Поисковые исследования направлений повышения безопасности и живучести технических систем, эксплуатируемых в регионах Сибири и Крайнего Севера

Последовательность операций возведения крепи в условиях геовичестерной технологии // В сборнике: Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2014. Материалы XV международной научно-практической конференции. В.П. Тациенко (отв. редактор), В.А. Колмаков (зам. отв. редактора). 2014. - С. 63.

10. Аксенов В.В. Создание нового инструментария для формирования подземного пространства / Хорешок А.А., Ефременков А.Б., Казанцев А.А. Бегляков В.Ю., Вальтер А.В. // Горная техника. 2015. - № 1 (15). С. 24-26.

11. Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Садовец В.Ю., Резанова Е.В. Создание инновационного инструментария для формирования подземного пространства // Вестник КузГТУ / Кемерово, 2010 - № 1. С. 42-46.

12. Аксенов В.В., Садовец В.Ю. Структурная матрица геоходов / «Служение делу». ГУ КузГТУ. - Кемерово; 2006. - С. 90-100.

13. Аксенов В.В., Ефременков А.Б.,

Садовец В.Ю., Резанова Е.В. Формирование структурного портрета геохода // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2010. -№ 01. С. 35-41.

14. Садовец В.Ю., Пашков Д.А. Последовательность операций возведения крепи в условиях геовичестерной технологии // В сборнике: Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс. 2014. Материалы XV международной научно-практической конференции. В.П. Тациенко (отв. редактор), В.А. Колмаков (зам. отв. редактора). 2014. - С. 63.

15. Аксенов В.В., Казанцев А.А. Армирующая законтурная крепь горных выработок - новый подход к строительству подземных сооружений / Институт угля Сибирского отделения РАН: Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала) Mining Informational and analytical Bulletin (scientific and technical journal). - 2013. - № ОВ6. - С. 411-418. ISSN 0236-149.

УДК.621.791.

Поисковые исследования направлений повышения безопасности и живучести технических систем, эксплуатируемых в регионах Сибири

и Крайнего Севера

Сараев Ю.Н., д.т.н., профессор Институт физики прочности и материаловедения СО РАН.

мБ1п@1БртБ. (бо. ги

В работе рассматриваются вопросы обеспечения эксплуатационной надежности технических систем ответственного назначения, работающих в условиях низких климатических температур. Показано, что материалы, имеющие структурно неоднородные области, имеют более низкие эксплуатационные показатели чем у структурно однородных материалов. Установлено, что структурно неоднородность можно существенно снизить в случае применения в технологиях формирования неразъемных соединений методов адаптивной импульсно-дуговой сварки. Такой подход открывает новые возможности повышения эксплуатационных свойств крупногабаритных металлоконструкций, работающих в условиях низких климатических температур. Ключевые слова: сварка, наплавка, технические системы, живучесть, надежность, адаптивные технологии, структура, свойства, низкие климатические температуры.

рабочих нагрузок на металлоконструкции при низких температурах окружающего воздуха и существенно ограничивает их работоспособность. Известно, что изготовление хладостойких сварных соединений сталей с высокой прочностью сильно затруднено вследствие целого ряда специфических факторов. Это связано, прежде всего, с характером горения дуги при сварке в условиях низких температур окружающей среды, кинетикой протекания процессов кристаллизации металла шва, возникающих напряжений и сварочных деформаций в создаваемых металлоконструкциях. Практика эксплуатации машин и конструкций, работающих в условиях Сибири и Крайнего Севера в зимний период, показала, что производительность разных видов техники снижается до 1,5 раз по сравнению с летним периодом. Наработка на отказ падает в 2-3 раза, фактический

1. Актуальность

Все возрастающие в нашей стране и за рубежом требования к техногенной, природной и экологической безопасности в последние годы привели к выделению из общепринятых и решаемых проблем прочности, ресурса и безопасности новую проблему - живучести технических систем, как одну из главных в обеспечении стратегической безопасности и стабильности функционирования индустриальных объектов России [1, 2].

Анализ причин и характера разрушений металлоконструкций, эксплуатируемых в условиях низких температур, показал, что эти разрушения в основном происходят в зонах сварных соединений. Это неизбежно приводит к снижению допустимых

срок службы сокращается в 2-3 раза по сравнению с нормативным [3-5].

Цель работы - изыскание путей повышения безопасности и живучести технических систем, эксплуатируемых в регионах Сибири и Крайнего Севера.

2. Направления исследований по достижению заявленной цели

Для решения данной проблемы требуется разработка принципиально новых положений теории сварочных процессов, учет которых при реализации технологических процессов сварки и наплавки позволит обеспечить повышение эксплуатационной надежности сварных конструкций и изделий северного исполнения в целом. Основой этих положений, на наш взгляд, могут стать методы адаптивного управления сложной электродинамической системой: источник питания -дуга - сварочная ванна - изделие, и, обеспечивающих условия формирования равнопрочности зон соединений хладостойких материалов путем оптимального тепловложения при сварке [6-9].

Проведенные в последние годы фундаментальные исследования основ сварочных процессов и природы появления различного рода дефектов, в частности, технологических трещин и пор, в том числе при ведении сварки на холоде, позволили установить физическую природу аномальности поведения сварочной дуги при сварке в условиях низких температур [10, 11]. Это позволило сформулировать концептуальный подход к снижению дефектности и повышению прочностных и эксплуатационных показателей сварных соединений методами адаптивной импульсно-дуговой сварки [12, 13]. Сутью такого подхода является управление всеми стадиями формирования сварного соединения: горением дуги, плавлением и переносом электродного металла в сварочную ванну, кристаллизацией металла шва из расплава, через каналы обратных связей, контролирующих основные энергетические характеристики технологического процесса с учетом возмущающих воздействий [14]. Перечисленные

СП

возможности реализуют методы адаптивного управления сложной электродинамической системой: источник питания - дуга - сварочная ванна -изделие, которые позволяют обеспечить оптимальное тепловложение при сварке и выполнение условия равнопрочности зон соединений хладостойких материалов [15].

3. Практическая реализация технологий адаптивной импульсно-дуговой сварки

Все этапы формирования неразъемных соединений сопровождаются термодеформационными процессами, учет действия которых представляет сложную научно-техническую задачу. Решение такой задачи связано с анализом и учетом комплекса физических и химических процессов, протекающих на этапах формирования сварного соединения и, в конечном итоге, определяющих их эксплуатационные свойства [16].

Примером схемотехнической реализации отмеченного подхода может быть блок-схема адаптивной системы автоматического регулирования технологическим процессом (АСАРТП),

представленная на рисунке 1.

При дуговой сварке сварочный контур состоит из: источника питания (ИП) с блоком управления энергетическими параметрами режима сварки (БУЭХ), объекта управления (ОУ), включающего дугу (Д), сварочную ванну (СВ) и изделие (И), а так же блок контроля температурного режима изделия (БКТИ), состоящий из датчиков температуры (ДТ), блока сравнения текущего значения температуры с задаваемой (БС) и блока задания рекомендуемых значений температуры изделия (Т°зад.). Все элементы контура с учетом функциональных связей образуют трехконтурную электродинамическую систему. Воздействие на систему любым из приведенных возмущающих воздействий приводит к неизбежному изменению параметров во всех элементах контура. При этом обеспечение условий стабильного горения дуги в электродинамической системе является одним из основных условий протекания процесса сварки в --------------!

I контур

контур

ОУ

контур

Ро

т

св

и

У

и

ДТ

БКТИ

-Л 1_

Рис. 1. Блок-схема адаптивной системы автоматического регулирования технологическим процессом

1д

о

ид

ид О)

Рис. 2. Алгоритм изменения энергетических параметров режима при адаптивной импульсно-дуговой сварке с переносом без замыканий дугового промежутка

требуемом диапазоне.

При сварке возможны длительные, кратковременные и периодические отклонения параметров режима от номинальных. При этом качество «отработки» возмущающих воздействий неизбежно связано с появлением в той или иной степени недопустимых дефектов таких, как непровары, подрезы, наплывы, поры и др. Наиболее эффективным способом учета различного рода возмущений, является реализация адаптивного управления электродинамической системой: источник питания - дуга - сварочная ванна - изделие. При этом возмущения, возникающие в I и II контурах АСАРТП, могут быть отработаны путем выработки управляющих воздействийнаскоростьподачиэлектроднойпроволоки, энергетические параметры сварочного контура через БУЭХ. Вырабатываемые управляющие воздействия при этом, как правило, либо прямо пропорциональны сигналу рассогласования между мгновенными и текущими значениями энергетических параметров режима, либо осуществляются в момент достижения текущими значениями контролируемых параметров некоторых опорных значений, устанавливаемых в соответствии с выбранным алгоритмом адаптивного управления. Типичные примеры реализации адаптивных импульсных технологических процессов, при которых обеспечивается отработка возмущающих воздействий на систему автоматического регулирования возникающих в I и II контурах, представлены на рисунках 2, 3 и 4.

Так, на рисунке 2 представлен алгоритм импульсного управления энергетическими параметрами режима сварки, характерный для процесса сварки плавлением и переноса электродного металла без коротких замыканий дугового промежутка (сварка «длинной дугой»). Такой процесс сварки типичен для АСАРТП, которые обеспечивают отработку возмущающих воздействий при помощи I контура системы. Например, возмущающие воздействия в I контуре АСАРТП в виде: изменения длины дуги (неровности на поверхности изделия, капельный перенос электродного металла, проскальзывание проволоки в подающем механизме и т.п.); изменения «вылета» электрода вследствие возможных колебаний расстояния между токоподводящим наконечником и изделием; изменения напряжения холостого хода источника питания и сопротивления сварочного

контура, вызываемые колебаниями напряжения сети, нагревом обмоток силового трансформатора, нестабильностью контактов и другими; изменения на валу двигателей подачи электродной проволоки и перемещения вдоль стыка сварочного автомата и других, могут быть отработаны в результате непрерывного контроля за параметрами напряжения и тока дугового промежутка. При этом любое изменение их мгновенных значений от задаваемых фиксируются, соответствующими датчиками, и, через БУЭХ обеспечивается отработка такого отклонения через соответствующее изменение энергетических параметров системы питания. В рассматриваемом примере это удаление с торца электрода капли расплавленного электродного металла посредством наложения на дуговой промежуток мощного импульса тока.

Алгоритмы адаптивного импульсного управления энергетическими параметрами технологических процессов сварки, представленных на рисунках 3 и 4, могут служить примерами отработки возмущающих воздействий во II контуре АСАРТП. Системы управления, построенные по представленному типу, как правило, должны содержать датчики контроля не только за энергетическими параметрами дугового промежутка, но и отслеживать процессы, происходящие в сварочной ванне, что часто оказывает решающее значение при обеспечении стабильности формирования, например корневых швов сварных соединений. Характерными примерами возмущающих воздействий, которые могут быть отработаны при помощи подобных систем АСАРТП, являются: внезапные короткие замыкания дугового промежутка каплями расплавленного металла; изменения геометрии сборки стыка под сварку, зазора, притупления, угла разделки кромок; структурная и химическая неоднородность свариваемого металла; изменения толщины свариваемого материала по длине стыка; изменения состояния свариваемой поверхности металла (наличие различного рода загрязнений окисных пленок и т.п.); смещения электрода относительно свариваемого стыка; изменения физического состояния и химического состава электрода в процессе сварки и ряда других. Во всех перечисленных случаях имеет место изменение динамики формирования сварочной ванны, что также может быть причиной появления различных дефектов в металле шва и, как следствие, низкой надежности сварных соединений.

кже кже

а)

U-,

О

иП

ид

Рис. 3. Алгоритм изменения энергетических параметров режима при адаптивной импульсно-дуговой сварке с переносом во время коротких замыканий дугового промежутка: а) сварочный ток; б) дуговое

напряжение

о

j L

Ire

1 г

t ГС

Рис. 4. Алгоритм адаптивной импульсно-дуговой сварки покрытыми электродами для односторонней

сварки корневых швов

Наиболее сложную техническую задачу представляет реализация отработки возмущений, действующих в III контуре электродинамической системы: источник питания - дуга - сварочная ванна - изделие. К таким возмущением следует отнести, прежде всего: изменения температуры свариваемого изделия в процессе сварки, вследствие автоподогрева; изменения условий охлаждения изделия, из-за колебаний температуры охлаждающего воздуха, из-за колебаний температуры окружающей среды, изменения скорости ветра и т.п. Под влиянием возмущений III контура, вышеназванной системы, в сварочной ванне изменяется топология температурного поля и, как следствие, геометрические размеры шва при кристаллизации металла шва из расплава. Учет температуры автоподогрева изделия в ходе технологического процесса, а так же отработка указанного возмущающего воздействия при помощи АСАРТП, позволяет стабилизировать тепловые и энергетические характеристики, обеспечить постоянство или периодическое изменение процессов тепломассопереноса в электродинамической системе: источник питания - дуга - сварочная ванна - изделие.

Примером реализации алгоритмов адаптивного

управления, позволяющих обеспечить стабилизацию режимов сварки в данном случае, может быть алгоритм управления, представленный на рисунке 5.

4. Обсуждение результатов практического применения адаптивных импульсных технологий сварки и наплавки

Отмеченный подход позволил создать новые инновационные технологические решения в сварке и наплавке, повышающие показатели безопасности, живучести и эксплуатационной надежности технических систем, работающих в условиях Сибири и Крайнего Севера [16, 17, 18 и др.]. Практическая реализация предложенного подхода позволила установить следующие преимущественные отличия адаптивных импульсных технологических процессов сварки от традиционно применяемых в промышленном производстве:

- структурные изменения в сварном соединении при импульсном воздействии предотвращают резкое снижение прочности металла ЗТВ и приводят к повышению усталостной прочности

Рис. 5. Пример реализации корректировки алгоритма импульсного изменения сварочного тока в зависимости от температуры автоподогрева изделия

металлов шва в 1,7 раза и ЗТВ в 1,2-1,4 раза (рис. 6, 7), что позволяет повысить надежность и долговечность получаемых сварных соединений, работающих в условиях Сибири и Крайнего Севера;

- у сварных соединений, полученных методами адаптивной импульсно-дуговой сварки, повышается стойкость против коррозионного разрушения в условиях

атмосферного и кислотного воздействия. Вместо опасной межкристаллитной коррозии, характерной соединениям, полученным традиционными технологиями сварки, протекает питтинговая коррозия, в результате чего меньше снижается несущая способность металлоконструкций (рис. 8);

- сварные соединения, полученные методами адаптивной импульсно-дуговой сварки, имеют более низкий порог хладноломкости металла зон сварных соединений, чем у сварных соединений, полученных традиционными методами (рис. 9). Это позволяет использовать их для работы в условиях многофункциональной нагрузки и низкочастотного термоциклирования.

шов

ЗТВ

Рис.6. Микроструктура металла шва сварного соединения стали 12Х1МФ: а - после стационарного режима, б - после импульсного

Рис.7. Изменение усталостной прочности сварных соединений после стационарного режима

Развиваемое направление исследований имеет большое значение не только для этапа создания надежных технических систем, используя современные технологии сварки, но и в значительной мере для разработки ремонтно-восстановительных и упрочняющих технологий, которые позволяют решить весь комплекс проблем обеспечения живучести и безопасности в процессе эксплуатации металлоконструкций ответственного назначения.

Коррозионное разрушение сварного соединения стали 17Г1СУ после стационарного режима сварки

Коррозионное разрушение сварного соединения стали 17Г1СУ после импульсного режима сварки

Рис. 8. Микроструктура коррозионного разрушения сварного соединения стали 17Г1СУ

300 250 200 150 100 50 0

Реж. ПТ

Реж. АИД

Рис. 9. Изменение значений ударной вязкости в зависимости от температуры испытаний у образцов сваренных в режиме постоянного тока

В этой связи становится актуальной разработка принципиально новых способов улучшения структуры и повышения свойств рабочих поверхностей машин и

механизмов [19, 20].

Так, например, при наплавке, как основном методе ремонтно-восстановительной и упрочняющей обработки, можно реализовать закономерности формирования и изменения структуры и свойств сплавов, характерных для процесса литья. Однако при наплавке, их проявление осложнено особенностями технологии процесса. Они связаны в основном с высокими скоростями плавления металла, образования ванны расплава и его последующей кристаллизации. Состав наплавленного металла отличается от исходного электродного (присадочного) материала, вследствие перемешивания основного и присадочного металлов, химического взаимодействия отдельных легирующих элементов с материалом флюса, насыщения газами (кислородом, азотом, водородом) из воздуха, и вследствие взаимодействия с влагой, оксидами и т.д. Благодаря высокой скорости охлаждения и повышенному содержанию примесей, в наплавленном металле часто появляются неравновесные выделения избыточных фаз. Из-за этого такой металл зачастую обладает пониженными пластическими характеристиками (относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость), особенно при низких температурах. Снижения влияния подобных факторов и их устранения можно достичь при варьировании составов наплавочных материалов, а также режимов наплавки. Процессы охлаждения и кристаллизации металлических материалов зависят от скорости охлаждения и степени переохлаждения расплава, скорости зарождения и числа центров кристаллизации, скорости их роста, величины, формы и распределения кристаллов, ликвации примесей, конвективного движения в объеме затвердевающего расплава и возникновения в нем зональной неоднородности. Оказывая направленное воздействие на процессы кристаллизации формируемых сплавов, можно регулировать структуру и свойства покрытий.

Длительное время металлурги ищут способы управления размерами и формой зерен, получения материалов с однородной мелкозернистой и равноосной структурой, обладающих высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

К эффективным способам улучшения структуры наплавленных покрытий относятся различные методы модифицирования сплавов. Использование в шихте наплавочных материалов (в частности в порошковых материалах, порошковых проволоках и лентах, спеченных лентах, электродах) компонентов, прошедших предварительную рафинирующую обработку или содержащих микролегирующие добавки, позволяет активно влиять на структуру и свойства формируемого металла. При рафинировании в значительной мере снижаются количество и размеры нежелательных неметаллических включений в наплавленном металле, что благоприятно сказывается на его свойствах, в частности, на термостойкости, усталостной прочности, трещиностойкости, хладостойкости и т.д. При модифицировании уменьшаются размеры зерен покрытий и повышаются физико-механические и

эксплуатационные свойства.

Для обеспечения направленного

модифицирующего влияния дисперсных тугоплавких соединений на структуру, физико-механические и служебные свойства покрытий из сплавов системы Fe-С, необходимо проведение анализа влияния модифицирующего воздействия вводимых в расплав добавок дисперсных тугоплавких соединений. В настоящее время наиболее широко применяемыми методами нанесения покрытий являются методы электродуговой, электрошлаковой и плазменно-порошковой наплавок. В качестве модифицирующих соединений могут использоваться порошковые материалы, имеющих субмикрокристаллическую структуру и представляющих собой многофазные системы. Применение таких материалов может приводить к формированию покрытий в виде высокодисперсной композиции, с включениями субмикрокристаллических упрочняющих фаз, так как размеры метастабильных карбидов, боридов и нитридов могут составлять от сотен нанометров до единиц микрон. В процессе наплавки вкрапления таких композиционных материалов в матрице сплава Fe-C приводит к формированию дисперсноупрочненой структуры и, безусловно, обеспечит повышение механических и эксплуатационных свойств наплавленного металла.

Заключение

Результаты, полученные при изучении вопросов связанных с живучестью, долговечностью и эксплуатационной надежностью технических систем северного исполнения, показывают, что особое внимание необходимо уделять анализу взаимосвязи свойств наплавленных покрытий, с количеством вводимых в расплав дисперсных тугоплавких соединений. Важно, чтобы изучение и оптимизация процессов кристаллизации металла шва из расплава, а так же регулирование температуры расплава, производилось не только за счет изменения энергетических параметров режима, но и за счет ввода в состав наплавочных материалов дисперсных тугоплавких соединений, которые дополнительно оказывают свое модифицирующее воздействие на материал покрытий, включая измельчение их структуры и повышение их эксплуатационных свойств. Такие возможности предоставляют современные технологии наплавки, создаваемые с учетом последних достижений фундаментальных и ориентированных исследований [21-29].

Анализ результатов выполненных исследований дает в полной мере утверждать, проводимые фундаментальные и ориентированные исследования, направленные на повышение прочностных и эксплуатационных свойств изделий и конструкций со сварными соединениями и наплавленными покрытиями, могут стать основой концептуального подхода к повышению безопасности и живучести технических систем, эксплуатируемых в регионах Сибири и Крайнего Севера. Практическая реализация сформулированного подхода позволит обеспечить экологическую и техногенную безопасности

стратегически важных для государства объектов: предприятий энергетики, мостовых конструкций и трубопроводного транспорта, нефте- и газодобывающего оборудования, горнодобывающей техники, машиностроительных и химических производств, расположенных в регионах холодного климата.

Работа выполнена за счет средств РНФ, проект №16-19-10010.

Список литературы

1. Ларионов В.П. Хладостойкость материалов и элементов конструкций / Ларионов В.П., Кузьмин В.Р., Слепцов О.Е. - Новосибирск: Наука, 2005. - 290 с.

2. Ларионов В.П. Новые подходы к разработке современных технологий сварки и нанесения покрытий для обеспечения эксплуатационной надежности металлоконструкций и изделий, эксплуатируемых в условия Сибири и Крайнего Севера / Ларионов В.П., Слепцов О.Е., Сараев Ю.Н., Безбородов В.П. // Вестник Академии Военных Наук. - 2008. - № 3. - с. 67-69.

3. Сараев Ю.Н. Усталостное разрушение и свойства сварных соединений трубопроводов в условиях Сибири и Крайнего Севера / Сараев Ю.Н., Слепцов О.И., Безбородов В.П., Никонова И.В., Тютев А.В. // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2005. - № 8. - с. 18-22.

4. Сараев Ю.Н. Анализ усталостного разрушения, структура и свойства сварных соединений трубопроводов, эксплуатируемых в условиях Сибири и Крайнего Севера / Сараев Ю.Н., Слепцов О.И., Безбородов В.П., Никонова И.В., Тютев А.В. // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2005. - №8. - с. 18-22.

5. Сараев Ю.Н., Гладковский С.В., Голиков Н.И., Веселова В.Е. Повышение эксплуатационных свойств металлоконструкций для работы в условиях низких климатических температур методами адаптивной импульсно-дуговой наплавки

/ Сараев Ю.Н., Гладковский С.В., Голиков Н.И., Веселова В.Е. // Сварочное производство. - 2015. -№11. - с. 33-41.

6. Сараев Ю.Н. Оптимизация режимов импульсно-дуговой наплавки коррозионностойких покрытий / Сараев Ю.Н., Селиванов Ю.В // Сварочное производство. - 2009. - № 6. - с. 3-9.

7. Сараев Ю.Н. Влияние импульсной сварки на структуру и свойства сварных соединений труб из высокопрочных сталей / Сараев Ю.Н., Слепцов О.И., Безбородов В.П., Никонова И.В., Тютев А.В. // Физическая мезомеханика. - 2005. - Том 8. -Специальный выпуск. - с. 141-144.

8. Сараев Ю.Н. Анализ существующих методов управления структурой металла сварного шва / Ю.Н. Сараев, В.А. Лебедев, С.В. Новиков // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. - 2016. - Т.4, №1. - С. 16-26.

9. Сараев Ю.Н. Управление структурой

и свойствами сварных соединений технических Л1 систем ответственного назначения методами 1

адаптивном импульсно-дуговои сварки / Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Григорьева А.А., Лебедев

B.А., Максимов С.Ю., Голиков Н.И. // Вопросы материаловедения. - 2015. - № 1.- с. 127-133.

10. Сараев Ю.Н. Обоснование концепции повышения безопасности и живучести технических систем, эксплуатируемых в регионах Сибири и Крайнего Севера, на основе применения адаптивных импульсных технологий сварки // Тяжелое машиностроение. - 2010. - № 8. - с. 14-19.

11. Сараев Ю.Н. Оптимизация режимов и техники нанесения коррозионно-стойких покрытий электродуговой наплавкой в режиме импульсного изменения энергетических параметров технологического процесса / Сараев Ю.Н., Селиванов Ю.В. // Новые промышленные технологии. - 2009. -№ 4. - с. 15-21.

12. Псахье С.Г. Концептуальный подход к разработке современных технологий производства, ремонта и упрочняющей обработки ресурсоопределяющих деталей и изделий автобронетанковой техники Вооруженных Сил России / Псахье С.Г., Сараев Ю.Н., Безбородов В.П. // Вестник Академии военных наук. - 2008. - № 3. - с. 27-30.

13. Лебедев В.А. Управление геометрией сварного шва аппаратными средствами при механизированной и автоматической сварке плавящимся электродом / Лебедев В.А., Максимов

C.Ю., Жерносеков А.М., Сараев Ю.Н. // Сварочное производство. - 2014. - № 5. - с. 10-18.

14. Сараев Ю.Н. Особенности разработки электротехнологических процессов сварки и наплавки на основе алгоритмов адаптивного импульсного управления энергетическими параметрами режима

// Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. - 2015. - Т.3, №3. - с. 3-11.

15. Сараев Ю. Н. Обоснование концепции повышения безопасности и живучести технических систем, эксплуатируемых в регионах Сибири и Крайнего Севера, на основе применения адаптивных импульсных технологий сварки // Тяжелое машиностроение. - 2010. - № 8. - с. 14-19.

16. Сараев Ю.Н., Безбородов В.П. Влияние энергетических параметров процесса сварки на структуру и свойства сварных соединений низколегированных сталей / Сараев Ю.Н., Безбородов В.П. // Сварочное производство. - 2012. - № 8. - с.3-5.

17. Сараев Ю.Н. Исследование Влияния адаптивной импульсно-дуговой сварки на механические свойства и остаточные напряжения сварных соединений стали марки 09Г2С / Сараев Ю.Н., Голиков Н.И., Дмитриев В.В., Санников И.И., Безбородов В.П., Григорьева А.А. // Обработка металлов. - 2013. - № 3. - с. 19-24.

18. Сараев Ю.Н. Адаптивные импульсно-дуговые методы механизированной сварки при строительстве магистральных трубопроводов // Сварочное производство. - 2002. - № 1. - с. 4-11.

19. Сараев Ю.Н. Влияние режимов наплавки покрытий на коррозионную стойкость в

кислых средах сварных соединений аустенитных сталей / Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Селиванов Ю.В., Никонова И.В. // Обработка металлов. - 2007.-№2. - с. 33-36.

20. Сараев Ю.Н. Влияние параметров импульсного процесса электрошлаковой наплавки на структуру и абразивную износостойкость Fe-C-Cr-Mn-покрытий / Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Тютев А.В. // Сварочное производство. - 2005. - № 10. - с. 13-17.

21. Сараев Ю. Н. Импульсные технологические процессы сварки и наплавки. Новосибирск: Наука, 1994. - 108 с.

22. Лоос А.В. Лукутин А.В., Сараев Ю.Н. Источники питания для импульсных электротехнологических процессов / Лоос А.В. Лукутин А.В., Сараев Ю.Н. // Издательская полиграфическая фирма ТПУ. - г. Томск. - 1998 г. -159 с.

23. Потапьевский А.Г., Сараев Ю.Н., Чинахов Д.А. Сварка сталей в защитных газах плавящимся электродом. Техника и технология будущего: монография / А.Г. Потапьевский, Ю.Н. Сараев, Д.А. Чинахов; Юргинский технологический институт. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - 208 с.

24. Львов Н.С. Автоматика и автоматизация сварочных процессов / Львов Н.С., Гладков Э.А. - Москва: Машиностроение, 1982. - 302 с.

25. Сараев Ю.Н. Специфика формирования наплавленного покрытия с защитными коррозионно-стойкими свойствами на сталях аустенитного класса / Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Селиванов Ю.В. // Сварочное производство. - 2009. -№ 4. - с. 20-25.

26. Сараев Ю.Н. Абразивная износостойкость металла электрошлаковой наплавки / Сараев Ю.Н., Полетика И.М., Козлов А.В., Перовская М.В. // Сварочное производство. - 2006. - № 8. - с. 3-8.

27. Сараев Ю.Н. Особенности поведения коррозионно-стойких покрытий, нанесенных методом импульсно-дуговой наплавки для защиты сварных соединений аустенитных сталей, работающих в кислых средах / Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Селиванов Ю.В. // Новые промышленные технологии.

- 2009. - № 1. - с. 26 - 32.

28. Сараев Ю.Н. Оптимизация режимов и техники нанесения коррозионно-стойких покрытий электродуговой наплавкой в режиме импульсного изменения энергетических параметров технологического процесса / Сараев Ю.Н., Селиванов Ю.В. // Новые промышленные технологии. - 2009. -№ 4. - с. 15-21.

29. Патон Б.Е. К вопросу о саморегулировании дуги при сварке плавящимся электродом / Патон Б.Е., Максимов С.Ю., Сидорук В.С., Сараев Ю.Н. // Сварочное производство. - 2014.

- № 12. - с.3-11.

30. Лебедев В.А. Импульсные воздействия на процессы сварки и наплавки за счет систем механизированного и

автоматического оборудования / Лебедев В.А., Сараев Ю.Н. // Сварочное производство. - 2015. - № 5. - с. 34-44.

31. Сараев Ю.Н. Опыт разработки и практического применения адаптивных импульсно-дуговых методов сварки для строительства и ремонта магистральных трубопроводов // Вопросы материаловедения. - 2015. - № 1. - с. 210-219.

32. Патон Б.Е. Критический анализ существующих представлений о саморегулировании

дуги при сварке плавящимся электродом / Б.Е. Патон, В.С. Сидорук, С.Ю. Максимов, Ю.Н. Сараев // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. - 2015. - Т.3, №4. - с. 38-47.

33. Сараев Ю.Н., Кректулева Р.А., Шпигунова О.И. Компьютерное конструирование адаптивных импульсных технологических процессов. - В кн.: Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. В 2 т. / Панин В.Е., Макаров П.В., Псахье С.Г. и др. - г. Новосибирск:

УДК 621.791.55

Анализ влияния газодинамических процессов и режимов наплавки на

геометрию наплавленного валика

Д.А. Чинахов, к.т.н., доцент, Е.И. Майорова, аспирант, Е.Г. Григорьева, ассистент

Юргинский технологический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета

chinakhov@tpu.ru

Рассмотрено влияние режимов сварки и скорости истечения газа на геометрию наплавленного валика при наплавке порошковой проволокой. Приведены сравнительные результаты. Даны практические рекомендации для возможного управления формой валика при ремонте деталей наплавкой.

Ключевые слова: наплавка, порошковая проволока, наплавленный валик, восстановление.

Внастоящеевремясваркаинаплавкапорошковой проволокой широко применяется во многих странах мира, и являются наиболее перспективными дуговыми процессами для соединения металлов, восстановления изделий и придания им необходимых свойств.

Порошковая проволока является

высокопроизводительным электродным материалом, позволяющим решать широкий круг задач [1]. Порошковая проволока обеспечивает мягкое стабильное горение дуги, мелкокапельный перенос и минимальное разбрызгивание электродного металла, отличное формирование шва. Поверхность шва гладкая и блестящая. Порошковая проволока обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами в широком диапазоне режимов сварки, чем выгодно отличается от проволок сплошного сечения. При сварке порошковыми проволоками обеспечиваются более высокие механические свойства металла шва (ударная вязкость, пластичность), чем при сварке сплошной проволокой [2].

Целью работы являлось исследование влияний газодинамических процессов и режимов наплавки на геометрию наплавленного валика.

Исследованию управления геометрией наплавляемого валика при сварки в СО2 проволокой сплошного сечения посвящено значительное число работ [3-6], однако вопросы управления этим процессом порошковой проволокой изучены недостаточно [7-8].

Для определения влияние газодинамики и режимовнаплавкиодноструйнойидвухструйнойгазовой защиты на геометрию шва при сварке плавящимся

электродом в С02 был проведен эксперимент на реальном объекте исследования. Во время проведения эксперимента выполняли наплавку валика на пластину из стали 40Х толщиной 10 мм порошковой проволокой DT-DUR 250К диаметром 1,6 мм в С02. Наплавку валика выполняли сваркой с традиционной (одноструйной) и с двухструйной газовой защитой.

Использовали 3 режима сварки (пониженный, нормальный, повышенный), изменяя на каждом режиме расход защитного газа от 10 до 30 л/мин с шагом 10 л/мин. Вылет электродной проволоки оставался постоянным L=12 мм. Используемое оборудование: автоматическая сварочная установка МЕСОМЕ WP1500 источник питания ВС-300Б и подающий механизм ПДГО-528М.

При наплавке должен выполняться ряд технологических требований. В первую очередь таким требованием является минимальное разбавление направленного слоя основным металлом, расплавляемым при наложении валиков. Поэтому в процессе наплавки необходимо получение наплавленного слоя с минимальным проплавлением основного металла, так как в противном случае возрастает доля основного металла в формировании наплавленного слоя.

На полученных сварных образцах провели измерение геометрических параметров наплавленных валиков (е - ширина шва, д - усиление шва, h - глубина проплавления) (табл. 1, 2, 3).

Первый режим сварки: I = 150 А, напряжение дуги и = 24 В, скорость сварки V = 3 мм/с, скорость подачи сварочной проволоки V =50 мм/с.