CC BY
26
РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТОЛЩИНЫ НАПЛАВЛЯЕМОГО СЛОЯ И ПОДЛОЖКИ
ПРИ НАПЛАВКЕ Баташов Сергей Иванович, к.т.н., доцент (s.batashov61@mail.ru) Людаговский Андрей Васильевич, д.т.н., профессор
( avl832@mail.ru) Полухин Владимир Анатольевич, аспирант (polukhin-va@mail.ru) Российский университет транспорта
тВИШШШ [II
В данной работе рассмотрено распределение температур на границах раздела «наплавленный слой - основа». Предложена методика, позволяющая вычислять изменения температурных полей в пятне нагрева с учётом времени действия источника, толщины наплавляемого слоя и подложки, изменения энергетических параметров.
Ключевые слова: температурные поля, наплавляемый слой, подложка, пятно нагрева.
Поверхностные процессы обеспечения прочности связи на границе сред при наплавке связаны с изменением температур на границах наплавляемой основы и зон проплавления, что весьма актуально при наплавке тонкостенных изделий.
Согласно уравнению [1], процесс распространения теплоты от
мгновенного распределённого источника с учётом выразится:
д<1т
гг
йТ =------е
ср • о ■ 4 ■ 7Г ■ й> • (т + т0) (| ^
где т — время, прошедшее с момента введения теплоты нормального кругового источника.
Расчёт температурных полей при электромагнитной наплавке(далее ЭМН) связан с геометрией наплавляемого слоя и подложки, т.е. с учётом толщины матрицы за время действия источника 0,085сек. Принимаем толщину слоя эквивалентной толщине подложки от 0,01мм до 0,04мм, расчёты, для простоты, ведём без учёта теплоотдачи системы.
Результат вычислений приведён в графике расчёта температурных полей в зависимости от толщины матрицы за время действия источника 0,085 сек. приведён на рис.1.
На графике (рис.1) наглядно видна зависимость температурных полей от толщины матрицы при одном показателе времени работы источника.
Чтобы достигнуть температурного поля полученного при действии источника в течение времени 0,085сек и толщиной матрицы 0,01мм, для
матрицы толщиной 0,04мм расчётное значение времени составляет 0,34 сек., т.е. ровно в четыре раза больше, как и по толщине матрицы.
г
га4 тт
5-0.01 тт *-»-»■ 5-0.02 тт 5-0.03 тт 5-0.04 тт
Рисунок 1 - График расчёта температурных полей в зависимости от толщины матрицы за время действия источника 0,085 сек.
Как показали расчёты, удельный тепловой поток в пределах пятна крайне не равномерен. Наибольшее его значение приходится на центр пятна и его среднюю часть, по мере приближения к границе пятна он резко убывает. Поэтому температура в центре пятна отличается от температуры его границ. Чтобы расплавились все элементы покрытия и подложки, необходимо достижение определённой температуры по радиусу всего пятна.
Следует рассмотреть возможность определения необходимого времени при заданной необходимой температуре всего анодного пятна по толщине наплавляемого слоя. При использовании в качестве наплавляемого слоя,
Ре —10
например, порошковой композиции , самым тугоплавким
элементом является V - ванадий. Температура его плавления Тпл=2193 К.
Хотя температура плавления покрытия Тпок Ре-10%у = 1800 К. Для расчёта примем необходимую температуру по всей площади анодного пятна в размере 2200К.
Для того чтобы рассчитать время наплавки слоёв, в работе [2] предложен нижеописанный способ.
За время наплавки слоя масса прогретой зоны подложки определяется через её плотность (сталь 40) и объём прогретого материала, который вычислим по формуле:
КтОДЛ. Т^эфф ' л/4 ' ^'подя " ^ ^2)
Тогда температуропроводность системы «покрытие-подложка» в зависимости от теилофизических величин покрытия и подложки составит:
^ЭКБ — ^экв/С^экв ' РэКВ.) ' ^3)
Потерями порошка при наплавке пренебрегаем, тогда толщина наплавляемого слоя:
(4)
где расход порошка; т — время воздействия; ^покР- плотность
наплавляемого покрытия.
Если разбить покрытие на равные слои, соответствующие размеру зёрен порошка в 50мкм формирующих цепочку-электрод, полагая в данном случае, что они равномерно накладываются друг на друга, получим количество слоёв - 10, время наплавки одного слоя соответственно будет
равняться Тсл ~ ^ сек.
Толщина покрытия, таким образом, является дискретной величиной и зависит от времени наплавки одного слоя и количества слоёв. Время
наплавки всех слоёв составит т ~ 'п' где 11 ~ количество слоёв. В
данном случае т будет меняться от 0 до 1 сек.
Однако в работе [2] не учтён тот фактор, что при нагреве определённого слоя, температура предыдущего слоя достигла необходимых величин и при наплавке следующего слоя времени для её достижения необходимо намного меньше.
Для расчёта воспользуемся формулой для непрерывно действующего неподвижного источника теплоты, где скорость перемещения источника отсутствует. Для процесса ЭМН он представляется как серия действующих друг за другом мгновенных источников в виде цепочек микро-электродов. Используя принцип наложения, представляется возможным найти расположение температур, в нашем случае непрерывно действующего источника, путём интегрирования температурных полей от отдельных источников.
Задача формулируется, как определение времени, необходимого для нагрева пятна радиусом иагР- 4ММ = 0,4см., толщиной
о р
наплавляемого слоя "¿-госи. либо всех слоев до температуры 2200К, т.е. до температуры плавления всех элементов входящих в состав покрытия и
подложки. Толщина одного слоя, принята выше ~ ^Омкм — 0,005см.
Для решения данной задачи воспользуемся параметрами ранее выбранного источника, теплофизические характеристики принимаем из таблицы (2;3).
Так как ранее описано, что для расчёта кругового источника возможно воспользоваться формулой для расчёта температурных полей от линейного непрерывно действующего источника [1]:
(5)
z =
н„
Интегрируем от 0 до т и вводим замену из 4пй)'т
Т =
Я
4 ■ ТЕ ■ Ü) • S
со
Г i?"2 I -—dz = J _ z
4-n-ta-S
, тогда: Et
Rn
. / ^гтяг.наг. \
\ 4 ■ со ч /'
(6)
где "*" интегральная показательная функция. Используя формулу (21) получаем:
. Я,
ЕЦ —
1 пя т.наг.
4 ■ й) - т
T-4-tt-Ä-S Ч
^_Д пита наг. ^
(7)
находим по таблице для интегральной
Значение аргумента
показательной функции [8].
Рассчитаем время наплавки первого слоя, остальные данные вводим в таблицу (5), при расчётах не учитываем прогрев подслоя.
Ei j^ -
R
пят.наг.
Т ■ 4 ■ к ■ Я ■ 5 2200 ■ 4 ■ ЗД4 ■ 0,72 ■ QP0Ü5
4 ■ й> ■ т
1680
= -0,00059
R,
Значение находим по таблице для интегральной показательной
функции
Et(x)
[3], он равен 5,9.
Время для наплавки первого слоя составит:
R
^сл
пят,наг.
0,4£
= 0г075еек.
4 - й> ■ 6 4-0,09-5,9
. Время наплавки на количество наплавляемых слоёв при толщине слоя
50 мкм представлены в табл.1. Таблица 1
количество слоёв 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
толщина, мкм 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
время наплавки до Т 2200К, сек 0,075 0,087 0,098 0,1 0,106 0,112 0,114 0,119 0,120 0,122
График соотношения необходимого времени работы источника теплоты для получения температурного поля значением 2200 K по всему диаметру пятна, в зависимости от толщины слоя и количества слоёв представлено на рис. 2
м т
о _
0.12
0.07
100
200 300
8
MKM
400
- 4
500
Рисунок 2 - Зависимость необходимого времени работы источника теплоты для получения температурного поля значением 2200 K по всему
диаметру пятна
п
0
Процесс наплавки тел подвижным нормальным круговым источником рассматривается с использованием принципа наложения аналогично как для линейного подвижного источника теплоты.
Выводы:
1. Разработана методика, позволяющая вычислять изменения температурных полей в пятне нагрева с учётом времени действия источника, толщины наплавляемого слоя и подложки, изменения энергетических параметров.
2. При учёте распределения температур в пятне нагрева с учётом наплавляемого слоя предложено введение коэффициента сосредоточенности в нормально-круговом источнике при процессе ЭМН.
Список литературы
1. Теоретические основы сварки.: Учебное пособие/ В.В. Фролов, В. А. Винокуров, В.Н. Волченко, В. А. Парахин, И. А. Арутюнова - М.: Высшая школа, 1970. - 592с.
2. Моделирование нагрева системы «покрытие-подложка» при плазменной порошковой наплавке сканирующей дугой. С.С. Жаткин, В. И. Никитин, А.А. Паркин. Самарский государственный технический университет. 2009.
3. Специальные функции (Формулы, графики, таблицы).:Е. Янке, Ф. Эмде, Ф. Лёш -М.: Наука, 1964. - 344с.
1. Batashov Sergey Ivanovich - candidate of technical Sciences, associate Professor of the Department "Traction rolling stock" Ruth MIIT (s.batashov61@mail.ru)
2. Lyudagovsky Andrey - doctor of technical Sciences, Professor ( avl832@mail.ru)
3. Vladimir A. Polukhin-post-graduate student Department of "Transport construction" Ruth MIIT (polukhin-va@mail.ru)
In this paper we consider the temperature distribution at the boundaries of the "deposited layer - base". The technique, which allows to calculate the change of temperature fields in the spot of heating with respect to time of the light source, the thickness of the deposited layer and substrate, changes in the energy parameters. Key words: temperature field, a filler layer, the substrate, the spot-heating.
МАГНИТНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ: ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ Вориводина Мария Владимировна, студент (marie@nxt.ru) Шабанова Ирина Александровна, к.т.н., доцент (irina-a-sh@mail.ru) Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
В работе проведено исследование структурных параметров образцов концентрата магнетита, полученных конденсационным методом.
Ключевые слова: рентгеновская дифрактометрия, растровая электронная микроскопия, магнетит, наночастица
В современной жизни ^явитесь название "умные материалы" (интеллектуальные материалы). Получение нашчастиц магнетита представляет интерес, как пример фoрмирования oдногo из видов "умных" материагов, физические свойства которых можш контролируемo изменять за счет легга реализуемых внешних [1].
При шлучении магнитных наночастиц, как правило, используются железо, никель и кобальт и их оксиды. Недостатком чистых металлов является то, что их намагничивание падает по мере окисления поверхности, находящейся в контакте с атмосферным кислородом. Однако есть подкласс веществ, лишенных этих недостатков, - ферриты. Наиболее
