Закономерности дискретно–аддитивного формирования микрооъемов металла, кристаллизующегося при многослойной микроплазменной порошковой наплавке никелевых сплавов
Исследованы особенности изменения погонной энергии, площади поперечного сечения валика и производительности при однослойной микроплазменной порошковой наплавке никелевого жаропрочного сплава ЖС32 на узкую подложку шириной 1...2 мм. Установлено, что ряд ее режимов на сварочном токе 5...15 А отличаетс...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2016 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2016
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146751 |
| 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: | Закономерности дискретно–аддитивного формирования микрооъемов металла, кристаллизующегося при многослойной микроплазменной порошковой наплавке никелевых сплавов / К.А. Ющенко, А.В. Яровицын, Н.О. Червяков // Автоматическая сварка. — 2016. — № 5-6 (753). — С. 154-161. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860009526777872384 |
|---|---|
| author | Ющенко, К.А. Яровицын, А.В. Червяков, Н.О. |
| author_facet | Ющенко, К.А. Яровицын, А.В. Червяков, Н.О. |
| citation_txt | Закономерности дискретно–аддитивного формирования микрооъемов металла, кристаллизующегося при многослойной микроплазменной порошковой наплавке никелевых сплавов / К.А. Ющенко, А.В. Яровицын, Н.О. Червяков // Автоматическая сварка. — 2016. — № 5-6 (753). — С. 154-161. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Исследованы особенности изменения погонной энергии, площади поперечного сечения валика и производительности при однослойной микроплазменной порошковой наплавке никелевого жаропрочного сплава ЖС32 на узкую подложку шириной 1...2 мм. Установлено, что ряд ее режимов на сварочном токе 5...15 А отличается минимальной погонной энергией. Для минимального и максимального ее уровня проведена расчетная оценка напряженно-деформированного состояния сварного соединения при наращивании торца пластины однослойной и трехслойной наплавкой. Показано, что величина погонной энергии при микроплазменной наплавке определяет ширину зоны пластической деформации и величину суммарных пластических деформаций в результате повторных нагревов при многослойной наплавке. Предложены новые технологические принципы для выбора режимов многослойной и 3D-микроплазменной порошковой наплавки изделий из никелевых жаропрочных сплавов, обеспечивающие минимальные тепловложения в изделие и регламентирующие требования к величине сварочного тока, длительности существования металла сварочной микрованны в расплавленном состоянии и ее объему.
Peculiarities of heat input, bead cross-section area and efficiency were investigated at single-layer microplasma powder surfacing of nickel heat-resistant alloy JS32 on narrow substrate of 1–2 mm thickness. It is determined that series of its modes using 5–15 A welding current differs by the minimum heat input. Calculated evaluation of stress-strain state of a welded joint was carried out for its minimum and maximum level during building-up of edge of a plate using single- and three-layer surfacing. It is shown that the value of heat input in microplasma surfacing determines a width of plastic deformation zone and value of sum plastic deformations as a result of reheating in multi-layer surfacing. New technological principles were proposed for selecting the modes of multi-layer and 3D-microplasma powder surfacing of the parts from nickel heat-resistant alloys, providing the minimum heat input in a part and regulating requirements to welding current value, time of existence of metal of weld micropool in molten state and its volume.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:40:45Z |
| format | Article |
| fulltext |
3 аддитивные технологии
1 5 4 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА -
УДК 621.791.(92+046)
заКономерности ДисКретно-аДДитивного
Формирования миКрооБЪемов металла,
КристаллизУЮщегося при многослойной
миКроплазменной пороШКовой наплавКе
ниКелевых сплавов
К. А. ЮЩЕНКО, А .В. ЯРОВИЦЫН, Н. О. ЧЕРВЯКОВ
иЭс им. е. о. патона нан Украины. 03680, г. Киев, ул. Казимира малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
исследованы особенности изменения погонной энергии, площади поперечного сечения валика и производительности
при однослойной микроплазменной порошковой наплавке никелевого жаропрочного сплава Жс32 на узкую подложку
шириной 1...2 мм. Установлено, что ряд ее режимов на сварочном токе 5...15 а отличается минимальной погонной
энергией. Для минимального и максимального ее уровня проведена расчетная оценка напряженно-деформированного
состояния сварного соединения при наращивании торца пластины однослойной и трехслойной наплавкой. показано,
что величина погонной энергии при микроплазменной наплавке определяет ширину зоны пластической деформации и
величину суммарных пластических деформаций в результате повторных нагревов при многослойной наплавке. пред-
ложены новые технологические принципы для выбора режимов многослойной и 3D-микроплазменной порошковой
наплавки изделий из никелевых жаропрочных сплавов, обеспечивающие минимальные тепловложения в изделие и
регламентирующие требования к величине сварочного тока, длительности существования металла сварочной микро-
ванны в расплавленном состоянии и ее объему. Библиогр. 20, табл. 2, рис. 10.
К л ю ч е в ы е с л о в а : микроплазменная порошковая наплавка, узкая подложка, никелевый жаропрочный сплав ЖС32,
эффективная мощность нагрева изделия, погонная энергия, площадь поперечного сечения валика, объем сварочной
микрованны, производительность наплавки, напряженно-деформированное состояние сварного соединения
известно, что величина погонной энергии являет-
ся важнейшим технологическим параметром, ко-
торый при сварке плавлением конструкционных
сталей характеризует размеры сварочной ванны,
длительность ее существования и площадь участ-
ка зоны термического влияния (зтв), нагретого до
температуры более 600 °с [1].
Для условий сварки на токах более 50 а в за-
щитных газах, под флюсом и покрытыми элект-
родами величина погонной энергии может нахо-
диться в диапазоне 0,87...3,78 кДж/мм (мостовые
конструкции) [2]; для орбитальной сварки техно-
логических трубопроводов неплавящимся элек-
тродом в инертных газах — 0,6...0,9 кДж/мм [3].
при сварке низколегированных сталей, склон-
ных к закалке, величину погонной энергии целе-
сообразно регулировать, исходя из условий ох-
лаждения металла зтв в интервале 600...500 °с
и диаграмм анизотермического распада аустенита
[1–3]. при микроплазменной сварке величина по-
гонной энергии, как правило, находится в диапа-
зоне 20...35 Дж/мм при пропорциональном значе-
нии тока и скорости сварки в диапазоне 2...40 а и
5...87 м/ч соответственно для металла толщиной
0,1...0,5 мм [4].
при однослойной микроплазменной порошко-
вой наплавке на узкую подложку [5] на токах до
35 а применительно к восстановлению кромок
деталей авиационных газотурбинных двигате-
лей (гтД) из никелевых жаропрочных сплавов
величина погонной энергии может составлять
0,25...3,0 кДж/мм [6]. Качество сварного соедине-
ния «основной-наплавленный металл» при много-
слойной микроплазменной порошковой наплав-
ке никелевых жаропрочных сплавов по критерию
склонности к образованию трещин зависит от ве-
личины суммарного тепловложения и производи-
тельности наплавки [7, 8].
Целью работы является изучение взаимосвязи
тепловложения и размеров сечения валика (объ-
ема сварочной микрованны) при однослойной
микроплазменной наплавке на узкую подложку
шириной δ = 1,0...2,0 мм на токе 5...15 а с порци-
онной подачей порошка никелевых жаропрочных
сплавов с содержанием упрочняющей γ´-фазы бо-
лее 45 об. %.
Методика проведения экспериментов и об-
работки экспериментальных данных. на-
плавки выполнялись в условиях свободного
формирования на кромку пластины размерами
30…40×90…100 мм из аустенитной нержавею-
щей стали толщиной 1,0, 1,6 и 2,0 мм. расстояние
от наплавляемой поверхности до внешнего среза © К. а. Ющенко, а. в. яровицын, н. о. червяков, 2016
3 аддитивные технологии
1 5 5 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА -
микроплазмотрона составляло 5 мм. использовал-
ся присадочный порошок никелевого жаропрочно-
го сплава Жс32 [9] фракцией +63…–160 мкм. Экс-
перименты выполняли на установке Упнс-304м2/
м3. масса порции порошка, подаваемой в столб ми-
кроплазменной дуги, составляла в среднем 0,14 г.
использовался микроплазмотрон ппс04 с диаме-
трами каналов сопел: плазменного — 2,5 мм; фоку-
сирующего — 4,5 мм. в качестве плазмообразую-
щего (Qпл = 1,0 л/мин) и транспортирующего (Qтр =
= 4...5 л/мин) газа был выбран аргон высшего со-
рта по гост 10157–79; в качестве защитного газа —
смесь 95 % аr + 5 % H2 (Qз = 7 л/мин).
в процессе формирования валика в дискрет-
но-аддитивном режиме после порционного напол-
нения расплавленной присадкой сварочная ми-
крованна смещалась вперед и снова наполнялся
ее новый объем. в разных сериях экспериментов
он последовательно увеличивался за счет ввода в
зеркало сварочной ванны от 1 до 5 микропорций
порошка (рис. 1) одновременно с постепенным
изменением сварочного тока в диапазоне 5...15 а.
период порционной подачи дисперсной присадки
находился в диапазоне Тп = 1,5…5,0 с и выбирал-
ся таким образом [6], чтобы на переднем фронте
наплавки обеспечивался угол смачивания основ-
ного и наплавляемого металла α = 30...60° (рис. 2,
а), исходя из стабильного образования заданной
формы валика. если при плавном увеличении сва-
рочного тока при подаче единичных микропор-
ций порошка Жс32 обеспечивалось выполнение
данного условия при Тп = 1,5…1,8 с, то далее в
неподвижную сварочную микрованну вводилась
дисперсная присадка серией из 2...5 микропорций.
во всех экспериментах глубина проплавления ос-
новного металла не превышала 1,5 мм, а доля ос-
новного металла в наплавленном составляла до
20 %. пример наплавленного на узкую подложку
валика представлен на рис. 2, б.
обработку экспериментальных данных и рас-
чет энергетических показателей режимов наплав-
ки выполняли по методике [7]. погонная энергия
(с учетом эффективного КпД нагрева изделия [1])
определялась как отношение введенного в анод
тепла микроплазменной дуги Q∑ к приведенной
рис. 1. Фрагменты осцилограмм микроплазменной порошковой наплавки на узкую подложку шириной δ = 1,6 мм с различ-
ным количеством микропорций присадочного порошка, вводимых в сварочную микрованну: а — 1 шт.; б — серия из 5 шт.
UC2 — управляющий сигнал рабочего механизма дозатора, соответствующий подаче одной микропорции
рис. 2. особенности формирования валика при наплавке на
узкую подложку шириной δ = 1,0…2,0 мм: 1 — наплавляе-
мый валик; 2 — микроплазменная дуга; стрелкой указано
направление наплавки; а — угол смачивания α основного и
наплавляемого металла на переднем фронте наплавки; б —
внешний вид наплавленного валика
3 аддитивные технологии
1 5 6 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА -
длине эллиптического цилиндра наплавленного
валика L. его площадь поперечного сечения Fв
рассчитывалась по методике [8].
Анализ экспериментальных данных. резуль-
таты экспериментов (рис. 3) свидетельствуют, что
на узкой подложке шириной 1,0...2,0 мм в услови-
ях свободного формирования наплавляемого вали-
ка удерживается сварочная микрованна с попереч-
ным сечением Fв до 35 мм2 (объемом примерно до
125 мм3). Это соответствует эффективной высоте
наплавленного металла* h = 3...4 мм. зависимость
Fв = f(qи) в диапазоне 75...250 вт и 1,5...35 мм2 со-
ответственно описывается степенной функцией
типа â è
nF aq= , коэффициенты которой изменяют-
ся с шириной узкой подложки. с ее увеличением
уменьшается наклон данной зависимости к оси
абцисс, т. е. наращивание поперечного сечения на-
плавляемого валика при увеличении значений qи >
> 175 вт протекает более интенсивно, в том чис-
ле, из-за повышения коэффициента использования
дисперсной присадки при расширении сварочной
микрованны [10].
Установлено, что в условиях дискретно-адди-
тивного формирования наплавляемого на узкую
подложку валика ряд режимов микроплазмен-
ной порошковой наплавки отличается минималь-
ной погонной энергией 490...700 Дж/мм (рис. 4,
табл. 1). такие режимы характеризуются:
– величиной эффективной тепловой мощно-
сти дуги, на 25...40 вт больше соответствующего
ее значения, достаточного для начала стабильного
формирования наплавляемого металла;
–площадью поперечного сечения валика
5,5...7,5 мм2 и эффективной высотой наплавлен-
ного металла до 2,0...2,5 мм.
* высота прямоугольника шириной δ, вписанного в контур
поперечного сечения наплавленного валика и снизу
ограниченного первоначальным уровнем неоплавленной
поверхности узкой подложки [8]
таким образом показано, что положение мини-
мума погонной энергии соответствует сварочному
току, на 2,5...3,5 а больше ее значения, при кото-
ром начинается оплавление основного металла уз-
кой подложки.
Увеличение погонной энергии в 2,0...2,5 раза
при уменьшении на 30...40 вт эффективной те-
пловой мощности микроплазменной дуги от зна-
чения минимума погонной энергии обусловлено
увеличением времени горения дуги между вве-
дением микропорций порошка для обеспечения
на переднем фронте наплавки соответствующе-
го угла контакта между основным и наплавлен-
ным металлом и стабильного формирования вали-
ка. Увеличение погонной энергии в 2,5...3,0 раза
с правой стороны от значения минимума погон-
ной энергии вызвано необходимостью увеличения
времени горения дуги при введении серии из 2...5
микропорций присадочного порошка в неподвиж-
ное зеркало микрованны.
при последовательном увеличении эффектив-
ной тепловой мощности микроплазменной дуги
и производительности наплавки ее скорость из-
меняется в диапазоне 0,4...1,20 м/ч (рис. 5). при
Fв = 5,5...7,5 мм2 наблюдаются ее максимальные
значения 0,95...1,25 м/ч. Далее скорость наплав-
ки замедляется до 0,4...0,6 м/ч, что обусловлено
увеличением длительности наполнения микро-
ванны наплавляемым металлом. Установлено, что
режимы наплавки на узкую подложку, соответ-
рис. 3. зависимость площади поперечного сечения наплав-
ленного валика Fв от эффективной тепловой мощности дуги
qи при наплавке на узкую подложку шириной δ: 1 — 1,0; 2 —
1,6; 3 — 2,0 мм
Т а б л и ц а 1 . Характеристики режимов микроплаз-
менной порошковой наплавки на узкую подложку δ =
= 1,0...2,0 мм, соответствующих минимуму погонной энер-
гии QΣ/L ( v — скорость наплавки; Gн — производитель-
ность наплавки)
δ, мм qи, вт Fв, мм2 QΣ/L, Дж/мм v, м/ч Gн, г/мин
1,0 145 6,5 490 1,15 0,9
1,6 170 5,5 700 0,9 0,75
2,0 195 7,5 600 1,15 0,9
Примечание: по экспериментальным данным.
рис. 4. зависимость погонной энергии QΣ/L от эффективной
тепловой мощности дуги qи при наплавке на узкую подложку
шириной δ: 1 — 1,0; 2 — 1,6; 3 — 2,0 мм
3 аддитивные технологии
1 5 7 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА -
ствующие минимальной погонной энергии QΣ/L
и максимальной скорости наплавки v практиче-
ски совпадают (см. рис. 3–5, табл. 1): Δqи ≤ 10 вт
(І ≤ 0,63 а); ∆ν ≤ 0,05 м/ч; ΔQΣ/L ≤ 10 Дж/мм.
производительность наплавки Gн изменяется в
диапазоне 0,1...2,3 г/мин пропорционально вели-
чине погонной энергии QΣ/L = 490…1800 Дж/мм
(рис. 6). при минимальных значениях погонной
энергии наплавки она составляет 0,55...1,2 г/мин.
Для микроплазменной порошковой наплавки
на узкую подложку δ = 1,0...2,0 мм с минимальной
глубиной проплавления основного металла по-
гонная энергия прямо пропорциональна частоте
введения микропорций порошка, площади попе-
речного сечения наплавленного валика и произво-
дительности наплавки. Указанные факторы могут
изменять ее величину в 2,4...3,7 раза.
Оценка напряженно-деформированного со-
стояния сварного соединения при однослой-
ной и многослойной наплавке на узкую под-
ложку. соотношение экспериментальных данных
(рис. 4–6) с ранее опубликованными результата-
ми [7, 8] позволяет предполагать, что даже в ус-
ловиях ограниченных эффективной тепловой
мощности дуги (qи = 100...250 вт) и глубины про-
плавления основного металла (до 1,5 мм) при ми-
кроплазменной порошковой наплавке на узкую
подложку δ = 1,0...2,0 мм с разными уровнями по-
гонных тепловложений QΣ/L = 490…2000 Дж/мм
показатели напряженно-деформированного состо-
яния сварного соединения «основной-наплавлен-
ный металл» могут существенно отличаться.
соответствующая оценка базировалась на
определении продольных сжимающих деформа-
ций 0
xxε в тонкой пластине с градиентом темпе-
ратуры Т(z) согласно расчетной схеме Б. Болли и
Дж. Уэйнера [11] в состоянии предельного нагре-
ва [1, 12] и работе н. о. окерблома [13] (прибли-
женная оценка напряжений и деформаций свобод-
ной полосы, возникающих при наложении валика
на одну из продольных ее кромок [12, 14]).
Для расчета продольных деформаций при од-
ноосном напряженном состоянии, возникающих
в тонкой пластине с градиентом температур Т по
оси z использовалась следующая математическая
модель:
0
3
0 0
( ) 1 12( ) ( ) ( ) ;[1 ]
b b
xx
T zT z dz T z dz T z zdzb b
αε = − + + − ν
∫ ∫
(2)
( )
,( )
òy
xx
T
E T
σ
ε =
(3)
где 0 , y
xx xxε ε — соответственно полная и упругая
продольная деформация; α(T) — коэффициент ли-
нейного термического расширения, 1/°с; E(T) —
модуль упругости (Юнга), мпа; υ = 0,5 — коэф-
рис. 5. зависимость площади поперечного сечения наплав-
ленного валика Fв и скорости наплавки v от эффективной те-
пловой мощности дуги qи при наплавке на узкую подложку
шириной δ: 1 — 1,0; 2 — 1,6; 3 — 2,0 мм
рис. 6. зависимость погонной энергии QΣ/L от производи-
тельности наплавки Gн на узкую подложку шириной δ: 1 —
1,0; 2 — 1,6; 3 — 2,0 мм
3 аддитивные технологии
1 5 8 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА -
фициент пуассона; b — размер узкой подложки в
направлении оси z, м.
в описанной выше математической мо-
дели принимались следующие допущения и
упрощения:
– валик наплавляется одновременно на всю
длину торца пластины;
– термодеформационные процессы протекают
в упругом состоянии, а пластическая деформация
определяется как разность общих продольных де-
формаций 0 ( )xx Tε и упругих продольных деформа-
ций y
xxε при заданном значении температуры;
– теплофизические зависимости α(T), E(T) и
σт(Т) для сплава Жс32 с кристаллографической
ориентацией <001> принимались по данным ра-
бот [18–19] с учетом дополнительной их экстрапо-
ляции от 1000...1100 °с до температуры солидуса
Ts при кристаллизации никелевого жаропрочного
сплава;
– в граничном состоянии нагрева распределе-
ние температуры задавалось экспоненциальной
функцией типа
2
max( ) kzT z T e−= , где в точке z = 0 вы-
полняется условие Tmax = Ts.
рис. 7. принятые экспоненциальные распределения функции
Т(z), характерные для следующих режимов наплавки узкой
подложки шириной δ ≤ 2 мм: 1 — Z600 °с = 0,22 мм, лазер-
но-порошковая наплавка [15–17]; 2, 3 — Z600 °с = 2,2 и 4,2 мм,
микроплазменная порошковая наплавка на режимах погон-
ной энергией менее 1000 Дж/мм; 4 — Z600 °с = 10,5 мм, ми-
кроплазменная порошковая наплавка на режимах с погонной
энергией примерно 2000 Дж/мм
рис. 8. изменение распределения общих 0
xxε продольных деформаций в зтв в состоянии предельного нагрева при 3-х слой-
ной наплавке на узкую подложку из никелевого жаропрочного сплава Жс32 <001>; 1.1, 1.2, 1.3 — распределение темпера-
туры Т(z) от линии сплавления для последнего наплавленного валика и при повторных нагревах двух предыдущих соответ-
ственно; 2.1, 2.2 , 2.3 — распределение 0 ( )xx zε от линии сплавления для последнего наплавленного валика и при повторных
нагревах двух предыдущих соответственно; 3 — распределение упругих продольных деформаций ( )y
xx zε от линии сплавле-
ния в последнем наплавленном валике; а — Z600 °C = 0,22 мм; б — Z600 °C = 2,2 мм; в — Z600 °C = 4,2 мм; г — Z600 °C = 10,5 мм
3 аддитивные технологии
1 5 9 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА -
такой подход через функцию температурного
градиента Т(z) позволил оценить продольные де-
формации 0 ( )xx Tε для реальных условий однослой-
ной и 3-х слойной наплавки на узкую подложку
шириной δ = 1,0...2,0 мм, где основным и наплав-
ленным металлом являлся никелевый жаропроч-
ный сплав Жс32 <001> с содержанием упрочня-
ющей γ´-фазы 62...65 об. % . различные режимы/
условия наплавки моделировались выбором зна-
чений коэффициента k исходя из положений изо-
термы 600 °с (рис. 7).
с учетом эффективной высоты наплавленного
слоя для лазерного (0,5 мм) и микроплазменного
процесса (1,5...5,0 мм) при 3-х слойной наплавке
также выполнялась оценка сжимающих продоль-
ных деформаций в точках максимальных темпе-
ратур нагревов: Tmax1 > Tmax2 > Tmax3 (на текущей
линии сплавления и на ее предыдущих уровнях
положения в глубине узкой подложки), где индек-
сы 2, 3 — возрастающие порядковые номера на-
плавленных ранее валиков относительно текущей
наплавки. результаты численной оценки градиен-
та продольных деформаций 0 ( )xx Tε по оси z для
однослойной и 3-х слойной наплавки никелевого
жаропрочного сплава Жс32 в состоянии предель-
ного нагрева приведены на рис. 8.
оценка напряженно-деформированного состо-
яния при однослойной наплавке торца тонкой пла-
стины показывает, что максимальные продольные
сжимающие деформации 0
xxε составляют пример-
но 7,5 % и не зависят от величины температурно-
го градиента в зтв, а амплитуда изменения про-
дольных деформаций 0
xx∆ε по глубине основного
металла при различных условиях наплавки изме-
няется незначительно — с 7,5 до 9,5 %. сниже-
ние соответствующего температурного градиента
с 3350 до 70 °с/мм (Z600 °с = 0,22…10,5 мм) вызы-
вает расширение более чем в 20 раз участка зтв,
подверженного пластическим деформациям.
Для диапазона погонных энергий 490...2000
Дж/мм, соответствующего условиям микроплаз-
менной порошковой наплавки на узкую подложку
δ = 1,0…2,0 мм, зона пластических деформаций
составляет 3...10 мм. оценка напряженно-дефор-
мированного состояния при 3-х слойной наплавке
торца тонкой пластины показывает, что при повы-
шенных значениях погонной энергии (примерно
1800...2000 Дж/мм) на 40...65 % возрастает вели-
чина суммарных пластических деформаций в про-
цессе повторных нагревов по сравнению с ее зна-
чениями в случае менее 1000 Дж/мм (см. рис. 8,
табл. 2). суммарные значения амплитуд измене-
ния продольных деформаций ∑ 0
xx∆ε в предель-
ном состоянии нагрева для 3-х слойной наплав-
ки на узкую подложку δ = 1,0...2,0 мм при QΣ/L
< 1000 Дж/мм не превышают максимальных зна-
чений пластичности никелевого жаропрочного
сплава Жс32 <001> при испытаниях на одноосное
растяжение (14,5 % при Т ≤ 1000 °с, [19]). вместе
с уже полученными практическими результатами
[7, 8, 20] это позволяет обосновать принципиаль-
ную возможность сохранения технологической
прочности при многослойной микроплазменной
порошковой наплавке на узкую подложку без про-
ведения релаксирующей термической обработки
после наплавки каждого валика.
Оценка возможного технологического эф-
фекта при натурном моделировании 3-х слой-
ной микроплазменной порошковой наплавки
с погонной энергией менее 1 кДж/мм. в систе-
ме автоматизированного проектирования техни-
ческой документации Компас-3D V12 выполнено
натурное моделирование технологически вероятной
формы поперечного сечения валиков, наплавлен-
ных на узкую подложку δ = 2,0 мм: за 1 слой с по-
гонной энергией 2000 Дж/мм (рис. 9, а); за 3 слоя с
погонной энергией послойной наплавки 600 Дж/мм
(рис. 9, б).
согласно методике [7] в качестве критериев
сравнительной оценки принимались суммарные
погонные тепловложения. согласно методике [8]
Т а б л и ц а 2 . Распределение при максимальных нагре-
вах 0
xx∆ε и суммарные значения ∑ 0
xx∆ε амплитуд изме-
нения продольных деформаций для 3-х слойной наплавки
на узкую подложку δ = 1,0...2,0 мм в зависимости от вели-
чины температурного градиента Z600 °С в ЗТВ (по данным
рис. 8)
слои наплавки
0
xx∆ε , % при Z600 °с, мм
0,22 2,2 4,20 10,50
1 (текущий) 7,5 7,6 8,0 9,4
2 1,5 3,8 4,6 7,2
3 – 0,8 1,5 3,9
∑ 0
xx∆ε 9,0 12,2 14,1 20,5
рис. 9. натурное моделирование поперечных сечений вали-
ков, наплавленных на узкую подложку δ = 2,0 мм с разными
значениями погонной энергии: В — ширина наплавленного
валика; ho — глубина проплавления основного металла; h —
эффективная высота наплавленного валика; ΔF2 — площадь
поперечного сечения бокового усиления валика, которое уда-
ляется последующей механической обработкой
3 аддитивные технологии
1 6 0 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА -
– эффективная высота наплавки h и площадь бо-
ковых усилений валика 2ΔF2 (см. рис. 9). Уста-
новлено, что переход к 3-х слойной наплавке с
QΣ/L = 600 Дж/мм, на ряду со снижением общих
тепловложений в изделие примерно на 10 %, по-
зволит увеличить эффективную высоту наплав-
ки примерно на 70 % и снизить непрямые потери
присадочного порошка (величину припусков на
механическую обработку наплавленного валика)
примерно в 2 раза.
Обсуждение результатов исследований. ми-
кроплазменная порошковая наплавка с дискрет-
но-аддитивным формированием может быть
реализована в диапазоне технологических пара-
метров, нижняя граница которого ограничена эф-
фективной мощностью микроплазменной дуги,
достаточной для оплавления основного металла,
а верхняя – предельным объемом сварочной ван-
ны, который может удерживаться на вертикально
установленной узкой подложке. такое формирова-
ние при однослойной наплавке на узкую подлож-
ку δ = 1,0...2,0 мм с использованием защитного
газа 95 % Ar + 5 % H2 характеризуется следую-
щими показателями: эффективная тепловая мощ-
ность микроплазменной дуги qи = 100...250 вт;
погонная энергия QΣ/L = 490…2000 Дж/мм; сред-
няя скорость наплавки 0,4...1,25 м/ч; поперечное
сечение валика 1,5...35 мм2 (объем сварочной ми-
крованны примерно от 3 до 125 мм3); производи-
тельность наплавки 0,1…2,3 г/мин. ряд режимов
внутри данного диапазона отличаются наимень-
шей погонной энергией 490...700 Дж/мм, кото-
рая соответственно обеспечивает наименьшие
суммарные тепловложения в изделие, и опреде-
ляется следующей совокупностью показателей:
время существования металла сварочной микро-
ванны в расплавленном состоянии — не более
3...6 с; площадь поперечного сечения наплавлен-
ного валика 5...8 мм2, объем сварочной микрован-
ны примерно 15...25 мм3; доля основного металла
в наплавленном менее 0,2; высота наплавленного
валика 1,5...2,5 мм; производительность наплав-
ки 0,55...1,0 г/мин; средняя скорость наплавки
0,9...1,25 м/ч.
предварительно установлено, что в рассма-
триваемых сварных соединениях «основной-на-
плавленный металл» систем Жс26-Жс32 и
Жс32-Жс32 при увеличении средних суммарных
погонных тепловложений до 5 кДж/мм фиксиру-
ются трещины, достаточно легко выявляемые ка-
пиллярным контролем. ограничение погонной
энергии послойной наплавки при определенных
предельно-допустимых значениях суммарных те-
пловложений в изделие, при которых склонность
к образованию трещин в рассматриваемых свар-
ных соединениях еще не проявляется, позволит
существенно увеличивать число слоев наплавлен-
ного металла и, соответственно, высоту восста-
навливаемого участка на кромке детали авиацион-
ного гтД.
с точки зрения свариваемости никелевых жаро-
прочных сплавов режимы многослойной наплавки (в
перспективе и 3D-наплавки) с наименьшей погонной
энергией также являются более предпочтительными
ввиду снижения ширины зоны пластических дефор-
маций в зтв в 2,0...3,3 раза и суммарных пластиче-
ских деформаций в процессе повторных нагревов
на 40...65 % по сравнению с режимами при QΣ/L =
= 1800...2000 Дж/мм.
обобщенный алгоритм выбора рациональных
режимов послойной микроплазменной порошковой
наплавки, базирующийся на соблюдении принципа
минимума погонной энергии, предложен на рис. 10
(на примере для узкой подложки δ = 1,6 мм). пун-
ктиром выделена та область режимов наплавки,
в которой целесообразно проводить дальнейшую
оптимизацию ее параметров путем применения
импульсных режимов наплавки, улучшения усло-
вий защиты сварочной микрованны и повышения
качества присадочного порошка. при импульсном
сварочном токе дополнительными критериями ра-
ционального выбора технологических параметров
соответствующих режимов наплавки будут явля-
ються меньшие значения эффективной тепловой
мощности дуги, погонной энергии и ширины на-
плавленного валика по сравнению с соответству-
ющими значениями данных показателей для по-
стоянного сварочного тока.
рис. 10. Базовые принципы выбора рациональных режи-
мов микроплазменной порошковой наплавки в зависимости
от величины погонной энергии QΣ/L, площади поперечного
сечения наплавленного валика Fв и эффективной тепловой
мощности дуги qи: 1.1 и 2.1 — зависимости QΣ/L и Fв для ба-
зового варианта режимов наплавки (95 % аr + 5 % H2); 3.1 и
3.2 – рационально и нерационально выбранные импульсные
режимы наплавки; 1.2 и 2.2 — предполагаемое изменение за
счет оптимизации состава защитного газа/условий защиты
сварочной микрованны/качества дисперсной присадки; 1.3
и 2.3 — режимы наплавки, отличающиеся нерациональным
выбором ее технологических параметров, показателей каче-
ства присадочного порошка или конструкции соплового узла
микроплазмотрона
3 аддитивные технологии
1 6 1 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА -
Выводы
1. при сварочном токе 5...5 а оценен диапазон тех-
нологических параметров микроплазменной по-
рошковой наплавки на узкую подложку шириной
1...2 мм при дискретно-аддитивном формировании
наплавляемого металла. Установлено, что в защит-
ном газе 95 % Ar + 5 % H2 ряд ее режимов отличается
наименьшей погонной энергией 490...700 Дж/мм и
характеризуется ограничением поперечного сечения
валика и времени существования металла сварочной
ванны в расплавленном состоянии соответственно в
пределах 5...8 мм2 и 3...6 с.
2. показано, что такие режимы многослойной
наплавки никелевых жаропрочных сплавов с вы-
соким содержанием упрочняющей γ´-фазы отли-
чаются снижением ширины зоны пластических
деформаций в зтв в 2,0...3,3 раза, суммарных
пластических деформаций в процессе повторных
нагревов — на 40...65 %. ожидаемый технологи-
ческий эффект при примерно одинаковых общих
тепловложения также уменьшение величины при-
пусков на механическую обработку валика в 2
раза и увеличение эффективной высоты наплав-
ленного металла на 70 %.
3. предложены новые технологические прин-
ципы для выбора режимов многослойной или 3D-
микроплазменной порошковой наплавки изделий
из никелевых жаропрочных сплавов. они заклю-
чаются в обеспечении наименьшего возможного
уровня погонной энергии такого процесса, в пер-
вую очередь за счет регулирования поперечного
сечения наплавляемого валика и времени суще-
ствования металла сварочной микрованны в рас-
плавленном состоянии.
1. теоретические основы сварки: / в. в. Фролов, в. а. ви-
нокуров, в. н. волченко [и др.]; под ред. в. в. Фролова.
– м.: высшая школа, 1970. –592 с.
2. исследование влияния режимов полуавтоматической
сварки на выпрямителях типа вД-506ДК металлопо-
рошковой проволокой POWER BRIDGE 60M в смесях
газов на механические и вязко-пластические свойства
наплавленного металла при сварке мостовых конструк-
цій / м. в. Карасев, в. г. гребенчук, Д. н. работинский
[и др.] // сварка и диагностика. –2009. – № 4. – с. 19–25.
3. Управление структурой сварных соединений при орби-
тальной TIG-сварке технологических трубопроводов
компрессорных станций / а. в. Шипилов, а. в. Конова-
лов, в. в. Бровко [и др.] // известия высших учебных за-
ведений. машиностроение. – 2011. – № 6. – с. 44–52.
4. микроплазменная сварка / Б. е. патон, в. с. гвоздецкий,
Д. а. Дудко[ и др.]. – К.: наукова думка, 1979. – 248 с.
5. гладкий п. в. плазменная наплавка / п. в. гладкий, е.
Ф. переплетчиков, и. а. рябцев. – К.: «Экотехнология»,
2007. – 292 с.
6. яровицин о. в. мікроплазмове порошкове наплавлення
жароміцних нікелевих сплавів з вмістом γ´-фази 45…65
%: автореферат дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн.
наук: спец. 05.03.06 «зварювання та споріднені процеси і
технології» / о.в. яровицин. – Київ, Іез ім. Є. о. патона,
2009 р. – 21 с.
7. яровицын а. в. Энергетический подход при анализе ре-
жимов микроплазменной порошковой наплавки / а. в.
яровицын // автоматическая сварка. – 2015. – № 5-6. –
с. 18–25.
8. анализ процесса формообразования валика для условий
наплавки на узкую положку / К. а. Ющенко, а. в. яро-
вицын, г. Д. хрущов [и др.] // автоматическая сварка. –
2015. – № 9. – с. 22–29.
9. мелехов р. К. Конструкційні матеріали енергетичного
обладнання. властивості. Деградація / р. К. мелехов, в.
І. похмурський. – К.: наукова думка, 2003. – 384 с.
10. некоторые пути снижения потерь присадочного порош-
ка при микроплазменной порошковой наплавке / К. а.
Ющенко, а. в. яровицын, Д. Б. яковчук [и др.] // авто-
матическая сварка. – 2013. – № 9. – с. 32–38
11. Боли Б. теория температурных напряжений. / Б. Боли,
Дж. Уэйнер ; перевод с англ. под ред. Э.и. григолюка. –
м.: мир, 1964. – 518 с.
12. окерблом н. о. Cварочные деформации и напряжения /
н. о. окерблом. – м.-л.: маШгиз, 1948. – 252 с.
13. талыпов г. Б. сварочные деформации и напряжения / та-
лыпов г. Б. – л.: машиностроение, 1973. – 280 с.
14. недосека а. я. основы расчета и диагностики сварных
конструкций / а. я. недосека. – К.: изд-во «индпром»,
1998. – 640 с.
15. Melt pool size control in thin-walled and bulky parts
via process maps // Proccedings of 12th Solid freeform
fabrication symposium. – University of Texas at Austin,
2001. – P. 432–440.
16. Vasinonta а. Process maps for predicting residual stress and
melt pool size in the laser-based fabrication of thin-walled
structures / а. Vasinonta, J. L. Beuth, M. Griffith // Journal
of Manufacturing Science and Engineering . – 2007. – Vol.
129, № 1. – P. 101–109.
17. P. Aggaransi. Localized preheating approaches for reducing
residual stress in additive manufacturing / P. Aggaransi, J. L.
Beuth.// Journal of Manufacturing Science and Engineering.
– 2007. – Vol. 129, № 1. — P. 709–720.
18. Будиновский с. а. применение аналитической модели
определения упругих напряжений в многослойной си-
стеме при решении задач по созданию высокотемпера-
турных жаростойких покрытий для рабочих лопаток ави-
ационных турбин / с. а. Будиновский, е. н. Каблов, с. а.
мубояджан // вестник мгтУ им. н. Э. Баумана. – 2011.
– серия «машиностроение». – с. 26–37.
19. голубовский е. р. закономерности изменения аксиаль-
ной и азимутальной анизотропии прочностных характе-
ристик монокристаллов жаропрочных никелевых спла-
вов для лопаток гтД / е. р. голубовский, и. л. светлов,
К. К. хвацкий // авиационно-космическая техника и тех-
нология. – 2005. – № 10(26). — с. 50–54.
20. Жеманюк п. Д. опыт внедрения восстановительной ми-
кроплазменной порошковой наплавки при ремонте лопаток
турбин высокого давления в условиях серийного производ-
ства / п. Д. Жеманюк, и. а. петрик, с. л. чигилейчик // ав-
томатическая сварка. – 2015. – № 8. – с. 43–46.
поступила в редакцию 28.02.2016
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-146751 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:40:45Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ющенко, К.А. Яровицын, А.В. Червяков, Н.О. 2019-02-11T13:58:13Z 2019-02-11T13:58:13Z 2016 Закономерности дискретно–аддитивного формирования микрооъемов металла, кристаллизующегося при многослойной микроплазменной порошковой наплавке никелевых сплавов / К.А. Ющенко, А.В. Яровицын, Н.О. Червяков // Автоматическая сварка. — 2016. — № 5-6 (753). — С. 154-161. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 0005-111X DOI: https://doi.org/10.15407/as2016.06.25 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146751 621.791.(92+046) Исследованы особенности изменения погонной энергии, площади поперечного сечения валика и производительности при однослойной микроплазменной порошковой наплавке никелевого жаропрочного сплава ЖС32 на узкую подложку шириной 1...2 мм. Установлено, что ряд ее режимов на сварочном токе 5...15 А отличается минимальной погонной энергией. Для минимального и максимального ее уровня проведена расчетная оценка напряженно-деформированного состояния сварного соединения при наращивании торца пластины однослойной и трехслойной наплавкой. Показано, что величина погонной энергии при микроплазменной наплавке определяет ширину зоны пластической деформации и величину суммарных пластических деформаций в результате повторных нагревов при многослойной наплавке. Предложены новые технологические принципы для выбора режимов многослойной и 3D-микроплазменной порошковой наплавки изделий из никелевых жаропрочных сплавов, обеспечивающие минимальные тепловложения в изделие и регламентирующие требования к величине сварочного тока, длительности существования металла сварочной микрованны в расплавленном состоянии и ее объему. Peculiarities of heat input, bead cross-section area and efficiency were investigated at single-layer microplasma powder surfacing of nickel heat-resistant alloy JS32 on narrow substrate of 1–2 mm thickness. It is determined that series of its modes using 5–15 A welding current differs by the minimum heat input. Calculated evaluation of stress-strain state of a welded joint was carried out for its minimum and maximum level during building-up of edge of a plate using single- and three-layer surfacing. It is shown that the value of heat input in microplasma surfacing determines a width of plastic deformation zone and value of sum plastic deformations as a result of reheating in multi-layer surfacing. New technological principles were proposed for selecting the modes of multi-layer and 3D-microplasma powder surfacing of the parts from nickel heat-resistant alloys, providing the minimum heat input in a part and regulating requirements to welding current value, time of existence of metal of weld micropool in molten state and its volume. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка 3D аддитивные технологии Закономерности дискретно–аддитивного формирования микрооъемов металла, кристаллизующегося при многослойной микроплазменной порошковой наплавке никелевых сплавов Dependencies of discrete-additive formation of microvolumes of metal being solidified in multi-layer microplasma powder surfacing of nickel alloys Article published earlier |
| spellingShingle | Закономерности дискретно–аддитивного формирования микрооъемов металла, кристаллизующегося при многослойной микроплазменной порошковой наплавке никелевых сплавов Ющенко, К.А. Яровицын, А.В. Червяков, Н.О. 3D аддитивные технологии |
| title | Закономерности дискретно–аддитивного формирования микрооъемов металла, кристаллизующегося при многослойной микроплазменной порошковой наплавке никелевых сплавов |
| title_alt | Dependencies of discrete-additive formation of microvolumes of metal being solidified in multi-layer microplasma powder surfacing of nickel alloys |
| title_full | Закономерности дискретно–аддитивного формирования микрооъемов металла, кристаллизующегося при многослойной микроплазменной порошковой наплавке никелевых сплавов |
| title_fullStr | Закономерности дискретно–аддитивного формирования микрооъемов металла, кристаллизующегося при многослойной микроплазменной порошковой наплавке никелевых сплавов |
| title_full_unstemmed | Закономерности дискретно–аддитивного формирования микрооъемов металла, кристаллизующегося при многослойной микроплазменной порошковой наплавке никелевых сплавов |
| title_short | Закономерности дискретно–аддитивного формирования микрооъемов металла, кристаллизующегося при многослойной микроплазменной порошковой наплавке никелевых сплавов |
| title_sort | закономерности дискретно–аддитивного формирования микрооъемов металла, кристаллизующегося при многослойной микроплазменной порошковой наплавке никелевых сплавов |
| topic | 3D аддитивные технологии |
| topic_facet | 3D аддитивные технологии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146751 |
| work_keys_str_mv | AT ûŝenkoka zakonomernostidiskretnoadditivnogoformirovaniâmikrooʺemovmetallakristallizuûŝegosâprimnogosloinoimikroplazmennoiporoškovoinaplavkenikelevyhsplavov AT ârovicynav zakonomernostidiskretnoadditivnogoformirovaniâmikrooʺemovmetallakristallizuûŝegosâprimnogosloinoimikroplazmennoiporoškovoinaplavkenikelevyhsplavov AT červâkovno zakonomernostidiskretnoadditivnogoformirovaniâmikrooʺemovmetallakristallizuûŝegosâprimnogosloinoimikroplazmennoiporoškovoinaplavkenikelevyhsplavov AT ûŝenkoka dependenciesofdiscreteadditiveformationofmicrovolumesofmetalbeingsolidifiedinmultilayermicroplasmapowdersurfacingofnickelalloys AT ârovicynav dependenciesofdiscreteadditiveformationofmicrovolumesofmetalbeingsolidifiedinmultilayermicroplasmapowdersurfacingofnickelalloys AT červâkovno dependenciesofdiscreteadditiveformationofmicrovolumesofmetalbeingsolidifiedinmultilayermicroplasmapowdersurfacingofnickelalloys |