автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.07, диссертация на тему:Оптимизация лазерной наплавки углеродистых и низколегированных сталей порошками самофлюсующихся сплавов

;Ь

_ ,, ■ ' V. НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ І ■ „Київський політехнічний 1.:ститут“

На правах рукопису

ХАСКІН Владислав Юрійович

УДК 621.791.927.2.621.375.825

ОПТИМІЗАЦІЯ ЛАЗЕРНОЇ НАПЛАВКИ ВУГЛЕЦЕВИХ ТА НИЗЬКОЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ ПОРОШКАМИ СПЛАВІВ, ЩО САМОФЛЮСУЮТЬСЯ

05.03.07 -

процеси лазерної та фізикотехнічної обробки

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ 1997

Дисертація є рукопис. .

Роботу виконано на кафедрі лазерної технології, конструювання машин та матеріалознавства Національного Технічного Університету України 'Київський політехнічний інститут". .

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

& С. КОВАЛЕНКО.

Науковий консультант: кандидат технічних наук ОА ВЕЛИЧКО.

' Офіційні опоненти: доктор технічних наук,

професор М. В. БЕЛОУС,

НТУУ'КЛГ, зав. кафедрою ЗФ та ФТТ; кандидат технічних наук

В. И. ОРЕШНІК,

AT'Завод Більшовик*, зав. лабораторією ЛТ

Провідна організація - Інститут Прикладної Оптики НАН України.

. м. Київ '

Захист дисертації відбудеться 'Iff' листопада 1997 р. о /Годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 01.02.09 при Національному . Технічному Університеті України “Київський політехнічний інститут* за адресою: 252056, г.Київ-56, пр. Перемоги, 37, корпус №19, ауд. 340.

Відгук на автореферат у двох примірниках, які завіряються печаткою, просимо надсилати за вказаною адресою на ім'я вченого секретаря спеціалізованої ради.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НТУУ’КЛГ.

Автореферат розісланий' / 'ЖоігЛИй

Вчений секретар спеціалізованої ради,

доктор технічних наук, професор

1997 г.

/

Н.С.Равська

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Аістуольність теки. Однією з найважливіших задач підвищення ресурсу машин та мохвнизміа є розробка високоефоетивних технологій відновлення їх деталей, які працюють о умовах тертя, високих , температур, значних динамічних та контактних навантажень. Одним з ефектизмик шляхів розв’язку такої задачі с нанесення на робочі поверхні зносостійких покриттів.

Традиційно такі покриття одержують методами електродугової та плазмової наплавки. За останні десять рокіз виконано ряд досліджень, що вказують на пзрспзктивність використання для наплавки лазерного джерела нагріву (B.C. Коваленко, А.Г. Григорянц, А.Н. Сафонов, В.Е. Архипоз, О.А. Величко та інш,). Переваги цього методу те:а: дозволяє забезпечте добру моталургійну якість наплавленого шару* високу дисперсність структури та мінімальну зону термічного вплизу (ЗТВ); . значно ослаблюється ефект перерозподілу компонентів з матеріалу основи у наплавлений шар; є можливість регулювання геометричними параметрами валика; який наплавляється; практично відсутні поводки та коробления деталей після наплавки та інше. ■ ' ■

. Але до початку виконання даної роботи лазерна наплавка (ЛН) но набула широкого застосування у промислових машинобудівних та ремонтно-реставраційних технологіях. Це обумовлено використанням неплзвочних матеріалів, які мають поряд з високими експлуатаційними властивостями підзищену здатність до тріщиноутвороння та погану оброблюваність, або сплавів з високими технологічними .

характеристиками зле низькою експлуатаційною стійкістю. Крім того, наплазочні матеріали, які випускаються промисловістю здебільш оріснтоаані на особливості газотермічних fa електродугових методів нанесення покриттів, Наплазочні матеріали, що враховують особливості ЛН, но розроблені. Недостатньо вивчені деякі питання технології ЛН.

Перелічені недоліки в більшості випадків виникли тому, що питання розробки зносостійких нзплззочнйх матеріалів та технології Л Н вирішувались як самостійні задачі, а но комплексно, Вирішення цих питань носило емпіричний характер. Мало уваги приділялося ,

. математичному моделюванню процесів ЛН та розробки наплавочних матеріалів. Тому отримані результатну багатьох випадках не були

оптимальні, що ускладнювало процес опроваждення ЛН, знижувало його продуктивність та економічну ефективність.

Мета роботы. Оптимізація технології ЛН оуглецьоаих, низьколегованкх та нержавіючих аустенітних сталей лорфшхами сплавів, які самофлюсуються. з урахуванням технологічних то експлуатаційних вимог до наплавлюваних виробів. ‘

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1 .Вибрати критерії оптимїзації процесу.

2.Розробити математичні моделі процесу ЛН, які дозволять оптимізувати режими процесу та вибір наплавочного порошку у залежності від умов експлуатації готового виробу та технології наплавш.

3.3а запроланованими моделями провести розрахунки оптимальних режимів для конкретних задач порошкової ЛН.

4 Для поревірки одержаних результатів розрахунків дослідити вплив технологічних параметрів режимів ЛН і хімічного складу наплавочних матеріалів та матеріалів наплавлюваних виробів на мікроструктуру наплавленого металу, напружений стан та фізико- . механічні властивості наплзвлених шарів. . .

5.На підставі проведених робот створити методику оптимізаціі технологічного процесу ЛН, враховуючу як підбір оптимального рола.му, такі підбір оптимального складу наплавочного матеріалу а залежності від матеріалу наплавлюваного виробу. • -

Наукова новизгіа Розроблено спосіб вибору реиашів та матеріалів для ЛН порошками нікелевих сплавів; які самофлюсуються, що дозволяє одержувати практично бездефектні наплавлені шари з попередньо ., заданими властивостями при найменшій собівартості технологічного . процесу. ' : ;

Вперше поставлена то обфунтовена теплофізична задача ЛН покриттів. На підстсйі частинного розв'язку цієї задачі опгршэ пропонується контролювати та знижувати залишкові напруження у .наплавлених шарах метопу підбором за теплофізичними властивостями наплавочного матеріалу в залежності від наплавляє,мого виробу (основного металу), а також вибором значень параметрів процесу ЛН. Створено математичну модель, яка дозволяє розраховувати геометричні

параметри наплавленого шару, доведена її адекватність процесу. Модель використовується для рішення задачі оптимізації режимів ЛН.

На підставі рішення теплофізичної задачі ЛН розроблено та обгрунтовано новий науковий принцип підбору складу багатокомпонентних зносостійких наплавочних матеріалів, які самофлюсуготься, для наплавки деталей машин та механізмів. Встановлено вплив металу наплавляемого виробу на якість наплавлених шарів. Наприклад, зростання теплопровідности сталевої основи водо до росту зерна та дислокацій у наплавленому шарі, що веде до тріщиноутворення. Запропоновані технологічна схема та оптимальні режими процесу ЛН.

Наукова новизна технічних розробок підтверджена позитивним рішенням по заявці на винахід, позитивними відгуками про эксплуатации! випробування дослідно-промислових партій наплавлених за розроблено» технологією деталей, а також актами впровадження технології та обладнання ЛН на підприємствах України.

Практична цінність та реалізація результатів роботы. Роботу виконано на кафедрі лазерної технології, конструювання машин та . матеріалознавства НТУУ "КПГ, а також у відповідности з трудовими узгодненнями о взаємодії з Інженерним Центром Лазерної Технології МНТК *ІЕЗ ім. Е.О. Патона* НАН України, заводом №410ГА (м. Київ), Дунаєвецьким Ремонтно-Механічним заводом (м. Дунаєвці), по ряду господарчих договорів, діючих у різні часи на вказаних підприємствах.

Розроблено, випробувано та впроваджено промислові технології відтворювальної ЛН ряду деталей автомобільної, залізничної та авіаційної техники, деяких іньших машин та механізмів (шарових пальців за ТИ-410ГАЛГР-06 та ТУ №297ТР від 12.09. 95 г., вкладишіз за ТУ №292/ТР от 21.08.95 г., авіаційних болтів та скоб за ТУ №299'ТРвід 18.09.95 г., валів компресорів за ТУ №305.'ТР від 04.10.95 г., коленчатих валіз та кулачкових разподілюючих валів за ТУ №335'ТР від 29.11.95 г., клапанів, рокерів автомобильних двигунів, кулачків, штоків осадки, валів коландра, автомобільних шквореней, електричних муфт типографських машин та інш.).

Зпроектовані та впроваджені засоби технологічного забезпечення процесу ЛН порошками, які самофлюсуються. На основі СОг-лазерів ЛТ-

100 та JIT 1 -4 розроблено та виготовлено промислові комплекси для реалізації вказаних технологій.

Собівартість відновлених за розробленою технологією деталей обладнання складає до 50% від вартості нових. Наприклад, лазерне відновлення однієї партії шарових пальців румунського тролейбусу ДАК-217Е у кількості 200 шт. дало економічний ефект 1400 грн.

Апробація роботи. Основні положення роботи були розглянуті на засіданнях школи обміну досвідом у галузі відновлення та зміцнення деталей рухомого складу МПС Росії (1993, м.Великі Луки, Росія), на семінарі країн СНД'Технические и технологические основы наплавки. Наплавка-93’ (1993, м.Київ), на міжнародній науково-практичній конференції' “Моделирование процессов и технологического оборудования в сельском хозяйстве" (1994, м.Мелітополь), на міжнародній конференції International symposium (or electromachining ISEM-XI (1995, Lausanne, Switzerland), на конференції .

’Высокоэффективные технопогии в машиностроении’ (шифр М96-256, 1996, м Алушта), на семінарах кафедри лазерної технології, конструювання машин та матеріалознавства НТУУ’КПГ.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи наведені у 8 наукових статтях, тезисах 5 доповідей на наукових конференціях (у тому числі 3 міжнародних), 1 звіту про науково-дослідну діяльність, 1 заявці на патент України. .

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота'складається зі вступу, п’яти розділіо, висновків, списку літератури зі 185 найменувань, додатків. Робота представлена на 156 с. машинописного тексту, містить

11 таблиць, 72 малюнка та 5 с. додатків.

. ЗМІСТ РОБОТИ.

У вступі обгрунтована актуальність роботи та дана її загальна характеристика

' У першому розділі на підставі літературних даних проаналізовано процес ЛН стальних виробів та його особливості. Визначено, що ЛН відрізняється від інших наплавочних процесів такими перевагами: дозволяє отримувати структури з високою дисперсністю та мінімальну зону термічного впливу (ЗТВ); прецезіонні наплавлені шари з заданими властивостями висотою 0,1...5,0 мм; значно ослаблює ефект

перерозподілу компонентів з матеріалу основи у наплавлений шар; практично усовує поводки та короблення деталей після наплавки та інша. Але процес має недоліки:

1. Висока ймовірність тріщиноутворення в покриттях.

2. Відносно висока собівартість процесу ЛН.

3. Обмежена кількість присадочних матеріалів, придатних для

процесу ЛН, які дозволяють отримувати наплавлені на деталях покриття, що відповідають комплексу експлуатаційних вимог. '

4. Необхідність, у ряді випадків, використання спеціальних додаткових технологічних прийомів для отримання якісних наплавлених шарів.

Детально розглянуто різні засоби уникнення цих недоліків. Проаналізовані переваги та недоліки цих засобів. Показано, що розробка (чи вибір) присадочних матеріалів у поєднанні з підбором параметрів , режиму технологічного процесу с ефективним методом усунення недоліків ЛН. Для створення та практичного використання такого методу доведена необхідність використання підходу, який базується на засобах оптимізації. Тому метою даної роботи є оптимізація технології ЛН найбільш поширених у промисловості сталей (вуглецевих, низьколегованих та нержавіючих аустенітних) порошками М-сплзііз, ггі самофлюсуються, з урахуванням комплексу технологічних та експлуатаційних вимог до виробів, що наплавляються. Під технологічними вимогами розуміють усунення недоліків процесу лазерної наплааш, а під експлуатаційними - фізико-хімічні та механічні властивості наплавлених покриттів. Для досягнення поставленої мети сформульовано вказані вище задачі •

У другому розділі розроблена математична модоль, яка встановлює взємозв'язок геометричних параметрів наплавленого шару та параметрів режиму ЛН з використанням порошків. ЇЇ загальний вигляд:

УгГі(Р,у,<Іп,иГСп,1,и) , (1)

де і=1,2,3,4; уі=Ь - висота наплавленого шару: уг=Ь - ширина наплавленого валику, уз=у - коефіцієнт змішування металів наплавленого шару та основи; у4=К*„ - коефіцієнт перекриття наплавлюваних валиків; Р

- потужність лазерного випромінювання; V - швидкість процесу; сі,, - -

діаметр плями нагріву; ї - фокусна відстань об'єктиву; Л1 - величина

розфокусування; Ол. масова витрата порошку; І- - відстань подачі порошку; а - кут нахилу подаючого сопла до осі лазерного проміню.

Частинний розв'язок цієї задачі для параметрів И і Ь знайдено у таких межах: ' , '

Р=800...5000 Вт; у=1...150 мм'с; Сп=0.1..!з,0 г/с; (2)

сіп=1...6мм; 1=1.. .ЗОмм; а=1... 90°, він має наступний вигляд:

Ь=(Р*Сп*а*КьУ(100’<1п*І*У) при а<45<>; (3)

. Ь=(Р*Оп*(90о-а)*Кь)/(100*Йп*І*У)присх>45о; (4)

Ь=(Р*СпТ*С1п*Кь)/(250*у) . (5)

Кь и Кь (коефіцієнти висоти та ширини валику наплавки, відповідно) залежать від геометрії наплавлюваної поверхні, хімічного складу та фракції наплавочного порошку, матеріалу наплавляємо!' деталі і потребують статистичної оцінки. Значення Кц и Кь для наплавки сталей порошками ЬІі-сплавів на основі експериментів рекомендовано вибирати у межах: Кп=1,0...1,2; Кь=0,9...1.35.

Доведена адекватність моделей (3)-(5) процесу лазерної наплавки. Оптимізація процесу за економічним критерієм виконувалась у межах (2), але при І_=1..,15 мм та а=1...45°. Загальний .вигляд функції мети був обраний наступним:

Э=ф/5, _ (6)

де ф - відхилення у полі допусків від заданого номіналу, які підпорядковуються гаусозому закону розподілу; в - пряма росту собівартості процесу у залежності від росту витрат лотребної електричної потужності та наплавочного порошку. Тому використана у розрахунках функція мети мала вигляд:

0=ехр{-|Ь3-(РОп«і<ь)'( 10ОсІпІ-У)|}/{аіР/гі+а іСп) , (7)

де Ьіз-задана технічними умовами товщина наплавлюваного за один прохід шару, мм; ц-ККД лазера; а-і-аартість електроенергії, грн/Вт*с; аг- вартість наплавочного порошку, грн'г. '

• У функції мети (7) під параметром ф (диа.(6)) мається на увазі відхилення висоти її фактично наплавлюваного шару від заданої висоти При цьому шар наплавляється за один прохід. Для розрахунків висоти фактично наплавлюваного шару використана залежність (3). •

Після визначення констант аі и а; пошук ехстремуму (максимуму)

. функції (7) вівся методом випадкових векторів за залежностями: .

Таблиця 1. Оптимальні режими ЛН для ряду заданих висот Ьіз наплазляємого шару металу порошком системи Мі-Сг-В-вІ.

.... , ! І Ьі, іш і Г.Ет 1 V, МЫ.ч І . | Э»..г/с і * СІч, ЫЫ, ч ь. ни ■ї, гріі Отхх

і і ! 0.1 1 «ЛОЇ І*,4*; Зі ! 1,2 17,70 І,20£

’ 2 і О.і • 1*32.0 112.90 1 0.394і 6.00 1 14.3 21,60 1,198

1' •> 0.3 1 •і.}** 19,70 ] 0 *0?* 4,03 ! 11,2 іі.оо 1,204

. 4 і 0.4 ! 370г},5 ІР.ОО 1 0.3501 4.00 І ІЗ,* 43,85 1,004

і 5 ! л « і. гиу 40,32 І о .і1 3,04 1 о 17,83 1.001

! $ 1 о.о Г ?‘.'53.0 52.^0 1 2.53 1 м 21.70 1.112

: ! 0 7 і ^ 8^,90 _1_ 2,6’. | 1 1 20,30 І.Обаі

■ 8 1 о. я 1 ?ДЗЛ5 13.69 1 0.5241 1.30 1 1.3 8,20 1,20и|

Єтах=ехрМЬ3-(РСпа*0.012)/(<1пи)|}/{5.76*10-5Р+115Сп}, (3}

©тах=ехр{-!Ь3-(РСпОС*0,012)(^пІУ)|2}/{5,76*10-5Р+1,5Сп}. (9)

причому Ь3=0.1; 0,2; 0,3;0,8 мм. В результаті розрахунків були отримані оптимальні ре;:сими лазерної наплазки, назедені у таблиці 1. Найбільш економічним з них с режим №5. Для отримання при наплсзці но цьому режимі бездефектних шарів, тобто ДЛЯ ОПТИМІ32ЦІЇ ПО ІфИТСріЮ якості, розглянуто процес утворення мікротріщин, гікдєфзкту, що найбільш важко усувається. ,

Дослідження механізму тріщнноутворення дозволили рекомендувати два способи найбільш економічного, простого та надійного усунення тріщім у наплавлюваиих шарах: підбір пари "неплавочний матеріал - основа" та введення легуючих додатка у склад наплавочного лороиму. Обидва способи вимагають задания розподілу температурних поліз у шарах наплзвки та у основі, що дозволяй визначити хімічні склади покриттів, т в свою чергу дозеоллть сссти баз додаткових заходів бездефектну ЛН тих чи іншіх матеріалів при теплових режимах відповідних режиму №5 габл.1.

Теплофізична задача ЛН в загальному вигляді формулюється наступним чином.

Необмежзна пластина товщиною И та нгпізнзекінчено тіло з різними теплофізичними коефіцієнтами знаходяться у дотику з ідеальним тепловим контактом. Початкова температура Їх однакова. У початковий момент часу вільна поверхня пластини миттєво нагрівається до температури Тпов., яка змінюється за певним законом на протязі усього процесу нагріву-охолоджання, який відповідає процесу ЛН. На глибині підтримується початкова температура То=0. Необхідно знайти

розподіл температури по глибині системи ‘необмежена пластина -напівнескінчене тіло’.

Для розгляду частинного випадку теплофізична задача може бути сформульована у вигляді:’ .

: 1гаі*(дТі/Л)=д2Т1(Йг2 '

-М). И>г>0 (

1/а2*(дТ2/дО=д2Т/дг2 Г (10)

. 1>0, И>г>И )

при краєвих умовах задачі:

. г=0; Ті=КГехр(-Ь*іт) • (11)

2=И;СТі=Т2

іМдТіідх)=Х2(<)І2Ідг) (12)

0; Ті=Т2=0

1 ; . { Т2Ы)=0 . . (13)

. де Ті та Т2- теплові поля наплавленого шару та металу основи; аі та аг- коефіцієнти температуропровідності наплавленого шару та металу основи; Хі и Х2- коефіцієнти теплопровідності, відповідно. Аналітичний розв'язок цієї задачі мас вигляд: 0 „

т**■&([*"■«&£{-те* -і* .

■ ,уп,п-/Г^ґг.2ііП-£ г~гг2пА+2"1

(15)

г. 1-Ке . І/ =і/Л/^/ЛГ . V - л _<ч -

де.,

сі та сг* тепловміст металів наплавленого шару та основи; уі та 72-їх густини, відповідно.

Як свідчать експерименти, оптимальний розподіл температур спостерігається при ЛН за режимом №5 (табл.1) порошків системи №-Сг-В-Бі на бронзу (рис.1)-внутрішні напруги у наплавлених шарах мінімальні, мікротріщини та інші дефекти відсутні. При зіставлені розрахункових та експериментальних температурних розподілів визначені коефіцієнти К=10000, Ь=10, т=2. :

Виходячи зі значень теплофізичних коефіцієнтів, наплааочні матеріали системи Мі-Сг-В-Бі були розбиті на дві групи: з 10 та 20%рг.

Для ряду вибраних матеріалів основи були розраховані температурні поля, які виникають при наппавцІ порошками обох груп. Розрахунок вели

- 0,0.05.. 1.5 с

N

о

*А

гч

о

»*

N

S

о

S2

гч

£

>о

7

с=

1

4:

*5

Г

'Ф

• '-ЧІ

. *4

■ ъ

I $

14 s 1

І -?. •>* , - і- $

1-і I

^ -л <

. s ~ ^

I

S 5> ~

«4 T- »*n» ^

- 53 •“"\ CT

І'чЗ *

25»1-^£$

<"> r'v ^ ?: сь о ‘i>

л / у ^ ^ r^i^5^**T-.' *-s *-».

*-*— w - c^, ^5 -_x

'*

•ТЗ.^ ~<-

CC

за допомогою стандартного пакету програм ■МаШсай-б.О". З допомогою цього ж пакету програм було виконано підбір коефіцієнтів Сч, 71 з метою отримання оптимального розподілу температур Тііи) и ТгИ.г), тобто максимального зближення кривої Ті^.г) відносно кривої ТгО.г) згідно з рис.1. Наплавочні порошкові матеріали повинні мати наступні оптимальні теплофізичні характеристики:

- для наплавки зразків з низьковуглецьових та низьколегованих сталей Хі=30 Вт/м*оС; Сі=600 Дж>кг*°С; 71=8670 кг/мЗ;

-для наплавки зразків з нержавіючих аустенітних сталей >„і=20 Вт/м*оС; Сі=560 Дж/кг*оС; у1=8670 кг/мЗ.

Базуючись на вибраних інтегральних коефіцієнтах розроблено методику вибору елементів, які легують наплавочний матеріал, та здійснено такий вибір. Отримані елементи: АІ, Мд, Ті, Си, Со. Базовий наплавочний Мі-Сг-В-Бі-сплав для подальшого легування повинен містити 10%Сг. Визначення вмісту легуючого елементу у сплаві робиться спочатку оціночно по відношенню величин коефіцієнтів X, С, у легованого сплаву та легуючого елементу, а потім уточнюється емпірично.

У третьому розділі вибрані схема експерименту, кінематика взаємних переміщень зразка та наплавочної головки, спосіб введення наплавочного матеріалу у зону дії лазерного випромінювання, тип необхідного для цього механізму подачі порошкового наплавочного, матеріалу. Детально описана застосована експериментальна установка (технологічний лазер потужністю випромінювання до 5 кВт та наплавочний пост). Розглянуті технологічне устаткування, матеріали та контрольно-вимірювальні прибори. '

Четвертий розділ присвячений експериментальному підтвердженню теоретичних положень, наведених у розділі №2. Вибрано метод проведення експериментів. Для цього проаналізовано комплекс факторів, що впливають на процес ЛН. Фактори класифіковані по групам та визначено ступінь впливу кожного з них. Складена карта проведення ' експериментів. Розглянуті їх результати, наведені металографічні дані. Визначено, що міцність зв'язку наплавлених за розробленим способом шаріа з основно при випробуваннях на зріз складе 840 ..650 МПа (вуглець основи 0,2...0,65%, відповідно). Встановлено, що розподіли температур ‘ при ЛН та послідуючому охолоджені співпадають з розрахованими

(похибка не більш 10%). Знайдені залежності рис.2.

- . !

/ 5 5

<Г)СпмВ ПГ-ЛИ9

Рис.2.Графічні залежності показника тріщиноутоореннл а від легуючих додатків до наплавленого металу.

Р,кВг

Рио .^.Графічні заложносіі для ЛН порошком ПҐ-АН9*5%ТІ+5%Си, ' проведеної за режимом №5 (табл.1). •

9,0-

7,0

5.0-

3,0-

1.0

10'

20

ЗО'

40-

50'

60

5,72

7,31

4,76

2,17

ІТГ

3.47

4,19

АН

б

63

пг

АН

9

ПГ*

СРЗ

ТГ

ПГ-

12Н

-У’

НП

Ч-

}Д

ПГ-

нч

і

НП

ч-з

ІЬ 21 20

46

пг-

С27

50

. Рис.4. Результати випробувань зносостійкісті та твердісті покриттів наплавлених різними сплавами.

Рис.5. Алгоритм вибору режимів та матеріалів для порошкової ЛН.

и

На підставі наведених теоретичних та експериментальних даних розроблено та був випробуваний порошок НПЧ-З.Л. По шару, наплавленому цим порошком, нарізали різьбу,- Наведені результати механічних випробувань таких різьб. Експериментально-встановлено, що відхилення від режімів, визначених за розробленим способом оптимізації процесу ЛН. не дозволяють отримати одночасно найменшу собівартість у поєднанні з високою якістю наплзвпюваних покриттів (рис.З).

Обробка та аналіз експериментів показали, що у межах похибок .. використаного обладнання та дрейфу параметрів процесу у ході .

проведення ЛН, експерименти були проведені коректно. Одержані експериментальні результати є збіжними. Основа для теоретичних викладок та математичних моделей, наведених у другому розділі, є ■

достовірною та обгрунтованою. Запропонований технологічний процес та спосіб його оптимізації е допустимі.

П'ятий розділ присвячено питанням технологічного впровадження. Запропонована схема ведення процесу і специфічне технопогічно ' оснащення, а також наведені приклади впроваджених технологічних процесів. Наведені результати випробувань зносостійюсті та твердісті наплавлених різними сплавами покриттів (рис.4). На закінчення проаналізовані результати роботи. Відмічено успішне досягнення мети роботи на базі рішень поставлених задач.

Запропоновано спосіб оптимізації технологічного процесу ЛН, який враховує підбір оптимального складу наплавочного матеріалу а . залежності від висоти наплавлюваного за один прохід шару та матеріалу основи (рис.5). ^ ■

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ.

1 .Вперше розроблен спосіб вибору режимів та матеріалів для ЛН порошками нікелевих сплавів, які самофлюсуються. Він дозволяє отримувати практично бездефектні наплавлені шари з наперед заданими властивостями при найменшій собівартості технологічного процесу.

2.3апропоновані математичні моделі, яга описують технологічний. процес порошкової ЛН та доведена їх адекватність процесу у відповідних довірчих інтервалах. Ці моделі, на відміну від запрог\анованих другими . авторами, встановлюють взаємний зв'язок між геометрією одержаних

наплавлених шзрів та керованих параметрів технологічного процесу з точністю до 10%.

З .Для обраної функції мети, яка містить одну з математичних •моделей процесу, знайдені локальні та глобальний екстремуми, які відповідають найбільш економічним режимам проведення технологічного процесу в залежності від висоти наплавлюваного за с>дин прохід шару. Найдені у ході розрахунків режими зведені у табл. 1.

4.Експериментально підтверджено, що найбільш економічним (з найменшою собівартістю при достатньо високій швидкості ведення процесу) е режим №5 з табл.1. У випадку наплавки шаріз висотою 0,5 мм на цьому режимі їх міцність зчіплення з основою з вуглцевих та низьколеговоних сталей та один з одним близька, а іноді й перевищує, міцність основи, Усувається ряд дефектів наплавлених шарів, за виключенням пор та мікротріщин.

б.Для підонщоння якості (усунення дефектів) шарів наплавлених по економічно оптимальному режиму запропоновано метод підбору наплавочного матеріалу у залежності від матеріалу наплавлюваного виробу. Така метода включає в себе наступні моменти:

- підбір теплофізичних коефіцієнтів (>.і. Сі. уі) пари "наплавочний

матеріал - підложка" шляхом розрахунка по залежностя?и (14) та (15) при визначеному оптимальному відношені теплових полей Т, и Т:; -

- перехід від загальних для підбираємого наплавочного сплаву коефіцієнтів Сі, у- до приватних параметрів'}., с, у основних складових елементів сплаву;

- визначення хімічного складу наплавочного порошку з урахуванням експлуатаційних оимог до наплавлених шаріз.

6.Використовуючи розроблений спосіб створено порошок НПЧ-З.Л, який самофлюсується, призначений для ЛН зносо-та корозійностійких шарів з теердістью НВ 250...300. На режимі N25 (табл. 1) виконано ЛН цим порошком, потім по одержаному шару нарізали різьбу стандартним інструментом та провели промислові випробування. Результати показали, що за механічними характеристикам одержена таким чином різьба но поступається нарізаній по основному металу, а по зносо* та корозійній стійкостям перевершуе останню.

і Основні положення дисертації викладено у наступних публікаціях.

1. Расчет геометрических параметров наплавленного слоя при лазерной наплавке порошковыми материалами / В.Ю. Хаскин, П.Ф. Аврамченко //Автомат, сварка. -1993. - №12- С. 20-26.

2. Прочность сцепления слоя, наплавленного лазерным излучением, с металлом основы / В.Ю. Хаскин, ОА Величко IIАвтомат, сварка. -1994. - N97-8 (496-497) - С. 61-52.

3. Оптимизация процесса лазерной наплавки порошковыми материалами / В.Ю. Хаскин //Автомат, сварка. -1994. - №9-10 (498-499) -

С. 45-47.

4. Восстановление резьб методом лазерной наплавки / В.Ю. Хаскин. О .А. Величко, И.В. Молчан, П.Ф. Аврамченко, В.Г. Емельянов, В.В. Малышин //Автомат, сварка. -1995. - №6 (507)-С. 56-58.

5. Лазерная наплавка порошков системы Ni-Cr-B-Si на медь и оо сплавы I В.Ю. Хаскин. Т.Г. Чмжская, В.В. Наквасюк и др. //Автомат, соорка. -1997. - (статья в редакции).

6. The selection of self-fluxing powder materials for laser cladding / Kovalenko V., Haskin V. // Informatysatsiya ta novl tekhnologii. -1995. - №1 -P. 36-39.

7. Исследование нзплавляемости износостойких материалов на медь и оэ сплавы при помощи лазерного излучения / В.Ю. Хаскин, Т.Г. Чижскзя II Інформатизація та нові технології. - 1996. - №4 - С. 24-26.

8. Лазерноа наплавка зносостійких материалів на мідь та II сплави /

В. Хаскін, Т. Чижська II Експрес-новими: наука, техніка, виробництво -1996.-С. 4-5. . '

9. Порошковая лазерная наплазка стальных и чугунных деталей / О.А. Величко, П.Ф. Аврамченко, В.Ю. Хаскин II Семинар стран СНГ ‘Технические и технологические основы наплавки. Наплавка-93", 21-23 сентября, г. Киев. -1993 - С.З.

10. Laser cladding with self fluxing powder materials /V. Kovalenko, V.

Haskin II International symposium for electrompchining ISEM-Xi, Lausonno -Switzerland, April 17-20,1995.-P. 733-742. . ..

. 11. Оборудование и технология лазерного восстановления

деталей двигателей сельхозмашин / В.Ю. Хаскин, Н.Н. Голего, В.Н. Дмитренко, В.В. Мвлышкин, Н А. Ходак // Материала! докладов . международной изучно-лрачтич, конф. 'Моделирование процессов и

тохнологич. оборудования в сельском хозяйстве*, 17-19 августа, г. Мелитополь. -1994. - С. 31-32. .

12. Технология лазерной наплавки порошков системы Ni-Cr-B-Si на модь и ее сплавы / B.C. Коваленко, В.Ю. Хаскин II Материалы конференции "Высокоэффективные технологии в машиностроении' (М96-256), 17-19 сент., г. Алушта. - К.: О-во 'Знание'. - 1996. - С. 5-6.

13. Лазерное упрочнение и восстановительная наплавка деталей подвижного состава / О.А. Величко. В.Ю. Хаскин II Школа по обмену передовым опытом в области восстановления и упрочнения деталзй подвижного состава, МПС России, 16-18 марта, г. Велите Луки. - 1993. -Прилож. 2.

14. Отчет о НИР “Лазерная наплавка вкладышей наконечников рулевых опор троллейбуса ДАІС І П.Ф. Азрамченко, В.Ю. Хаскин и др. II ИЭСим. Е.О. Патона, НТВ, №29-501, УДК 621.9.048.7:621.375.826 + 621.791.92:621.375.626. - К.: 1994.

15. Заявка на патент Украины №94127893 от 6.12.1994г. 'Спосіб лазерної наплавки сферічних поверхностей'.

АНОТАЦІЯ.

Хаскін Владислав Юрійович. Оптимізація лазеронїнаплавки вуглецевих та низьколегованих сталей порошками сплавів, що •

самофлюсуються. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступегіл кандидата технічних наук за фахом 05.03.07 - "Процеси лазерної та фізико-технічної обробки'. Національний технічний університет України "Київський Політехнічний Інститут", Київ, 1997. і

Захищається 15 наукових праць, що містять теоретичні та експериментальні дослідження властивостей технологічного процесу лазерної наплавки. Розроблено метод вибору режимів та матеріалів для лазерної наплавки порошками нікелевих силовії. що самофлюсуються. Метод дозволяє одержувати практично бездефектні наплавлені шари з наперед заданими властивостями при найменшій собівартості технологічного процесу. Запропоновано математичні моделі, які описують технологічний процес лазерної порошкової наплавки та доведено їх адекватність процесу у відповідних довірчих інтервалах. Розроблено ркпад наплавочного порошку для відтворення різьб. Здійснено

промислове впровадження технологій та пристосувань, які базуються на розробленому методі.

Ключеві слова: лазерна неплавка, оптимізація, порошкові матеріали, усунення дефектів, математичні моделі, похибка, експеримент, впровадження.

АННОТАЦИЯ.

Хаскин Владислав Юрьевич. Оптимизация лазерной наплавки углеродистых и низколегированных сталей порошками самофлюсующихся сплавов. Рукопись.

Диссертация на соискание ученной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 - 'Процессы лазерной и физико-технической обработки’. Национальный технический университет Украины 'Киевский политехнический институт’, Киев, 1997.

Защищается 15 научных работ, содержащие теоретические и экспериментальные исследования особенностей технологического процесса лазерной наплавки. Разработана методика выбора режимов и материалов для лазерной наплавки никелевыми самофпюсующимися порошками, позволяющая получать практич&ски беэдеффектныо наплавленные слои с заранее заданными свойствами при наименьшей себестоимости технологического процесса. Предложены математические модели, описывающие технологический процесс лазерной порошковой наплавки и доказана их адекватность процессу в соответствующих доверительных интервалах. Разработан состав наплавочного порошка для восстановления резьб. Осуществлено '

промышленное внедрение технологий и приспособлений базирующихся на разработанной методике.

Ключевые слова: лазерная наплавка, оптимизация, порошковые материалы, устранение дефектов, математические модели, погрешность, эксперимент, внедрение. •' .

ABSTRACT. .

HasWn Vladislav. Optimisation1 of laser cladding of carbonaceons and low alloy steels by selffluxing powders. ■ '

Tho scientir,c research for the granting of the technical candidate's degree, speciality 05.03.07 “The processes of laser, physical and technical

г . ' ,/;Л

treating’. National Technical University of Ukraine "Kiev Polytechnical Institute’. Kiev, 1997.

15 scientific works which have theoretical and experimental investigations of the peculiarities of laser cladding are defended. The method* of choosing of conditions and materials for laser cladding by nickel selffluxing powders are worked out. It gives the opportunity to get defectless cladding layors with given properties at low cost price of the technological processes. Mathematical models which describe the technological process of laser cladding aro proposed and their adequateness as to the process are stated. The composition of cladding powder for carving restoration is worked out. Tho Industrid introduction of technology based on proposed methods and devices Is made. .

Key words: laser cladding, optimisation, powder materials, removing of defrects, mathematical model, mistakes, experiment, introduction.

3Ao6yoaM .

B.IO.XactdH