Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи 15
1.1. Отказы чугунных деталей судового оборудования 15
1.2. Восстановление чугунных деталей судового оборудования сваркой и наплавкой 20
1.3. Анализ методов оптимизации параметров технологических процессов восстановления деталей наплавкой 36
1.4. Задачи исследования 53
Глава 2. Разработка методики выбора оптимальных параметров процесса плазменной наплавки серого чугуна 54
2.1. Поиск компромиссного решения в многокритериальной задаче оптимизации технологических процессов 54
2.2. Методика выбора оптимальных значений параметров материала и факторов процесса формирования 85
2.3. Алгоритм проектирования технологии восстановления чугунных деталей сварочными процессами 87
Глава 3. Методики проведения исследований 93
3.1. Методика планирования экспериментов 93
3.1.1. Факторные эксперименты 105
3.1.2. Планирование экспериментов влияния параметров режима плазменной наплавки чугуна на качество сварного соединения 113
3.2. Методика исследования металлографических и механических свойств сварного соединения 115
Глава 4. Оптимизация параметров режима плазменной наплавки серого чугуна 118
4.1. Исследование технологических возможностей плазменной наплавки серого чугуна 118
4.1.1. Влияние химического состава присадочного материала на формирование свойств при наплавке чугуна 118
4.1.2. Влияние полярности тока на формирование свойств при плазменно-порошковой наплавке чугуна 126
4.2. Разработка математических моделей влияния режима сварки и наплавки на свойства сварного соединения 128
4.3. Управление формированием параметров материала поверхностного слоя при плазменной наплавке чугунных деталей 140
Глава 5. Технология плазменно-порошковой наплавки втулок цилиндров с кавитационным износом водоохлаждаемой поверхности 146
5.1. Установка для плазменной наплавки чугунных деталей 146
5.2. Выбор режимов наплавки 149
5.3. Технологический процесс плазменно-порошковой наплавки водоохлаждаемых поверхностей втулок цилиндров судовых дизелей 153
5.4. Расчет экономической эффективности от внедрения плазменной наплавки водоохлаждаемых поверхностей втулок цилиндров судовых дизелей 156
Заключение 160
Список литературных источников
- Анализ методов оптимизации параметров технологических процессов восстановления деталей наплавкой
- Методика выбора оптимальных значений параметров материала и факторов процесса формирования
- Планирование экспериментов влияния параметров режима плазменной наплавки чугуна на качество сварного соединения
- Разработка математических моделей влияния режима сварки и наплавки на свойства сварного соединения
Введение к работе
Актуальность темы. В современном судовом машиностроении один из наиболее распространенных конструкционных материалов — серый чугун. Из чугуна изготовляют сложные, тяжело нагруженные, дорогостоящие базовые детали дизелей и различных механизмов (втулки и крышки цилиндров, поршни, седла клапанов и др.). Однако восстановление чугунных деталей судового оборудования является одной из наиболее сложных задач судоремонтного производства (СРП), от качества восстановления которых зависит надежность узла или оборудования в целом.
Основные причины отказов чугунных деталей:
износ сопряженных поверхностей вследствие трения;
коррозионно-эрозионный износ водоохлаждаемых поверхностей;
образование усталостных трещин вследствие работы детали в условиях одновременного действия статических и циклических нагрузок.
Основным способом восстановления изношенных деталей является наплавка. Проектирование технологии восстановления ответственной чугунной детали при необходимости обеспечения высококачественного сварного соединения на уровне прочности основного металла — весьма сложная задача вследствие плохой технологической свариваемости чугуна при холодной сварке, отсутствия оборудования и большой трудоемкости технологического процесса горячей сварки, недостатка данных по технологическим особенностям и рекомендаций по рациональной области применения некоторых современных способов сварки и наплавки, отсутствия положительного опыта восстановления, достаточного для обобщения. Плохая технологическая свариваемость чугуна обусловлена тем, что наплавленный металл и металл околошовной зоны имеют большую склонность к образованию закалочных непластичных структур, а низкая прочность чугуна и практически полное отсутствие пластичности способствуют трещинообразованию как в наплавленном, так и основном металле. Поэтому нахождение оптимальных параметров режима наплавки, обеспечивающих требуемое* ййі'&і &fffttbbftb№^единения
затруднительно, так как данная задача является многокритериальной задачей
оптимизации. Вследствие этого дефектные ответственные чугунные детали на СРП, как правило, не восстанавливают, а заменяют на новые.
Отсюда вытекает необходимость разработки технологического процесса (ТП) восстановления ответственных чугунных деталей, включающей в себя выбор способа и присадочного материала для наплавки, обеспечивающих получение высококачественного сварного соединения с требуемыми свойствами наплавленного металла, а также нахождение оптимальной области параметров режимов наплавки (технологического управления качеством). При оптимизации ТП наплавки чугунных деталей необходимо одновременное рассмотрение нескольких параметров оптимизации (прочности сварного соединения, ширины ледебуритной зоны, глубины проплавлення и др.).
Цель работы. Разработка технологии восстановления ответственных чугунных деталей судового оборудования (на примере втулок цилиндров с кавитационным износом водоохлаждаемых поверхностей) на основе предлагаемой методики технологического управления качеством при восстановлении деталей плазменной наплавкой.
Научная новизна работы:
разработана методика технологического управления качеством при восстановлении чугунных деталей судового оборудования в зависимости от требований, предъявляемых к восстанавливаемой детали, на основе решения многокритериальной задачи оптимизации параметров режима плазменной наплавки (апробирована на примере плазменной наплавки втулок цилиндров с кавитационным износом водоохлаждаемых поверхностей);
определена рациональная область содержания железа в присадочном материале на никелевой основе при плазменно-порошковой наплавке чугуна;
определено влияние полярности тока на формирование свойств при плазменно-порошковой наплавке чугуна;
получены математические модели влияния режима плазменной наплавки на свойства сварного соединения;
разработан алгоритм проектирования технологии восстановления чугунных деталей сварочными процессами;
определена область параметров режима наплавки, обеспечивающая необходимое качество сварного соединения;
построены номограммы зависимости характеристик сварного соединения от технологических, параметров режима плазменной наплавки;
разработана технология восстановления втулок цилиндров судовых дизелей с кавитационным износом водоохлаждаемых поверхностей.
Практическая ценность и реализация работы. Разработаны методика определения оптимальных параметров процесса наплавки с использованием пакета MS Excel, алгоритм, позволяющий проектировать технологический процесс восстановления ответственных чугунных деталей и технология восстановления втулок цилиндров судовых дизелей с кавитационным износом водоохлаждаемых поверхностей. Определена оптимальная область химического состава и параметров режима при восстановлении деталей плазменной наплавкой сплавами на. никелевой основе. Результаты работы используются при подготовке студентов специальности 120600 «Оборудование и технология повышения износостойкости и восстановления деталей машин и аппаратов» на лабораторных и практических занятиях, в курсовом и дипломном пр оектир овании.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях МГУ им. адм. Г. И. Невельского в 2000-02 г.г., а также на региональной научно-технической конференции «Наука делает мир лучшим» в г. Владивостоке в 2003 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях и в одном учебном пособии.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основного содержания, заключения, библиографии (131 наименование) и приложений. Изложена на 175 страницах машинописного текста, включает 18 таблиц, 23 рисунка и 6 страниц приложений.
Анализ методов оптимизации параметров технологических процессов восстановления деталей наплавкой
При всех способах сварки плавлением для локального расплавления металла применяются мощные источники тепловой энергии, позволяющие вводить в ограниченный объем большое количество теплоты, создавать значительное местное повышение температуры. Это приводит, как правило, к значительному перегреву расплавляемого при сварке металла.
Высокий перегрев металла, вызываемый процессом горения дуги; выдержка жидкой ванны, регулируемая температурой предварительного подогрева и техникой сварки (скорость перемещения электрода, сварка валиками или ванным способом и т. п.); подготовка сварочных материалов и введение в состав покрытия электрода, в порошковую проволоку или керамический стержень модифицирующих добавок - все эти вопросы требуют учета при разработке технологии сварки [54].
Чугунам свойственна склонность к образованию в сварном соединении структур отбела и закалки, трещин и пор. Структура наплавленного металла определяется условиями и кинетикой его кристаллизации, которая в значительной мере зависит от условий сварки: скорости охлаждения, состояния жидкого металла и химического состава [9, 10, 15, 28, 31, 34, 35, 37, 38, 39, 45, 52, 54, 59, 67, 68, 69, 74, 101, 108, 109].
Образование хрупких структур в металле шва и ОШЗ снижает пластичность чугуна, и, следовательно, его стойкость против образования трещин. Трещины в сварном соединении могут возникать от неравномерного нагрева и охлаждения деталей, литейной усадки металла шва, жесткости свариваемого изделия. Они могут возникать не только в шве и ОШЗ, но и в других участках детали, в которых вследствие дополнительной деформации, вызываемой термическими циклами процесса сварки или локальным предварительным подогревом, возникают на 23 пряжения, превышающие предел прочности чугуна. Трещины, образующиеся при сварке чугуна, можно отнести к холодным трещинам, так как верхняя граница температурного интервала появления трещин не превышает 250-400 С. Опасность образования трещин значительно увеличивается при наличии цементита на границе сплавления и мартенсита в ОШЗ, увеличивающих величину напряжения [76].
Для получения наплавленного металла и зоны расплавления чугуна без отбе-ла необходимо прибегать к специальным технологическим мерам [52, 54, 63, 75, 76], например, применять предварительный подогрев изделия, выполнять сварку на повышенных токах, а также варьировать химический состав компонентов в присадочных материалах. Кроме того, необходимо соблюдать режимы сварки, так как от неравномерного нагрева и охлаждения деталей, литейной усадки металла шва, жесткости свариваемого изделия могут возникать трещины в сварном соединении. Они могут возникать не только в шве и ОШЗ, но и в других участках детали, в которых вследствие дополнительной деформации, вызываемой сваркой или локальным предварительным подогревом, возникают напряжения, превышающие предел прочности чугуна.
Процесс нагрева детали, охлаждения и полного затвердевания сварочной ванны связан на первом этапе с расширением нагреваемых частей, на втором - с усадкой; на обоих этапах возникает опасность образования трещин.
Чугуны всех марок обладают большой чувствительностью к резким температурным изменениям. В практической работе по исправлению чугунных изделий встречаются детали несложной конфигурации, подогрев которых не представляет больших трудностей. Другая их часть - детали сложной конфигурации, представляют определенные трудности для нагрева. При их нагреве следует учитывать, что конструктивные формы, особенно в местах сочленения стенок больших и малых толщин, резких переходов, наличия ребер и стенок различной протяженно 24 сти, становятся источниками внутренних напряжений, которые могут вызвать появление трещин в различных частях изделий.
Предварительный нагрев деталей также имеет большое значение для формирования структуры сварного соединения (наплавленного металла). По мере возрастания температуры нагрева чугуна теплопроводность его снижается. Это свойство чугуна в условиях горячей сварки обеспечивает медленную теплоотдачу сварочной ванной тепла в массу изделия, создавая тем самым благоприятные условия для образования мягкого чугуна, обладающего хорошей обрабатываемостью.
Структура чугуна при одном и том же его химическом составе в сильной степени зависит от скорости охлаждения [54, 76]. При быстром прохождении эвтектических и эвтектоидных температур процесс графитизации не успевает полностью закончиться, что может привести к выпадению свободного цементита и сохранению переходных структур (продуктов распада аустенита): мартенсита, троостита, сорбита, наличие любой из которых затрудняет механическую обработку наплавленного слоя.
Одним из показателей качества сварного соединения является твердость зоны термического влияния (ЗТВ). В связи с высокой склонностью чугуна к образованию структур закалки при ускоренном охлаждении в температурном интервале распада аустенита весьма важной является проблема образующихся структур и соответственно свойств в ЗТВ. Полное исключение мартенсита в ЗТВ возможно лишь при уменьшении скорости охлаждения металла в интервале распада аустенита до 1-2 С/с, что достигается за счет высокого предварительного подогрева свариваемого изделия в сочетании с большим тепловложением в процессе сварки. В противном случае предотвратить мартенситное превращение не представляется возможным, и меры сводятся к тому, чтобы максимально сузить участок сварного соединения со структурой закалки. Это возможно обеспечить за счет концентрации энергии сварки путем применения тонкой проволоки, а также снижения погонной энергии путем уменьшения тока и напряжения дуги с одновременным увеличением скорости сварки.
Методика выбора оптимальных значений параметров материала и факторов процесса формирования
Для применения количественных методов исследования в любой области всегда требуется какая-то математическая модель. При построении модели реальное явление (операция) неизбежно упрощается, схематизируется, и эта схема («макет» явления) описывается с помощью того или другого математического аппарата. Чем удачнее будет подобрана математическая модель, чем лучше она будет отражать характерные черты явления, тем успешнее будет исследование и полезнее вытекающие из него рекомендации.
Математическая модель должна отражать важнейшие черты явления, все существенные факторы, от которых в основном зависит успех операции [20]. Вместе с тем, модель должна быть по возможности простой [20, 26].
Для получения математической модели традиционно используется метод планирования многофакторного эксперимента с последующим вычислением коэффициентов модели с помощью регрессионного анализа [1, 26, 51, 84, 85, 100, 106, 118]. Однако в настоящее время с развитием вычислительной техники для этих целей можно использовать различные интегрированные пакеты, например MS Excel [66, 98].
В пакете MS Excel аппроксимация экспериментальных данных осуществляется путем построения их графика с последующим подбором подходящей аппроксимирующей функции (линии тренда) [98]. Возможны следующие варианты функций: 1. Линейная - у = ах + Ь. 2. Полиномиальная - у = а0 + а}х + а2х 2 +... + апх", где, до шестого порядка включительно ( п 6), Qi- константы. 3. Логарифмическая - y = alnx + b, где а и Ъ - константы, In - функция натурального логарифма. 4. Степенная - у = Ъх а, где а и Ъ - константы. 5. Экспоненциальная - у = be, где аи b - константы, е - основание натурального логарифма.
Степень близости аппроксимации экспериментальных данных выбранной функцией оценивается коэффициентом детерминации (R2). Если есть несколько подходящих вариантов типов аппроксимирующих функций, можно выбрать функцию с большим коэффициентом детерминации (стремящимся к 1).
После построения адекватных математических моделей исследуемого процесса приступают к решению экстремальной задачи (или, другими словами, задачи оптимизации) [1, 26, 51 и др.].
Существует большое количество методов решения экстремальных задач, которые можно разделить на методы минимизации функций одной переменной и методы минимизации функций многих переменных. Так как задачи оптимизации технологических процессов являются многокритериальными [24, 25, 27, 71], зависящими от определенного числа переменных, то остановимся более подробно на второй группе методов.
Решение задачи нахождения оптимальной области параметров режима технологической операции осуществляется в два этапа: 1) поисковых движений к области экстремума; 2) уточнения расположения экстремальной точки либо с помощью дополнительных поисковых опытов, либо с помощью математической модели охватывающей область экстремума, причем модель эта получается иногда с помощью специально организованных опытов (например, пошаговое движение или добавление определенного количества звездных и нулевых точек к ранее выполненным опытам по методике полного или дробного факторного эксперимента). Поисковые методы определения экстремума при активном эксперименте делятся на классические и факторные.
Среди классических методов поиска оптимальной области наиболее старым является метод Гаусса-Зейделя, при котором все факторы, кроме одного поочередно фиксируются, т. е. эксперимент проводится по схеме однофактор-ного эксперимента. Данный метод требует большого количества опытов.
Применение градиентных методов позволяет быстрее отыскать область экстремума. Широкое распространение получил метод крутого восхождения. Основная идея этого метода заключается в том, что на начальном этапе, на основании полного или дробного факторного эксперимента получают простые линейные модели в качестве приближенного описания некоторой части функции отклика (далекой от экстремума). Коэффициенты модели пропорциональны проекциям вектор-градиента и позволяют оценить само направление градиента, т. е. направление самого крутого склона поверхности отклика. Затем вдоль этого направления совершается постепенное пошаговое движение к области экстремума. При достижении области экстремума проводится ее исследование. Для этой цели строятся планы более высокого порядка, так как поверхность отклика вблизи экстремума обычно плохо аппроксимируется гиперплоскостью, и используются центральные композиционные и ротатабельные планы второго порядка.
При оптимизации технологических процессов часто возникает необходимость в одновременном рассмотрении нескольких параметров оптимизации. В таких случаях решают компромиссные задачи, т. е. находят условный экстремум для одной поверхности отклика, при ограничениях, налагаемых одной или несколькими другими поверхностями откликов.
Если модели для всех параметров оптимизации — линейные функции, то для решения компромиссной задачи можно пользоваться методами линейного программирования [97]. Однако при решении задач оптимизации технологического процесса модели для параметров оптимизации часто представлены нелинейными функциями. fr В этих случаях компромиссные задачи можно решать двумя способами - графоаналитическим и аналитическим. Первый способ, основанный на анализе совмещенных функций откликов, прост и отличается большой наглядностью [71, 103,104] (рис. 3).
При изменении факторов от +1 до -1 значения функций Yt =/(х) образуют многоугольную фигуру - область D (рис. 3) изменений параметров материала поверхностного слоя от факторов процесса формирования.
Планирование экспериментов влияния параметров режима плазменной наплавки чугуна на качество сварного соединения
Определим компоненты вектора Q и чисел Aj в случае решения основной задачи линейного программирования модифицированным симплекс-методом.
Если для задачи линейного программирования, записанной в форме основной задачи, найден опорный план, который определяется базисом, образованным векторами Р: , Р: , ..., Р: , то, следовательно, известна матрица В, для ко торой можно найти обратную матрицу В 1. Дальнейшее вычисление удобнее вести, если их результаты оформлять в виде таблиц. В этом случае при переходе от одной так называемой основной таблицы к другой используется вспомогательная таблица.
Вспомогательная таблица (табл. 3) отличается от обычной симплекс-таблицы тем, что в ней содержатся дополнительные столбцы и строки, в которых соответственно записывают координаты векторов /2 и значения А} , получаемые в процессе нахождения решения задачи. Основная таблица (табл. 4) отличается от обычной симплекс-таблицы, во-первых, ТЄМ, ЧТО ВМеСТО СТОЛбцОВ Векторов Pj С СООТВеТСТВуЮЩИМИ ЧИСЛамИ Cj записывают столбцы векторов Ah координатами которых являются соответствующие столбцы матрицы В 1; во-вторых, в (т+1)-н строке записывают компоненты векторов Д а не числа А/, в-третьих, табл. 4 имеет один дополнительный столбец, в первых т строках которого записывают координаты вектора Ps в базисе Ptj, Pt , ..., Pj и который было бы целесообразно включить в базис на следующей итерации. Таблица З Чтобы определить вектор Ps, сначала находят вектор ЛРК Его компоненты определяют как скалярное произведение вектора Сб на соответствующие векторы Aj, т. е. по формуле (27). Найденные компоненты вектора /2 записывают в последней строке табл. 4 и в столбце jOf]) табл. 3. После этого по формуле (28) находят элементы (т+1)-й строки вспомогательной таблицы. Если среди найденных чисел (т+1)-й строки вспомогательной таблицы нет отрицательных, то исходный опорный план является оптимальным. Если же отрицательные числа есть, то либо задача не имеет решения, либо можно перейти к новому опорному плану, при котором значение целевой функции не уменьшится. Для выяснения этого выбирают среди отрицательных чисел (т+1)-& строки табл. 3 наибольшее по абсолютной величине. В том случае, когда таких чисел несколько, берут какое-нибудь одно. Пусть этим числом является АР. Тогда последний столбец табл. 4 отводят для вектора Ps. В первых т строках этого столбца записывают компоненты вектора Ps в базисе Pt , РІ2, ..., Ріт . Они получаются в результате умножения матрицы В 1, записанной в табл. 4, на вектор Ps, компоненты которого указаны в табл. 3. После определения чисел xi]S, xi2S, ..., х{ s выясняют, имеются ли среди них положительные или нет. Если таких чисел нет, то задача не имеет решения. Если же положительные числа имеются, то переходят к новому опорному плану задачи. Для этого находят min \ к / . Пусть
Тогда новый опорный план определяется базисом, получаемым из исходного исключением из него вектора Pt и введением вместо него вектора Ps. Считая элемент х( s разрешающим, а r-ю строку и столбец вектора Ps направляющими, переходят к новой основной таблице. Первые т строк столбцов векторов Р0, А],А2, ...,Ат новой таблицы находят по известным правилам перехода от одной симплекс-таблицы к другой. После того как эти элементы определены, находят вектор Компоненты этого вектора записы вают как в новой основной таблице, так и во вспомогательной таблице (табл. 3). Затем вычисляют числа А? и проверяют новый опорный план на оптимальность. Если план не оптимален, то либо устанавливают неразрешимость исходной задачи, либо переходят к новому опорному плану. Продолжая итерационный процесс, после конечного числа шагов либо находят оптимальный план задачи, либо устанавливают ее неразрешимость.
Таким образом, процесс нахождения решения задачи модифицированным симплекс-методом включает следующие этапы [2]: 1. Находят опорный план задачи. 2. Вычисляют матрицу В1, обратную матрице В, составленной из компонентов векторов исходного базиса. 3. Находят вектор Q = СбВ _/. 4. Вычисляют числа А = /2Р - Cj. Если все Aj не отрицательны, то исследуемый опорный план является оптимальным. Если среди чисел Aj имеются отрицательные, то выбирают среди них наибольшее по абсолютной величине. 5. Вычисляют компоненты вектора Ps в исходном базисе. Если среди компонент вектора Ps нет положительных, то целевая функция задачи не ограничена на множестве планов. Если же среди компонент вектора Ps имеются положительные, то переходят к новому опорному плану. 6. По правилам симплекс-метода находят разрешающую строку и вычисляют положительные компоненты нового опорного плана, а также матрицу В , обратную матрице В, составленной из компонент векторов нового базиса. 7. Проверяют новый опорный план на оптимальность и в случае необходимости проводят вычисление, начиная с этапа 3.
Рассмотренный симплекс-метод применим лишь для решения задач линейного программирования. Если же модели технологических процессов представлены нелинейными функциями, то применение методов линеаризации [97] позволяет решать их методами линейного программирования. При математическом решении предполагается, что исходные данные задачи линейного программирования известны точно и все промежуточные вычисления проводятся без погрешностей. Однако на практике исходные данные задаются неточно, промежуточные вычисления проводятся с округлениями, и применение симплекс-метода или других методов в конкретных задачах может привести к большим погрешностям, и, соответственно, к неверным выводам. Поэтому существуют и другие методы минимизации функций конечного числа переменных, не предполагающих линейности рассматриваемых задач (см. п. 1.3).
Разработка математических моделей влияния режима сварки и наплавки на свойства сварного соединения
Основными критериями для сравнительной оценки качества формирования сварного соединения были приняты: - наличие дефектов в наплавленном металле (макро- и микропоры, трещины); - непровар корня шва и несплавление металла шва с чугуном; - площадь, занятая ледебуритом в зоне сплавления. Параметры режима, которые во всех опытах оставались неизменными: сварочный ток 135 А, скорость сварки 1,2-10"3 м/с; расход плазмообразующего газа 5 л/мин, расход транспортирующего газа 2 л/мин, расход защитного газа 10 л/мин, расход порошка 2 кг/ч, диаметр сопла 9 мм, расстояние от торца плазмотрона до детали 5 мм. В опытах изменяли полярность тока и угол разделки от 55 до 75. Наплавку в разделку проводили с применением порошка ПГ-ЮН-04.
При наплавке на данном режиме трещин и микротрещин в наплавленном металле не образуется как на прямой, так и обратной полярности [59]. Макропоры наблюдаются только при наплавке на прямой полярности. Микропоры образуются во всех случаях наплавки, однако при применении тока обратной полярности их значительно меньше, чем при прямой полярности.
При плазменной наплавке на обратной полярности благодаря эффекту катодной зачистки непровар корня шва наблюдается значительно реже и меньше по размерам при углах разделки кромок в интервале 55-70. При наплавке на прямой полярности половина образцов имела несплавление металла шва с чу 127 гуном на длине до 5 мм преимущественно в районе корня шва. Увеличение угла разделки кромок до 75 приводит к уменьшению количества дефектов в наплавленном металле, как на прямой, так и обратной полярности, а также к устранению непровара корня шва.
Наплавка второго валика приводит к образованию трещины по границе сплавления [59] при наличии непровара корня шва после наплавки первого валика.
При сварке на прямой полярности ледебурита образуется в виде непрерывной или прерывистой полосы вдоль границы сплавления шириной от 0,06 до 0,16 мм. Площадь, занятая ледебуритом на темплетах, колеблется в пределах 0,6-0,8 мм2.
При наплавке на обратной полярности ледебуритные участки образуются, как правило, в верхней части образца у кромок разделки. Площадь, занятая ле-дебуритом, колеблется в пределах 0,06-0,32 мм .
Увеличение угла разделки кромок позволяет уменьшить площадь ледебу-ритных участков, как при сварке на прямой, так и обратной полярности.
Ширина зоны термического влияния не зависит от полярности тока и находится в пределах 1,4-1,8 мм. Структура наплавленного металла не зависит от полярности тока и представляет собой у + эвт(а + Ni3B) , где у- твердый раствор Fe и Si в Ni; а - твердый раствор Si и Ni в Fe. Структура зоны сплавления не зависит от полярности и представляет собой Л + ГТ +Т +Ци + Лост +М + а + эвт(у + Fe2B) , где Л - ледебурит; ГТ - графит точечный; Т - троостйт; Цп - цементит вторичный; Аост — аустенит остаточный; М- мартенсит.
Прочность сварных образцов (см. рис. 9) определяется качеством зоны сплавления (наличием несплавления по границе шва). При отсутствии несплавления прочность сварного соединения определяется прочностью основного металла. При сварке чугуна марки СЧ25 предел прочности плоских образцов находится в пределах 124-184 МПа (в среднем 142 МПа). Разрушение образцов происходит по чугуну вне зоны термического влияния.
Таким образом, сварка порошком ПГ-10Н-04 в разделку глубиной до 6 мм и угле разделки не менее 75 позволяет получить высококачественное сварное соединение на уровне прочности основного металла. Применение обратной полярности позволяет получить сварное соединение с меньшим количеством дефектов в наплавленном металле и меньшей шириной и площадью ледебурита в зоне сплавления.
Увеличение угла разделки кромок с 55 до 75 позволяет уменьшить количество дефектов в наплавленном металле и размеры ледебуритных участков в зоне сплавления, устранить непровар корня шва.
Исследований по влиянию параметров режима при плазменной наплавке чугуна на геометрические и металлографические характеристики сварного соединения в литературе недостаточно. Однако известно о влиянии параметров режима плазменной наплавки с токоведущей присадочной проволокой на основные технологические свойства сварного соединения. Отсутствие зависимостей влияния основных параметров режима плазменной порошковой наплавки чугуна на параметры оптимизации (геометрические размеры шва, металлографические особенности и т. д.) затрудняют разработку и внедрение данной технологии для восстановления чугунных деталей.
Средством решения задачи выбора рационального режима наплавки является создание моделей, устанавливающих взаимосвязь между принятыми показателями качества и параметрами режима.
Для определения влияния параметров процесса на качество наплавленного металла и соединения его с чугуном были разработаны критерии оценки качества в баллах, в зависимости от количества и значимости дефектов (табл. 12).
