Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Сущность и основные проблемы технологического процесса заварки дефектов изделий из сплавов магния 15
1.1. Характеристика изделий и дефектов литья из магниевых сплавоэМЛ5 и МЛ10. - 16
1.2. Анализ технологической прочности сварных соединений при электродуговой обработке материалов . 18
1.2.1.Современные представления о методах повышения стойкости сварных швов против образования горячих трещин. 25
1.3 Свариваемость сплавов на основе магния 28
1.3.1.Трудности технологического и металлургического характера при сварке литейных магниевых сплавов. 30
1.4. Обзор технологических способов восстановления изделий из легких сплавов. 52
Выводы по 1 ой главе. 61
Глава 2. Термодеформационные процессы в зоне ремонта и их влияние на технологическую прочность сварных соединений из сплавов магния . ... 62
2.1. Характер температурного поля при заварке дефектов изделий известными способами. 62
2.1.1 Оценка напряженно-деформированного состояния участка зоны ремонта. ...80
2.2. Исследование распределения температуры и характера деформаций в зоне ремонта при решении осесимметричной задачи с «дополнительным источником тепла». 95
2.3. Расчет температурного поля при заварке дефектов изделий с модулированным тепловложением. 112
2.3.1 Исследование влияния модуляции тепловой мощности дуги на характер температурного поля в зоне ремонта. 118
2.4. Разработка эффективного критерия технологической прочности сварных соединений из магниевых сплавов. ... 135
2.5. Исследование напряженно-деформированного состояния сварных соединений при заварке дефектов с программируемым изменением тепл ов ложения. 146
Выводы по 2 ой главе. . 155
Глава 3. Проблемы при электродуговой наплавке изделий из алюминиевых сплавов . 156
3.1. Характеристика свариваемости сплавов на основе алюминия 157
3.2.Анализ механизма образования остаточных деформаций в изделии при наплавке. 159
3.3. Основные методы уменьшения коробления изделий в процессе ремонтно-восстановительной наплавки . 171
3.4. Современные технологические приемы проведения наплавочных работ. 174
Выводы по 3 й главе. 182
Глава 4. Характерные особенности воздействия на металл трехфазной сварочной дуги при наплавке . 183
4.1.Анализ тепловых и силовых параметров сварочной дуги, воздействующей на поверхность металла. 183.
4.2. Расчетное и экспериментальное исследование температурного поля при наплавке изделий с дифференцированным тепловложением . 196.
4.3.Особенности формирования сварочной ванны при наплавке изделий из алюминиевых сплавов трехфазной дугой. ... 204
4.4. Исследование свойств сварного соединения при наплавке пластины трехфазной дугой с разделенным тепловым потоком 220
Выводы по 4й главе. 235
Глава 5. Сварка трехфазной дугой неплавящямися электродами в среде аргона как инструмент для восстановления деталей из сплавов магния и алюммзш , 236
5.1.Характеристика основных параметров трехфазного дугового процесса сварки в среде аргона неплавящимися электродами. 236
5.2.Исследование специфических технологических возможностей трехфазной сварочной дуги, реализуемых при восстановлении изделий из легких сплавов. 246
5.3.Оборудование для ремонтной сварки и наплавки изделий из легких сплавов трехфазной дугой. 255
Выводы по 5ой главе. 273
Глава 6 Ошат реализаций разработанных методов тенловложения ори ремонтной сварке а наолавке изделий ш легших свшавов трехфазной дугой . 274
6.1 .Заварка сквозных отверстий на изделии из сплава МД10 локальными швами. 276
6.2.Ремонттонкостешшх магниевых деталей на технологической подкладке с выемкой. 280
6.3.Заварка дефектов литья из магниевых сплавов с применением программируемого изменения силы сварочного тока в фазе «изделие» источника питания трехфазной дуги. 285
6.4.Наплавка поверхности опорной стойки распределительного вала судового двигателя трехфазной дугой с разделенным тепловым потоком. 292
Выводы по 6-й главе 297
7. Общие выводы но работе. 298
8. Список используемой литературы, 300
9. Приложения 316
- Анализ технологической прочности сварных соединений при электродуговой обработке материалов
- Исследование распределения температуры и характера деформаций в зоне ремонта при решении осесимметричной задачи с «дополнительным источником тепла».
- Основные методы уменьшения коробления изделий в процессе ремонтно-восстановительной наплавки
- Расчетное и экспериментальное исследование температурного поля при наплавке изделий с дифференцированным тепловложением
Введение к работе
Современный этап научно-технического прогресса связан с непрерывным расширением областей применения легких сплавов, в том числе в литейном производстве и производстве сварных конструкций. Ужесточение условий работы деталей механизмов и машин ( высокие и низкие температуры ,агрессивные среды, повышенное давление и быстродействие ) приводит к их интенсивному изнашиванию и преждевременному выходу из строя. Отказ в работе всего агрегата из-за выхода из строя одной - двух деталей оказывает негативное влияние и на производительность и на себестоимость продукции. Для увеличения ресурса работы оборудования существуют три основных направления: 1- замена изношенной детали ,2-восстановление ее функциональных свойств ,3-нанесение на поверхность наиболее нагруженной детали слоев с особыми свойствами. Первый путь является экстенсивным и наиболее дорогостоящим. Второе и третье направления очевидно более ресурсосберегающие, но требуют дополнительной технологической обработки детали . «....в деталях машин, приборов, аппаратов работает в основном только поверхность...». Таков основной тезис 2го Международного конгресса «Surface Engineering», проходившего в Великобритании в конце 80х годов. Ученые всего мира признали приоритетным направление в области технической политики, связанное с повышением долговечности и надежности изделий путем нанесения различного рода покрытий на рабочие поверхности, их упрочнения и восстановления первоначальных размеров и свойств всевозможными технологическими методами. По отношению к изделиям из сплавов на основе алюминия и магния такой технологической обработкой зачастую является электродуговая ремонтная сварка и наплавка.
Наряду с указанной областью, технологические процессы сварки и наплавки в большом объеме применяются в литейном производстве. Это обуславливается массовым выпуском литых деталей из легких сплавов для авиационной, автомобильной и химической промышленности. -6-Сложность литья, широкая номенклатура и несовершенство технологии литейного производства вызывает появление брака в виде дефектов литья - трещины, зашлаковка, газовые и усадочные раковины., и т.д.. Например, уровень дефектности сложного магниевого литья на предприятиях КМПО г.Казани составлял, по данным на 1991г., до 40%. Очевидно, что не меньший процент брак составлял на аналогичных предприятиях г.Уфы и гС-Петербурга. Полагаю, что за истекший период времени ситуация в литейном производстве вряд ли изменилась в лучшую сторону. В таком случае ремонтная сварка и наплавка здесь один из самых важных факторов, поддерживающих стабильный выпуск литейной продукции.
Восстановление деталей машин и аппаратов как технологический процесс, существует уже более 100 лет и основоположником его является русский ученый Н,Г.Славянов. Однако, ремонтные технологии, связанные с восстановлением деталей из легких сплавов имеют сравнительно недавнюю историю, насчитывающую чуть более 30 лет.
Наиболее эффективным способом заварки дефектов и наплавки алюминиевых и магниевых изделий является аргонодуговая сварка негшавящимся электродом^!,125,126,130,131,137,150 ] Механические свойства наплавленного валика существенно выше, а пористость ниже, чем при других способах электродуговой наплавки, к тому же, практически полностью исключены шлаковые включения в шве. Следует заметить, что для применения инертных газов потребовалось существенно поднять культуру производства, более тщательно готовить основной и присадочный металлы.
Однако, применение дуги горящей в среде инертных газов не устранило всех проблем технологии и металлургии сварки алюминия и магния. Остались в достаточно острой форме задачи предотвращения горячих и холодных трещин, уменьшения уровня остаточных деформаций и напряжений, проблема окисной пленки, вопросы создания унифицированных технологий и оборудования, особенно в области ремонтной сварки и наплавки. Если острота некоторых проблем частично снижена результатами проведенных ранее исследований, то задача уменьшения остаточных деформаций и склонности металла к трещино-образованию остается актуальной и сейчас.
Вопросами теории технологической прочности сварных соединений занимались ведущие ученые МГТУ им. Н.Э.Баумана , такие как Н.Н.Прохоров, В.А.Винокуров, М.Х.Шоршоров, Э.Л.Макаров, Б.Ф.Якушин, ученые ИЭС им.Е.О.Патона - Д.М.Рабкин, С.МХуревич, А.Я.Ищенко и др. Разработанные ими основные положения теории технологической прочности, методики оценки склонности сплавов к трещинообразованию и технологические мероприятия по уменьшению вероятности образования трещин актуальны и применяются по сей день. Одним из научных направлений в вопросах повышения технологической прочности сварных соединений является использование самого сварочного инструмента и его режимов обработки для уменьшения склонности к трещинообразованию сварных швов. Такое направление весьма эффективно, т.к. не требует дополнительного оборудования и энергозатрат. Однако, его практическая реализация затруднена из-за недостаточного объема исследований в этой области и несовершенства сварочного оборудования. В области исследования остаточных деформаций и напряжений в сварных конструкциях большой вклад внесли ученые г.Москы, С-Петербурга, Киева, Екатеринбурга. Ими был разработан механизм возникновения остаточных деформаций, указаны причины их возникновения и даны рекомендации по уменьшению или предупреждения их появления. Однако, зачастую, эти рекомендации имеют экстенсивный характер, т.е. для снижения остаточных деформаций рекомендуют применять спецоснастку или дополнительное оборудование. Изменение же самих параметров режима сварки, как правило, осуществляется путем оптимизации в заданных пределах регулирования. Кроме того, необходимо заметить, что работ связанных с деформациями изделий из легких сплавов крайне недостаточно.
Одним из перспективных способов газоэлектрической сварки неплаящимся электродом является разработанный в Тольяттинском политехническом инсти туте под руководством академика В.И.Столбова и исследованный Г.М.Коротковой, В.А.Шаповаловым, Р.А.Цепеневым В.П.Потехиным
В.П.Сидоровым , В.А.Иевлевым и др авторами способ сварки трехфазной дугой вольфрамовыми электродами в среде аргона. Очевидные преимущества и широкие технологические возможности этого способа отмечены ведущими учеными страны, на Всесоюзных выставках и конференциях, результатами внедрения на многочисленных предприятиях бывшего СССР. Его новизна закреплена десятками авторских свидетельств и патентов. Поэтому не удивительно применение способа сварки трехфазной дугой в ремонтном производстве изделий из легких сплавов. Опыт такого применения уже имеется в ряде работ В.В.Ельцова, И.А.Олейника, В.Ф.Матягина, Ю.Ф.Зотова, однако комплексное решение задачи повышения технологической прочности и задачи уменьшения термического воздействия на материал основы за счет параметров самого процесса сварки достигнуто далеко не полностью.
Целью данной работы является повышение эффективности и качества восстановления изделий из легких сплавов трехфазной дугой путем регулирования термодеформационных процессов в сварных соединениях.
Идея работы заключается в решении проблемы повышения технологической прочности сварных соединений при ремонтной сварке изделий из магниевых сплавов и уменьшения остаточных деформаций при наплавке деталей из алюминиевых сплавов регулированием теплофизических процессов в зоне ремонта параметрами режима сварочного источника тепла - трехфазного дугового факела. Основными задачами работы являются:
1.Исследовать напряженно-деформированное состояние металла в зоне ремонта и установить зависимость технологической прочности сварных соединений от характера распределения температуры в исследуемых участках.
2.Выявить закономерности изменения термодеформационных процессов в сварных соединениях в зависимости от характера модулирования тепловой мощности дуги при заварке дефектов изделий из сплавов магния.
3.Изучить влияние дифференцированного тепловложения на свойства металла и величину его остаточных деформаций при наплавке изделий из алюминиевых сплавов.
4 .Исследовать технологические возможности трехфазной сварочной дуги, горящей в среде аргона с неплавящихся электродов, создать комплекс оборудования и разработать ресурсосберегающие технологии для восстановления изделий из легких сплавов.
Для достижения поставленной цели в первую очередь анализировались основные положения теории технологической прочности сварных соединений. Согласно современным представлениям о горячеломкости металла, существуют два пути предупреждения образования горячих трещин при сварке: металлургический, т.е. за счет легирования и модифицирования сварного шва через присадочный металл элементами повышающими стойкость против трещинообра-зования и технологический, т.е. за счет создания в зоне ремонта с помощью параметров режима сварки и спецоборудования такой тепловой ситуации, которая бы обеспечивала минимальный темп деформации металла в области ТИХ. Согласно проведенным исследованиям, металлургический путь повышения технологической прочности металла, зачастую, оказывается неэффективным из-за двойственности характера влияния легирующих элементов на механические и сварочно-технологические свойства сплавов. Создание наиболее благоприятной тепловой ситуации, с точки зрения снижения трещинообразования в сварном соединении, как правило, осуществляется с помощью применения предварительного подогрева. Такой прием хотя и эффективен, но связан с большими энергетическими затратами и ограничен в применении, например: при ремонте механически обработанного с высокой точностью изделия предварительный подогрев недопустим из-за возможности его коробления или изменения линейных размеров.
Наиболее эффективным направлением в решении задачи повышения технологической прочности сварных соединений при ремонтной сварке может быть - 10 - ' использование самих параметров процесса сварки в формировании качественного сварного соединения и всего восстанавливаемого изделия в целом. Причем, использование этих параметров не столько в плане оптимизации режимов в заданных пределах, а плане создания новой закономерности введения тепловой энергии в металл, разработке и использование способа дифференцирования теплового потока от дуги и перераспределение мощности его составляющих между основным и присадочным металлом. Решение- этой актуальной проблемы явилось центральной задачей представленной работы. Весьма важное значение при сварке металлов склонных к образованию горячих трещин имеет критерий технологической прочности сварного соединения. До настоящего времени существует такая оценка стойкости против трещинооб-разования: если темп деформации металла в процессе его охлаждения не превышает деформационной способности сплава в области ТИХ, то горячих трещин не образуется. Это скорее качественный, чем количественный критерий, поэтому в работе уделяется особое внимание разработке более конкретной оценке технологической прочности сплавов на основе магния, как наиболее склонных к горячеломкости. Было доказано, что эффективным количественным критерием технологической прочности сварных соединений является скорость v изменения градиента температуры в области ТИХ.
Особое внимание в работе уделено явлению, впервые используемому при наплавочных работах, связанному с эффектом разделения теплового потока от дуги на газокинетическую и электродинамическую составляющие. Действие последней на металл существенно увеличивает глубину его проплавлення, что при наплавке крайне не желательно. Поэтому создание условий для ее нейтрализации очень важно с точки зрения снижения глубины проплава и, соответственно уменьшения остаточных деформаций наплавляемого изделия. Существенным фактором, влияющим на создание той или тепловой ситуации в зоне ремонта, или обеспечивающего определенную глубину проплава металла при наплавке является сам способ сварки и оборудование для его реализации. В работе научно обосновано и экспериментально подтверждено наиболее эффек- -11-тивное применение в качестве инструмента для ремонтной сварки и наплавки изделий из легких сплавов способа сварки трехфазной дугой неплавящимися электродами в среде аргона. Отсутствие высокотехнологичного сварочного оборудования, позволяющего обеспечивать глубокое регулирование и программирование параметров режима, вызвало необходимость создания комплекса оборудования с применением микропроцессорного устройства и на его базе высокоэффективных технологий ремонтной сварки и наплавки изделий из легких сплавов.
Методы исследования.
Основные результаты работы получены с использованием математического моделирования процессов распространения тепла, аналитических и численных методов решения уравнений теплопроводности и современных экспериментальных методов исследования. Применялось программирование на языке «Паскаль» в среде DELPHI с использованием персонального компьютера.
Количественные параметры температурных полей, временных сварочных деформаций выявлялись с помощью осциллографирования, тензометрии, дилатометрии. (FORMASTOR) Качественные и количественные характеристики сварных соединений исследовались с помощью металлографии, микрорентге-носпектрального анализа, (САМЕВАХ) рентгенографии, технологических «крестовых проб». Дуговые процессы фиксировались цветной кино и фотосъемкой и моделировались на физической модели. Эксплуатационные свойства изделий определялись лабораторными исследованиями твердости, прочности, профилограммами поверхности, рентгенограммами заваренных дефектов. Научная новизна работы заключается в определении закономерностей влияния теплофизических параметров сварочной дуги на термодеформационные процессы в сварных соединениях, обеспечивающих высокую технологическую прочность сварных соединений и низкий уровень остаточных деформаций при ремонтной сварке и наплавке изделий из сплавов магния и алюминия.
Осіодвньши научными результатами работы являются:
Теоретически и экспериментально обоснован выбор способа повышения технологической прочности сварных соединений за счет создании тепловой ситуации, обеспечивающей допустимый уровень собственных деформаций металла в зоне ремонта при воздействии на него сварочного термического цикла.
Аналитически рассчитана и экспериментально подтверждена закономерность изменения мощности теплового потока дуги, вводимого в сварное соединение, позволяющая получить заданную скорость охлаждения ЗТВ, и темп деформации металла в области ТИХ, не превышающий его допустимую величину для конкретного сплава.
Критерием технологической прочности сварных соединений из магниевых сплавов, учитывающим характер распределения температуры в зоне ремонта, является скорость изменения градиента температуры металла в зоне термического влияния. _
Дифференцирование теплового потока дуги на газокинетическую и электродинамическую составляющие и перераспределение их тепловой мощности между основным и присадочным металлом при наплавке изделий из алюминиевых сплавов позволяет обеспечить практически двукратное снижение уровня остаточных деформаций в наплавляемом изделии.
Регулирование термодеформационных процессов для достижения требуемой тепловой ситуации в зоне ремонта наиболее эффективно достигается способом сварки трехфазной дугой неплавящимися электродами в среде аргона.
Практическая значимость работы
Разработан ряд конкретных технологических процессов ремонтной сварки трехфазной дугой изделий из литейных магниевых сплавов МЛ5 и МЛ 10 , применяемых в вертолетостроении. Уровень выхода годных деталей после за- варки дефектов без использования предварительного подогрева изделия повысился с 10% до 95...97%. Разработанный критерий технологической прочности сварных соединений из магниевых сплавов позволяет на стадии технологической проработки и выбора источника тепла для ремонтной сварки определить их пригодность и эффективность по сравнению с известной технологией и оборудованием. Разработан и опробован способ наплавки головки блока цилиндров автомобиля ВАЗ из алюминиевых сплавов АЛ4 (АК9ч, АК6М2)и наплавки торца пакета алюминиевых шин АДО малой толщины (0,8мм) с помощью дифференцированного теплового потока трехфазной дуги (метод наплавки с подключенной присадочной проволокой к фазе «изделие» источника питания). Опробована технология восстановления трехфазной аргонодуговой наплавкой с разделенным тепловым потоком плакирующего слоя из АДО толщиной 0,5мм на изделии из сплава 1201 толщиной 10 мм, давшая положительные результаты. Плакирующий слой был восстановлен без нарушения целостности основного металла. Во всех случаях глубина провара снижается, а высота наплавленного слоя за один проход увеличивается примерно в два раза по сравнению с традиционной технологией наплавки аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом. Разработан и изготовлен комплекс оборудования для ремонтной сварки и наплавки трехфазной дугой в среде аргона. Он включает в себя: источник питания трехфазной дуги, блок управления и программирования сварочного тока на базе микропроцессорного контроллера типа «Электроника МС2702», ножной и ручной пульты управления, двух электродные горелки для ручной и автоматической наплавки, скользящий токоподвод для подключения присадочной проволоки к фазе «изделие» источника питания дуги.
Научно-технические решения, изложенные в диссертации, внедрены на ряде предприятий машиностроительного и энергетического профиля: ЛНПО им. В.Я.Климова (С-Петербург), КМПО «Арфа» (Казань), УМЕЮ «Рица» (Уфа), ГЭС «Зейская» (Зея), ОАО «АвтоВАЗтранс» (Тольятти) ,а также в учебном процессе ТГУ на кафедре «Восстановление деталей машин».
Основные положения, выносимые на защиту:
Закономерность изменения тепловой мощности дуги, вводимой в сварное соединение, обеспечивающая получение заданной тепловой ситуации в зоне ремонта при заварке дефектов магниевого литья.
Критерий технологической прочности сварных соединений из сплавов магния - скорость изменения градиента температуры в области ТИХ.
Концепция использования эффекта дифференцирования теплового потока трехфазной дуги, с целью снижения остаточных сварочных деформаций при наплавке изделий из алюминиевых сплавов.
Доказательство преимущества способа сварки трехфазной дугой неплавя-щимися электродами в среде аргона как наиболее эффективного инструмента для ремонтной сварки и наплавки изделий из легких сплавов.
Анализ технологической прочности сварных соединений при электродуговой обработке материалов
Одним из основоположников теории технологической прочности сварных соединений является школа МГТУ им. Н.Э.Баумана - Н.Н.Прохоров, В.В.Фролов и др. Согласно этой теории [12, 13] при кристаллизации металл сварочной ванны проходит через несколько состояний от жидкого до твердого.
Промежуточная стадия квазитвердого состояния соответствует нижней части температурного интервала кристаллизации. Причем, температурный интервал кристаллизации (ТИК) ограничивается линией солидуса с нижней стороны, а с верхней температурой, при которой количество твердой фазы составляет не менее 50% от всего объема системы. Этот температурный диапазон существования квазитвердого состояния системы некоторые исследователи называют «эффективным интервалом кристаллизации». Для нега характерна зависимость между пластичностью металла и соотношением жидкой и твердой фаз. Если это соотношение больше единицы, то свойства квазитвёрдой системы определяются в основном свойствами жидкой фазы, т.е. она легко деформируется под воздействием любых напряжений, а жидкость свободно циркулирует между кристаллитами. При значении соотношения меньше единицы возможно заклинивание кристаллитов при воздействии на них сдвиговой деформации и образование замкнутых полостей, заполненных жидким металлом. При этом деформационная способность системы будет определяться свойствами жидкости, пластичность которой при сопротивлении нормальным напряжениям ничтожна и значительно уступает пластичности образовавшихся кристаллитов. Дальнейшее снижение температуры в ТИК приводит к возрастанию межкристаялической прочности и вязкости жидких прослоек. Воздействие напряжений на систему в этом случае приводит к появлению внутрикристаллических или транскристал-литных разрушений. В работах Н.Н. Прохорова температурный интервал, соответствующий межкристаллическому разрушению называется температурным интервалом хрупкости (ТИХ), а способность металла не разрушаться в нем под действием термического цикла сварки - технологической прочностью.
Критерием технологической прочности по данным работы [14] может служить соотношение между темпом нарастания деформаций в процессе сварки и деформационной способностью сплава в области высоких температур. В аналитическом виде это можно записать так:
Поскольку, в области околосолидусных температур упругая деформация практически отсутствует,[13Д4Д20Д24 ] то деформационную способность ( Ає/АТ)кр. можно заменить пластичностью сплава (5).
Графическая интерпретация теории технологической прочности достаточно четко представлена на ( Рис. 1.1. ).Горячие трещины образуются в том случае, если кривая пластичности (5) пересекается кривой темпа деформации (є ) в области ТИХ. Понятно, что при тех же значениях ТИХ и (є) сплав, обладающий большей пластичностью, трещин не даст.
Из вышесказанного видно, что критерий технологической прочности определяется большим числом взаимно не связанных факторов, которые к тому же мало изучены . Ширина ТИХ, пластичность сплава в области ТИХ, темп деформации металла зависят от химического состава , скорости охлаждения и других факторов, которые в свою очередь, зависят от методов сварки, условий протекания процесса и его режимов. Поэтому, приведенный критерий технологической прочности может быть лишь качественной иллюстрацией склонности сплава к образованию горячих трещин.
Углубленное изучение процессов, происходящих при охлаждении сварочной ванны, показало, что здесь протекают одновременно два противоположных процесса: нарастание сварочных деформаций и напряжений вследствие большого градиента температур и процесс релаксации возникающих напряжений за счет высокотемпературной ползучести. Равновесие между этими процессами приводит к отсутствию напряжений в металле. В работе [ 14 ] установлена связь между технологической прочностью сварных соединений и степенью протекания процессов релаксации. Деформационные процессы в квазитвердом теле исследовались с помощью абстрактных моделей упруговязкой среды. Зависимость между напряжением, деформацией и темпом деформации при исследовании « тела Фойгта» записывается следующим образом: где : Е - модуль упругости тела X - линейная вязкость жидкости є- деформация металла Если тело нагружать постоянной силой и время нагружения отличается от нуля при интегрировании выражения ( 1.2.) получили
Исследование распределения температуры и характера деформаций в зоне ремонта при решении осесимметричной задачи с «дополнительным источником тепла».
Проведенные исследования термодеформационной ситуации при заварке отверстия на гладкой подкладке показали, что причиной трещинообразования здесь является слишком высокая скорость охлаждения металла в зоне ТИХ и асимметричность температурного поля. Провоцирующее воздействие на образование горячих трещин оказывает, зачастую, концентратор напряжений в виде несплавления кромок в корне шва.
С целью исключения несплавления кромок и асимметричности температурного поля, а также для снижения скорости охлаждения сварного соединения было предложено устранять дефекты на тонкостенных изделиях без разделки кромок дефектного участка, методом сквозного проплава мощной трехфазной дугой на массивной стальной технологической подкладке с глубокой выемкой. Экспериментальная реализация этого способа с одновременной регистрацией термических циклов в изделии и технологической подкладке показало (Рис.2.14.), что характер температурного поля существенно отличается от ранее рассмотренных случаев, особенно в стадии охлаждения сварного соединения. В частности отмечено, что, во-первых, температура подкладки постепенно повышается и достигает максимума в момент окончания заварки, во-вторых, нисходящие ветви термических циклов точек зоны ремонта стремятся не к начальной температуре металла, а к температуре охлаждающейся подкладки, что очень схоже с термическими циклами, полученными при заварке дефектов с общим подогревом изделия.
Таким образом, можно считать, что расплавленный металл в выемке технологической подкладки и сама разогретая подкладка являются как бы дополнительным источником тепла, включающимся в момент окончания заварки. Очевидно, что полностью описать полученные кривые термических циклов с по мощью ранее выведенной зависимости (2.5.) без существенной ошибки не удастся. Поэтому математическую модель распределения температуры в данном случае будем разрабатывать исходя из следующих условий: 1.В стадии нагрева, когда (t) (t вьш) температуру будем рассчитывать по выражению (2.3.) для тонкой пластины.
В стадии охлаждения температурное поле будем представлять как процесс выравнивания в тонкой пластине распределения температуры, имевшего место в момент времени (t вык), причем температура всех точек зоны ремонта стремиться не к начальной, а к некоторой температуре (Т п)
Процессы распространения и выравнивания температуры при сварке подробно изучены в случае воздействия точечного или нормально-распределенного источников тепла [40].Поэтому при расчете ветви охлаждения термического цикла температурное поле в изделии представим как суперпозицию полей от нормально-распределенных источников тепла действующих до момента времени (t вык) с учетом температуры подогрева (Тп)
На (Рис.2.15 ) представлены рассчитанные по формуле (2.3 ) поля безразмерных температур для различных величин температуры подогрева при значении ( t вык) =38 с. Теперь необходимо установить соответствие распределения температуры по радиусу дефектного участка Дг) закону Гаусса. Для этого построим те же зависимости в логарифмических координатах: Y= ln(Q- Qn ), X = г , в которых графиком нормального распределения является прямая линия. Из полученных данных видно (Рис.2.16 ), что эти зависимости представляют собой ломаные линии.: 1 -я линия InQ = Xi + 3i r2 при 0 r 6 10 м. 2-я линия toQ = ос2 + р2 г2 при 6 10.з г оо где величины аі,а2,Рьр2 являются функциями (t вык) и (Qn). Эти данные хорошо согласуются с выводами работы [50], где указано, что при малых радиусах распределение температуры близко к номальному (Рис.2.17). Значит в данном случае полученное распределение температуры можно интерпретировать как результат действия двух мгновенных линейных источников
Следовательно, тепло, выделенное первым источником, значительно меньше тепла выделенного вторым. Поэтому, остаются существенными только зависимости а2(1Вык) и (32(t вык) (Рис.2.18 и 2.19 ). Учитывая только второй источник тепла, распределение температуры во времени опишется следующим выражением
Основные методы уменьшения коробления изделий в процессе ремонтно-восстановительной наплавки
Исследование остаточных деформаций при сварке показало, что основными факторами влияющими на их возникновение являются:
-остаточные продольные или поперечные пластические деформации укорочения,
-эксцентриситет воздействия усадочных сил относительно центра тяжести поперечного сечения соединения.
Исходя из этого можно выявить возможные пути уменьшения остаточных деформаций как в процессе наплавки так и после нее. Однако, последнее интересует нас в меньшей степени, т.к. это связано с дополнительными затратами и усложнением технологии восстановления деталей машин и аппаратов. Поэтому ограничимся здесь лишь мерами предупреждения остаточных сварочных де-формаций.
В производстве сварных конструкций основными мерами предупреждения образования остаточных напряжений и деформаций являются следующие [66]. 1.Регулирование тепловой ситуации в зоне сварного соединения, Активное нагружение свариваемых элементов в процессе сварки Компенсация возникающих деформаций.
В процессе ремонтно-восстановительных работ электродуговой наплавкой применение двух последних мероприятий весьма затруднено. Действительно, компенсация деформаций применением обратного выгиба всего изделия да еще, зачастую, изготовленного методом литья практически невозможна. Тоже самое относится и к активному нагружению методом растяжения самой детали в процессе сварки, тем боле, что наплавочные валики затрагивают только лишь одну из поверхностей всего изделия. Поэтому при наплавке наиболее действенным методом предупреждения возникновения остаточных деформаций и напряжений является регулирование теплового состояния сварного соединения за счет параметров и условий самого процесса наплавки. В качестве доказательства приведенного вывода можно рассмотреть графическую интерпретацию уменьшения остаточной продольной пластической деформации укорочения, которая является основной причиной образования остаточных деформаций при сварке. (Рис.3.6).[64].Уменьшение указанной деформации может осуществляться в процессе выполнения сварного шва, когда формируются пластические деформации укорочения. Задача заключается в уменьшении площади эпюры остаточных пластических деформаций укорочения с целью уменьшения величины усадочной силы. Согласно представленному рисунку, возможными путями изменения площади эпюры могут быть следующие: 1- смещение линии (qd ) к осям координат, 2 - смещение линии (el) вверх, 3 - смещение линии (abc) вверх, 4 - увеличение пластической деформации удлинения (є пл.удл.)на стадии охлаждения.
Так как линия (qd) представляет собой не что иное, как распределение температуры в зоне сварного соединения, то ее смещение в ту или иную сторону сопряжено с изменением параметров или условий технологического процесса наплавки. Другими словами, для уменьшения пластических деформаций укорочения при наложении сварного шва необходимо уменьшить термическое воздействие на основной металл.
Смещение линии (ef) вверх равносильно предварительному нагруженною свариваемых элементов деформацией удлинения. Как указывалось выше, осуществление этого приема при наплавочных работах маловероятно. Положение линии (abc) характеризует значение предела текучести для данного материала и изменить его можно лишь только в том случае, если в деформируемом объеме создана силовая обстановка, приближающаяся к гидростатическому давлению. Увеличение деформаций пластического удлинения в процессе охлаждения можно добиться путем силового воздействия на зону пластических деформаций, например, прокаткой роликами или проковкой наплавленного валика. В случае ремонта деталей несложной формы с возможностью свободного доступа к месту наплавки этот прием можно осуществить. Однако, довольно сложно рассчитать усилие проковки необходимое для релаксации напряжений от пластической деформации укорочения.
Таким образом, единственно действенным и не требующим дополнительных технологических операций мероприятием по уменьшению величины остаточ-ш.іх еформаций изделия при наплавке является уменьшение глубины проплавлення основного металла за счет перераспределения эффективной тепловой мощности дуги, вводимой в сварное соединение, но при сохранении общего уровня качества наплавленного слоя и всего соединения в целом.
Наплавочные работы при восстановлении изделий из легких сплавов достаточно широко освещаются в периодической литературе[132,133,134,135,153,170].
Большинство авторов исследуют свариваемость сплавов, дают ориентировочные режимы наплавки тех или иных деталей и уделяют внимание короблению. и деформациям, возникающим при наплавке, а также специальной оснастке и оборудованию для проведения наплавочных работ. [67,68,69,70,71,72,73].
Расчетное и экспериментальное исследование температурного поля при наплавке изделий с дифференцированным тепловложением
Уменьшения глубины провара основного металла при аргонодуговой наплавке изделий из алюминиевых сплавов НЭ можно добиться несколькими технологическими способами: уменьшить силу тока, увеличить длину дуги, увеличить скорость наплавки, изменить угол наклона электрода относительно поверхности изделия, применять искусственное охлаждение обратной стороны изделия, увеличить скорость подачи присадочной проволоки и т.д. Реализация некоторых из этих способов связана с привлечением дополнительного оборудования, другие снижают производительность наплавки и качество сварного соединения. Учитывая проведенный выше анализ теплового и силового воздействия дуги на поверхность изделия, можно предположить, что решение проблемы уменьшения термического воздействия на основной металл без ухудшения свойств сварного соединения и дополнительных затрат, заключается в искусственном разделении теплового потока и силового воздействия на поверхность сварочной ванны.
Согласно выше приведенной схеме формирования сварочной ванны при сварке металла от воздействии двух источников тепла - нормально распределенного и точечного - действующих на расстоянии {L} друг от друга (Рис.4.2), где первым движется более распределенный источник, глубина сварочной ванны определяется в основном мощностью, сосредоточенностью и глубиной залегания второго источника тепла. Поскольку при наплавке необходимо решить противоположную задачу, т.е. уменьшить глубину проплавлення основного металла, то, очевидно, что и расчетная схема процесса должна выглядеть противоположно существующей схеме для сварки. Поэтому предлагается нижеприведенная расчетная схема процесса наплавки трехфазной дугой с дифференцированным тепловым потоком. (Рис.4.6.) 1. Первым по направлению скорости наплавки движется сосредоточенный источник тепла (активное пятно), а за ним на расстоянии (L) распределенный источник тепла (газокинетическая составляющая). 2. Воздействие активного пятна, как сосредоточенного источника тепла на металл сварочной ванны исключается, а количество теплоты, выделяемое активным пятном, расходуется на плавление присадочного материала и образование из него жидкой прослойки на поверхности основного металла. Принтом, заглубление активного пятна отрицательно и соответствует по величине диаметру присадки. 3. Газокинетическая составляющая теплового потока, характеризуемая нормальным законом распределения, воздействует на основной металл через прослойку жидкого присадочного металла.
Такая схема расчета позволяет, во-первых, учитывать тепловое воздействие и газокинетической и электродинамической составляющих сварочной дуги, во-вторых, нейтрализовать силовое влияние активного пятна на сварочную ванну, в- третьих, учитывать присадочный металл, подаваемый в сварочную ванну.
Температура точек полубесконечного тела с координатами {X,Y,Z}, для случая сварки металла по схеме, приведенной на (Рис.4.2) определяется выражениями (4.2 и 4.3). Использование для расчетов тепловых процессов при наплавочных работах схемы полубесконечного тела более оправдано, нежели при сварочных, т.к. минимальная глубина проплавлення основного металла при наплавке создает условия при которых температура распространяется равномерно по всем трем координатам. Для того, чтобы создать математическую модель процесса наплавки изделий из алюминиевых сплавов трехфазной дугой с дифференцированным тепловым потоком по выше предложенной схеме (Рис.4.6) преобразуем выражения (4.2 и 4.3). Для этого введем следующие условия: - во-первых, нулевую точку системы координат совместим с точкой пересечения оси сварочной горелки и наплавленного валика. - Во-вторых, величину заглубления сосредоточенного источника тепла (Н) относительно поверхности металла примем равной (- d пр.) - В-третьих, теплофизические коэффициенты металла (А,,а) принимаем для расчетов первого и второго слагаемых выражения (3.2) различными, а именно: для первого источника тепла - эти коэффициенты для нормальной температуры металла, а для второго источника тепла - для температуры плавления металла. - В-четвертых, доля вводимой мощности от первого (сосредоточенного) источника тепла составляет 40%, а распределенного. 60% общей мощности трехфазной дуги. - В-пятых, коэффициент сосредоточенности первого источника тепла в два раза выше, чем второго.
Пятое условие вытекает из следующего предположения. Известно [96], что степень сосредоточенности активного пятна при сварке на порядок выше аналогичного коэффициента газокинетической составляющей. В этом случае активное пятно воздействует непосредственно на сварочную ванну. Поскольку, в нашем случае активное пятно воздействует на присадочную проволоку, то степень его воздействия на основной металл будет существенно меньше. Эмпирически установлено, что ширина зоны расплава присадки по поверхности основ-ного металла от воздействия на проволоку активного пятна составляет примерно половину ширины сварочной ванны от воздействия газокинетической составляющей на основной металл. Отсюда, следует предположить, что степень сосредоточенности первого источника тепла, примерно, в два раза выше, чем второго. С учетом принятых условий выражения (4.2 и 4.3) примут вид: ц - доля мощности, вводимая в изделие газокинетической составляющей дуги, Кті,Кт2 - коэффициенты сосредоточенности тепловых потоков от электродинамической и газокинетической составляющих соответственно V-скорость наплавки, L- расстояние между осями источников тепла. Н - величина «отрицательного заглубления» первого источника тепла относительно поверхности металла
Для расчета изотерм плавления по составленной математической модели была разработана программа в формате DELPHI на языке «Паскаль».[176Д77]. Наряду с расчетом температуры точек с координатами T(XYZ) она позволяет графически построить изотерму плавления металла в плоскости (YOZ), т.е. наглядно показать размеры зоны проплавлення. Расчеты проводили по следующим параметрам: 0= 1500ВТ, Хі=237 Вт/м К, Х2 = 120 Вт/м К, Q = 880 Дж/ кг К, С2 = 1500 Дж/кг К, L = 0,01 м, V = 9 10"3 м/с, ц = 0,6 ,р = 2,96 103 кг/м3 КТ1 = 4 103, КТ2 = 2,2. 103, Н = - 0,003 м Дискретность изменения координат составляла 0,0005 м. Для сравнения изотерм плавления при наплавке и сварке металла была параллельно разработана программа расчета температурного поля по выражению (4.2), причем, мощность дуги в обоих случаях оставалась одинаковой. Как показали результаты расчетов, (Рис. 4.7) при наплавке алюминиевых изделий
