Расчет размеров структурных составляющих наплавленного индукционным способом металла с наложением механической вибрации
Возможность управления структурой наплавленного металла позволяет совершенствовать эксплуатационные свойства изделий. В данной работе исследованы процессы измельчения структуры наплавленного металла при наложении горизонтальной механической вибрации. Построена расчетная модель для определения параме...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113167 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Расчет размеров структурных составляющих наплавленного индукционным способом металла с наложением механической вибрации / В.С. Сенчишин, Ч.В. Пулька // Автоматическая сварка. — 2015. — № 8 (744). — С. 34-37. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-113167 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Сенчишин, В.С. Пулька, Ч.В. 2017-02-04T13:13:05Z 2017-02-04T13:13:05Z 2015 Расчет размеров структурных составляющих наплавленного индукционным способом металла с наложением механической вибрации / В.С. Сенчишин, Ч.В. Пулька // Автоматическая сварка. — 2015. — № 8 (744). — С. 34-37. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113167 621.793.927.7:669.018.25 Возможность управления структурой наплавленного металла позволяет совершенствовать эксплуатационные свойства изделий. В данной работе исследованы процессы измельчения структуры наплавленного металла при наложении горизонтальной механической вибрации. Построена расчетная модель для определения параметров структуры металла типа сплава ПГ-С1, наплавленного индукционным методом с наложением механической вибрации. На основании полученных соотношений построены графические зависимости карбидных составляющих в наплавленном металле от амплитуды и частоты вибрации. Possibility of regulation of structure of deposited metal allows improving service properties of the parts. Present work studies the processes of refining of structure of deposited metal at application of horizontal mechanical vibration. Calculation model for determination of parameters of metal structure of PG-S1 type alloy, deposited by induction method applying mechanical vibration, was developed. Graphic dependencies of carbide constituents in the deposited metal on vibration amplitude and frequency were plotted based on received relationships. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Расчет размеров структурных составляющих наплавленного индукционным способом металла с наложением механической вибрации Calculation of the dimensions of structural components of metal deposited by induction process with application of mechanical vibrations Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Расчет размеров структурных составляющих наплавленного индукционным способом металла с наложением механической вибрации |
| spellingShingle |
Расчет размеров структурных составляющих наплавленного индукционным способом металла с наложением механической вибрации Сенчишин, В.С. Пулька, Ч.В. Научно-технический раздел |
| title_short |
Расчет размеров структурных составляющих наплавленного индукционным способом металла с наложением механической вибрации |
| title_full |
Расчет размеров структурных составляющих наплавленного индукционным способом металла с наложением механической вибрации |
| title_fullStr |
Расчет размеров структурных составляющих наплавленного индукционным способом металла с наложением механической вибрации |
| title_full_unstemmed |
Расчет размеров структурных составляющих наплавленного индукционным способом металла с наложением механической вибрации |
| title_sort |
расчет размеров структурных составляющих наплавленного индукционным способом металла с наложением механической вибрации |
| author |
Сенчишин, В.С. Пулька, Ч.В. |
| author_facet |
Сенчишин, В.С. Пулька, Ч.В. |
| topic |
Научно-технический раздел |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Автоматическая сварка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Calculation of the dimensions of structural components of metal deposited by induction process with application of mechanical vibrations |
| description |
Возможность управления структурой наплавленного металла позволяет совершенствовать эксплуатационные свойства изделий. В данной работе исследованы процессы измельчения структуры наплавленного металла при наложении горизонтальной механической вибрации. Построена расчетная модель для определения параметров структуры металла типа сплава ПГ-С1, наплавленного индукционным методом с наложением механической вибрации. На основании полученных соотношений построены графические зависимости карбидных составляющих в наплавленном металле от амплитуды и частоты вибрации.
Possibility of regulation of structure of deposited metal allows improving service properties of the parts. Present work studies the processes of refining of structure of deposited metal at application of horizontal mechanical vibration. Calculation model for determination of parameters of metal structure of PG-S1 type alloy, deposited by induction method applying mechanical vibration, was developed. Graphic dependencies of carbide constituents in the deposited metal on vibration amplitude and frequency were plotted based on received relationships.
|
| issn |
0005-111X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113167 |
| citation_txt |
Расчет размеров структурных составляющих наплавленного индукционным способом металла с наложением механической вибрации / В.С. Сенчишин, Ч.В. Пулька // Автоматическая сварка. — 2015. — № 8 (744). — С. 34-37. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT senčišinvs rasčetrazmerovstrukturnyhsostavlâûŝihnaplavlennogoindukcionnymsposobommetallasnaloženiemmehaničeskoivibracii AT pulʹkačv rasčetrazmerovstrukturnyhsostavlâûŝihnaplavlennogoindukcionnymsposobommetallasnaloženiemmehaničeskoivibracii AT senčišinvs calculationofthedimensionsofstructuralcomponentsofmetaldepositedbyinductionprocesswithapplicationofmechanicalvibrations AT pulʹkačv calculationofthedimensionsofstructuralcomponentsofmetaldepositedbyinductionprocesswithapplicationofmechanicalvibrations |
| first_indexed |
2025-11-26T00:10:44Z |
| last_indexed |
2025-11-26T00:10:44Z |
| _version_ |
1850595513474220032 |
| fulltext |
34 8/2015
УДК 621.793.927.7:669.018.25
расчет разМеров стрУКтУрных составляющих
наПлавленноГо инДУКЦионныМ сПосоБоМ
Металла с наложениеМ МеханичесКой виБраЦии
В.С. СЕНЧИШИН, Ч.В. ПУЛЬКА
тернопольский. нац. техн. ун-т им. и. Пулюя Мон Украины.
46001, г. тернополь, ул. руська, 56. E-mail: Viktor_Synchyshyn@i.ua
возможность управления структурой наплавленного металла позволяет совершенствовать эксплуатационные свойства
изделий. в данной работе исследованы процессы измельчения структуры наплавленного металла при наложении гори-
зонтальной механической вибрации. Построена расчетная модель для определения параметров структуры металла типа
сплава ПГ-с1, наплавленного индукционным методом с наложением механической вибрации. на основании полученных
соотношений построены графические зависимости карбидных составляющих в наплавленном металле от амплитуды
и частоты вибрации. Библиогр. 9, рис. 5.
К л ю ч е в ы е с л о в а : наплавленный металл, индукционная наплавка, структура, вибрация, моделирование
в работах [1–3] делались попытки построения
количественной теории влияния параметров ме-
ханической вибрации на кристаллизацию ме-
таллических расплавов. в основу расчетов были
положены идеи авторов работы [4] по оценке раз-
рушения вибрационным полем коагуляционных
структур в электролитах. в данной работе при
построении математической модели измельчения
структуры наплавленного металла типа высокоу-
глеродистого хромистого сплава ПГ-с1 (сормайт
1) вибрационным полем также использованы дан-
ные этих исследований [4].
Расчетная модель оценки влияния параме-
тров вибрации на структуру наплавленного
металла. в работе [5] по результатам эксперимен-
тальных исследований было показано, что прило-
жение механических вибраций во время наплавки
может неоднозначно влиять на характеристики на-
плавленного металла. Цель данной работы – со-
здание математической модели, которая позволит
расчетным методом определить оптимальные зна-
чения амплитуды и частоты вибрации, которые
обеспечат наилучшие эксплуатационные харак-
теристики наплавленного слоя. за критерий опти-
мальности выбрана величина карбидных включе-
ний наплавленного металла.
рассмотрим систему (рис. 1) подложка, рас-
плав металла на подложке, которая вибрирует
вдоль поверхности наплавки с частотой ω и ам-
плитудой a. толщина расплава металла считается
относительно малой [5].
в расплавленном металле при наплавке обра-
зуются объединения частиц металла в кластеры
в результате коагуляции – слипания этих частиц
(рис. 1). частицы, представляющие собой неболь-
шие кластеры (≥ 0,1мкм), объединяются в боль-
шие по размеру (≤ 100 мкм) [6]. Этот процесс
проходит следующим образом [6]. расплавлен-
ный металл рассматриваем как электролит. Меж-
ду частицами расплавленного металла действуют
силы различной природы (рис. 2). При приближе-
© в.с. сенчишин, ч.в. Пулька, 2015
рис. 1. схема образования кластеров во время наплавки с
вибрацией
рис. 2. силовое воздействие между частицами в металличе-
ском расплаве
358/2015
нии частиц дисперсной фазы возникает расклини-
вающее давление жидкости металла, которая на-
ходится между ними. Это давление определяется
молекулярными силами притяжения и электроста-
тическими силами отталкивания. силы притяже-
ния – это силы ван-дер-ваальса, которые состоят
из сил ориентационной, индукционной и диспер-
сионной взаимодействий. силы отталкивания воз-
никают при перекрытии диффузных слоев частиц.
состояние системы определяется балансом
энергии притяжения и энергии отталкивания, ко-
торое определяется уравнением
U = Be–kh – Ah–2, (1)
где U — суммарная энергия взаимодействия ча-
стиц; В — множитель, который зависит от значе-
ния электрических потенциалов, свойств среды,
температуры; k — величина, обратная толщине
диффузного слоя; h — расстояние между части-
цами; А — постоянная молекулярных сил притя-
жения (постоянная Гамакера). на больших рас-
стояниях между частицами суммарная энергия
U будет отрицательная (дальний потенциальный
минимум). на средних расстояниях (около 100
мкм) энергия U будет положительная, что означа-
ет образование энергетического барьера, т. е. на
этом расстоянии преобладают силы электроста-
тического отталкивания. на близких расстояниях,
где преобладают силы притяжения, суммарная
энергия взаимодействия частиц U будет положи-
тельная (близкий потенциальный минимум). если
энергия, которая соответствует потенциальному
барьеру, меньше средней кинетической энергии
частиц, то они могут преодолеть электростатиче-
ские силы отталкивания, приблизиться на очень
малое расстояние (происходит перекрывание
двойных электрических слоев), на котором пре-
обладают молекулярные силы притяжения. в ре-
зультате частицы слипаются (т.е. проваливаются
в ближайшую потенциальную яму) (рис. 3). Эта
глубокая потенциальная яма объясняет механи-
ческую прочность коагулята. частицы на близ-
ких расстояниях прочно связываются за счет сил
ван-дер-ваальса, и агрегаты, которые образова-
лись, приобретают некоторые свойства твердого
тела. если энергетический барьер высок, частицы
не смогут его преодолеть и создать агрегаты.
снижение энергетического барьера снижа-
ет и агрегатную устойчивость системы. напри-
мер, добавляя электролит, можно уменьшить тол-
щину диффузного слоя и тем самым уменьшить
силы отталкивания настолько, что энергетиче-
ский барьер исчезает и частицы при сближении
слипаются.
таким образом, для частиц существует близкая
и дальняя потенциальные ямы, глубину которых
обозначим потенциальными составляющими со-
ответственно E1, E2, а ширину h1, h 2. Представим
движение частиц диаметра D вблизи каждого по-
тенциального минимума как колебания гармони-
ческого осциллятора соответственно с собствен-
ными частотами f1, f2, которые находим с решения
уравнения Шредингера [4,7] приближенно следу-
ющим образом:
12
222
12
111 , −−−− ≈≈ mhEfmhEf , (2)
где величины E1, E2 определяются на основе [4]
таким образом:
1 1
1 1 0 0 1
2 1 1 2 1 1
2 2 2
[0,04 0,5 (1 ln(12 ))],
(0,5 ), 8 .
E nBD h A A h A
E nBDh h q N T
− −
− − − − −
= − −
= − λ λ = π ε
(3)
здесь A0, A, B — константы, которые зависят
от свойств системы [4]; n — число ближайших к
рассматриваемой частиц в структуре; N — кон-
центрация электролита (расплавленного металла);
T — температура в энергетических единицах; q
— заряд ионов электролита; ε — диэлектрическая
постоянная; m — масса частицы.
в статических условиях критерий устойчи-
вости структуры будет определяться [4] такими
неравенствами:
3 3
1 0 1 2 0 20,5( ) , 0,5( ) .E D gh E D gh> ρ − ρ > ρ − ρ
(4)
1 2, .E T E T> β > β (5)
здесь ρ0, ρ — плотности дендрита и расплав-
ленного металла; g — ускорение свободного па-
дения; β ≈ 1.
рассмотрим влияние вибрации на структуру
расплавленного металла в момент, когда в нем из
кластеров среднего диаметра образовались ден-
дриты большого размера H, что в данном случае
соответствует неравенству
2 1 1,H − −>> ηω ρ (6)
где η — средняя динамическая вязкость расплав-
ленного металла.
такие большие агрегаты не будут колебаться в
расплавленном металле. Далее запишем колеба-рис. 3. Перекрытие двойных электрических слоев и слипание
частиц в расплаве
36 8/2015
ния расплава с амплитудой a и частотой ω. При
этом скорость ( )x t колебания расплава вдоль по-
верхности наплавки по координате x можно запи-
сать следующим образом:
( ) sin .x t a t= ω ω (7)
тогда сила P, которая действует на такую дви-
жущуюся частицу диаметром D, будет опреде-
ляться согласно [4, 8] таким образом:
ωη ahDP i
12 −≈ . (8)
Учитывая сказанное выше, запишем уравнение
вынужденных колебаний рассматриваемой части-
цы дендрита соответственно в ближней потенци-
альной яме (ближняя коагуляция) под действием
вибрации и внешних сил в таком виде [4, 7]:
2 1
12 sin .x x f x Pm t−+ ξ + = ω
(9)
здесь ξ ≈ nηD2m–1h1
–1.
линейное дифференциальное уравнение вто-
рого порядка с постоянными коэффициентами
(9) решаем путем представления искомой функ-
ции x(t) в тригонометрической форме. в результа-
те этого получим такой закон колебания частиц в
объеме дендрита:
0 0( ) sin( ),x t V t= ω + α
(10)
где формально принято, что начальная фаза α0
равна нулю, а амплитуда V0 вынужденных колеба-
ний частицы равна:
2 2 2 2 2 2 2 2 1
0 1[( ) 4 ] .V P m f− −= ω − + ξ ω
(11)
если частица диаметром D выпрыгнет при ви-
брации из потенциальной ямы, то это физически
означает, что дендрит, состоящий из таких частиц,
начнет разваливаться. Это возможно только тог-
да, когда амплитуда V0 ее колебаний будет боль-
ше ширины ближней потенциальной ямы h1, т. е.
выйдет за пределы действия поверхностных сил,
или получит такую энергию, которая превосходит
глубину потенциальной ямы E1 и будет двигаться
как бы при отсутствии поверхностных сил. на ос-
новании соотношений (3), (8) и (11) эти условия
математически можно записать так:
0 1.V h≥ (12)
2 2
0 1.mV Eω ≥ (13)
Подставим P и 0V согласно с (8), (11) в (12),
(13), в результате чего получим:
0)42( 4
1
4
1
224222
1
24 ≤++−− −− fhamDf ηξωω , (14)
0)42()1( 4
1
222
1
422
1
4121
1 ≥−−+−−−− ffahDmE ωξωη . (15)
решая неравенства (14), (15) с учетом (2), и
считая, что m ≈ 0,5ρD3 и ω всегда положительное,
получим следующие соотношения для оценки па-
раметров вибрации для заранее выбранного зна-
чения диаметра D частиц, на которые распадется
дендрит:
2 2 2 2 2 2 2 4
1 1
2 2 2 2 2 2 4 2 4
1 1 1
2 2 4 4 2 2 2 4
2 1 1 1 1
2 4
0,5(2 4 4 )
0,25(2 4 4 ) ;
[ (2 4 ) ]
.
4
f D a h
f D a h f
f D h f f
a
− − −
− − −
ω ≤ − ξ + ρ η +
+ − ξ + ρ η −
ρ ω − − ξ ω +
≥
η ω
(16)
таким образом, если будут заданы характери-
стики расплавленного металла f1, g, ρ, η, h1, то для
заданного размера зерна D структуры наплавлен-
ного металла можно найти соответствующие па-
раметры вибрации ω и a на основание соотноше-
ний (16).
Расчет параметров структуры наплавлен-
ного металла. Для проверки корректности сфор-
мулированной выше модели были проведены ис-
следования структуры металла, наплавленного
индукционным способом без и с наложением ви-
брации [5].
Для проведения исследований индукционным
методом с использованием шихты (рис. 4), содер-
жащей порошок сплава ПГ-с1, были наплавлены
плоские образцы из стали ст3 с горизонтальной
вибрацией и без вибрации. наплавку проводили
с использованием высокочастотного генератора
типа вчГ-60/0,44 при постоянной удельной мощ-
ности W и времени наплавки t. режимы были оди-
наковыми для двух вариантов наплавки: анодное
напряжение 10 кв; напряжение на контуре 5,4 кв;
ток сетки лампы 2,2 а; ток анода лампы 2 а; вре-
мя наплавки 35 с; амплитуда колебания 0,2 мм
при частоте 50 Гц.
Электролитическим способом (травление в
20% -ом растворе хромовой кислоты, напряжение
20 в и время выдержки 10 с) определяли структу-
ру наплавленного металла. структуру основного
металла выявляли химическим травлением в 4% -ом
растворе азотной кислоты. Установлено, что без
вибрации карбиды в наплавленном металле име-
ют размер 10...12 мкм, а при приложении горизон-
рис. 4. схема индукционной наплавки: 1 — наплавленная де-
таль; 2 — порошкообразная шихта; 3 — индуктор (стрелками
указано направление горизонтальной вибрации)
378/2015
тальной вибрации они измельчаются до размеров
3,5...7,0 мкм.
результаты сравнивали с расчетными, получен-
ными по приведенной выше модели. с этой целью
на основе литературных данных [4, 9] для высоко-
углеродистого хромистого сплава приведены сле-
дующие приближенно средние значения характе-
ристик в соотношениях (16):
6 6
3
3 1
1
6 1 6
1
7,8 10 ; 7 10 ;
50 2 10
2 10 ; 2 10 .
êã êã
ìì ñìì
Ãö; Ãö;
Ãö ìì
f D
D h
− −
−
− −
ρ = ⋅ η ≈ ⋅ ⋅
ω = ≈ ⋅
ξ ≈ ⋅ ≈ ⋅
(17)
Для более наглядного представления зависи-
мости величины карбидных включений D от пара-
метров вибрации (a — амплитуды, ω — частоты)
построены отдельно зависимости D ~ a и D ~ ω.
Для этого использовано только второе соотноше-
ние (16). Учитывая, что, 4 4 2 2 2
1 1(2 4 ) ,f f>> ω − − ξ ω
второе соотношение можно представить прибли-
женно так:
15 2 4
3 1
2 2 4
8 10
.
h
D
a
⋅ ρ
≥
η ω
(18)
на основании соотношения (18) запишем урав-
нение зависимостей D ~ a (ω = 50 Гц) и D ~ ω (a =
= 0,2 мм) в таком виде:
2/3 4/31, 45 785ìêì, ìêì.D a D− −≈ ≈ ω (19)
на основании соотношений (19) на рис. 5 по-
строены графические зависимости D ~ a и D ~ ω.
здесь кружочком на графиках отмечены коорди-
наты точек, в которых совпадают расчетные и по-
лученные в работе [5] значения размеров карбида
по заданным параметрам вибрации. Это свиде-
тельствует о корректности и достаточной точно-
сти предложенной расчетной модели. Как видно
из рис. 5 при увеличении параметров вибрации a,
ω размер карбида D значительно уменьшается.
таким образом, на основании соотношений
(16) и (17) можно подобрать заранее заданные
значения параметров вибрации a, ω, для которых
можно получить желаемую структуру наплавлен-
ного слоя металла.
1. Бугай Ю.М., Пітулей Л.Д., Феденчук Д.І. Математична
модель седиментаційно-вібраційної рівноваги арміторів
композиційного зубка шарошкового долота // Методи та
прилади контролю якості. – 2000. – № 6. – с. 100–102.
2. Крижанівський Є.І, Пітулей Л.Д., Феденчук Д.І. вплив
вібрації на кристалічну структуру долотної сталі // наук.
вісник нац. техн. ун-ту нафти і газу. – 2005. – № 3(12). –
с. 26–30.
3. Петрина Ю.Д., Пітулей Л.Д., Феденчук Д.І. вплив вібра-
ції армованого розплаву на кристалічну структуру ма-
тричної долотної сталі // розвідка та розробка нафтових і
газових родовищ. – 2005. – № 3(16). – с. 15–19.
4. Потанин А.А., Урьев Н.Б. Условие разрушения коагуля-
ционной структуры вибрационным полем и критерий
агрегируемости // теорет. основы химической техноло-
гии. – 1988. – № 4. – с. 528–534.
5. Влияние вибраций детали в процессе наплавки на струк-
туру и свойства металла / Пулька ч.в., Шаблий о.н.,
сенчишин в.с. и др. // автомат. сварка. – 2012. – № 1.
– с. 27–29.
6. Туторский И.А. введение в коллоидную химию. ч. 4.
Электроповерхностные свойства дисперсных систем.
Устойчивость и коагуляция коллоидных систем. – М.:
Митхт им. М. в. ломоносова, 2008 – 60 с.
7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. – М: наука, 1965.
8. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные
силы. – М.: наука, 1985. – 349 с.
9. Фізична та колоїдна хімія / в.І. Кабачний, л.К. осипен-
ко, л.Д. Грицан та ін. – х.: Прапор, в-во УкрФа, 1999.
– 368 с.
Поступила в редакцию 24.062015
рис. 5. зависимости размера карбида D от параметров вибрации: а — от амплитуды а; б — от частоты ω
|