поверхности детали по результатам измерений температуры на ее двух различных глубинах
- Общая методика
Способы электроконтактного нагрева и сварки металлов, проблемы их совершенствования
В настоящее время в машиностроении и ремонтном производстве для изготовления и восстановления деталей используется большое количество технологических процессов, основной операцией которых являются различные способы сварки и наплавки: сварка под флюсом, в защитных средах, плазменная, электронно-лучевая, электроконтактная, индукционная и др. [6, 9, 30, 47, 50, 90, 91 и др.]. С помощью этих способов получают прочные неразъемные соединения и износостойкие покрытия на поверхности деталей. Для восстановления деталей наиболее широко используются следующие способы сварки и наплавки: под слоем флюса, вибродуговая в защитных газах и паровоздушной среде [82], электрошлаковая наплавка [36, 50], индукционная [41], электроконтактная [6, 47, 90] и ряд других.
В основе этих способов лежат различные виды нагрева: дуговой, шлаковой, индукционный и электроконтактный.
Электроконтактный нагрев (ЭКН) - это процесс сквозного нагрева определенной массы металла (детали, заготовки или другого объекта) за счет тепловой энергии, выделяющийся преимущественно в контакте, протекающего по металлу электрического тока. Количественно тепловая энергия электрического тока в основном определяется законом Джоуля-Ленца с учетом специфических тепловых процессов, обусловленных подводом тока к нагреваемому металлу с помощью токоподводящих контактов. ЭКН характеризуется равномерным выделением тепловой энергии в заданном количестве за единицу времени непосредственно в каждом элементарном объеме нагреваемого ела, а также высокой производительностью нагревательных установок за счет большой скорости наїрева металла (до 2000 ірад/с) [99].
Преимущество и перспективность ЭКН подтверждается широким распространением технологий, основанных на его использовании в различных отраслях машиностроения и сварочного производства.
Одна из таких отраслей - порошковая металлургия, которая позволяет существенно экономить металл, снижать трудоемкость изготовления деталей и себестоимость продукции, создавать композиционные материалы с уникальным сочетанием свойств посредством диффузионной сварки металлических порошков без их плавления ((0,7-0,9) Т„п) [7, 33, 96]. Это микропористая, маслоемкая микроструктура изделия или покрытия с наличием включений из легирующих металлов и элементов, а также их соединений (карбидов, нитридов, боридов и др.) твердых сплавов в виде окислов, сульфидов и фторидов [23, 52, 54, 111].
Совмещение электроконтактного нагрева, как одного из наиболее экономичных способов сварки, и диффузионной сварки для получения на поверхности новых и изношенных деталей микропористых, изностостойких композиционных покрытий дает возможность разрабатывать высокоэффективные ресурсосберегающие технологии изготовления и восстановления деталей.
На рис. 1.1 представлены основные направления применения процесса ЭКН в машиностроительном и ремонтном производствах [133].
В настоящий момент в сварочном производстве особое внимание при создании новых технологий уделяется процессам нанесения покрытий, в том числе микропористых и композиционных, что объясняется их определяющим значением в повышении ресурса новых и восстановленных деталей [12, 127, 132, 133, 140].
При нанесении покрытий в зависимости от состояния порошкового присадочного материала различают электроконтактную наплавку (приварку) присадочных матери&тов (ленты, порошка, проволоки) и электроконтактную иффузионную сварку металлических порошков, получившей в ремонтном производстве при восстановлении деталей название «электроконтактное
Способы электроконтактного нагрева и сварки металлов, проблемы их совершенствования
Анализ работ [15, 23,31,52,69, 88,91,99, 100, 109, 117, 135, 141 и др.] по ЭКН показывает, что наиболее оптимально определить технологические параметры при проектировании технологических процессов изготовления и восстановления деталей электроконтактным нагревом и сваркой можно лишь при достаючно "іочной оценке максимальной температуры н зоне наїрева и сварки.
Измерение температуры поверхности детали при осуществлении технологического процесса ЭКН и сварки представляет собой сложную техническую задачу и, если в лабораторных исследованиях этого можно достичь путем многократных замеров температуры по тщательно разработанным методикам, то в производственных условиях для инженеров-технологов сварочного производства эта задача является трудоемкой и сложной, требующей больших затрат времени и средств, что значительно замедляет разработку и внедрение в производство технологий ЭКН и сварки.
Появление значительной методической погрешности измерения обусловлено способом крепления термочувствительного элемента к поверхности детали, что усугубляется наличием высоких температур в зоне сварки металлического порошка. В то же время известно [4, 73, 124, 145], что в связи с широким использованием компьютерной техники в производстве для определения температуры поверхности все чаще используются методы измерений и интерпретации, основанные на решении граничной обратной задачи теплопроводности (ОЗТ), исходными данными для которой являются температуры и тепловые потоки, измеренные на некотором расстоянии от поверхности, что технологиче-и вполне осуществимо и в производственных условиях.
Для получения расчетных алгоритмов в зависимости от теплофизических свойств материалов могут использоваться линейные и нелинейные уравнения теплопроводности [101]. Естественно, что более простые и удобные в использовании линейные уравнения. При достаточно хорошей сходимости получаемых результатов они более предпочтительны, поэтому рассмотрим решение задачи для линейного уравнения теплопроводности применительно к одному из наиболее сложных процессов электроконтактного нагрева - электроконтактной диффузионной сварки металлических порошков.
Расчет температуры поверхности детали без учета температурной зависимости ее теплофизических коэффициентов
Для качественного осуществления процесса электроконтактной диффузионной сварки контроль и управление температурой, достигаемой в зоне сварки, имеют первостепенное значение [93, 118, 135]. Измерение температуры в этой зоне осуществляется с помощью термопар, что является достаточно сложной задачей (большое влияние токовых наводок, высокие скорости нагрева металла, инерционность, не в каждом случае возможен доступ к поверхности, на которой формируется слой и т. д.). Кроме того, при любом контактном способе измерения температуры происходит нарушение первичного температурного поля исследуемой системы [21,145]. Поэтому в настоящей работе вместо непосредственных измерений температуры исследуемой поверхности используются данные термометрировачия, полученные путем помещении двух термопар в тело детали на различных расстояниях от этой поверхности. Далее путем решения двух граничных обратных задач теплопроводности (ОЗТ) производится пересчет полученных экспериментальных данных в температуру и тепловой поток на поверхности. Известно, что такие задачи являются некорректно поставленными и для их решения требуется разработка специальных регуляризующих алгоритмов [10, 29, 64, 123]. В данной работе для идентификации тепловых
Общая методика
Разработке общей методики экспериментальных исследований по оценке температуры поверхности деталей при электроконтактной диффузионной сварке слоя из металлического порошка предшествовали подготовительные работы общего назначения, заключающиеся в выборе конструкций экспериментальных установок, обосновании и выборе материала, формы и размеров образцов, деталей и композиции порошка для натурных экспериментов, а также измерительной системы для интерпретации температуры.
В соответствии с поставленной целью и проведенными теоретическими исследованиями в экспериментальной части работы общей методикой на первом этапе предусматривалось:
- обосновать выбор экспериментальных установок, материалов и образцов для проведения натурных экспериментов;
- оценить величину и характер изменения температуры на поверхности и в двух определенных точках, расположенных на заданных расстояниях от поверхности образцов и натурных деталей;
- произвести расчет температуры поверхности образцов и натурных деталей по температурам, измеренным на их глубине;
- сопоставить экспериментальные и расчетные значения температур поверхности.
Основываясь на результатах первого этапа исследований, на втором этапе требовалось:
- осуществить процесс электроконтактной диффузионной сварки на режимах, выбранных с учетом рассчитанной температуры поверхности;
- оценить качество полученных покрытий.
Для осуществления экспериментальных исследований требуется разработать или выбрать из существующих необходимые методики, приборы и аппаратуру.
Экспериментальные установки для электроконтактной диффузионной сварки сновки для
При проведении исследований использовались установки для электроконтактной диффузионной сварки металлических порошков на торцовые и внутренние поверхности цилиндрических деталей (рис. 3.1, а и рис. 3.1, б). Обе установки разработаны на кафедре технологии конструкционных материалов и ремонта машин института техники и агроинженерных исследований Алтайского государственного аграрного университета.
Экспериментальная установка, применяемая для восстановления торцовых поверхностей цилиндрических деталей диффузионной сваркой металлического порошка, является достаточно простой в конструкции и не требует сложных технологических операций при проведении эксперимента.
Установка (принципиальная схема представлена на рис. 3.3) состоит из следующих основных частей: устройства для сварки, пневмосистемы, электросиловой части, системы охлаждения и измерительной части.
Все элементы конструкции экспериментальной установки базируются на корпусе твердомера (ТК - 2М). Для обеспечения плавной регулировки напряжения холостого хода на электродах экспериментальной установки в первичную цепь силового трансформатора К-5.02-1 (19) включен автотрансформатор Р-40-300-1И (1), который используется совместно с переключателем ступеней ) на силовом трансформаторе, что позволяет осуществлять точную установ-напряжения холостого хода. Трансформатор (19) связан с электродами (II, при помощи гибких шинопроводов
