Проектирование технологии электродуговой наплавки на основе математического моделирования

ВЕСТНИК

ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2000 г. Вып.№9

УДК 621.791.92.03 -52

Иванов В.П.1, Матвиенко В.Н.2

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ НАПЛАВКИ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

На основе исследования влияния исходных данных и технологических параметров сформированы расчетные схемы различных видов наплавки и разработано математическое обеспечение для их выбора и реализации. В качестве примера рассмотрена модель расчета режима наплавки цельнометаллической проволокой под флюсом.

Перспективным направлением развития технологии являются способы создания наплавленных слоев с регламентированными свойствами и структурой [1,2], позволяющие применить экономнолегированные наплавочные материалы для изделий с различными условиями работы и конфигурацией наплавляемой поверхности.

Необходимым условием проектирования является обеспечение технологической стабильности процесса, предусматривающей получение качественного шва на всей наплавляемой поверхности при сохранении неизменными основных его параметров. Особенно важно обеспечить неизменную ширину наплавленного валика в сочетании с ограниченным, но равномерным противлением, не допуская как несплавлений, так и локальных углублений. Решение этой проблемы невозможно без обеспечения адекватного расчета параметров режима и его оптимизации.

Многие известные формальные эмпирические и детерминированные математические модели и методики расчета режимов сварки, в частности, разработанные рядом авторов, таких как О.Г.Касаткин, И.Ф.Коринец, Т.Г.Кравцов, В.И.Махненко, В.А.Судник и др. [3-5], могут использоваться при математическом моделировании технологии. Однако применение указанных моделей для расчета режимов наплавки не всегда возможно, поскольку их основными исходными данными служат параметры, не являющиеся определяющими или вообще отсутствующие при наплавке: тип сварного соединения, толщина свариваемых деталей, глубина проплавления и т.п. Существующие же разрозненные методики расчета режимов наплавки из-за отсутствия строгих аналитических зависимостей трудно поддаются формализации, либо носят рекомендательный характер [6]. Исходя из этого, а также учитывая применение для восстановления деталей металлургического оборудования наряду с электродуговым электрошлакового, плазменно-порошкового и др. способов наплавки, была поставлена задача разработки системы локальных моделей, охватывающей возможные варианты технологии.

Это было осуществлено путем построения дискретных моделей процесса формирования наплавленного валика при различных способах наплавки, построения аппроксимирующих зависимостей для межинтервальных областей и оптимизации выходных параметров по заданным условиям. В качестве основных исходных данных были приняты: способ наплавки, вид и размер электрода и необходимая форма наплавляемого шва. Обработка литературных и опытных данных производилась с помощью математических прикладных пакетов Mathcad 6.0 и "Simple Formula", позволяющих с большой точностью получить расчетные модели требуемого вида. Далее приведена одна из полученных моделей для случая электродуговой наплавки под флюсом цельнометаллической проволокой.

1 ГТГТУ, канд. техн. наук, доцент

2 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент

Алгоритм расчета параметров режима:

1. Ток наплавки (среднее значение), А

1= [(182.5/ехр(с1) - 2. 7(1 + 39.251)<|? + 50] КЕКР, с) - диаметр электрода,мм;

Ке, К к - коэффициенты, учитывающие влияние химсостава электрода и флюса,.соответственно (база данных).

2. Напряжение (среднее значение), В:

и=[0.0Ы- 0.143 (1 +33] КшКш -Кщ ,Ки2 - коэффициенты, учитывающие влияние выбранной расчетной схемы и величины силы тока.

3. Скорость подачи, м/ч:

Уп = к 1н - В1,

где

1.028/а -131.13ю За + ззб,з2Ю^, з;

и^ 623.36-10'3 ехр(с!) + 257.71п(с1) - 94.52(1, 3<с|<5; 1/л/ 2.69 <12 - 2.147-10 -3 / ехр((1) - 11.109 103 ехр(с1), ё>5;

В

к / (22.37 10^ + 3.193 10 3/ (1 - 1.093 Ю"3^), А <4; к/(19.309 103 + 1.79 10"3 - 14.971 10^ 1п(<1», <Ь4.

4. Размеры шва, мм: Ширина валика

В= ехр( 7.3579ехр1(с1)+ 3.15781п((1)~394.19 10"3(1); Глубина проплавления

Н—8.613ехр"1((1)+0.6307(12-2.9732-103ехр((1)-3.02(1+8.6506; Высота шва

ехр(-148.19-10"6ехр((1)-75.244-10 3 (Г1+244.34-10"3<1),(1<5; 1п (834.55(1"1+193.98), с!>5.

5. Технологические параметры:

Площадь наплавки, мм - г ц— 0.75 ВС: Площадь электрода, мм2 - Рэ= 0.785 (I2; Скорость наплавки, м/ч - УН=[РЭ /Р'н] Уп; Перекрытие, мм - (0.22-0.35)В; Вылет, мм - Ь=25+5(1;

6. В случае наплавки тел вращения малого диаметра установлены ограничения на размер электрода исходя из условия:

01п!„=(15.5-2.34(1)"1 • 103, мм

При этом:

Н39.51ехр1(й)+48.8(1)1п(ВЬ(28.5с12+218);

и^Ыпф)-ДО; где к1-1п

Для расчета параметров режима термообработки, позволяющего снизить уровень напряжений в наплавленной детали и вероятность появления трещин в наплавленном слое, использовались статистические модели вида:

Т„тп=¥(Сзкв; А(,....АП), ^ТГр^С^ОТП »Сэкв; В0 ...Вп),

где А1 , В| -факторы, определяемые химсоставом и структурой основного и наплавленного металла, массой и размерами изделия, условиями эксплуатации и т.д., полученные на основе литературных и экспериментальных данных, а также зависимости, которые разработали Ю.А.Стеренбоген, М Х.Шоршоров, Н.Н.Прохоров, Ф.Д. Кащенко, и др.

Выводы

1. Известные методики расчета параметров режимов сварки не могут быть использованы для моделирования технологии наплавки, поскольку их основными исходными данными служат параметры, не являющиеся определяющими или вообще отсутствующие при наплавке: тип сварного соединения, толщина свариваемых деталей, глубина проплавления и т.п.

2. Разработана система локальных математических моделей для расчета

параметров режима наплавки, где в качестве основных исходных данных были приняты: способ наплавки, вид и размер электрода и необходимая форма наплавляемого шва.

Перечень ссылок

1. Гулаков СВ., Носовский Б.И. Особенности получения швов с регламентированным распределением химических элементов по длине // Сварочное производство. - 1982. - №7. -С.10-11.

2. Работоспособность наплавленных роликов машин непрерывного литья заготовок / Ф. С.

Домбровский, ЛКЛещинский. - Киев: ИЭС им. Ё.О. Патона, 1995. - 198 с.

3. Применение математических методов в сварке / Ред. Махненко В.И. -Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1988. - 166с.

4. Судник В. А., Ерофеев В. А. Компьютерные методы исследования процессов сварки: Учеб.

пособие. - Тула: Тульск. политехи, ин-т, 1988. - 100 с.

5. Касаткин О.Г. Расчетная оценка сопротивляемости металла шва развитию усталостных трещин//Автоматическая сварка,- 1985. -№ 12. - С. 1-4.

6. Экспертная система "Наплавка" / И. В. Бочарников, П. В. Гладкий, В. Ф. Демченко, И.А.Рябцев// Наплавленный металл. Состав, структура, свойства: Сб. науч. тр. - Киев: ИЭС им.Е.О.Патона. 1992. -С. 94-97.

Иванов Виталий Петрович. Канд. техн. наук, доцент кафедры "ОиТСП", старший научный сотрудник ОНИЛ наплавки. Окончил Ждановский металлургический институт в 1986г. Основные направления научных исследований - разработка материалов и технологии для наплавки деталей прокатного и металлургического оборудования, создание программного обеспечения в области сварки и наплавки.

Матвиенко Владимир Николаевич. Канд. техн. наук, доцент кафедры "ОиТСП", научный руководитель ОНИЛ наплавки. Окончил Ждановский металлургический институт в 1977г. Основные направления научных исследований - развитие теоретических и технологических основ создания материалов и оборудования для наплавки; совершенствование технологии и повышение качества широкослойной наплавки.