Эффективность применения комбинированных магнитных полей при дуговой наплавке под флюсом

Для расширения возможностей управления формой и размерами зоны проплавления при дуговой наплавке проволокой под флюсом предложено использовать комбинацию трех магнитных полей. С использованием метода планирования экспериментов и регрессионного анализа разработаны математические модели, устанавливающ...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2009
Hauptverfasser: Носов, Д.Г., Размышляев, А.Д.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2009
Schriftenreihe:Автоматическая сварка
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100693
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Эффективность применения комбинированных магнитных полей при дуговой наплавке под флюсом / Д.Г. Носов, А.Д. Размышляев // Автоматическая сварка. — 2009. — № 4 (672). — С. 20-25. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100693
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1006932025-02-09T14:45:04Z Эффективность применения комбинированных магнитных полей при дуговой наплавке под флюсом Effectiveness of application of combined magnetic fields in submerged-arc welding Носов, Д.Г. Размышляев, А.Д. Научно-технический раздел Для расширения возможностей управления формой и размерами зоны проплавления при дуговой наплавке проволокой под флюсом предложено использовать комбинацию трех магнитных полей. С использованием метода планирования экспериментов и регрессионного анализа разработаны математические модели, устанавливающие связь между индукцией составляющих комбинированного магнитного поля (КМП) и размерами сечения наплавляемого валика. Составлена программа расчета и оптимизации технологических режимов дуговой наплавки в КМП с удобным интерфейсом и показана степень влияния индукции составляющих, а также комбинации этих составляющих магнитных полей на размеры сечения наплавляемых валиков. It is suggested that a combination of three magnetic fields be applied to widen the possibilities of controlling the shape and size of the penetration zone in submerged-arc wire hardfacing. Mathematical models establishing a relationship between induction of components of a combined magnetic field (CMF) and cross-section size of the deposited beads were developed by employing the experimental design and regression analysis methods. Software with a friendly interface was developed for computation and optimization of technological modes of arc hardfacing in CMF, and the extent of impact of the induction of components, as well as a combination of these components of magnetic fields on cross-section sizes of the deposited beads is shown. 2009 Article Эффективность применения комбинированных магнитных полей при дуговой наплавке под флюсом / Д.Г. Носов, А.Д. Размышляев // Автоматическая сварка. — 2009. — № 4 (672). — С. 20-25. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100693 621.791.927.5 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Научно-технический раздел
Научно-технический раздел
spellingShingle Научно-технический раздел
Научно-технический раздел
Носов, Д.Г.
Размышляев, А.Д.
Эффективность применения комбинированных магнитных полей при дуговой наплавке под флюсом
Автоматическая сварка
description Для расширения возможностей управления формой и размерами зоны проплавления при дуговой наплавке проволокой под флюсом предложено использовать комбинацию трех магнитных полей. С использованием метода планирования экспериментов и регрессионного анализа разработаны математические модели, устанавливающие связь между индукцией составляющих комбинированного магнитного поля (КМП) и размерами сечения наплавляемого валика. Составлена программа расчета и оптимизации технологических режимов дуговой наплавки в КМП с удобным интерфейсом и показана степень влияния индукции составляющих, а также комбинации этих составляющих магнитных полей на размеры сечения наплавляемых валиков.
format Article
author Носов, Д.Г.
Размышляев, А.Д.
author_facet Носов, Д.Г.
Размышляев, А.Д.
author_sort Носов, Д.Г.
title Эффективность применения комбинированных магнитных полей при дуговой наплавке под флюсом
title_short Эффективность применения комбинированных магнитных полей при дуговой наплавке под флюсом
title_full Эффективность применения комбинированных магнитных полей при дуговой наплавке под флюсом
title_fullStr Эффективность применения комбинированных магнитных полей при дуговой наплавке под флюсом
title_full_unstemmed Эффективность применения комбинированных магнитных полей при дуговой наплавке под флюсом
title_sort эффективность применения комбинированных магнитных полей при дуговой наплавке под флюсом
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate 2009
topic_facet Научно-технический раздел
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100693
citation_txt Эффективность применения комбинированных магнитных полей при дуговой наплавке под флюсом / Д.Г. Носов, А.Д. Размышляев // Автоматическая сварка. — 2009. — № 4 (672). — С. 20-25. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series Автоматическая сварка
work_keys_str_mv AT nosovdg éffektivnostʹprimeneniâkombinirovannyhmagnitnyhpolejpridugovojnaplavkepodflûsom
AT razmyšlâevad éffektivnostʹprimeneniâkombinirovannyhmagnitnyhpolejpridugovojnaplavkepodflûsom
AT nosovdg effectivenessofapplicationofcombinedmagneticfieldsinsubmergedarcwelding
AT razmyšlâevad effectivenessofapplicationofcombinedmagneticfieldsinsubmergedarcwelding
first_indexed 2025-11-26T23:34:50Z
last_indexed 2025-11-26T23:34:50Z
_version_ 1849897877621440512
fulltext УДК 621.791.927.5 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ДУГОВОЙ НАПЛАВКЕ ПОД ФЛЮСОМ Д. Г. НОСОВ, инж. (Днепродзержин. гос. техн. ун-т), А. Д. РАЗМЫШЛЯЕВ, д-р техн. наук (Приазов. гос. техн. ун-т, г. Мариуполь) Для расширения возможностей управления формой и размерами зоны проплавления при дуговой наплавке проволокой под флюсом предложено использовать комбинацию трех магнитных полей. С использованием метода планирования экспериментов и регрессионного анализа разработаны математические модели, устанавливающие связь между индукцией составляющих комбинированного магнитного поля (КМП) и размерами сечения наплавляемого валика. Составлена программа расчета и оптимизации технологических режимов дуговой наплавки в КМП с удобным интерфейсом и показана степень влияния индукции составляющих, а также комбинации этих составляющих магнитных полей на размеры сечения наплавляемых валиков. К л ю ч е в ы е с л о в а : электродуговая наплавка, наплавлен- ный валик, размер валика, управляющие магнитные поля, асимметрия, математические модели, дисперсионный ана- лиз В условиях экономии энергоресурсов, дефицит- ных и дорогостоящих материалов наибольший ин- терес представляет разработка такого способа наплавки, который позволил бы решать следую- щие технологические задачи: уменьшить долю участия основного металла в наплавленном; по- высить производительность наплавки; уменьшить расходы на механическую обработку и повысить служебные свойства изделий. Поставленные задачи можно решить путем уп- равления конфигурацией и геометрическими раз- мерами сечения наплавляемого валика. Реализа- ция процесса наплавки валика с его управляемой конфигурацией возможна в рамках одновремен- ного действия при дуговой наплавке нескольких магнитных, т. е. комбинированных магнитных по- лей (КМП). На рис.1 схематически показаны поперечные се- чения валиков, наплавленных по классической тех- нологии без использования магнитных полей (МП) (рис. 1, а), с использованием только продольного МП (рис. 1, б) и с предлагаемой в настоящей работе системой КМП (рис. 1, в). Для наплавки необходимо, чтобы валик в по- перечном сечении имел минимальные значения Fпр, Fо, h при максимальных значениях Fн, Fδ, g, b (рис. 1, а). Кроме того, разность (g – gм), по- казывающая припуск на механическую обработку © Д. Г. Носов, А. Д. Размышляев, 2009 Рис. 1. Схематическое изображение поперечного сечения валиков, наплавленных без использования МП (а), с использованием МП (б) и с применением КМП (в) 20 4/2009 наплавленной поверхности, должна быть наи- меньшей. Частично это достигается при наплавке с использованием только одного продольного МП (рис. 1, б), но наиболее полно указанным условиям отвечает форма сечения валика, приведенная на рис. 1, в. Достичь указанной формы валика возможно, как полагалось, используя при наплавке комби- нацию трех МП, действующих одновременно на сварочную дугу и жидкий металл сварочной ван- ны: аксиального постоянного; поперечного им- пульсного однополярного и аксиального перемен- ного установленной частоты. Под воздействием аксиального постоянного МП, соосного электроду, достигаются неревер- сивные перемещения расплава ванны. Дуга вра- щается вокруг оси и приобретает колоколообраз- ную конусную форму [1–3]. При этом размеры активного пятна дуги на изделии возрастают. Ши- рина валика также увеличивается и в результате «размывания» боковых поверхностей ванны го- рячими потоками расплава, что является положи- тельным фактором при наплавке. При действии поперечного импульсного од- нополярного МП на дугу возникает электромаг- нитная сила, которая отклоняет дугу перпенди- кулярно вектору скорости наплавки. Это позво- ляет, как показано в работе [4], обеспечить по- перечное отклонение активного пятна дуги на из- делии до 10…12 мм. Поперечные отклонения дуги позволят изменить форму сечения валика, пов- лиять на скорость потока расплава, направив его вдоль линии сплавления, и в силу своей одно- полярности вызовут асимметрию зоны проплав- ления, необходимую для наплавки смежными ва- ликами, и формы усиления валика, как это по- казано на рис 1, в. Воздействуя аксиальным знакопеременным МП на хвостовую часть ванны, можно предотв- ратить нежелательное увеличение глубины проп- лавления в зоне асимметрии. В результате дейс- твия этого поля формируются вихревые потоки расплава, образующие эффект «устойчивой вол- ны», увеличивая толщину жидкой прослойки под дугой, поскольку массивная волна имеет значи- тельную инерционность и при быстром изме- нении полярности МП реверсивных движений расплава в ванне не возникнет. С целью подтверждения высказанных предпо- ложений и разработки математической модели, позволяющей установить параметры индукции каждого поля в указанной комбинации трех МП, обеспечивающих необходимую форму сечения ва- лика, проведена серия экспериментальных нап- лавок, для уменьшения количества которых ис- пользовали центральный композитный ротата- бельный пятиуровневый полнофакторный план экспериментов, состоящий из 20 серий. Экспе- рименты проводили произвольно во избежание появления систематической погрешности в мето- дике. Наплавки выполняли на листы из стали Ст3сп (ГОСТ 380–90) толщиной 50 мм сварочным трак- тором АДС-1004 от источника питания дуги ВДУ- 1001 проволокой Св-08А диаметром 3, 4 и 5 мм под флюсом АН-348А. МП генерировали специ- альным устройством, состоящим из трех незави- симых электромагнитов. Использовали следую- щие параметры режима наплавки в КМП: ток нап- лавки 450…750 А, напряжение дуги 26…34 В, вылет электрода 25…30 мм, скорость наплавки 0,8…1,6 см/с. Расстояние от торцов электромаг- нитов до изделия составляло 10…15 мм. Индук- ция аксиального постоянного МП, симметричного относительно оси электрода, Bz — 30…60 мТл; индукция поперечного импульсного однополяр- ного МП By — 50…100 мТл. В хвостовой части ванны действует аксиальное знакопеременное МП установленной частоты с индукцией Bx — 40…80 мТл. Указанный диапазон индукций КМП при отработанных оптимальных режимах наплав- ки обеспечивает удовлетворительное качество наплавленного валика. Параметры валика (ширину b, высоту g, мак- симальную глубину проплавления hmax, глубину проплавления ровного участка h, отклонение вы- соты валика ag и глубины проплавления ah) оп- ределяли из макрошлифов наплавок. В качестве примера на рис. 2 приведен макрошлиф валика, полученного при наплавке с использованием КМП. Для прогнозирования геометрических разме- ров валика использовали регрессионный метод. Функция поверхности отклика, отображающая любой размер в сечении валика, может быть вы- ражена как y = f(Bz, By, Bx), а выбранная зави- симость, являющаяся поверхностью отклика вто- рого порядка, следующим образом [5]: y = b0 + b1Bz + b2By + b3Bx + b11Bz 2 + b22By 2 + + b33Bx 2 + b12BzBy +b13BzBx +b23ByBx, (1) где b0, b1, b2, b3 — соответственно постоянный член и коэффициенты линейных членов; b11, b22, b33 — коэффициенты квадратных членов второго Рис. 2. Макрошлиф валика, наплавленного с использованием КМП 4/2009 21 порядка; b12, b13, b23 — коэффициенты взаимо- действующих членов второго порядка. Коэффициенты приведенного выше полиноми- нального уравнения определяли c помощью ма- тематического пакета Nonlinear Models STATIS- TICA 6.0. Значимость коэффициентов проверяли с по- мощью t-теста, а также метода обратного иск- лючения. Адекватность разработанной модели проверяли с помощью регрессионного анализа. Получены следующие уравнения для геомет- рических параметров валиков: b = 24,12614 – 0,27163Bz – 0,03248By – 0,21372Bx + + 0,00474Bz 2 + 0,00115By 2 + 0,00204Bx 2 + 0,00083BzBy + + 0,00113BzBx + 0,00053ByBx, ag = –0,211365 – 0,031212Bz + 0,086273By – – 0,022159Bx + 0,00052Bz 2 – 0,000433By 2 + + 0,000105Bx 2 + 0,000533BzBy – 0,000417BzBx + + 0,0008ByBx, ah = 0,03066 – 0,051477Bz + 0,076114By – 0,002983Bx + + 0,000545Bz 2 – 0,000484By 2 – 0,000162Bx 2 + + 0,000767BzBy – 0,000208BzBx + 0,000675ByBx, hmax = 2,813634 – 0,017145Bz + 0,007273By – – 0,027784Bx – 0,000369Bz 2 + 0,000187By 2 + + 0,000199Bx 2 – 0,000333BzBy + 0,00075BzBx – – 0,0002ByBx, h = 0,64659 – 0,010114Bz + 0,023432By + 0,007415Bx + + 0,000328Bz 2 + 0,000118By 2 + 0,000247Bx 2 – – 0,0005BzBy – 0,000208BzBx – 0,000375ByBx, g = 0,82159 + 0,039053Bz + 0,013432By + 0,013665Bx – – 0,000727Bz 2 + 0,000198By 2 – 0,000097Bx 2 – – 0,000033BzBy + 0,000125BzBx – 0,000275ByBx. Точность моделей подвергали оценке путем выполнения наплавок на том же эксперименталь- ном оборудовании. Установлено, что геометри- ческие размеры валиков, полученные эксперимен- тальным путем, с достаточной точностью соот- ветствуют размерам, полученным по указанным уравнениям. Геометрические параметры наплавленного в КМП валика зависят от диаметра электродной проволоки dэ. Поэтому корректировку режимов выполняли блочно для электродов диаметром 3, 4 и 5 мм. Экспериментально определяли коррек- тирующие коэффициенты, учитывающие измене- ние формы валика наплавки при изменении ос- новных параметров режима наплавки. Параметром оптимизации, наряду с размерами валика наплавки, была принята доля основного металла γ. Авторами предложена формула для оп- ределения конфигурации валика с учетом его из- менения под воздействием КМП: γ = Fiδ Fi + Fiδ = π 4 hmax (b – 2ah) + 2ahh π 4 (gmax (b – 2ag) + hmax (b – 2ah)) + 2 3 agg + 2ahh . (2) Обработка данных по формуле (2) показала, что при наплавке с использованием КМП доля основного металла в наплавленном снижается в 1,6…1,8 раза. Для расчета оптимальных значений индукции каждой из трех составляющих КМП, при которых возможно получение заданных размеров сечения валиков, была составлена программа на языке Del- phi версии 7.0. Интерфейс расчетной программы представлен на рис. 3. Примеры протоколов, по- лученных с использованием этой программы, при- ведены в таблице. Задавали следующие парамет- ры: ширина валика b = 25 мм; глубина проплав- ления h = 1,2 мм; высота валика g = 2,5 мм; асим- метрия валика ah = 5,2 мм. Сопоставление на со- ответствие показало, что рассчитанные с по- мощью программы параметры КМП с достаточ- ной точностью обеспечивают совпадение расчет- ных размеров сечения валиков с размерами, по- лученными экспериментально. Рис. 3. Интерфейс расчетной программы 22 4/2009 На основе указанных уравнений, связывающих индукцию КМП, применяемую при электродуго- вой наплавке, с геометрическими размерами се- чения валика, построены графики поверхности от- клика, которые приведены на рис. 4–6. Эти дан- ные позволяют проанализировать влияние значе- ний индукций МП, входящих в состав КМП, на размеры сечения валика. Данные показали, что при минимальном зна- чении индукции Вy ширина валика незначительно возрастает в диапазоне индукций Bx от 40 до 57 мТл. Данная тенденция может быть обуслов- лена положительным влиянием аксиального МП на гидродинамику поверхностного слоя жидкого металла ванны. Максимальное увеличение шири- ны валика наблюдается при индукции By от 90 мТл, если значения Bx составляют 35…70 мТл. Это объясняется значительным отклонением дуги в одну из сторон перпендикулярно вектору нап- лавки и возвратно-поступательными ее движени- ями под воздействием индукции Bx. При одновременном увеличении индукций By и Bx наблюдается устойчивое возрастание асим- метрии валика по высоте, тогда как на асим- метрию валика по глубине основным влияющим фактором является значение индукции By. В ка- честве оптимальной можно принять значение ин- дукции By в пределах от 80 до 110 мТл. Рис. 4. Влияние индукции поперечного импульсного однополярного МП By и индукции аксиального переменного МП установленной частоты Bx на параметры валика Примеры протоколов определения режимов наплавки в КМП Необходимая точность расчета низкая рекомендованная высокая Наплавка: Без предварительного подогрева Режимы: Bx = 79 By = 58 Bz = 42 d = 3 Iн = 300…330 vн = 0,8…0,9 Uд = 30…32 Ожидаемые параметры валика: b = 27,11124 h = 1,05732 g = 2,172986 ah = 4,640861 Наплавка: Без предварительного подогрева Режимы: Bx = 77 By = 63 Bz = 33 d = 3 Iн = 300…330 vн = 0,8…0,9 Uд = 30…32 Ожидаемые параметры валика: b = 25,64897 h = 1,262843 g = 2,342799 ah = 4,949911 Наплавка: Без предварительного подогрева Режимы: Bx = 68 By = 67 Bz = 31 d = 3 Iн = 300…330 vн = 0,8…0,9 Uд = 30…32 Ожидаемые параметры валика: b = 24,66757 h = 1,208794 g = 2,545103 ah = 5,163543 4/2009 23 Характерные изменения высоты валика и мак- симальной глубины проплавления под воздейс- твием By и Bx показаны на рис. 4. Высота валика уменьшается, а глубина проплавления в смещен- ной части ее увеличивается при одновременном воздействии поперечного импульсного однопо- лярного МП в пределах от 92 до 110 мТл для аксиального переменного МП в пределах от 35 до 62 мТл. Получение минимального значения глубины проплавления возможно в достаточно широком диапазоне параметров By–Bx. Оптимальным мож- но принять диапазон Bx от 45 до 76 мТл при ин- дукции By = 66…88 мТл. Группа индукций Bx–Bz значительно влияет на глубину проплавления основного металла, а сле- довательно, и долю основного металла в наплав- ленном. Оптимальным является диапазон индук- ций Bz от 55 до 65 мТл при значении индукции Bx в пределах от 35 до 70 мТл. Влияние этой группы индукций на другие размеры сечения ва- лика незначительное. Группа индукций By–Bz оказывает существен- ное влияние на ширину валика и приводит к уве- личению этого параметра во всем диапазоне ин- дукций (рис. 6). Максимальное значение ширины валика наблюдается при изменении индукции By в пределах от 94 до 110 мТл, если значение ин- дукции Bz находится в пределах 25…55 мТл. Сле- дует отметить, что в данном диапазоне индукций By увеличение индукции Bz приводит к незначи- тельному уменьшению ширины валика. Пос- леднее, очевидно, связано со стабилизирующим воздействием на дугу аксиального постоянного МП (с индукцией Bz). Рис. 5. Влияние индукции аксиального постоянного МП Bz и индукции аксиального переменного МП установленной частоты Bx на параметры валика Рис. 6. Влияние индукции поперечного импульсного однополярного МП By и индукции аксиального постоянного магнитного поля Bz на параметры валика 24 4/2009 Высота валика увеличивается при воздействии на ванну поперечным МП индукцией 86…110 мТл. Влияние же постоянной аксиальной составляющей КМП индукции Bz на данный па- раметр незначительно. Однако в диапазоне ин- дукций Bz = 42…47 мТл наблюдается тенденция к уменьшению высоты валика на 8...10 % при зна- чительном увеличении асимметрии валика ag. Ус- тановлено, что максимальное влияние на асим- метрию валика как по высоте, так и по глубине оказывает импульсное однополярное поперечное МП By. Кроме того, при индукции By порядка 100…110 мТл наблюдается увеличение глубины проплавления основного металла на 30…35 % (рис. 4 и 6). Компенсировать нежелательное при наплавке увеличение глубины проплавления по сечению валика позволяет компонента МП Bz при значении ее индукции от 40 мТл и выше. Таким образом, предложенная в работе ком- бинация МП при установленных расчетно-экспе- риментальным путем оптимальных параметрах индукции каждой из составляющих этих полей позволяет значительно расширить возможности управления формой и размерами зоны проплав- ления основного металла при дуговой наплавке, уменьшить долю участия основного металла в наплавленном. Выводы 1. Предложенная в работе комбинация МП поз- воляет более эффективно, чем при использовании одного продольного МП, управлять геометричес- кими размерами сечения наплавляемого валика. 2. Предложенные методика и уравнения для расчетов размеров сечения валиков при наплавке с воздействием КМП в зависимости от индукции составляющих этого комбинированного МП обес- печивают хорошее совпадение расчетных и экс- периментальных данных. 3. При оптимальных параметрах КМП можно в 1,6…1,8 раза уменьшить долю основного ме- талла в наплавленном, что может служить осно- ванием к разработке новых ресурсосберегающих технологий наплавки. 1. Сварка с электромагнитным перемешиванием / В. П. Черныш, В. Д. Кузнецов, А. Н. Бриксман, Г. М. Шелен- ков. — Киев: Техніка, 1983. — 127 с. 2. Будник Н. М., Кулагин А. П. Форма дуги между угольны- ми электродами в продольном магнитном поле // Авто- мат. сварка. — 1979. — № 3. — С. 59–60. 3. Брижев В. А., Болдырев А. М. О влиянии продольного магнитного поля на сварочную дугу прямой полярности // Там же. — 1982. — № 1. — С. 15–19. 4. Размышляев А. Д. Магнитное управление формировани- ем швов при дуговой сварке. — Мариуполь: ПГТУ, 2000. — 245 с. 5. Новик Ф. С., Арсов Я. Б. Оптимизация процессов техно- логии металлов методами планирования экспериментов. — М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. — 304 с. It is suggested that a combination of three magnetic fields be applied to widen the possibilities of controlling the shape and size of the penetration zone in submerged-arc wire hard-facing. Mathematical models establishing relationship between induction of components of the combined magnetic field (CMF) and cross-section size of the deposited beads were developed by employing the experimental design and regression analysis methods. The software was developed for computation and optimisation of parameters of the arc hard-facing process in CMF by using a friendly interface, and the extent of impact by induction of the components, as well as a combination of these components of the magnetic fields, on cross-section sizes of the deposited beads is shown. Поступила в редакцию 30.06.2008 4/2009 25