CC BY
72
УДК 629.4.027
В. В. АРТЕМЧУК, Н. А. МУХ1НА (ДПТ)
ОЦ1НКА НАД1ЙНОСТ1 ТЕХНОЛОГ1ЧНОГО ПРОЦЕСУ НАПЛАВЛЕННЯ
В робот розглянуто фактори, що впливають на надшшсть технологiчного процесу наплавлення. Пред-ставленi результати анал1зу причин, що викликають появу дефектiв та вщхилення ввд заданих механiчних властивостей. Показано, що одним iз важливих факторiв, що впливають на надiйнiсть технолопчного процесу наплавлення, е електричнi режими, параметри яких залежать не тшьки вiд встановлення наплавником-оператором, а й вщ якостi живлячо! енергп. Звернуто увагу на вплив параметрiв процесу на надшшсть при багатошаровому наплавленш.
Ключовi слова: технологiчний процес, надшшсть, наплавлення, вщновлення деталей
Щцвищення надшност будь-якого технолопчного процесу е актуальною та важливою проблемою вс1х сфер виробництва, утому числ1 й ремонтного на зал1зничному транспорта Як-що тдвищення надшносп окремих деталей та вузл1в пов'язано у першу чергу з безпекою ру-ху, то забезпечення високого р1вня надшносп технолопчних процес1в пов'язане з економ1ч-ними показниками. Останне нескладно поясни-ти вилученням бракованих вщновлених деталей (за умови перев1рки якост вихщно! продукци). Вщхилення вщ заданих параметр1в технолопч-ного процесу за межi допустимого приводить до браку деталь Зрозумшо, що до бшьш вщпо-вщальних деталей висувають бшьш висою ви-моги, тобто звужують допустим1 межi. Таким чином, збшьшення кшькосп браку приводить до здороження деталей та всього об'екту в щ-лому.
Висок вимоги, що пред'являють до деталей рухомого складу зал1зниць пов'язаш з затратами на виготовлення та ремонт локомотив1в та вагошв, { головне, з безпекою руху. Тому пи-тання тдвищення надшносп експлуатацп та ремонту рухомого складу залишаються { будуть актуальними.
Ремонтне виробництво складаеться з бага-тьох складових, одною з яких е вщновлення деталей. На даний час найбшьш поширеними технолопями вщновлення, яю використовують у ремонтному виробнищи зал1знищ е наплавлення, газотерм1чне напилення та електролгги-чш методи.
Наплавлення е найбшьш розповсюдженою технолопею вщновлення деталей. У той же час, сама технолопя наплавлення мае багато вид1в, основними серед яких е наплавлення тд шаром флюсу, у середовищ1 захисних газ1в, автомати-чне, полуавтоматичне, ручне, плазмове, в1бро-дугове, самозахисними порошковими дротами,
приварювання стр1чки, багатоелектродне та шшь Кр1м того, при великих зносах та для отримання «особливих» якостей застосовують багатошарове наплавлення.
Дослщженням процес1в наплавлення при-свячена велика кшьюсть наукових робгг. У ба-гатьох роботах проведено анал1з причин вини-кнення дефектов та надаш рекомендацп по !х запоб1ганню [1-8], однак дослщжень з оцшки надшност технолопчного процесу недостат-ньо.
Детал1 рухомого складу в основнш мас ви-готовляють з конструкцшних маловуглецевих сталей; за легуванням використовують малоле-говаш та середньо леговаш; за способом отримання - це прокатш та лит сталь Як вщомо, на яюсть наплавлення найбшьше впливають х1м1-чний склад основи та наплавленого матер1алу, !х ф1зико-х1м1чш властивосп, фазова структура, змша та навтоь швидюсть змши фазово! струк-тури при наплавщ.
Головною метою дано! статп е оцшка надшносп технолог^ наплавлення 1, зокрема, ша-руватого. Складшсть полягае в тому, що необ-хщно оцшити надшшсть за декшькома показниками. Не вдаючись у детальш пояснення, оскшьки це е предметом дослщжень окремо! роботи, зупинимось на деяких моментах. Зпдно з основною щеолопею розроблено! технологи шаруватого наплавлення, пром1жш шари вико-нують по-перше, роль з'еднувального шару м1ж основним металом та робочим шаром, що е за-гально вщомим, а по-друге, щ шари повинш сприяти покращенню мехашчних властивостей, наприклад, зносостшкосп, втомнш мщносп наплавлених деталей. Як вщомо, при наплавленш виникають внутршш напруження, яю залишаються у вигляд1 залишкових напружень й шсля кшцево! обробки. Для зменшення залиш-кових напружень застосовують, як правило,
© В. В. Артемчук, Н. А. Мухша, 2012
вщпал. Однак проводити вщпал не завжди е можливим та доцiльним, ^м того вказана опе-рацiя не завжди повнютю знiмае залишковi на-пруження, якi, у свою чергу, можуть приводити до появи трщин тсля наплавлення або в про-цесi експлуатаци. Крiм того, являючись концентраторами напружень, вони зменшують втом-лену мiцнiсть, що е небезпечним для багатьох цилшдричних деталей. Як показали нашi досл> дження, якщо промiжний шар задовольняе ви-могам необхщно1 якостi наплавленого шару, але при цьому вiн володiе вiдносно високою пластичнiстю, то внутршш напруження змен-шуються, а, наприклад, втомлена мiцнiсть зб> льшуеться. При розробщ технологи наплавлення вщповщно до плану проводили пiдбiр на-плавочних матерiалiв та режимiв шд них. По досягненню бажаних результапв отриманих механiчних властивостей оцiнювали рiвень де-фектностi наплавлених шарiв. При незадовшь-них результатах корегували режими наплав-лення до отримання задовшьних результатiв. Оскiльки однозначний зв'язок мiж вхiдними факторами, вихiдними параметрами та вартютю процесу отримати доволi складно, то дане пи-тання потребуе теоретичного дослщження.
Пiд надiйнiстю технолопчного процесу наплавлення будемо розум^и його здатнiсть за-безпечувати задаш властивостi наплавлених шарiв та допустиму дефектнiсть у встановле-ному промiжку часу. Наплавлення, як i багато шших технологiчних процесiв вiдновлення деталей, е складною системою з багатьма ланками, яю певним чином впливають на процес. Одними з головних чинниюв, що впливають на надшшсть процесу наплавлення е попередня шдготовка наплавочних матерiалiв та повер-хонь деталей; матерiал наплавочних матерiалiв; режими наплавлення; фiнiшна обробка наплавлених деталей. Крiм того, процес наплавлення та деякий час тсля його заюнчення може су-проводжуватися появою допустимих та недо-пустимих дефектов. Таким чином, можна умов-но визначити, що надшшсть процесу наплавлення залежить вщ вхiдних факторiв, якi впливають на вихщш контрольованi параметри, наприклад, фiзико-механiчнi властивостi вщнов-лено! деталi, та факторiв, що впливають на по-яву дефектiв. Спрощена структурна схема технолопчного процесу наплавлення представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурна схема процесу наплавлення:
- вхщт фактори; - вихщт параметри; - фактори попередньо! тдготовки;
2- - фактори процесу наплавлення; - фактори фшшно! обробки
У представленiй схемi до вхвдних факторiв X можна вщнести геометричнi параметри та механiчнi властивосп деталей, що пiдлягають вiдновленню. Вихщш параметри - це комплекс вихщних властивостей, що характеризуют вщновлеш деталi. Фактори самого процесу , , включають всi ди направлен на
реалiзацiю технологiчного процесу вщновлення деталi, включаючи фактори пов'язанi з неконт-рольованими дiями зовнiшнього середовища.
У свою чергу, кожний з блоюв (рис. 1) скла-даеться з декшькох пiдблокiв. Важливу роль, що суттево впливае на надшшсть процешв вщ-новлення, у тому чи^ наплавленням, вiдiграе попередня шдготовка, головною метою яко! е очищення поверхнi та наплавочних матерiалiв вщ рiзного роду забруднень, окислiв та шше.
Також задачею пiдготовки е придання деталi необхщно1 форми, зняття наклепаного шару, видалення поверхневих та приповерхневих де-фектiв, утворених шд час експлуатаци та акти-вування поверхнi. Не менше значення мае стан вщновлюючих матерiалiв, неякiсна шдготовка яких приводить до появи рiзного роду дефектiв.
На отримання кшцевих фiзико-механiчних властивостей впливае фiнiшна обробка. Прави-льний пiдбiр режимiв обробки наплавлено1 де-талi токарною проточкою та шлiфуванням (при необхiдностi) забезпечують отримання закла-дених вихiдних параметрiв таких, як чистота поверхнi та мехашчш властивостi деталi, наприклад, твердють. Вiдомо, що недотримання рацюнальних режимiв обробки може суттево попршити отриманi пiсля наплавлення властивосп поверхнi. Питаннями попередньо1 шдго-
х
товки та кшцево1 обробки займасться досить широке коло науковцiв, але в данш роботi цi питання розглядаються, як пасивнi дiлянки структури. Тобто приймаемо, що якiсть цих операцш в загальному сенсi е задовшьною, а на пiдставi аналiзу статистичних даних враховуе-мо iмовiрнiсть виникнення браку вiд цих двох блоюв. Тобто неякiсна попередня пiдготовка приводить до появи дефектов (iнакше браку), а
неяюсна фiнiшна обробка до виходу за встано-вленi межi властивостей (також браку) i ця час-тка браку враховуеться. Розглянемо бшьш детально фактори, що впливають на яюсть наплавлення та наплавлено1 деталi.
Згiдно запропоновано1 моделi зобразимо структурну схему надшност технологiчного процесу наплавлення (рис. 2).
Рис. 2. Структурна схема надшносл технолопчного процесу наплавлення
Серед мехашчних властивостей наплавлено1 деталi, якi представляють iнтерес вiдмiтимо твердiсть, зносостiйкiсть та втомну мщшсть. Вказанi властивостi обраш з таких мiркувань: зносостiйкiсть та втомна мщшсть головним чином визначають ресурс деталей, а твердють пов'язана з шшими механiчними властивостя-ми, й при цьому найбшьш легко визначаеться у промислових умовах. Зауважимо, що в даний перелiк не увшшов такий показник, як мщшсть зчеплення. Це пов'язано з тим, що при яюсно-му наплавленш мщшсть зчеплення близька до меж мщност самого матерiалу у наслщок при-роди утворюваних зв'язкiв мiж поверхнею де-талi та наплавленим шаром. Якщо ж вщбува-еться вiдшаровування наплавленого шару вiд основи, то це е однозначним браком i вш буде врахований у блощ «дефекти наплавлено1 дета-т», як недопустимий. Крiм того, вiдзначимо, що деякi дефекти наплавлення мають взаемний зв'язок з механiчними властивостями.
Розглянемо дефекти, що впливають на яюсть та надiйнiсть технологiчного процесу наплавлення. Зпдно з ГОСТ 30242-97 дефекти зварювання роздiляють на шють груп: трiщини, пори (порожнини), несплавлення та непровари, твердi включення, порушення форми шву, iншi дефекти. У той же час процеси зварювання та наплавлення хоча i е спорщненими, однак в них е певш принциповi розбiжностi. Головними дефектами наплавлення е трщини у наплавлено-му шарi та в перехщнш зонi (зонi сплавлення з основним металом); пори; несплавлення шару з
основним металом; шлаковi включення (особливо при багатошаровому наплавленнi), пору-шення ширини та висоти наплавочного валика [1, 3]. При цьому дефекти можуть бути зовшш-нiми та внутршшми.
Не викликае сумнiву, що найбшьш небезпе-чним дефектом е трщина. Важливою особлив> стю рiзних способiв вiдновлення деталей, особливо при наплавленш е те, що зароджена у вщ-новлювальному шарi трщина розвиваеться, переходить у основний метал детал^ руйнуючи його. Тому прийняття вшх заходiв по недопу-щенню цього дефекту е важливою задачею. Трщини подшяють на гарячi (виникають при температурi вище 1000 °С) та холоднi (умовно нижче 1000 °С, в бiльшостi випадкiв у процесi охолодження нижче 200...300 °С). Згiдно з [1-3, 6-8] гарячi трiщини виникають при мiж-кристалiтному руйнуваннi металу наплавленого валику та навколо нього, яке виникае в твердо-рщинному станi пiд час кристатзаци. Такi тр> щини розповсюджуються по межам зерен. Щд-час кристатзаци вiдбуваеться накопичення за-бруднень та домшок мiж зернами, виникають внутршш напруження в наслiдок нерiвномiр-носп усадок наплавленого валику та основного металу. Перераховане в комплекс з наявшстю рiдких фаз сприяе появi мiкро- та макротрiщин [3]. Причинами, що викликають появу гарячих трщин е наявшсть шкiдливих домiшок в мета-лi; наявнiсть в металi валику елементiв з низь-кою температурою твердшня, що порушують зв'язок мiж зернами; недотримання темпу охо-
лoджeння нaплaвлeнoï дeтaлi [1]. Змeншити ймoвipнicть виникнeння гapячиx тpiщин мoжнa знижуючи чacтки ocнoвнoгo мeтaлy, змeнmyю-чи кpoк нaплaвлeння, пiдiгpiвaючи пepeд та-плaвлeнням дeтaлi. Biдoмo, щo щщ^в дeтaлeй змeншye вeличинy тa швидкють нapocтaння poзтягyючиx нaпpyжeнь, якi гочишють yтвo-pювaтиcь, кoли нaплaвлeний мeтaл зa чacoм i no тeмпepaтypi вжe пpидбaв виcoкi raaCTm-нють i мiцнicть. Змeншeння чacтки ocнoвнoгo мeтaлy y нaплaвлeнoмy шapi дocягaeтьcя зни-жeнням cили cтpyмy дуги; ^и цьoмy тpeбa po-зум^и, щo змeншeння cтpyмy дуги тa кpoкy нaплaвлeння пpивoдить дo знижeння пpoдyкти-внocтi пpoцecy, a дoдaткoвий пiдiгpiв пoвинeн бути eкoнoмiчнo випpaвдaним. Як вжe зaзнaчa-лocь вищe, знaчнo змeншити внyтpiшнi rnnpy-жeння дoзвoляe бaгaтoшapoвe нaплaвлeння, дe в ятоеи пiдшapy викopиcтoвyють низькoвyглe-цeвi cтaлi. Дoцiльнicть викopиcтaння 6araTOma-poвoгo нaплaвлeння ocoбливo пpoявляeтьcя пpи зшчнж знocax. Taкий виcнoвoк мoжнa зpoбити нa пiдcтaвi дocлiджeнь з визнaчeння тpiщинo-cтiйкocтi piзниx пopoшкoвиx твepдиx cплaвiв, якi пoкaзaли, щo зi збiльшeнням тoвщини мeтa-лу, щo нaплaвляeтьcя, пpoцec тpiщинoyтвopeн-ня aктивiзyeтьcя [8].
Хoлoднi тpiщини пpoxoдять як мiж зepнaми, тaк i ^зь зepeн пpи oxoлoджeннi нaплaвлeниx дeтaлeй. Як пpaвилo, xoлoднi тpiщини винита-ють y пepexiднiй зoнi пpи нaплaвлeннi мaлoлe-гoвaнoï CTam знaчнoï тoвщини. Пpичинaми no-яви xoлoдниx тpiщин мoжyть бути тамилки пpи вибopi мeтaлy, щo нaплaвляють тa peжимiв oxoлoджeння [2].
Hecплaвлeння нaнeceнoгo шapy з ocнoвoю дeтaлi тaкoж e дocить нeбeзпeчним, мoжe cпpoвoкyвaти yтвopeння тa poзвинeння тpiщин a6o пpивecти дo в^ад^нм вiд ocнoвнo-гo мeтaлy. В o6ox випaдкax цe мoжe nprnecra дo виникнeння нeбeзпeчниx cитyaцiй, тому дe-фeкт «нecплaвлeння» нeпpипycтимий. Hecraa-влeння виникae y нacлiдoк нeдocтaтньoгo oчи-щeння пoвepxoнь, пopyшeння peжимiв нaплaв-лeння, нeпpaвильнoгo вибopy твид^ет! пoдaчi нaплaвoчнoгo мaтepiaлy тa rnme [1, 2].
Haявнicть nop знижye знococтiйкicть тa мщ-нicть вiднoвлeниx дeтaлeй. Пopи тa нeмeтaлeвi включeння в нaплaвлeнoмy mapi являють co-бoю кoнцeнтpaтopи нaпpyжeнь, якi cпpияють пpи пeвниx yмoвax пoявi тa poзвиткy тpiщин. Однaк, як вiдoмo, pyйнyвaнню мeтaлy cпoчaткy пepeдye того лoкaльнa тeчiя, пpичoмy iз збшь-meнням включeнь збiльmyeтьcя зoнa raacrm-нoï дeфopмaцiï. Haявнicть nop cyпpoвoджyeтьcя
виникнeнням нaпpyжeнь в нacлiдoк знaчнoгo тиcкy гaзy в nopax. Пopи виникaють, як пpaви-лo, ^и нeдoтpимaннi тexнoлoгiï нaплaвлeння, викopиcтaннi вoлoгoгo флюcy, нeякicнiй шдго-тoвцi пoвepxoнь, нeдocтaтньoмy зaxиcтi rnraa-вoчнoï вaнни вiд дiï зoвнimньoгo cepeдoвищa тa iнme. Змeнmити пopиcтicть мoжнa зacтocyвaн-ням пocтiйнoгo cтpyмy звopoтнoï пoляpнocтi, нaгpiвaнням дeтaлi, щo знижye швидкють ^ж-тaлiзaцiï нaплaвлeнoгo мeтaлy [8].
Шлaкoвi включeння тaкoж змeнmyють мщ-нicть вiднoвлeниx дeтaлeй в нacлiдoк пoяви кoнцeнтpaтopiв нaпpyжeнь. Bкaзaний дeфeкт виникae пiдчac бaгaтomapoвoгo нaплaвлeння пpи нeдocтaтньoмy oчищeннi нaплaвлeниx ma-piв вiд mлaкoвoï кopки [1]. Miнiмaльний poзмip нeмeтaлeвиx включeнь, який ж пpивoдить дo пoяви тpiщин, тoбтo бeзпeчнi зa poзмipoм мo-жуть бути дo 5 мкм [4]. Kpiм тoгo, нaявнicть нeмeтaлeвиx включeнь мoжe пpивoдити дo зш-чниx нaпpyжeнь пpи збiльmeннi тeмпepaтypи в пpoцeci eкcплyaтaцiï, щo пoв'язaнo з piзними кoeфiцieнтaми тepмiчнoгo poзmиpeння вклю-чeнь тa мeтaлy, щo oтoчye цe включeння. Ha-пpyжeння, щo виникaють пpи цьoмy мoжyть пpивecти дo pyйнyвaння нaвiть бeз пpиклaдaн-ня зoвнimньoгo нaвaнтaжeння [3]. З rnmoro 6o-ку, ^и пpиклaдaннi нaвaнтaжeння, зa paxyнoк piзницi пpyжнo-плacтичниx влacтивocтeй мeтa-лу тa включeнь мoжyть виникaти ïx poз'eднaння з yтвopeнням пopoжнин, якi cтвo-pюють yмoви для пoяви тpiщин. Taкoж мoжнa пpипycтити, щo m мeжi включeння тa oтoчyю-чoгo мeтaлy мoжливe нaкoпичeння диcлoкaцiй.
Зpoзyмiлo, щo oтpимaти iдeaльний, бeз дe-фeктiв нaплaвлeний map cклaцнo, oднaк œo6-xiднo мiнiмiзyвaти кiлькicть тa poзмipи дeфeк-тiв. Дo того ж, вiднoвлeнi вiдпoвiдaльнi дeтaлi пepeдбaчaють пpoвeдeння peтeльнoï пepeвipки (дiaгнocтики). У той жe чac, нa пiдcтaвi дocлi-джeнь [3, 4, 8] мoжнa cтвepджyвaти, щo нe ви дeфeкти e нeбeзпeчними, нaпpиклaц, ж вci тpiщини пpивoдять дo pyйнyвaння. Taк, зa дa-ними [4] дoпycтимa дoвжинa тpiщини cклaцae
(2...2,5) • 10_3 м для мaлoвyглeцeвoï cтaлi нa
poзтяг. Kprnmrn дoвжинa втoмлeнoï тpiщини в зaлeжнocтi вiд мeжi втoмнoï мiцнocтi cram пpи ст_1 = 735...225 Mna змiнюeтьcя в мeжax
(0,9...2,5) • 10_3 м, a для ви^^м^ню^!' cтaлi
дoвжинa тpiщини ж пoвиннa пepeвищyвaти 14 мкм [5]. To6to iз збiльmeнням мiцнocтi мeтaлy змeнmyeтьcя дoпycтимa вeличинa тpiщини.
Як пoкaзye пpaктикa, y бaгaтьox випaцкax дeфeкти пoявляютьcя внacлiдoк вiдxилeнь вщ
встановлених режимiв наплавочного процесу. Для визначення та тдвищення надiйностi процесу наплавлення систематизуемо причини, що викликають розглянут вище дефекти. Згщно з [2, 9, 1, 3, 10] основними причинами, що при-водять до появи дефектов е:
- порушення технологи наплавлення;
- неправильно обраш режими наплавлення;
- неяюсна пiдготовка матерiалiв та поверхнi вщновлювально1 деталi;
- неправильно пiдiбранi поеднання матерiа-лiв.
Перерахованi причини головним чином пов'язаш з квалiфiкацiею та досвщом розроб-никiв, технологiв, наплавниюв та обслуговую-чого персоналу. Розглянемо приклад. При бшьш детальному розгщщ дослiдники встано-вили, що до дефектов (трiщин) приводить пщ-вищений вмют вуглецю, сiрки та фосфору, ле-гуючих елементiв - результат неяюсного мате-рiалу або помилка при виборi матерiалiв; недо-статнш пiдiгрiв масивних деталей (при необ-хiдностi), !х мала жорсткiсть, висока швидюсть охолодження деталi пiсля наплавлення - мае мюце помилка вибору режимiв пiдготовки, наплавлення та охолодження наплавлено1 деталi; неправильнi електричш режими наплавлення -помилка тдбору струму та напруги дуги.
Електричш режими мають одне з важливих значень, що впливае на структуру та властивос-т отриманого наплавленого шару, а також на-явностi дефектiв. Наприклад, завищене значен-ня струму може приводити до окрихтування д> лянок структури поверхш, занижений струм -до появи несплавiв. Однак, ^м фактору, пов'язаного з помилками наплавника, порушення режимiв наплавлення може бути наслщ-ком ди незалежних факторiв, наприклад, коли-ваннями напруги, що живить обладнання (дже-рело живлення). Сучаснi установки для зварю-вання та наплавлення, як правило, мають стаб> лiзацiю напруги дуги, що дозволяе не тшьки стабiлiзувати напругу при И коливаннях у жив-лячш мережi, але й при певних незначних зм> нах вщсташ мiж електродом та деталлю утри-мувати заданий струм. Однак установки, що використовують на ремонтних виробництвах, переважно стабшзаци не мають, тому коли-вання вхщно1 напруги приводить до змш вихь дних електричних параметрiв. Також коливан-ня напруги може впливати на обертовий момент подавального мехашзму, що приводить до змши частоти обертання роликiв, а значить швидкост подачi наплавочного дроту. Коли-вання напруги можуть бути вельми суттевими,
враховуючи потужшсть споживачiв електрич-но! енерги, наприклад, такими е електровози та електропо1зди, що заходять в депо (завод), вми-кання (вимикання) установок велико1 потужно-стi. Оскшьки для умов ремонтного виробництва затзнищ наявнiсть потужних споживачiв та коливання в мережi напруги е природшм i до-статньо частим явищем, то нехтувати цим фактором неможна. Зрозумшо, що величина вiдхи-лень вхщно1 напруги, а також частота цих вщ-хилень е випадковими i залежать вiд багатьох факторiв. На шдст^ спостережень та аналiзу стану якосп електрично1 енергil на шдприемст-вах залiзничного транспорту витiкае, що вщхи-лення живлячо1 енергil вщ нормованих бувають суттевими, залежать вщ iнтенсивностi вмикан-ня-вимикання потужних приймачiв, !х потуж-ностi, характеру навантаження, наявностi систем захисту вщ дil спотворень електрично1 ене-рги, негативно впливають на технологiчнi про-цеси, у тому числi зварювально-наплавочш й нехтувати даним фактором не можна. Особливо, змiна напруги (стрибки) негативно вплива-ють на процеси наплавлення на крупних ремо-нтних пiдприемствах, де юнуе велика кiлькiсть потужних споживачiв. Однак зауважимо, що не вш наплавочнi технологil чутливi до перепадiв напруги, наприклад, автоматичне наплавлення пiд шаром флюсу. Вiдхилення, що вдалося ви-явити при цьому методi на якiсть наплавлення фактично не впливали. У той же час, полуавто-матичне наплавлення, й особливо, самозахис-ними порошковими дротами до змши електричних режимiв чутливь Сказане можна коротко пояснити потраплянням повiтря в зону плями наплавлення при пониженш напрузi та, як на-слiдок, утворення пор в наплавленш поверхнi.
Структурна схема надшносп технологiчно-го процесу наплавлення з врахуванням основ-них причин, що викликають дефекти та вщхи-лення вщ заданих механiчних властивостей представлена на рис. 3.
Зробимо деяю пояснення до структурное' схеми (рис. 3). У блощ «допустимих» дефектiв не вказанi !х розмiри, оскiльки вони залежать вщ конкретних матерiалiв та умов експлуатаци. Основнi причини, що приводять до недопусти-мих дефектiв мають таю узагальнення. «Неза-довiльна пiдготовка поверхш деташ> включае очищення та мехашчну пiдготовку поверхнi де-талi. «Незадовшьна термiчна пiдготовка повер-хнi деташ> - недостатнiй або вiдсутнiй на^в деталi при необхiдностi ц1е1 операци. «Вiдхи-лення вiд рацiональних режимiв наплавлення деталi» - порушення режимiв по швидкостi по-
дач! дроту, флюсу, захисних газ1в, кроку наплавлення, швидкосп обертання детал^ довжина вильоту та змщення з зешту електроду, швидкють наплавлення. «Вщхилення вщ рацюналь-них електричних параметр!в» може виникати по декшьком причинам, деяю з них визначеш рашше - це помилка вибору електричних пара-метр1в, коливання в живлячш мереж!. Також
негативно впливати на стабшьнють горшня дуги може поганий контакт м1ж струмовщводом та електродом [10]. 1з спостережень за проце-сами наплавлення було виявлено, що шод! на-плавники для збшьшення продуктивносп зм> нюють електричш режими, посилююч! !х, { тим самим вщбуваеться умисне вщхилення вщ заданих параметр1в.
X =
Вщхилення В1Д рацюнальних I режим1в наплавлення детал1
Рис. 3. Розширена структурна схема надiйностi технолопчного процесу наплавлення
У вщповщност до представлено! структурно! схеми оцшки надшносп технолопчного процесу наплавлення (рис. 3) та вибрано! сис-теми вщповщних показниюв був проведений сб1р даних по якосп наплавлених деталей на електровозоремонтному завод! та в локомотив-них депо з об'емом поточного ремонту ПР3 на протяз! одного року. На баз! цих спостережень була створена база даних для подальшого ста-тистичного анал!зу.
У математичному план! дослщжуваний об'ект будемо описувати набором показниюв
(1.1)
0 = (х1, х2,..., хы}, !нформац!ю про як! подамо
у вигляд1 чень X :
матриц! експериментальних зна-
де М - число рядюв, що в!дпов!дае числу спостережень за певний пром!жок часу;
N - кшькють стовпц!в, в!дпов!дних числу показниюв;
х7]- - значення/-го показника в 7-му спосте-
реженш.
Надал! будемо вважати, що М > N . Коротко зупинимося на основних моментах первин-ного анал!зу даних, оскшьки цей етап моделю-вання суттево впливае на подальшу точн!сть оц!нки над!йност! технолопчного процесу.
У процес обробки експериментальних да-них зггкнулися з певними труднощами, такими як: рiзна розмiрнiсть величин; вщсутшсть де-яких даних; наявнiсть пщозрших значень спо-стережуваних величин.
Важливим моментом аналiзу е перевiрка даних на наявшсть «сплесюв» з !х подальшою об-робкою. Цензурування даних (усунення ефекту викцщв) проводиться або за допомогою вида-лення цих точок з даних, або за допомогою за-стосування методiв оцiнювання параметрiв, стiйких до грубих вiдхилень (наприклад, метод найменших модулiв).
В якостi найбiльш простих процедур цензурування часто використовують наступш:
- вiзуалiзацiя даних, коли за допомогою графiчного представлення шформаци виявля-ються багато закономiрностей, абсолютно не-очевиднi серед безлiчi числових значень;
- аналiз деяких числових характеристик до-слiджуваних показникiв. Наприклад, про наявшсть викидiв можна говорити при порiвняннi таких величин як середне вибiркове i мода, як-що цi характеристики суттево вiдрiзняються мiж собою для вибрано1 ознаки (оскшьки вщо-мо, що середне вибiркове дуже чутливо до сплесюв, а модальне значення дослщжувано1 ознаки володiе властивiстю робастостi );
- якщо шдтверджуються гiпотези про нор-мальний розподiл показникiв х;, то при цензу-руваннi даних може застосовуватися правило «трьох с»:
Р ■ {е,. < 3с,.} = 0,9973,
де е, = х, - х,, х, - середне вибiркове х,.
Очевидно, що найбшьш простою методико цензурування даних е вiзуалiзацiя, однак при великш кiлькостi даних, як в нашому випадку, дану методику застосувати не представляеться можливим. Процедура цензурування з застосу-ванням нормального закону також е малоефек-тивною, оскшьки потребуе невиправданих ви-трат часу, тим бшьше, що розглядуванi показ-ники можуть мати iнший закон розподшу. Тому серед перерахованих методик виключення сплескiв найбiльш прийнятною виявилась така, що пов'язана з анатзом числових даних та по-рiвнянням середнього вибiркового значення з модою по кожному показнику якосп.
На точшсть оцiнки можуть суттево вплива-ти пропущенi данi при !х зборi, але не завжди можливо отримати всi необхiднi даш. Тому при початковому аналiзi даних необхщно було зве-рнути увагу i на цей момент. Розглянемо коротко методику розв'язання дано1 задачi. Якщо
число спостережень суттево перевищуе число показникiв (M >> N), тодi рядки, яю мiстять пропуск хоча б по одному показнику, виклю-чають з матрищ спостережень X. Якщо ви-ключати данi не можна в силу !х невеликого обсягу, тодi застосовують рiзнi методи вщнов-лення вiдсутнiх значень. Серед них найбшьш ушверсальний метод запропонований С. А. Айвазяном, заснований на припущенш, що об'ек-ти, яю мало вiдрiзняються по k властивостям, мають приблизно таке ж значення (k +1) влас-тивосп. При обробцi файлiв з пропущеними даними в середовищi «Statistica» вшм порожнiм комiркам електронно! таблицi присвоюеться Missing Data Code - Код пропущених даних (за замовчуванням вш дорiвню в - 99999). Дат за спецiальними процедурами дослiдник може:
- усунути пропущенi данi з обчислень;
- замшити !х середшм значенням;
- iнтерполювати пропущенi значення.
Ощнити якiсть вiдновленоl iнформацil можна, наприклад, так: з матрищ спостережень X випадковим чином виключаеться частина до-слщних значень, а пропуски заповнюються за допомогою обрано! процедури. Мiра вiдхилен-ня дшсних значень вiд тих, що отримаш в ре-зультатi вiдновлення, i визначае якiсть вико-нання завдання.
В нашому випадку число спостережень зна-чно перевищуе кшьюсть показниюв, тобто ви-конуеться умова M >> N, але в силу певно! специфши виключати даш отриманих спостережень неможна. Зазначене можна пояснити тим, що пропуски даних е фактично у кожних рядках, оскшьки специфша збору даних допус-кае можливють !х неотримання в силу низки причин, наприклад, людський фактор, поломка приладiв контролю, вщсутшсть контролю на деяких етапах спостережень та шш^ а виклю-чення масиву даних приведе до значних поми-лок при !х анатз^ Тому нами було використано методику С. А. Айвазяна, а саме штерполящю пропущених значень.
Отримаш величини показниюв xi з рiзними розмiрностями приводили до безрозмiрних за вщомим способом нормування, а саме:
x - x-
X = -
О:
де xi - середне значення показника;
oi - середньоквадратичне вiдхилення. Таким чином, виконавши наведеш вище процедури отримали розподiл причин появи
дефектов та вщхилень механiчних властивостей пов'язана з даною причиною вирiшуeться на вщ очiкуваних (табл. 1, рис. 4). Зауважимо, що етапi проектування, тому розглядати И немае причина «помилка пiдбору матерiалiв» в таб- сенсу. лицю не внесена, оскшьки проблема, що
Таблиця 1
Розподш причин появи дефектiв та вщхилень механiчних властивостей для полуавтоматичного
наплавлення у середовищi вуглецевого газу
Причини появи дефект!в та незадовшьних механ!чних якостей
Незадов!льна пвдго-товка поверхш та матер!ал!в Незадовшьна термь чна шдготовка пове-рхн! детал! Нев!рна швидк!сть охолодження наплавлено!' детал! Вщхилення ввд ращ-ональних електрич-них параметр!в Вщхилення в!д ращ-ональних режим!в наплавлення Погане очищення ввд шлаку при багато-шаровому наплав-ленн! - 3 « и 'в « 2 4 К ю £ « й & 4 § г^! К * И 3 § 5 лннв Й 5 .9 § .3 Ш .¡з § и о к
Номер причини 1 2 3 4 5 6 7
Частка, % 36 8 7 5 26 - 18
Коефщент вар!ацп 0,9 0,2 0,5 0,6 1,2 - 1,1
□ Ряд1
□ Ряд2
□ РядЭ
□ Ряд4
Рис. 4. Розподш причин появи дефектов та ввдхилень мехашчних властивостей: ряд 1 - натвавтоматичне наплавлення у середовищ1 вуглецевого газу; ряд 2 - автоматичне пвд шаром флюсу; ряд 3 - натвавтоматичне наплавлення порошковими дротами; ряд 4 - ручне наплавлення
З наведеного вище анатзу можна зробити тага висновки: найбшьш суттевими причинами, що впливають на яюсть наплавлення е попере-дня пiдготовка поверхонь деталей та матерiа-лiв, фiнiшна обробка наплавлених деталей та режими наплавлення. Важливим е той факт, що для вшх видiв наплавлення, якi використовують у ремонтному виробнищга залiзниць вказаш причини е найбiльш домiнуючими, хоча i з де-що рiзними частками, причому попередня тд-готовка деталей i матерiалiв та режими наплав-
лення впливають на надшнють наплавлення, а фшшна обробка на мехашчш властивостi наплавлено! деталь З останнього випкае, що для шдвищення надiйностi процесу наплавлення саме щ причини пiдлягають першочергового розглядання та втручання. Також треба зверну-ти увагу на коефщент варiацi!, зокрема, дом> нантних причин. Частково виршити проблему пiдвищення надiйностi наплавлення можна за рахунок бшьш яюсно! попередньо! пiдготовки поверхонь, а саме, ^м !х ретельного очищення
проводити мехашчне зняття дефектного повер-хневого шару, чого на деяких шдприемствах на даний час не роблять; здiйснювати контроль поверхонь перед наплавленням та безпосеред-ньо режимiв наплавлення; вщповщальш деталi повиннi наплавляти зварники високо1 кватф> кацп; при необхщност обов'язково проводити термiчну обробку наплавлених деталей для зняття залишкових напружень; чiтке дотриман-ня розроблених технолопчних карт; iншi засо-би. Вщхилення за допустимi меж встановлених параметрiв технологiчного процесу наплавлен-ня приводить до браку наплавлених деталей, причому кшьюсть бракованих деталей може ся-гати 40 %, що неприпустимо. Крiм того, з ана-лiзу даних випливае, що на надшнють багато-шарового наплавлення додатково впливае яюсть очищення вiд шлаково1 корки тд час процесу, особливо при автоматичному наплав-леннi пiд шаром флюсу. Для тдвищення надш-ност багатошарового наплавлення можна ре-комендувати бшьш ретельне очищення наплавлених шарiв вiд шлаку.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСКОК
1. Справочник сварщика [Текст] / под ред. В. В. Степанова. Изд. 3-е. - М: Машиностроение, 1974. - 520 с.
2. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением [Текст] / под ред. Б. Е. Па-тона. - М.: Машиностроение, 1974. - 768 с.
3. Деев, Г. Ф. Дефекты сварных швов [Текст] / Г. Ф. Деев, И. Р. Пацкевич. - К.: Наук. думка, 1984. - 208 с.
4. Финкель, В. М. Физические основы торможения разрушения [Текст] / В. М. Финкель. - М: Металлургия, 1977. - 360 с.
5. Иванова, В. С. Прогнозирование вязкости разрушения и других механических свойств с использованием критериев подобия [Текст] / В. С. Иванова, Л. Р. Ботвина, Л. И. Маслов. - В кн.: Усталость и вязкость разрушения. - М.: Наука, 1974, с. 3 - 35.
6. Подгаецький, В. В. Пори, включения i трщини в зварних швах [Текст] / В. В. Подгаецький. -К.: Техшка, 1972. - 236 с.
7. Фромм, Е. Газы и углерод в металлах [Текст] / Е. Фромм. - М.: Металлургия, 1980. - 711 с.
8. Власов, В. М. Влияние дефектов, возникающих в процессе наплавки, на механические характеристики металла [Текст] / В. М. Власов, Л. М. Нечаев, Н. Б. Фомичева, Е. В. Фомичева // Современные наукоемкие технологии. - 2004. -№ 1. - С. 9-11 URL: www.rae.ru/snt/ ?sec-tion=content&op=show_article&article_id=3049.
9. Походня, И. К. Сварка порошковой проволокой [Текст] / И. К. Походня, А. М. Суптель, В. Н. Шлепаков. - К.: Наук. думка, 1972. -223 с.
10. Молодык, Н. В. Восстановление деталей машин [Текст]: справочник / Н. В. Молодык, А. С. Зен-кин. - М.: Машиностроение, 1989. - 480 с.
Надшшла до редколегп 19.12.2011.
Прийнята до друку 20.12.2011.
В. В. АРТЕМЧУК, Н. А. МУХИНА ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ НАПЛАВКИ
В работе рассмотрены факторы, влияющие на надежность технологического процесса наплавки. Представлены результаты анализа причин, вызывающих появление дефектов и отклонения от заданных механических свойств. Показано, что одним из важных факторов, влияющим на надежность технологического процесса наплавки, являются электрические режимы, параметры которых зависят не только от установленных наплавщиком-оператором, но и от качества питающей электрической энергии. Рассмотрено влияние параметров на надежность процесса при многослойном наплавке.
Ключевые слова: технологический процесс, надежность, наплавка, восстановление деталей
V. V. ARTEMCHUK, N. A. MUKHINA EVALUATION OF RELIABILITY SURFACING
The paper discusses the factors affecting the reliability of the welding process. Results of the analysis causes the appearance of defects and deviations from the specified mechanical properties. It is shown that one of the important factors affecting the reliability of the process of surfacing, are electric modes, whose parameters depend not only on established welding - operator, but also on the quality of the supply of electrical energy. The influence of parameters on the reliability of the process in a multilayer cladding.
Keywords: process, safety, welding, restoration parts
