Оценка влияния температуры электроконтактной приварки порошкового слоя на его пористость

УДК 621.791.011

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ПРИВАРКИ ПОРОШКОВОГО СЛОЯ НА ЕГО ПОРИСТОСТЬ

Булычев Всеволод Валерьвич, декан, д.т.н., доцент Калужский филиал Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана, г.Калуга Латыпова Гюльнара Рашитовна, старший преподаватель Московский государственный машиностроительный университет

ЛатыповРашит Абдулхакович, д.т.н., профессор Московский государственный машиностроительный университет Бахмудкадиев Нухкади Джалалович, зав. кафедрой, к.т.н., доцент Дагестанский государственный педагогический университет

На основе предложенной расчетной схемы рассмотрено влияние температуры электроконтактной приварки порошка на пористость формируемого покрытия.

Ключевые слова: электроконтактная приварка, слой порошка, покрытие, пористость, температура.

Электроконтактная приварка (ЭКП) порошковых материалов является одним из перспективных способов восстановления и упрочнения деталей машин различного назначения. Возможность приварки порошков различных сталей, сплавов и их смесей позволяет обеспечивать широкий диапазон эксплуатационных свойств металлопокрытий и повысить ресурс восстановленных и упрочненных деталей машин [1].

В процессе приварки, за счет нагрева частиц и их пластического деформирования, происходит осаживание и уплотнение порошкового слоя. Высокие физико-механические свойства покрытия достигаются при полном устранении пористости. В связи с этим практический интерес представляет оценка температур, обеспечивающих формирование беспористого слоя приваренного металла.

Известно [1], что при ЭКП в паузах между импульсами тока приварки порошковый материал 1 защемляется между поверхностью детали 2 и

Н

электродом 3, образуя порошковый слой высотой 0 (рис. 1, а), начальной пористостью По и объемом:

уо = Но Б,

где Б - площадь поперечного сечения порошкового слоя.

"Л

а) б)

Рис.1. Схема осаживания порошкового слоя: а) стадия защемления порошкового слоя между деталью и электродом; б) стадия осаживания порошкового слоя при его нагреве импульсом электрического тока

Начальная пористость П0 составляет:

По —

К

пор,0

К0~

или

По —

К

пор,0

V + V 0

' м ' пор,0

где Км - объем привариваемого металла (общий объем привариваемых частиц порошка), Кпор - объем пор защемленного слоя порошка.

При пропускании импульса электрического тока силой I происходит нагрев порошкового слоя до некоторой температуры T, его уплотнение и осаживание до высоты П под действием усилия приварки F (рис.1,б).

Примем допущение, что осаживание порошкового слоя не сопровождается выдавливанием частиц порошка из-под роликового электрода (

Км - const) и является следствием уменьшения его пористости, а также, что площадь единичной площадки привариваемого слоя остается постоянной и не зависит от осадки привариваемого слоя (S — const). С учетом принятых допущений из (1-3) получим:

Км S

— H (1 - П0) — H (1 - П) — const

Отсюда

H — H 0

Согласно принятой расчетной схеме осаживание и уплотнение порошкового слоя является следствием пластического деформирования частиц. Представляя исходную частицу в виде цилиндра, напряжение деформирования частицы сгд составит [2]:

f \

1 +

V 6hH у

где ст - предел текучести металла частицы, зависящий от температуры Т; Кч, sч - высота и площадь основания деформируемой частицы при этой температуре Т.

Учитывая, что осадка для каждой частицы в отдельности и всего порошкового слоя одна и та же, получим:

К = Ко -

.....

где Кч0 - высота недеформированной частицы

Площадь sч нашли следующим образом. Считая поры равномерно распределенными по объему порошкового слоя можно записать:

е

тг _ пор,0

По =-

0 е + е

пор ,0

где 8пор 0, 8м - площади пор и металла в произвольном сечении порошкового слоя до его уплотнения, например, в плоскости контакта с поверхностью детали.

Учитывая, что е 0 = $П0, из (7) после преобразований получим:

S

м -1 - П0

е . (8) Величину Бм представили в виде:

ем = п^ч,0

где п - количество частиц в плоскости контакта, sч 0 - площадь контакта

с поверхностью детали одной недеформированной частицы. Из (8) и (9) получили:

п = 1 - П0

S (10) Полагая, что количество частиц n в плоскости контакта остается постоянным (n = const) и не зависит от осадки порошкового слоя, имеем, что n

— = const при различных температурах T .

S

Тогда из (10) следует:

n 1 - П° 1 - П

= const

S s4 ,о s4

Отсюда

= ,0

Учитывая, что

из(11) получили:

=

4

Лч = ЛЧ,0л

Влияние температуры на предел текучести от описали зависимостью [2]:

°т = °т,0

1 - Т

Т

V пл у

где сгт 0- предел текучести металла частиц при комнатной температуре; Тт - температура плавления. Напряжения деформирования можно представили в виде

О = —

Учитывая, что из (14) получили:

о

^м .

^м = ^

Р

где р =--давление приварки, осредненное по площади контакта электрод-деталь.

Подставив (6), (12), (13) и (15) в (5) получили выражение, связывающие пористость покрытия П и температуру его нагрева Т:

Т = Тп

1

Ро

1 +

Л

ч,0

6к

ч,0

1 - П

V1 - П0 у

>1,5 Л

уу

2

где Ро

Р

CT

- относительное давление приварки.

т,0

Осадка частицы при этом составляет:

s =

К ,0 - к

h

ч,0

Подставив в (17) зависимость (6) получили:

s

П о - П

1 - П

В допущении « Ич 0, уравнение (16) примет вид:

Т = Т

1 -

Ро

1

1 +

1 - П

V1 - П0 У

Л,5Л

У У

Температуру Т0 начала деформирования частиц, осаживания и уплотнения порошкового слоя нашли из (17), полагая П = П0:

Т0 = Тп

1

6 Ро

7

Как отмечается в работах [3, 4], энергетически выгодными являются режимы ЭКП, при которых в физический контакт вступают уже энергетически подготовленные поверхности привариваемого и основного металлов. В связи с этим, ЭКП порошка целесообразно осуществлять при таких значениях ротн, чтобы осаживание порошкового слоя начиналось после достижения температур схватывания соединяемых металлов. Для порошков на основе железа в качестве такой температуры примем Т0 « 700 С [5, 6]. Тогда, на основании (20), давление приварки должно соответствовать неравенству:

Ротн < 0,3

_4 2

Например, полагая ст0 = 300 МПа, П0 = 0,3, 5 = 0,18 -10 м , из (21) и

(15) получили ^ < 1,13 кН.

Полное исчезновение пор в покрытии (П = 0) достигается при нагреве до температуры:

/ л

Т = Тп

1 -

Ро

1

1+

6

1,5

Расчеты по (22) показали, что для вышеуказанных численных значений переменных Т* « 900 С.

Осадка частицы и порошкового слоя при этом составит на основании (18) * = Д,.

Таким образом, зависимость (21) показывает, что увеличение начальной пористости порошка П0 приводит к целесообразности снижения усилия приварки для предотвращения преждевременного деформирования мало нагретых частиц порошка. Согласно (22) увеличение Д0 повышает температуру, необходимую для достижения беспористого покрытия (П = 0), что объясняется необходимостью увеличения требуемой степени пластического деформирования частиц.

Выводы

1. Получены математические зависимости, позволяющие выполнить расчетную оценку начальной пористости порошкового слоя и давления приварки на температуру формирования беспористого покрытия.

2. Увеличение начальной пористости порошкового слоя приводит к целесообразности снижения усилия приварки и необходимости увеличения температуры нагрева порошкового слоя в течение термомеханического цикла ЭКП.

Список литературы

1. Латыпов Р.А. Выбор компактных и порошковых металлических материалов и управление качеством покрытий при упрочнении и восстановлении деталей электроконтактной приваркой: Автореферат дис. ... докт. техн. наук. - Москва, 2006. - 50 с.

2. Кочергин К. А. Контактная сварка. - Л.: Машиностроение, 1987.- 240 с.

3. Каракозов Э.С. Соединение металлов в твердой фазе. - М.: Металлургия, 1976. -264 с.

4. Клименко Ю.В. Электроконтактная наплавка. - М.: Металлургия, 1978. - 128 с.

5. Латыпов Р.А., Булычев В.В. Расчетная оценка энергетических условий схватывания при электроконтактной приварке // Технология металлов. 2011. №1. С. 32-36.

6. Латыпов Р.А., Латыпова Г.Р., Дудин В.И. Особенности электроконтактной приварки порошка ПР-НПЧ3 на детали из чугуна // Современные материалы, техника и технологии. 2015, №2. С. 97-101.