CC BY
59
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
131
УДК 621.791.75
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТАВА МЕТАЛЛА, НАПЛАВЛЕННОГО ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ СЛОЖНОЙ
КОНСТРУКЦИИ
В.Д. Кассов, проф., д.т.н., 0.0. Разумович, асп.,
Донбасская государственная машиностроительная академия, г. Краматорск
Аннотация. Разработана математическая модель для расчета с достаточной прочностью химического состава наплавленного металла с учетом долей участия основного и наплавленного металла, металла предыдущего валика в последующем и относительного шага наплавки. Эксперименты показали, что для получения качественного слоя при наплавке порошковой проволокой сложной конструкции на различных режимах целесообразно шаг наплавки выбирать в пределах 0,5-0,7.
Ключевые слова: наплавление, порошковая проволока, ремонт, шаг наплавки, математическая модель, прочность.
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ СКЛАДУ МЕТАЛУ, НАПЛАВЛЕНОГО ПОРОШКОВИМ ДРОТОМ СКЛАДНОЇ КОНСТРУКЦІЇ
В.Д. Кассов, проф., д.т.н., 0.0. Разумович, асп.,
Донбаська державна машинобудівна академія, м. Краматорськ
Анотація. Розроблено математичну модель для розрахунку з достатньою міцністю хімічного складу наплавленого металу з урахуванням часток участі основного і наплавленого металу, металу попереднього валика в наступному і відносного кроку наплавлення. Експерименти показали, що для отримання якісного шару при наплавленні порошковим дротом складної конструкції на різних режимах доцільно крок наплавлення обирати в межах 0,5-0,7.
Ключові слова: наплавлення, порошковий дріт, ремонт, крок наплавлення, математична модель, міцність.
MATHEMATICAL SIMULATION OF THE METAL DEPOSITED CORED WIRE COMPLEX DESIGNS
V. Kassov, Prof., Dr., Eng. Sc., O. Razumovich, postgraduate,
Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk
Abstract. A mathematical model to calculate a chemical composition of weld metals with sufficient strength, taking into account the percentage of the basic and weld metal, metal beads in the previous and subsequent welding steps. Experiments have shown that, in order to get a quality layer while fusing with a complex cored wire at various modes, it is reasonable to select within 0,5-0,7 welding steps.
Key words: fusing, cored wire, repair, welding step, mathematical model, strength.
Введение
В процессе эксплуатации агрегаты и детали автомобиля изнашиваются в различной степени - в зависимости от условий работы и
износостойкости [1]. Восстановление работоспособности изношенных деталей может быть достигнуто двумя путями: применением метода ремонтных размеров или наращиванием металла на изношенную поверхность
132
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
до номинальных размеров [2]. Первый путь имеет ограниченные возможности, поскольку число ремонтных размеров не может быть бесконечно большим. Возникает необходимость в хранении и использовании большого количества сопрягаемых деталей с различными ремонтными размерами. Выбор способа наращивания изношенных деталей до номинального размера определяет степень работоспособности установленных деталей и стоимость их восстановления. В общем объеме восстановительных операций значительное место занимает наплавка порошковыми проволоками [3]. Однако особенности процесса наплавки порошковыми проволоками сложной конструкции изучены недостаточно.
Анализ публикаций
Анализ литературных данных показал, что использование технологии наплавки металла порошковой проволокой не только с целью создания новых сварных конструкций, но и с целью исправления дефектов и ремонта готовой продукции, представляется актуальным для современного машиностроения [1-3].
Получение качественного сварного соединения с требуемым химическим составом является основной задачей наплавки металла, поэтому совершенствование технологии наплавки, оптимизация режимов и рациональный подход к выбору материалов является актуальным направлением для исследований [1-4].
Поэтому представляло интерес изучение химического состава наплавленного металла с целью создания технологии, которая позволила бы получить качественное, бездефектное соединение.
Цель и постановка задачи
Целью работы является расчет состава металла, наплавленного порошковой проволокой сложной конструкции. Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
- исследовать химический состав наплавленного металла;
- произвести расчет химического состава наплавленного металла с учетом долей участия основного и наплавленного металла, металла предыдущего валика в последующем и относительного шага наплавки.
Расчет состава металла, наплавленного порошковой проволокой сложной конструкции
При наплавке малого числа слоев для расчета состава каждого наплавленного слоя необходим учет доли участия основного металла, (n-1)-ro слоя в n-м металле предыдущего валика в последующем. Концентрацию элемента в первом слое после стабилизации состава, т.е. наплавки трех-пяти валиков, можно определить согласно [5]
Me' = ^[МеоФі + MeH (1 -Фі -5)], (1)
где Me ’, Me0 , MeH - концентрация элемента в первом слое, основном и наплавленном металле; 5 - доля участия металла предыдущего валика в последующем; ф1, 1 — — S -
доли участия основного и наплавленного металла второго и последующего валиков (рис. 1).
Рис. 1. К расчету доли участия металла предыдущего валика в последующем
Для определения концентрации элемента в n-м слое преобразуем формулу (1) следующим образом
Me. = M<^1 - MeH Ф1 + MeH(1 -Ф1) =
1 -5 1 -5 1 -5
= MeH - (MeH -Meo)-\ . (2)
Из формулы (2) определим содержание элемента в последующих слоях, если вместо концентрации элемента в основном металле Me0 подставить содержание элемента в предыдущем слое (при условии постоянства Ф1.и 5)
Me2 = MeH - (MeH - Me ^ =
1 - 5
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
133
= MeH - (MeH - Me0) ( ^
Тогда концентрация элемента в n-м слое наплавки будет равна
Me11 = Мен - (Мен - Me0) f l—r'j . (3)
Таким образом, для расчета содержания элемента в n-м слое наплавки необходимо знать его концентрацию в основном и наплавленном металле и доли участия основного метала в металле второго и последующих валиков ф1 и доли участия металла предыдущего валика в последующем 5.
Откуда находим
У = ^л/(V2)2 -x2.
Тогда площадь сечения проплавления металла
b/2 4, b/2 ,----------
Fup = 2 J ydx = -f J yj(b/2) - x2 dx =
0 b 0
-h2 b2 п п , ,
= —-------= — hb .
b 8 2 - 2
Итак, площадь сечения слоя
F = FH + Fnp = f2 h + П h2 ] b . (6)
Величину MeH найдем по формуле (3), ф1 и
5 можно определить исходя из следующих соображений. Из макрошлифов наплавленных валиков установлено, что форму сечения усиления наплавленного валика можно принять в виде параболы (рис. 1) с уравнением вида
у = ax2 + f ,
Найдем площадь криволинейного треугольника АМВ. Имеем
F
AMB
b/2
2 I
H/2
-h1
b2
x + hi
\dx =
= -hb - hb H
3 1 1 b
i \ H
31 b
3
где h1 - высота усиления.
Из соотношения a \ — \ + h = 0 находим
= --hJb2.
Итак, форму сечения наплавленного валика можно описать уравнением
-h1 x2 b2 + f
(-)
Найдем площадь сечения наплавленного валика h2 и уравнением вида
b/2 b/2 ґ
ydx = 2 J I h1 -
0 0 V
Форму сечения проплавления основного металла можно принять в виде полуэллипса с полуосями b/2 и h2 и уравнением вида
-hrx2 Idx = — hb.
x2 + y2=1
(b / 2)2 + h2 “ ■
(5)
Аналогично находим площадь криволинейного треугольника АКВ
b/2
F = 2 \ 2h2-
1 AKB 2 I , Л
H / 2 b V
b-J - x2 dx
nh,b h2b . H h2H fH
- 2 b 2 V I b
Тогда площадь криволинейного четырехугольника АМВК составляет
F
AMBK
-h,b - hb H
3 1 1 b
3 (H
3
+
nh2b h2b . H h2H
+---2-----— arcsin------2—
- 2 b 2
»-'H
(7)
Обозначая относительный шаг наплавки H / b через а, получим
134
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
g _ fambk
F
2 % , .
—пл—h-h 3 n 4 2 1
f
a--
a
з \
h2 . h г 2
—2 arcsina —2 aV 1 - a 2 2
2
3
слое от содержания его в наплавленном металле через
А
Men -MeH
MeH
•100%,
(10)
Вводя коэффициент отношения высоты усиления h к глубине проплавления
h2 (р = hx! h2), будем иметь
то из формулы можем определить, что
А
100
Meo Y _ф^ Y Мен А1 -gj
Откуда находим, что заданный состав наплавленного металла по легирующему элементу Ме может быть получен в n-ом слое, где n рассчитывается по формуле
Таким образом, доля участия металла предыдущего валика в последующем зависит от относительного шага наплавки а и коэффициента усиления р = hj/ h2 .
n_
ln(А/100)-ln(1 -Ме0 /Мен) ln ф1 - ln (1 -g)
(11)
Выводы
Эксперименты показали, что для получения качественного слоя при наплавке порошковой проволокой сложной конструкции на различных режимах целесообразно шаг наплавки выбирать в пределах 0,50-0,70.
В зависимости от режимов наплавки и шлаковой системы сердечника порошковой проволоки коэффициент усиления Р изменяется в пределах 1,5-3,5.
Долю участия основного металла в металле второго и последующих валиков определим по формуле
Ф _
Fnp FAKB
Fnp + FH
h2arcsina + h2 а\Я-
a
f 1 -ГГ Л
2 % у
— + — h
3h1 4 ■
2
Разделив числитель и знаменатель на h2, окончательно получим
Ф1
arcsina + a
1
-a
(9)
Разработана математическая модель для расчета с достаточной точностью химического состава наплавленного металла с учетом долей участия основного и наплавленного металла, металла предыдущего валика в последующем и относительного шага наплавки.
Литература
1 Easterling K. Tomorrow’s materials /
K. Easterling. - London: The Institute of Metal, 1988. -315 p.
2 Патон Б.Е. Проблемы сварки на рубеже
веков / Б.Е. Патон // Автоматическая сварка. - 1999. - №1. - С. 4-15.
3 Еладкий П.В. Наплавочные порошковые
ленты и проволоки: справочник /
П.В. Еладкий. - К.: Техніка. - 1991, 124 c.
4 Кассов В.Д. Минимизация потерь наплав-
ленного порошковой лентой металла / В.Д. Кассов // Автоматическая сварка. -2001. - №8. - С. 32-33.
5 Павлюк С.К. Расчет химического состава
металла, наплавленного электродуговым способом / С.К. Павлюк, И.М. Кузьменко // Сварочное производство. - 1975. -№2. - С. 11-13.
При наплавке необходимо обеспечить заданный химический состав Мен верхнего слоя.
Если обозначить относительное отклонение концентрации легирующего элемента в n-ом
Рецензент: И.С. Наглюк, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 12 мая 2014 г.
