Наплавка порошковой лентой деталей энергетических установок Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.791.92

В. Д. Кассов, Е. В. Кассова

НАПЛАВКА ПОРОШКОВОЙ ЛЕНТОЙ ДЕТАЛЕЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

В статье описана математическая модель и проведенные на ее основе исследования теплового состояния сердечника подогреваемой порошковой ленты на ее вылете. Предложена технологическая схема наплавки подогреваемой порошковой ленты с целью максимального перераспределения тепла между оболочкой и сердечником. Намечены пути управления технологическими характеристиками процесса наплавки порошковой лентой.

В условиях дефицита материальных и энергетических ресурсов восстановительная наплавка порошковой лентой является высокоэффективным ресурсосберегающим технологическим приемом, обеспечивающим удовлетворение регламентации надежности и долговечности, соблюдение принципов взаимозаменяемости и экономичности. При этом важное значение приобретают вопросы качества наплавленного металла, обеспечения требуемой износостойкости [1]. Однако, при наплавке порошковыми электродами легированных износостойких сплавов не всегда обеспечивается химическая однородность металла шва, получение в нем соответствующей структуры [2], что повышает темпы износа восстановленных рабочих поверхностей. Это во многом связано с неравномерностью плавления оболочки и сердечника порошковой ленты.

Существующие сведения о возможности регулирования скоростей плавления показывают, что перераспределение тепла, затрачиваемого на нагрев и плавление основного и электродного металлов, является перспективным приемом, сущность которого заключается в том, что к тепловой мощности дуги, расходуемой на нагрев и плавление электрода, добавляется мощность источника подогрева. Анализ теплового состояния сердечника подогреваемой порошковой ленты представляет несомненный интерес, т.к. он должен помочь наметить пути управления технологическими характеристиками процесса наплавки порошковой лентой.

Поскольку ширина ленты (20......60 мм) значительно больше толщины сердечника (2......6 мм),

то сердечник порошковой ленты можно представить как тело, ограниченное двумя параллельными плоскостями - оболочкой ленты. Изменение температуры Тс происходит только в одном направлении х, т.е. задача является одномерной. Таким образом, рассмотрим пластину (сердечник порошковой ленты) толщиной Ь = 2г, которая находится в температурном равновесии с окружающей средой (металлической оболочкой ленты), т.е. имеет тем-

пературу, равную температуре окружающей среды Т0 . Предварительные эксперименты показали, что изменение температуры оболочки вылета от времени нагрева проходящим током с достаточной точностью можно описать линейными зависимостями. Поэтому будем считать, что в течение определенного времени оболочка на вылете нагревается проходящим током с некоторой скоростью д град/с, т.е. средняя температура оболочки Т есть

линейная функция времени Т (/) = Т0 + .

Распределение температуры в сердечнике порошковой ленты на участке подогрева для t е [0, tн ] опишется следующим выражением:

2 х2

Тс (х, t) = То + Ра н [Ро - 0,5(1 + — - -г-)] +

Бг Г 2

ю А Х 2

+ Ран Е^^Цп~)ехР(-Ц2р0)-п=1 Ц п г

(1)

где Pdн = §нг2/ а - безразмерная скорость нагрева на участке подогрева (критерий Предводителе-ва);

Рон = а1 н/г2 - безразмерное время подогрева (критерий Фурье);

tн = Ьн /V - время подогрева;

Ьн - длина участка подогрева.

Начальная температура сердечника порошковой ленты описывается выражением:

Ро н - 0,5

' 2 х 2 ^

1 +---

Бг г 2

п х, . ..2 г . (2)

Тс (х,0) = То + ра

т А х

+ ран ^софп -)ехР(-Ц2Рон). п=1 Ц 2 Г

Граничные условия будут иметь такой вид:

© В. Д. Кассов, Е. В. Кассова 2006 г.

/55Л/1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006

- 151 -

дТс (0, г)

дх

= 0 ,

(3)

дг

Вп =

2Бг2

ц П (Бг2 + Бг + ц П )

+ + ^г - Тс (г, г )] = 0 . (4) дх Г

где Тн = Т0 + gнгн - начальная температура оболочки ленты, достигнутая за время ^ на участке подогрева длиной Ьн .

Таким образом, особенность данной задачи состоит в том, что в случае подогреваемой порошковой ленты начальные температуры оболочки и сердечника на участке вылета не совпадают.

Дифференциальное уравнение теплопроводности при условиях (2)-(4) решали операционным методом. Для этого применили преобразование Лапласа относительно £

аТсСхА Ц[ д2Тс(х,г)] Ц---] = Ь[а-—-] ,

дх 2

Из уравнения (7) видно, что при дифференцированном, поэтапном нагреве порошковой ленты появляется новая нестационарность. При этом вид исходной нерегулярной составляющей не изменяется, она продолжает уменьшаться с течением времени. Нерегулярность второго этапа нагрева очень мала, особенно при Pd « Pdн . В этом случае ее можно опустить, не уменьшая точность вычислений. Уравнение (7) обладает высокой информативностью и показывает, что для достижения равномерности нагрева сердечника и оболочки необходимо принять Рс1 близким к нулю, т.е. положить скорость нагрева оболочки порошковой ленты на вылете д практически равной нулю. Для выравнивания нагрева сердечника по сечению порошковой ленты необходимо достаточное время пребывания на вылете. Формализуем это предположение. При Р<1 = 0 формула (7) примет вид:

где ЦТс (х,г)] = |Тс (х,г)е= ТЦ (х,я). о

Дифференциальное уравнение теплопроводности после применения преобразования Лапласа будет иметь вид:

" 5 Т

Тц (х, я) — Тц (х, я) + = 0 . а а

(5)

Решение дифференциального уравнения (5) для изображения Тц (х, 5) можно записать так:

Тц (х, 5) - ^ = Лск

5

х

V а /

+ Бяк

^ Т"^

х

V а /

(6)

где А, В - постоянные, определяемые из граничных условий (3), (4).

Окончательное решение уравнения (6) получено в следующем виде:

2 х2

Тс (х, г) = Т0 + PdнРон + PdFo - 0,5(Pdн + Pd)(1 + —---) +

+ Pdн 2-П <™(Цп -)ехр(-Н^0н - Ц2Fo) + п=1 Ц п г

Б х

+ ^ - Pdн ) Е -^(цп -) ехр(^нF0н - Ц2F0н ), п=1 Ц п г

(7)

где амплитуды Ап определяются из выражения:

Лп = (-1)

п+1

2Б^Бг2 + Ц п

2 2 ц п (Бг2 + Бг + Ц 2)

а Вп из выражения:

АТс Тс (х, г) - Т0

Pd н

Pd н

2 х 2 = Fo - 0,5(1 + —---) +

Бг

+ Е ^ С0Я(Ц п-)ехр(-ц2Foн -ц2Щ-

п=1 Ц п г

Б х

- Е—п соя(Ц п -)ехр(-^н ^н- ц п^н)-

п=1 Ц п г

(8)

Перераспределение тепла между оболочкой и шихтой выравнивает температуру по сечению сердечника, уменьшая неравномерность процессов расплавления оболочки и наполнителя. Это способствует снижению макрохимической неоднородности наплавки и темпа износа наплавленных рабочих поверхностей. Данный прием особенно актуален при наличии в шихте органической составляющей, например, синтетической углеродсодержащей композиции, которой предварительно обрабатывается шихта порошковых лент. При этом обеспечиваются высокие коэффициенты перехода легирующих элементов, что обусловлено, как показано в работе [3], менее интенсивным их окислением на стадии нагрева. Выход восстановленных из строя изделий, вызванного наличием внутренних дефектов, уменьшился в 2,1-2,3 раза. Расход электроэнергии на одну тонну наплавленного металла снизился на 1000-1200 кВт/ч. Таким образом, наплавка порошковой лентой с предварительным подогревом повышает качество наплавленного металла и производительность наплавочных работ.

Список литературы

1. Патон Б.Е. Проблемы сварки на рубеже веков // Автоматическая сварка. - 1999. - № 1.

г

- С. 4-15.

2. Кассов В.Д., Чигарев В.В., Колесникова О.П. Повышение прочностных характеристик сердечника порошковой проволоки // Вестник Приазовского гостехуниверситета: Сб. науч. трудов. - Мариуполь, 1998. - № 6.- С. 161-164.

3. Кассов В.Д., Чигарев В.В., Кадава В.В. Высококачественные порошковые электроды для восстановления штамповой оснастки // Удоско-

налення процеав та обладнання обробки тис-ком в металурги i машинобудуваннк Сб. науч трудов. - Краматорск-Славянск, 2000. - С. 489491.

Поступила в редакцию 24.05.2006 г.

У cmammi описана математична модель i проведен! на и основ1 досл1дження теплового стану сердечника порошково! стр/'чки, яка п!д!гр!ваеться, на и вильотi. Запропоновано технолог!чну схему наплавлення порошковоi стр!чки, що п!д!гр!ваеться, з метою максимального перерозпод!лу тепла м!ж оболонкою i сердечником. Нам!ченi шляхи керування технолог!чними характеристиками процесу наплавлення порошковою стр!чкою.

The mathematical model and researches, conducted on its basis, of a thermal condition of the heart of a preheated powder ribbon on its departure are described. The technological scheme of a surfacing of a preheated powder ribbon is offered with the purpose of maximum reallocating of heat between an envelope and heart. The paths of control of technical characteristics of process of a surfacing by a powder ribbon are intended.

ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006

- 153 -