автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии наплавки изделий из сплавов алюминия

На правах рукописи

РГБ ОД

МАТЯГИН ВЛАДИМИР ФЕДОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАПЛАВКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СПЛАВОВ АЛЮМИНИЯ

Специальность 05.03.06 - Технология и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степепи кандидата технических наук

Тольятти 2000

Работа выполнена в Тольяттинском политехническом институте.

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Столбов В.И.;

кандидат технических наук, доцент Ельцов В.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Сидоров В.П.;

г.лндидат технических наук Фильченков Д.И.

Ведущая организация: ОАО "АвтоВазТранс", г. Тольятти.

Защита состоится 30 июня 2000 г. в 15.00 часов в актовом зале корпуса НИС на заседании диссертационного Совета К.064.43.01 в Тольяттинском политехническом институте по адресу: 445667, Тольятти, ул. Белорусская, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТолПИ.

Просим Вас принять участие в обсуждении работы и направить Ваши отзывы на автореферат по указанному адресу.

Автореферат разослан ¿уу" ссс^сОгш г.

Ученый секретарь /V/

диссертационного совета

К644- У а* п

Краснопевцев А.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Требования современного рынка к продукции машиностроения с каждым днём возрастают, в связи с этим возникает необходимость в разработке новых технологий в использовании новьгх материалов для улучшения эксплуатационных характеристик, а следовательно и конкурентноспособности машин и механизмов. В частности, одно из решений проблемы повышения эксплуатационных характеристик деталей машин является внедрение новых легковесных материалов, удовлетворяющих при этом технологическим и механическим требованиям. К таким материалам относят алюминий, магний и их сплавы.

Производство деталей из этих сплавов сопряжено со значительными трудностями из-за сильной окисляемости. Изделия различных назначений, различных конфигураций и размеров, с толщиной стенки от 2 до 40 мм из этих сплавов изготавливают методом литья. Основными причинами брака при изготовлении может быть попадание внутрь металла окисной плёнки, что вызывает появление несплошностей, образование рыхлот, а также трещины, причиной которых является значительная величина объёмной усадки.

При эксплуатации деталей, в узлах машин и механизмов, выполненных из лёгких сплавов, происходит их изнашивание и при достижении критического износа детали подлежат замене.

В виду того, что алюминий, магний и их сплавы достаточно дорогостоящие металлы, детали из них имеют высокую стоимость, а переплавка бракованных и изношенных деталей требует больших капиталовложений и энергозатрат. Возникает необходимость разработки технологии позволяющей эффективно производить ремонтно-восстановительные работы деталей, изготовленных из алюминиевых сплавов.

Целью работы является повышение эффективности ремонтно-восстано-вительных работ и качества наплавляемого слоя, за счет снижения уровня остаточных деформаций в ремонтируемом изделии.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать характер температурного поля при наплавке алюминиевых изделий по различным технологиям.

2. Решить вопрос минимизации термического воздействия на основной металл.

3. Разработать технологию наплавки изделий из легких сплавов трехфазной дугой, обеспечивающую минимальную деформацию восстанавливаемого изделия.

4. Исследовать свойства наплавленных изделий.

Работа выполнялась в лабораториях Тольяттинского политехнического института и включает в себя комплекс экспериментальных и теоретических

исследований. В работе использованы как общепринятые, так и разработанные специальные методики для расчетов и исследований сварочных процессов трехфазной дуговой сварки, металлографические исследования сварного шва и околошовной зоны, измерения продольных и угловых деформаций, механические испытания сварного шва и околошовной зоны, механические испытания сварных соединений на статический срез и загиб.

Расчет количества теплоты, необходимой для получения минимальной глубины проплавления, проводился с использованием аналитических методов решения линейных дифференциальных уравнений. Все расчеты и обработка экспериментальных данных проводились с использованием вычислительной техники.

Научная новизна

1. Выявлены технологические возможности эффекта разделения теплового потока трехфазной дуги на газокинетическую и электродинамическую составляющие для изменения глубины проплавления основного металла при наплавке.

2. Предложен механизм перераспределения части электродинамической составляющей между основным металлом и присадочной проволокой.

3. Установлена необходимая мощность воздействия на проволоку электродинамической составляющей, при которой обеспечивается минимальная деформация металла при наплавке без нарушения качественного формирования соединения.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

- предложена математическая модель теплового действия дуги, позволяющая решать задачи оптимизации параметров режима наплавки для получения минимальной деформации металла;

- создана технология восстановления и ремонта длинномерных и локальных поверхностей изношенных деталей из алюминиевых сплавов трехфазной дугой с присадочной проволокой, подключенной в цепь источника питания дуги.

Основные положения,, выносимые на защиту

1. Теоретические обоснования необходимости проведения рсмонтно-вос-становительной наплавки изношенных алюминиевых деталей.

2. Особенности различных технологий и моделей теплового действия дуги от различных источников тепла, способствующих уменьшению термического воздействия на основной металл при ремонтно-восстановительной наплавке.

3. Влияние основных параметров процесса наплавки на глубину проплавления и расчет необходимой мощности электродинамической составляющей трехфазной дуги для получения минимальной деформации без нарушения качественного формирования шва.

4. Особенности формирования шва при наплавке трехфазной дугой с присадочной проволокой, включенной в среднюю фазу источника питания, основные факторы, определяющие количественные и качественные характеристики наплав ленного слоя.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

- на IV Всесоюзной конференции по сварке цветных металлов - Мариуполь, 1990 г.;

- на IV Украинской республиканской научно-технической конференции -Харьков, 1990 г.;

- ежегодных научно-технических конференциях на кафедрах "ОТСП" и "ВДМ" Тольяттинского политехнического института.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 научных статей, получено два авторских свидетельства:

1. Авторское свидетельство.

2. Авторское свидетельство.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 150 страниц, в том числе 51 рисунок, 14 таблиц, список литературы (88 наименований).

В приложении приведена программа расчета мощности для расплавления основного и присадочного материала при ремонтной наплавке алюминиевых сплавов трехфазной дугой с присадочной проволокой, подключенной в среднюю фазу источника питания.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность выполненной работы, сформулирована цель работы и задачи, которые решались для ее достижения. Отмечена новизна полученных результатов, их научная и практическая ценность.

В первой главе "Анализ современного состояния ремонтно-восстановитель-ной наплавки изделий из алюминиевых сплавов" проведен обзор литературы. Установлено, что все восстанавливаемые алюминиевые сплавы обладают высокими механическими свойствами при малой плотности, большой удельной прочностью, высокими тепло и электропроводностью, стойкостью против коррозии и хорошими технологическими свойствами.

Высоких механических свойств достигают введением в алюминиевые сплавы легирующих компонентов (Mg, Си, Mn, Ni, Zn, Сг и др.), которые влияют на их ремотно-восстановительную способность. Освещено влияние легирую-

5

щих элементов, входящих в состав алюминия на трещинообразование, снижение коррозионной стойкости и снижения других физико-механических свойств материала после ремонта. Для снижения отрицательных последствий влияния легирующих элементов на сварочную ванну, во время наплавки в нее добавляют в небольшом количестве титан, цирконий, кадмий, ванадий, что способствует измельчению структуры, значительно снижает склонность сплавов к трещинообразованию при сварке и наплавке. Отмечено, что влияние легирующих элементов на механические свойства алюминиевых сплавов неоднозначно. Наряду с повышением механических свойств они значительно усложняют процесс сварки и наплавки. Существенное влияние на свойства наплавленного слоя оказывает способ нанесения слоя (сварка, наплавка, напыление) и состав присадочного материала.

При ремонтно-восстановительной сварке плавлением изделий из алюминия и его сплавов, возникают трудности, характерные для цветных металлов, которые усугубляются особенностями, присущими алюминию. Такими специфическими особенностями алюминия в процессе получения сварочного соединения являются:

- высокое химическое сродство к кислороду;

- повышенная склонность металла к образованию пор;

- пониженная стойкость к образованию кристаллизационных трещин;

- резкое понижение механических свойств металла в области, близкой к температуре плавления;

- кратковременность пластического состояния при переходе алюминия из твердой фазы в жидкую и наоборот;

- высокие тепло- и электропроводность.

Разработка конкретных приемов повышения производительности и качества ремонтной сварки изделий из алюминиевых сплавов проланализирова-на в различных работах.

Во многих случаях, повышение производительности процесса наплавки связано, в основном, с увеличением концентрации тепла на единицу объема расплавленного металла, несмотря на то, что температура плавления сплава сравнительно низка (660 °С). Высокий коэффициент теплового расширения вызывает значительные деформации и коробление ремонтируемой детали в целом.

Обосновано влияние термического воздействия сварочной дуги на пористость шва, влияния процесса ремонтной наплавки на снижение механических и эксплуатационных свойств детали из-за возникновения остаточных деформаций. Отмечено, что применение присадочной проволоки при наплавке в значительной степени захолаживает сварочную ванну, что приводит к повышению параметров режима наплавки, а это в свою очередь увеличивает термическое воздействие на зону ремонта. Для уменьшения отрицательного воздействия присадочной проволоки, в работе рассмотрены варианты ее

подогрева. Проанализирован механизм образования деформаций, возникающих от термического воздействия дуги на основной металл, и причины, приводящие к образованию деформаций в зоне ремонта. Отмечено, что приемы устранения напряжений и деформаций весьма многообразны, хотя в основе их лежат одни и те же принципы. Если Исходить из механизма процесса, лежащего в основе того или иного метода уменьшения сварочных напряжений и деформаций, их можно разделить на три возможных принципа:

1. Уменьшение пластической деформации при нагреве и уменьшение объема металла, участвующего в пластической деформации, которое достигается путем регулирования термического воздействия на металл (предварительный подогрев, уменьшение количества сварных швов и погонной энергии сварки, путем искусственного охлаждения).

2. Уменьшением объема остаточной пластической деформации укорочения в стадии нагрева и охлаждения, путем пластической деформации удлинения проковкой, прокаткой, растяжением, жестким закреплением в приспособлениях, высоким отпуском.

3. Компенсацией возникающих деформаций путем создания предварительных обратных деформаций, рациональной последовательности сборки и сварки.

Определены задачи, которые необходимо решить в работе.

Во второй главе "Исследование характера температурного поля в зоне ремонта" проведено исследование температурных полей, возникающих в зоне ремонта, по ранее известным технологиям ремонта деталей из алюминиевых сплавов. С целью выбора способа ремонтной сварки и оптимальных режимов, определяли характеристики термических циклов при наплавке валика на металл локальными швами, пульсирующим тепловложением и с механизмом регулирования мощности дуги в процессе наплавки. Сущность способа ремонтной сварки локальными швами заключается в наложении на ремонтируемый участок отдельных швов для создания минимальной зоны разогрева ремонтируемого участка, с целью уменьшения деформаций и последующим замедленным охлаждением каждого шва и для уменьшения усадочных сил.

Пульсирующее тепловложение, широко распространено при сварке или наплавке длиномерных швов. Особенностью таких способов сварки является поочередное включение и выключение сварочной дуги, в процессе выполнения шва, позволяющее получить минимальную погонную энергию, с целью уменьшения величины продольного и поперечного укорочения шва.

Метод наплавки с регулируемым изменением мощности дуги по заданному закону обеспечивает требуемое изменение температуры в заданной точке в процессе наплавки и спада сварочного тока.

Все процессы ремонтной наплавки характеризуются достаточно высокой температурой в зоне ремонта и, следовательно, вызывают значительные деформации.

Основы расчётов температурных полей при сварке заложены H.H. Рыка-линым. Им же были предложены модели теплового действия дуги в виде сосредоточенного, либо распределённого по нормальному закону источника тепла.

Нормально круговой источник тепла даёт по сравнению со сосредоточенным более близкое к действительности описание температурной ситуации в изделии в зоне сварки.

Дальнейшей тенденцией развития методов расчета температурных полей являлось повышение точности учёта различного рода эффектов, имеющих место при распределении тепла в изделии в зависимости от: физических свойств материала, температуры, поглощения и выделения скрытой теплоты плавления, конвекции в расплаве и др. Базой для таких методов стало прямое численное решение нелинейного уравнения теплопроводности. Отклонение реальных температурных полей от расчётных часто приписывают влиянию конвенции расплавленного металла, строгий и корректный учёт которой пока не проводился, из-за сложности и мало изученности движения расплава в сварочной ванне. Эти особенности имеют место при сварке металлов с высокой температуропроводностью, для которых теплопередача осуществляется в основном теплопроводностью, а не конвекцией.

В реальных условиях, нормальный закон распределения является весьма грубым приближением для описания плотности потока тепла от дуги к изделию и согласно сложившимся представлениям, тепло металлу передаётся, главным образом, в пределах активного пятна тока дуги, распределение плотности которого близко к нормальному.

Для уменьшения термического воздействия дуги на основной металл был использован известный эффект разделения сварочной дуги на два источника теплоты, двигающихся друг за другом (рис. 1).

Первый источник представляет газо-кинетичссую составляющую и распределен по нормальному закону, второй источник представляет электродинамическую составляющую, также распределен по нормальному закону, но имеет на порядок выше степень концентрации тепловой энергии и влияет на глубину проплавления. Температура в любой точке нагреваемого тела равна сумме температур от каждого из источников и определяется по формулам Рыкалина:

- для слоя

Т = Tj + Г2;

(1)

Q »л » ^J./ы+а+д)-

|Мдг-УА4^,)1 ь 1

где () - мощность дуги, передаваемая изделию;

Я, а - коэффициенты тепло и температуропроводности;

Д - доля мощности, вводимая в изделие нагретым газом;

коэффициенты сосредоточенности, тепловых потоков газа и тока соответственно;

V - скорость сварки;

Ь - расстояние между источниками тепла ()т п ()г; Ь - коэффициент поверхностной теплоотдачи.

■Г1 Л;

/(Р, £.-)= |СХР

о

Р\ = {х-У/{АаКТ1)? + Уг\кТ1\ р2 = {х + Ь-У/(4аКТ2)У + У2}■ КТ2;

■е

ГУ[Х-У/(4 дДГ„)] Ь |

"" VI, ЧУ ' *■

У(х*ь)

2 а 4 аКг1

г

•/(р1т1)+2-(1-/г>

■К,

\\

4 а2 а

где К() - модифицированная функция Бесселя.

(3)

Для уменьшения силового действия на основной металл, предложено перераспределить тепловую мощность электродинамической составляющей между основным металлом и присадочной проволокой, путем включения присадочной проволоки в среднюю фазу источника питания сварочной дуги, вместо изделия (рис. 2).

/ /

1 - тепловой поток от нагретого газа = ■ ехр(- кТ1 -г2);

2 - тепловой поток дуги в активном пятне qт = ■ ехр(- кТ2 ■ г ), кТ1» кп;

3 - изотерма Ты.

Рис. 1

ЛВС

1 - изделие (А1, Mg и их сплавы);

2 - трехфазная горелка;

3 - присадочная проволока.

Такая схема включения должна обеспечивать процессу наплавки определенные преимущества и, вероятно, создавать какие-то отрицательные факторы, снижающие эффективность способа. Очевидно, что при такой схеме наплавки ускорится плавление присадочной проволоки, и тепловая энергия дуги перерас-пределится. Однако для более полного изучения процесса наплавки трехфазной дугой с подключенной присадочной проволокой, необходимо создать тепловую модель процесса наплавки и исследовать влияние параметров на формирование шва.

При расчете вводимого в изделие количества теплоты, обеспечивающего минимальную глубину проплавления, использовалась математическая модель теплового действия дуги, которая предназначена для вычисления температуры в любой точке детали при наплавке от двух движущихся друг за другом источников тепла. Подача присадочной проволоки моделируется в данной математической модели, как фиктивный отрицательный источник теплоты, так как часть тепловой энергии электроди-намической составляющей воздействует на проволоку, а не на основной металл. Температура в любой точке будет определяться:

Т = Т1+Т2-Т}; (4)

л=/

Тх {х, у, г)= (*> + 2рп), (5)

где у' - температура в точке (х, у, г) полубесконечного тела обладающего температуропроводностью А и теплопроводностью С от поверхностного источника тепла мощностью <3, распределенного по нормальному круговому закону:

0 —

$ = е 4оГ ; (6)

АпАТ К '

Т2 - температура от точечного источника тепла, которая определяется:

п~1

Т2 (х, у, г) = (*, у, г + 2Рп\ (7)

п=-1

где

<2, (УХ УЯ

Г=^_ехй -

2лСЯ 2А 2А

(22- тепловая мощность точечного источника.

Т3 - температура фиктивного источника тепла.

Т3 = 3,14 • И2/4 ■ Уя1я ■ V • [С • (Т„ - Т0)+ Я], (8)

где К - скорость подачи проволоки; ■'

£> - диаметр проволоки; С - коэффициент теплопроводности; Н - скрытая теплота плавления; Т^- температура плавления; Тд - начальная температура; V - коэффициент температуропроводности. При определении количества теплоты принимались во внимание влияние основных параметров на размеры зоны проплавления, зависящие от безразмерных комплексов мощности, скорости сварки, глубины проплавления и сосредоточенности теплового потока.

Предложенная математическая модель позволяет определить область параметров режима наплавки трехфазной дугой с присадочной проволокой, подключенной к средней фазе источника питания, с обеспечением минимальной глубины проплавления основного металла (рис. 3).

б ,мм 10 8 б 4

\ч > .У

N

А V] ^ N м

у ^ N у

А ^ X

А N V >>

.г^ < 0 V

80

100

120

140

1(50

Ус*

^пр= 2 мм

ч, V А '/1 *

< А / 9 \

Ч Л у. А V

V а.: л О А Л

ч X А А

А 'у

V А / А \

V у, О А А л

32 34 36 ... ,

Уп/пр

В третьей главе "Исследование процесса наплавки и свойств сварочных соединений" описаны методики, по которым проводились исследования. Исследования формирования шва проводились на модернизированной сварочной установке УДГТ-315, разработанной в Тольяттинском политехническом институте.

Для определения количественных и качественных характеристик и их влияния на качественное формирование шва, способа наплавки с присадочной проволокой, подключенной в трёхфазную электрическую цепь питания дуги, проводили по следующим методикам:

— Исследования формирования шва по предложенной схеме с помощью трёхфазного источника питания типа УДГТ-315 и двухэлектродной горелки РГТ-6.

Для сравнения результатов, на таких же режимах проводили наплавку традиционным способом трёхфазной дугой. Наплавку вели на стенде с перемещающимся столом равной заданной скорости сварки, с автоматической подачей присадочной проволоки в зону сварки, с возможностью плавного изменения скорости от 10 до 90 м/ч.

— Исследование тепловых процессов наплавки.

Расчётно-экспериментальный метод оценки температурных полей предусматривает параллельно с разработкой расчётной схемы, проведение экспериментальных измерений, для выявления сходимости теоретических и экспериментальных кривых измерения температур в интересующем температурном интервале при соответствующем выборе теплофизических характеристик материала. Измерение температуры в зоне сварки осуществляли с помощью термопар, а контроль параметров режима сварки - с помощью регистрирующих приборов.

— Исследование деформационных изменений при наплавке.

Для экспериментального определения сварочных деформаций и напряжений наибольшее распро-странение получили методы с частичным или полным разрушением детали и методы, когда исследуемая конструкция остаётся неповреждённой.

В сварном соединении в зависимости от отношения его размеров, в плане, к толщине, могут быть линейное, плоское и объёмное напряжённые состояния.

Следовательно, для определения компонентов напряжённого состояния необходимо знать соответствующие упругие деформации. При исследовании напряжённо-деформированного состояния сварных соединений оценивают главным образом нормальные напряжения, которые обычно имеют малую величину. Экспериментальное определение напряжений сводится к нахождению упругих деформаций £х, £у,£Т.

— Определение количественных характеристик по предложенному способу сводились к металлографическим и механическим исследованиям образцов.

Экспериментально подтвердилось уменьшение термического воздействия дуги на основной метали при наплавке трехфазной дугой с подключенной присадочной проволокой, по сравнению с аналогичным способом без подключения присадочной проволоки на 20%. В результате экспериментов установили, что при наплавке предложенным способом через присадку протекает сварочный ток, составляющий 40-60% тока в третьей фазе. В этом случае дуга горит на сварочную ванну и присадочную проволоку, что способствует более быстрому разрушению оксидной пленки и интенсивному расплавлению присадки (рис. 4).

Рис.4

В процессе наплавки по мере необходимости конец присадочной прово локи можно выводить из сварочной ванны, тем самым, прекращая горенш основной дуги. Таким образом, с высоким быстродействием можно ре гули ровать тепловложение в изделие для предотвращения прожогов. Учитываз то, что постоянно горит межэлектродная дуга, которая поддерживает в иони зированном состоянии промежуток между электродами и изделием, ток в сред ней фазе можно регулировать балластным сопротивлением в большом диа пазоне от малых величин (6 А) до номинального без нарушения устойчивое ти горения основной дуги. При этом ток в электродах не изменяется. Предаю женный способ можно реализовать как при ручной, так и автоматическо] наплавке любых доступных поверхностей.

Металлографическое исследование наплавленного слоя показало уменьшение глубины проплавления в два раза и увеличение коэффициента наплавки в два раза (рис. 5).

х 5

Рис. 5

Измерения деформаций показали, что продольные деформации уменьшились на 40% (рис. 6), а угловые на 60% (рис. 7) без снижения прочностных характеристик.

Шов

1.Традиционный

2. Предлагаемый

3.Расчетная деформация, по методике С.А. Кузьминова

Все исследования проводились на образцах из сплава 1201 толщиной 5 мм, плакированных чистым алюминием с применением присадочной проволоки из сплава АДО диаметром 2 мм.

Проведенные исследования позволили дать рекомендации по разработке технологий ремонтной наплавки изделий из легких сплавов.

3,5

Рн=13,2мм

¡¡=7° 30'

5,5

К, =24,8 мы1

(3=3° 40'

а) деформация при наплавке традиционным способом;

б) деформация при наплавке предлагаемым способом.

Рис.7

В четвертой главе "Разработка технологии наплавки изделий из алюминиевых сплавов" предложены разработанные технологии ремонта наплавки посадочных мест распредвала головки блока судового двигателя, изготовленного из сплава АЛ-9 и ремонта локального участка головки блока автомобиля, изготовленного из сплава А1-25.

В заключении обобщены основные результаты диссертационной работы: в соответствии с целью и задачами, поставленными при выполнении данной работы, проведены исследования и получены следующие результаты:

1. Известные ремонтно-восстановительные способы наплавки не позволяют уменьшить термическое воздействие на основной металл без нарушения качества сварного соединения.

2. Установлено, что перераспределение части тепла от электродинамической составляющей теплового потока дуги на присадочную проволоку позволяет уменьшить тепловое и силовое воздействие дуги на основной металл.

3. Предложена математическая модель теплового действия дуги при наплавке изделий с подачей присадочной проволоки, включенной в цепь питания сварочной дуги, которая позволяет рассчитать необходимое количество теплоты, вводимое в изделие, которое обеспечивает минимальную глубину проплавления основного металла.

4. Установлено, что глубина проплавления основного металла при наплавке по предложенному способу уменьшается в 2 раза, угловые деформации на 60%, продольные деформации на 40%, разупрочнение пша на 6 ед. по сравнению со способом наплавки без перераспределения теплового потока.

5. Разработана технология наплавки изношенных деталей из алюминиевых сплавов трехфазной дугой с присадочной проволокой, подключенной к средней фазе источника питания, для длинномерных и локальных участков детали, которые позволяют снизить остаточные деформации на 40-60%.

Основные публикации по теме диссертации

1. Ельцов В.В., Олейник И.А., Матягин В.Ф. Регулирование скорости охлаждения зоны термического влияния при заварке дефектов изделий. // Тезисы докладов: Научно-техническая конференция. - Ижевск - 1989. С.60.

2. Ельцов В.В., Олейник И. А., Матягин В.Ф. Особенности ремонтной сварки изделий из магниевых сплавов трехфазной дугой в повторно-кратковременном режиме // Сварочное производство. 1989. № 6. С.26.

3. Ельцов В.В., Олейник И.А., Матягин В.Ф. Ремонт изделий из легких сплавов трехфазной аргонодуговой сваркой // IV Всесоюзная н/т конференция по сварке цветных металлов. - Мариуполь. 1990. С.80.

4. Столбов В.И., Ельцов В.В., Олейник И.А., Матягин В.Ф. Влияние характера процессов на трещинообразования при сварке дефектов изделий // Сварочное производство. 1990. № 5. С. 10-12.

5. Авторское свидетельство № 1701454 от 01.09.91 г., Ельцов В.В., Олейник И.А., Матягин В.Ф. // Способ ремонта отливок из сплавов, склонных к трещинообразованию. Бюл. № 48, 1991.

6. Ельцов В.В., Матягин В.Ф., Олейник И.А. Наплавка изделий из алюминиевых сплавов трехфазной дугой // IV Украинская республиканская н/т конференция. Харьков, 1990.- С.87.

7. Ельцов В.В., Матягин В.Ф., Олейник И.А. Ремонт литых деталей из магниевых сплавов трехфазной дугой. // Автоматическая сварка. 1991. №10. С.26.

8. Ельцов В.В., Матягин В.Ф. Наплавка изделий из алюминиевых сплавов трехфазной дугой // Сва-рочное производство. 1992. №4. С. 17.

9. Авторское свидетельство № 1798077 от 08.10.92 г. Столбов В.И., Ельцов В.В., Матягин В.Ф. // Спосб сварки трехфазной дугой. Бюл. № 8, 1993.

Введение.

Глава I. Анализ современного состояния ремонтновосстановительной наплавки изделий из алюминиевых сплавов.

1.1.Характеристика свариваемости сплавов на основе алюминия.

1.2.Техника и технология ремонтновосстановительных работ.

1.3.Анализ структуры и свойств сварных соединений

1.4.Анализ причин коробления при наплавке алюминия и его сплавов.

1.5. Задачи исследований.

ГЛАВА II. Исследование характера температурного поля в зоне ремонта.

2.1.Экспериментальное определение температурного поля при ремонтной наплавке.

2.2.Анализ существующих расчётных схем нагреваемых тел и источников тепла при наплавке.

2.3.Расчет характера температурного поля при наплавке валика.

2.4.Выводы по второй главе.

Глава III. Исследование процесса наплавки и свойств сварных соединений.

3.1.Разработка экспериментального оборудования.

3.2.Методика проведения эксперимента.

3.3.Металлографическое исследование и механические испытания сварных соединений.

3.4.Выоды по третьей главе.

Глава IV. Разработка технологии наплавки изделий из алюминиевых сплавов.

4.1.Технология наплавки посадочных мест распредвала. головки блока судового двигателя.

4.2.Технология заварки сквозного дефекта водяной рубашки головки блока автомобиля.

4.3.Выводы по четвёртой главе. 142 Общие выводы. 14 3 Литература. 144 Приложение.

Требования современного рынка к продукции машиностроения с каждым днём возрастают, в связи с этим встаёт необходимость в разработке новых технологий и использование новых материалов для улучшения эксплуатационных характеристик, следовательно, конкурентоспособности машин и механизмов. В частности одно из решений проблемы, повышения эксплуатационных характеристик деталей машин, внедрение новых легковесных материалов, удовлетворяющих при этом технологическим и механическим требованиям. К таким материалам относят алюминий, магний и их сплавы.

Производство деталей из этих сплавов сопряжено со значительными трудностями из-за сильной окисляемости. Изделия из этих сплавов изготавливают методом литья для различных назначений, различных конфигураций и размеров с толщиной стенки от 2 до 4 0 мм. Основной причиной брака при изготовлении может быть попадание внутрь металла окисной плёнки, что вызывает появление несплошностей, образование рыхлот, а также трещины. Значительная величина объёмной усадки, а также высокий коэффициент линейного расширения приводят к существенным остаточным напряжениям.

При эксплуатации деталей, в узлах машин и механизмов, выполненных из лёгких сплавов, подвергаются изнашиванию и при достижении критического износа подлежат замене.

В виду того, что алюминий, магний и их сплавы достаточно дорогостоящие металлы, то детали из них имеют высо!кую стоимость, то, следовательно, переплавка бракованных и изношенных деталей требует больших капиталовложений и энергозатрат.

Целью работы является повышение эффективности ре-монтно-восстановительных работ и качества наплавленного слоя, за счет снижения уровня остаточных деформаций в ремонтируемом изделии. Возникает необходимость разработки технологии позволяющей эффективно производить ре-монтно-восстановительные работы деталей изготовленных из алюминиевых сплавов.

В работе исследовалась эффективность применения технологии ремонтной сварки с заполнением разделки дефекта локальными швами, пульсирующим тепловложением и механизмом регулирования 1 мощности теплового источника, что способствовало бы созданию в зоне ремонта такой тепловой ситуации, которая обеспечивала бы как осесим-метричность температурного поля, так и минимальный разогрев ремонтируемого участка, для уменьшения внутренних напряжений, усадочных сил и темпа деформации кри-стализующего металла сварочной ванны.

Предложен способ наплавки трёхфазной дугой с присадочной проволокой, включенной в цепь источника питания дуги.

Такая схема включения позволяет в широких пределах регулировать тепловой режим процесса наплавки, за счёт перераспределения сварочного тока на присадочную проволоку .

Исследован механизм формирования шва, определены количественные и качественные характеристики способа наплавки. б

Разработана технология и оборудование позволяющие получать гарантированное сплавление наплавленного слоя с минимальным термическим воздействием на основной металл.

Общие выводы.

1.Известные ремонтно-восстановительные способы наплавки не позволяют уменьшить термическое воздействие на основной металл без нарушения качества сварного соединения . I

2.Установлено, что перераспределение части тепла от электродинамической составляющей теплового потока дуги на присадочную проволоку, которое позволяет уменьшить тепловое и силовое воздействие дуги на основной металл.

3.Предложенна математическая модель теплового действия дуги при наплавке изделий с подачей присадочной проволоки включенной в цепь питания сварочной дуги, которая позволяет рассчитать необходимое количество теплоты, вводимое в изделие, обеспечивающее минимальную глубину проплавления основного металла.

4.Установленно, что глубина проплавления основного металла при наплавке по определенному способу уменьшается в 2 раза, угловые деформации но 60%, продольные деформации на 4 0%, разупрочнение шва на б ед. по сравнению со способом наплавки без перераспределения теплового потока.

5. Разработана технология наплавки изношенных деталей из алюминиевых сплавов трех фазной дугой с подключенной присадочной проволокой к средней фазе источника питания, для длинномерных и локальных участков детали, которые позволяют снизить остаточные деформации на 4 0

1. Г.А. Асиновская, П.М. Любашин, В. И. Колычев. Газовая сварка и наплавка цветных металлов. М. : Машиностроение - 1974 г. - 115 с.

2. А. Хасуи, О. Мориаки. Наплавка и напыление. М.: Машиностроение - 1985 г. - 238 с.

3. Б.А. Колачев, В.А. Ливанов, В.И. Елагин. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов.- М.: Металлургия 1972 г. - 480 с.

4. Д.М. Рабкин. Металлургия сварки плавлением алюминия и его сплавов. Киев: Наукова Думка, 1986 г. - 256 с.

5. И.В. Кудрявцев. Материалы в машиностроении. М.: Машиностроение - 1967 г. - ,305 с.

6. Справочник под редакцией Ф.И. Квасова. Алюминиевые сплавы. Промышленные деформируемые, спеченные и литейные алюминиевые сплавы. М. : Металлургия - 1972 г.55 с.

7. Алюминиевые сплавы, структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Справочник под редакцией В.А. Ливанова. М.: Металлургия - 1974 г. - 431 с.

8. А.П. Гуляев. Металловедение. М.: Металлургия - 1978г. 64 6 с.

9. Н.В. Лашко, C.B. Лашко-Авакин. Свариваемые легкие сплавы. Ленинград: Судпромиздат - 1960 г. 440 с.

10. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением; Под редакцией Б.Е. Патона. М. : Машиностроение - 1974 г. - 764 с.

11. U.M.А. Абрамов, А.Г. Иулдашев, Р.И. Абдурахманов и др. Повышение качества сварных соединений из алюминиевыхсплавов 01420 и Амгб. // Сварочное производство. 1980г. №3. - с. 17-18.

12. M.JI. Абрамов и др. Подавление пористости в сварных швах алюминиевого сплава 01420. // Сварочное производство 1983 г. - №7 - с. 36-38.

13. Т.Д. Никифоров. Металлургия сварки плавлением алюминиевых сплавов. М.: Машиностроение - 1972 г. - 264 с.

14. В.В. Ельцов. Разработка высокоэффективного процесса заварки трехфазной дугой дефектов изделий из сплавов алюминия: Диссертация на соискание ученой степени кан-дидити технических наук. Тольятти - 1986 г. - 180 с.

15. В.И. Столбов, В. В. Ельцов. Распределение температур при ремонтной сварке отливок из легких сплавов. // Сварочное производство. 1984 г. - №6 - с. 31-32.

16. А.В. Панин. Возможность хрупкого разрушения сварных соединений алюминиевых сплавов. // Автоматическая сварка. №1 - 1976 г. - с. 38-4 0.

17. И.Н. Герасименко, Ю.И. Вахминцева, М.Ф. Акинорисова. Свариваемость деформируемого сплава ВАД-1. // Автоматическая сварка. №12 - 1969 г. - с. 47-50.

18. В.А. Козловская, О.В. Мешкова, A.J1. Елкина. Влияние состава сплава типа Д20 на их свойства и свариваемость. // Автоматическая сварка. №9 - 1962 г. - с. 57-63.

19. В.Н. Мироненко, B.C. Ефстофеев, С.А. Коршунова. Влияние присадочного материала на свариваемость сплава 01420. // Сварочное производство. №12 - 1977 г. - с.33.35.2 2.С.М. Гуревич. Справочник по сварке цветных металлов.

20. Киев: Наукова Думка. 1996 г. - 510 с.

21. В.И. Рязанцев, В.А. Федосеев, В.В. Гришин и др. Исследование свариваемости и разработка технологии сварки алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Li. // II Всесоюзная конференция по сварке цветных металлов. Киев И.Э.С. им. Патона. 1982 г. - с. 41.

22. И. Стеклов, A.B. Алексеев, O.A. Александров, В.И. Смирнов, A.B. Овчеренко. Высокопроизводительный процесс наплавки плазменной дугой с использованием подогретой присадочной проволоки. // Сварочное производство.1988 г. №8 - с. 5-6.

23. Н.М. Воронай, A.A. Рева. Технология и оборудованиеэлектрической очистки поверхности сварочной проволоки из алюминиевых сплавов. // Автоматическая сварка 1984г. №10. - С. 48-51.

24. В.А. Перегуда, Д.М. Рабкин. О некоторых причинах снижения качества сарных соединений алюминиевых сплавов. // Автоматическая сварка 1983 г. - №5 - с. 66.

25. R. A. Woods. Melall transfer in aluminium allons. -I bid, 1980, 59, №2, p. 59-66.

26. В.И. Столбов, В.В. Ельцов. Ремонт отливок из магниевых сплавов с помощью трехфазной дуги. // Сварочное производство. 1984 г. - №2 - с. 24-26.

27. Areskong M. Smart Е. Application of the gas-metall-plasma-arc process for welol clading and Metall fafri-cation. 1976. V. 44. № p. 274-277.

28. Trarbach К.О. Cladding nucloar steels the application of plasma - are not wire surfacing. // Metall con-straction. 1981. V. 13. №9 p. 508-510.

29. Д.И. Гуляев. Способ электродуговой наплавки и сварки. A.C. №1412897. Горьковский политехнический институт .

30. Хори Кацуоси. Устройство для сварки неплавящимся электродом в инертном газе с подачей присадочной проволоки A.C. №60-82287. Япония.

31. Акэча Тосихару. Установка для сварки неплавящимся электродом в инертных газах с предварительным подогревом присадочной проволоки и переключение тока. A.C.60.72668. Япония.

32. В.И. Столбов, В.В. Ельцов, И.А. Олейник, В.Ф. Матя-гин. Особенности ремонтной наплавки трехфазной дугой изделий из легких сплавов. // Сварочное производство. -1990 г. №5 - с. 10-12.

33. А.И. Сидоров. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой. М.: Машиностроение - 1987г. - 192 с.4 3.В.Н. Бугаев. Эксплуатация и ремонт форсированных тракторных двигателей. М.: Колос - 1981 г. - 208 с.

34. А.И. Сидоров, В.И. Астахин, Г.А. Полюшков. Восстановление алюминиевых поршней тракторных двигателей плазменной наплавкой. // Сварочное производство. 1982 г. - №9 - с. 27-28.

35. В.В. Фролов. Теоретические основы сварки. М. : Высшаяшкола 1979 г. - 576 с.

36. П.В. Захаров. Технология. Высокоэффективные сварочные методы упрочнения в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении. // ЦНИИТЭИ Тракторсельхозмаш -Вып. 10, 198 4 г. - 74 с.

37. В.Р. Рябов, Д.М. Рабкин, А.Н. Муравейник и др. Структура алюминиевого сплава АК-4 наплавленного составной проволокой. // Сварочное производство. 1990г. №5 - с. 16-17.

38. Grzenoba В. Ibe G. Elekronenstrohl Sohmelzhartung von Aluminium. Ligierungen. // Draht - 1979 - 30, №5, p, 288-290.

39. B.P. Рябов, А. Д. Стрешович. Свойства металла, наплавленного на поршни из алюминиевых сплавов. // Автоматическая сварка. 1988 г. - №2 - с. 56-57.

40. В.И. Лукин, Ю.П. Арбузов. Особенности сварки алюминиево-литиевых сплавов. // Сварочное производство. 1985 г. №8 ~ с. 3-4.

41. А.П. Мыскова, И.Г. Моисеенко, В.П. Моисеенко и др. // Сварочное производство. 1971 г. - №9 - с. 35-37.

42. Н.И. Макаров, В.Н. Волынский, H.H. Прохоров. Влияние пор и окисных включений на прочность сварных соединений сплава АМгб. // Сварочное производство. 1976 г. - №4-с. 27-30.

43. В.В. Овчинников, В.В. Редчиц. Влияние подварок на свойства сварных соединений алюминиевого сплава 142 0. // Сварочное производство. 1992 г. - №6 - с. 8-10.

44. В.В. Алексеев, В.В Овчинников, В.В. Белоус и др. Особенности изготовления сварных конструкций из алюми-ниево-литиевых сплавов. // Сварочное производство. 1992 г. №1 - с. 16-17.

45. H.H. Рыкалин. Расчеты тепловых процессов при сварке.- М.: Машгиз 1951 г. - 296с.

46. Eagar T.W. Т Sai N.S. Temperature fields produced by traveling distributed head soucces Welding Journal. 1983. Vol. 62, №12 - p. 346 S - 355 s.

47. Г.Г. Чернышов. Тепловые и металлургические процессы при сварке. Серия "Сварка". М.: ВИНИТИ - 1982 г. - т. 14 - с. 70-116.

48. В.А. Судник. Планирование вычислительных экспериментов для получения интерполяционных теплофизических моделей сварки плавлением, используемых при технологической подготовке производства. "Физика и химия обработки материалов". 1985 г. - №4 - с. 111-115.

49. H.H. Прохоров. Физические процессы в металлах при сварке. Том 1. М.: Металургия - 1986 г. - 695 с.

50. В.С. Гвоздецкий. О функции распределения тока в опорном пятне дуги. // Автоматическая сварка. 1973 г.- №12 - с.20-24.

51. В.И. Столбов. Исследование формы сварочной дуги. // Автоматическая сварка. 1979 г. - №1 - с. 15-22.

52. Н.И. Семянюк, Д.М. Рабкин. Влияние подогрева на влияние временных сварочных деформаций при исправлении дефектов литья из сплава МЛ-9. // Автоматическая сварка. 1991 г. - №6 - с. 55-58.

53. В.В. Фролов. Теоретические основы сварки. М.:

54. Высшая школа 1977 г. - '592 с.

55. В.И. Столбов, Г.В. Осянкин, В.П. Сидоров. Теоретические циклы при сварке трехфазной дугой тонколистовых алюминиевых сплавов. // Теплофизикатехнрлогических процессов. Вып. I Саратов - 197 3 г. с. 34-37.

56. В.И. Столбов, В.В. Ельцов, В.П. Потехин. Расчет распределения температуры при ремонтной сварке магниевых отливок трехфазной дугой. // Сварочное производство. 1985 г. - №7 - с. 36-38.

57. В.П. Потехин. Разработка модели теплового и силового воздействия электрической дуги на металл при сварке не-плавящимся электродом. Диссертация кандидата технических наук. Волгоград. - 1987 г. - 245 с.

58. А.Г. Григолянц, В.П. Морочко, Б.М. Федоров, A.M. То-щев. Оптимизация режимов лазерной сварки жаропрочного никилевого сплава. // Автоматическая сварка. 1983 г. - №1 - с. 48-50.

59. Н.В. Диличенский, В.А.1 Бажанов. Оптимальное управление температурным полем быстродвижущегося теплового объекта. // В кн. Управление распределенными системами с подвижным воздействием. М. : Наука 1979 г. - с. 7178 .

60. Е.П. Чубаров. Контроль и регулирование с подвижным локальным воздействием. М.: Энергия 1977 г. - 208 с. 7 3.А.Г. Бурковский, JI.M. Пустыльников. Теория подвижного управления системами с распределенными параметрами. М. : Наука - 1980 г. - 383: с.

61. Р.3. Сайфиев. Стабилизация проплава круговых и кольцевых швов при автоматической аргонодуговой сварке. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Волгоград - 1991 г. - 87 с.

62. В.В. Ельцов, В.Ф. Матягин. Наплавка изделий из алюминиевых сплавов трехфазной дугой. // Сварочное производство. №4 - 1992 г. - с. 7-8.

63. В.В. Иванов, А. И. Тужиков. Расчет оптимальных мощностей концентрированных источников энергии при резке металлов . Воздействие концентрированных потоков энергии на материалы. М.: Наука - 1985 г. - с. 230-240.

64. Д.М. Рабкин, В.Г. Игнатьев. Дуговая сварка алюминия и его сплавов. Киев: Наукова Думка - 198 6 г. - 2 30 с.

65. O.A.И. Акулов, Г.А. Бельчук, В.П. Дамянцевич. Технология , и оборудование сварки плавлением. М.: Металлургия - 1976 г. - 460 с.

66. Я.Л. Клячкин. Сварка цветных металлов и их сплавов. М.: Машиностроение - 1964 г. - 220 с.8 5.М.А. Берштейн. Испытания материалов. Справочник. -М.: Металлургия 1979 г. - 240 с.

67. В.А.Винокуров. Сварочные деформации и напряжения -М.: Машиностроение 1968 г. - 230 с.

68. Н.С.Окерблом. Конструктивно технологическое проектирование сварных конструкций. - М.: Машиностроение1964 г. 420 с.

69. С.А.Кузьминов. Сварочные деформации судовых корпусных конструкций. Ленинград: судостроение 1974 г.285 с.0043; CR=SQRT (B+D**2)0044 TR=(1.0/CR*EXP(-El *(TO+CR)))0045 TR=TR+R1+P01+S1+R0100470046

70. TC=TNRI(X, Y,Z,F, A, T, V,Q, C,PI,N,EPS) TTSI=OM*TC+(1.O-OM)*TR*U* F/DP004 8 1 RETURN00491. END

71. Исходные данные для программы :

72. X,Y,Z координаты точки, в которой рассчитывается температура (м) ;

73. F толщина плоского слоя (м);

74. Н глубина залегания точечного источника (м); Р - величина отставания второго источника от оси первого (м) ;

75. А коэффициент температуропроводности (мм/с); Т - постоянная времени, характеризующая сосредоточенность источника (с); V - скорость сварки (м/с); Q - мощность источника тепла (Вт); С - коэффициент теплопроводности (Вт/м С); PI - число 71;

76. N первоначальное число отрезков разбиения интервалаинтегрирования;

77. EPS точность вычисления температуры;

78. X3=EXP(-PE*(l-SQRT(Rl)/(2.*NMIN-1))/2.1.2

79. SUM=-ALOG(1.0-X3) 52 SUM=SUM-X3**(L-l)/(L-l.0)if(sum-w) 50,50,51 51 L=L+11. GO TO 52 50 J=L1.(J.LT.NMIN) J=NMIN1. P01-0.01. R01=0.01. R1 = 0 . 01. S1=0.01. B=TO**2+Yl**2 D060M=1,J

80. Исходные данные для программы:

81. X,Y,Z координаты точки, в которой рассчитывается температура (м) ;I

82. F толщина плоского слоя! (м);

83. А коэффициент температуропроводности (мм/с); Т - постоянная времени, характеризующая сосредоточенность источника (с); V - скорость сварки (м/с); Q - мощность источника тепла (Вт); PI - число 71;

84. N первоначальное число отрезков разбиения интервалаинтегрирования;

85. EPS точность вычисления температуры.0001 FUNCTION TTSI (X,Y,Z,F,Н,Р, А,Т,V,Q,С,PI,N,EPS,ОМ)0002 DP=SQRT(4.0*А*Т )0003 Xl=X/DP0004 Yl-Y/DP0005 Z1 = Z/D Р0006 Fl=F/DP0007 Hl=H/DP0008 Pl=P/DP 0 009 PE+VT/A 0010 E=PE/2.0 ООН El=E/F*DPi