Определяне влиянието на режима на наваряване върху производителността на процесите

3.2.2. Определяне влиянието на режима на наваряване върху производителността на процесите

където: α_н е коефициента на наваряване; I_н - големината на тока; φ - коефициента на загуби от разпръскване на разтопен електроден материал.

Както беше отбелязано кинематичните и електрични параметри при наваряване оказват съществено влияние не само върху стабилността на протичане на процеса, но и върху формата и размера на шева, върху гладкостта на наварения метал, върху разхода на защитен материал, а следователно и върху разходите за електроден материал и механична обработка.

За извършването на сравнителен анализ на процесите наваряване под слой от флюс и в защитна газова среда с и без вибрации на електродния тел по отношение на тяхната производителност са проведени следните изследвания свързани със:

- определяне коефициента на загуби от разпръскване на електроден материал (3.2.1);

- определяне на коефициента на наваряване за съответните методи в границите на стабилно протичане на процесите;

- определяне на производителността за съответните методи в границите на стабилно протичане на процесите;

За решаване на горните задачи са проведени опити в лабораторни условия, като за управляеми фактори са избрани диаметъра и скоростта на подаване на електродния материал, а като изходен параметър производителността на наваряване.

За оценка на производителността при провеждане на опитите е използван един от най-разпространените [19, 28, 44] по състав СВ0,8Г2С и по диаметър d_Т = 1,2 и 1,6 mm електроден тел. Опитите са проведени върху пробни тела от стомана 45 с диаметър Ø = 80 mm. Подаването на електродния материал е извършено в диапазона на стабилно протичане на процеса на наваряване.

За определянето на коефициента на нваряване α_Н и производителност P_Н са използвани зависимости (3.12) и (3.11).

където d_Т е диаметъра на електродния тел; V_Т – скоростта на подаване на електродния тел; I_Н – големината на тока на наваряване;  - плътността на електродния тел.

Резултатите от направеното изследване са показани на фиг. 3.34 - 3.37.

Чрез изменение на формата и размерите на електродният материал и скоростта на подаването му в граници, съответстващи на ограничителните условия посочени в т. 3.1, могат да се регулират дебелината на наварения слой и производителността на изследваните процеси.

С увеличаване на коефициента на наваряване расте и производителността на процеса. Повишаването на производителността от своя страна води до намаляване времето за наваряване на определено количество метал, а от тук и до намаляване разходите за наваряване.

От направените изследвания се вижда, че при едни и същи режими и материали на наваряване, както коефициента на наваряване α_н така и производителността P_Н при процеса наваряване в защитна газова среда са по-малки в сравнение с тези при наваряване под слой от флюс. Това се дължи на по- големите загубите от разпръскване на разтопен електроден метал, а така също в различието на ефективният КПД, респективно на ефективната мощност на дъгата. Общото между трите метода се изразява в това, че изменението, както на коефициента на наваряване така и на производителността им се променят по линеен закон в зависимост от скоростта на подаване на електродният материал за съответните размери електродни телове. Тези уравнения в най общ вид могат да бъдат представени във вида:

1. За коефициента на наваряване:

където k е ъгловия коефициент; b – отместването.

2. За производителността:

; (3.15)

Характерното е, че големината на ъгловите коефициенти на уравненията за съответните изходни параметри се различават незначително, което означава, че с достатъчно приближение можем да приемем, че съответните зависимости са успоредни една на друга и се различават основно по големината на отместването по ординатната ос и по неговият знак.

Както беше посочено в глава III, детайлите от земеделската и автотракторната техника се характеризират с голямо разнообразие по отношение на структурните си характеристики. Те се различават, както по своите габарити, така също по големината, характера и доминиращият вид износване. Това налага прилагането на диференциран подход, не само при избора на метод за наваряване, но и на електродни материали с подходящ химически състав, форма и размери, които да отговарят на структурните характеристики на възстановяваните повърхнини и на специфичните особености на метода.

В литературата липсва информация, в която да е отразена функционалната връзка на горе посочените фактори върху производителността, респективно върху себестойността на възстановените детайли при използване на различните методи. Това е свързано основно с времето за наваряване, което оказва съществено влияние върху себестойността. Върху него можем целенасочено да влияем, при правилно съчетаване на електричните и кинематични параметри за съответните методи и електродни материали.

За наваряване на детайли с определен диаметър, на който съответства определена допустима дължина на наваръчната вана и с едно и също износване могат да се използват различни методи, при различни размери и форма на електродните материали и при различно съчетание на кинематичните и електрични параметри. Това налага и разработването на методика, която дава възможност обективно да се подберат горе посочените фактори, при които се осигурява минимално време за наваряване.

За целта бяха проведени опити в лабораторни условия за установяване взаимовръзката между различните съчетания на скоростта на подаване на електродният тел и скоростта на наваряване при различните методи върху дебелината на покритието. Скоростите на подаване на електродният тел са подбрани въз основа на резултатите получени в т. 3.1.1 за границите на стабилно протичане на процесите за съответните методи, а граничните стойности на скоростта на наваряване са определени въз основа на доброто сформиране на покритието.

Опитите са проведени върху пробни тела от Ст 45 с Ø = 80 mm при постоянно напрежение за съответните методи. Стъпката на наваряване е S_н = 3,2 mm.

На фиг. 3.38 – 3.43 и в приложение № 4 е показана взаимовръзката между различните съчетания на скоростта на подаване на електродният тел и скоростта на наваряване при различните методи върху дебелината на покритието.



Фиг. 3.38. Изменение на максималната дебелина на покритието в зависимост от скоростта на наваряване без вибрации на електродния тел.



Фиг. 3.39. Изменение на максималната дебелина на покритието в зависимост от скоростта на наваряване с вибрации на електродния тел.



Фиг. 3.40. Изменение на максималната дебелина на покритието в зависимост от скоростта на наваряване под слой от флюс.





Фиг. 3.41. Изменение на минималната дебелина на покритието в зависимост от скоростта на наваряване под слой от флюс.


Фиг. 3.42. Изменение на минималната дебелина на покритието в зависимост от скоростта на наваряване без вибрации на електродния тел.


Фиг.3.43 Изменение на минималната дебелина на покритието в зависимост от скоростта на наваряване с вибрации на електродния тел.

От приведените резултати се вижда, че една и съща дебелина на покритието може да бъде получена при използване на различни методи и при различно съчетание на кинематичните параметри. Характерното за различните методи, е че диапазона на изменение на скоростта на наваряване, при който се получава добро сформиране на покритието варира в различни граници за съответните скорости на подаване на електродният тел. С увеличаване скоростта на подаване на електродният тел минималната граница свързана със стабилното протичане на процеса клони към по-високите стойности на скоростта на наваряване, като с увеличаване на последната се забелязва и увеличаване на макронеравностите. Това се характеризира най вече със стабилността на протичане на процеса, който до голяма степен зависи от условията свързани със свойствата на дъгата за нейното саморегулиране.

Известно е [1, 13, 14, 31, 38, 49, 65,], че саморегулирането на дъгата се изразява в изменение скоростта на топене на електрода с промяна дължината на заваръчната дъга. С увеличаване дължината на дъгата намалява скоростта на топене на електрода, а с нейното намаляване се получава обратният ефект. При постоянна скорост но подаване на електрода случайното изменение на дължината на дъгата предизвиква изменение на скоростта на топене на електрода, насочена към възстановяване първоначалната дължина на дъгата. Следователно, необходимо е да се намери такова съчетание, при което се осигурява минимално време за наваряване на дадена повърхнина с едни и същи структурни характеристики и максимална гладкост, осигуряваща минимум разходи за механична обработка.

За целта бяха проведени допълнителни изследвания, с цел установяване влиянието на основните управляеми фактори посочени по-горе върху гладкостта на покритието.

По горе беше отбелязано, че дебелината на наварения слой зависи от голям брой фактори и тя е свързана основно с формата и размерите на наваръчния шев, който се формира в резултат на кристализацията на разтопения метал в наваръчната вана. Характеристиките на наваръчния шев се предопределят както от електрическите, така и от кинематичните параметри на процеса.

Електрическите параметри варират в зависимост от дължината на дъгата, която е свързана с процеса на саморегулиране. Те са свързани също така и със скоростта на подаване на електродния материал и с неговата скорост на топене. Тяхното изменение в определени граници се отразява върху стабилността на процеса и качеството на наварения метал.

Увеличаването на макронеравностите води до увеличена загуба на наваръчен материал и до по-големи разходи за механична обработка. При постоянно напрежение за съответния метод, върху формата на шева и макронеравностите основно влияние оказват големината на тока и съотношението между скоростта на подаване на електродния материал и скоростта на наваряване. С увеличаване силата на тока нараства и височината на шева, изразяваща се, както в увеличаване дълбочината на провара в основният метал, така и в дебелината на наварения слой.

За определяне на гладкостта на наварения слой е използван индикаторен часовник (фиг. 3.44). Пробното тяло се закрепва на струг, като за определяне на максимумите и минимумите са направени по 30 измервания в три равнини разположени на по 120^º.

Средната стойност на макронеравностите се определя по зависимостта:

където Кmax_СР е средната стойност на 30 последователни максимума; Кmin_СР - средната стойност на 30 последователни минимума,

Средния размах на колебанията се определя по зависимостта:

Коефициентът на неравномерност на макронеравностите К_R е определен по следната зависимост:

Получените резултати са представени на фиг. 3.45, 3.46 и 3.47.

При наличието на такава голяма алтернативност по отношение изборът не само на метод, но и на форма и размери на електродните материали за възстановяване работоспособността на износени детайли от земеделската и автотракторната техника възниква въпросът относно изборът на такива критерии, свързани с възстановителните методи, които да осигурят оптимални технико икономически показатели на наварените повърхнини. От тук следва, че е необходимо не само да се избере рационален метод за възстановяване, но да се подберат и съответните електродни материали съобразно специфичните особености на структурните характеристики на детайлите подлежащи на възстановяване.

Следователно изборът на метод, форма и размер на електродният материал е необходимо да се извърши въз основа на критерия свързан с осигуряването на максимална производителност и минимална прибавка за механична обработка при спазване на границите свързани с ограничителните параметри посочени в т. 3.1 за съответният диаметър.

За постигане на поставената цел е необходимо да се познават структурните характеристики на повърхнината, подлежаща на възстановяваване. Въз основа на големината на износването и дължината на наваряваната повърхнина, се определя необходимото количество метал за наваряване по зависимостта:

където: G_изн е количеството метал отнето в процеса на износването; G_м.обр – допълнителното количество метал, необходимо за механична обработка; G_нав – общото количество метал, което е необходимо да се навари; L_нав = 0,1 m – дължината на наваряваната повърхност; D_н – диаметъра, до който е необходимо да бъде наварена повърхнината; D_м - диаметъра на износената повърхнина; d_T - диаметъра на електродния тел; L_Т – дължина на електродния тел, необходима за наваряване на износената повърхнина; γ– специфично тегло на наварявания метал.

Въз основа на зависимост (3.21) определяме дължината на електродния материал необходима да осигури количеството метал съобразно големината на износването, прибавката за механична обработка и загубите от разпръскване:

, (3.22 )

където φ е коефициента на загуба на метал от разпръскване.

Времето за наваряване при зададена скорост на подаване на електродният материал намираща се в границите на стабилно протичане на процеса определяме по зависимост (3.21):

(3.23)

От получените по-горе опитни резултати беше установено, че изборът на скоростта на подаване на електродният тел зависи не само от големината на износването, но тя трябва да бъде съобразена, както със скоростта на наваряване така също и с макронеравностите. Времето за наваряване на дадена повърхнина с дължина t_нав може да бъде определено и по следната зависимост:

където s е стъпката на наваряване; n - честотата на въртене на детайла.

Известно е, че:

(3.25)

(3.26)

След заместване на уравнения (3.25) и (3.26) в уравнение (3.22) се получава:

Въз основа на технологичното изискване, че времето за наваряване трябва да бъде равно с това на подаване на електродният материал можем да запишем, че:

От условието за стабилно протичане на процеса определяме минималното и максимално време за наваряване, където:

Решаваме уравнение (3.28) спрямо V_н в резултат на което получаваме граничните стойности на скоростта на наваряване в рамките на гранично протичане на процеса:

1. Приемаме за детайл модел с размери диаметър Ø = 80 mm и дължина на наваряваната повърхнина L = 100 mm.

2. Приемаме, че радиалното износване варира в границите от 0.5 до 4.0 mm.

3. Въз основа на зависимост (3.21) е определено необходимото количество метал, необходимо за възстановяване номиналните размери на детайла, като са взети предвид и прибавката за механична обработка съобразно получената гладкост при горна и долна граници на стабилно протичане на процесите.

4. Въз основа на зависимости (3.22, 3.29, 3.30, 3.31 и 3.32) са определени съответно необходимата дължина на електродния материал, минималното и максимално време за наваряване при граничните стойности за скоростите на подаване на електродния тел, съответстващи на стабилното протичане на процеса и респективно минималните и максимални скорости на наваряване.

Получените резултати са приведени в табл. 3.7, 3.8 и 3.9.

От получените резултати се вижда, че при различното съчетаване на скоростта на наваряване и скоростта на подаване на електродният материал има разликата във минималното и максимално време за наваряване на една и съща дебелина за съответните методи. С по тъмен цвят (табл. 3.7, 3.8 и 3.9) са посочени стойностите за скоростите на наваряване, които могат да бъдат използвани в съответствие с определените в т. 3.2.3 гранични стойности за скоростите на наваряване за различните методи на наваряване. Това условие е необходимо, но не и достатъчно, от гледна точка на критерия за приложимост.

От ограничителното условие за допустимата дължина на наваръчната вана (т. 3.4.1, фиг. 3.5) свързано с наваряването на повърхнини с определен диаметър се определя възможността да бъде използван един или друг метод при определените режими на наваряване. Маркираните в сиво стойностти за скоростта на наваряване (табл. 3.13) не отговарят на това условие следователно те немогат да бъдат използвани за посочените режими.

Р
азработен e софтуерен продукт, който позволява да бъде направен избор на рационален метод и режим на наваряване. Оперирането с него е лесно и достъпно за всички, които владеят основните принципи за работа с приложения, управлявани от “MS Windows”. Всички възможни операции са достъпни за потребителя от входния прозорец, който е показан на фиг. 3.48.

Потребителят, чрез позициониране на мишката върху едно от активните “падащи менюта” и кликване с левия бутон може да направи избор на:

• 
  избор на метод на наваряване;
  
• 
  избор на дължина на наваряваната повърхност;
  
• 
  избор на диаметър на възстановявания детайл;
  
• 
  избор на радиално износване;
  
• 
  избор на диаметър на електродния тел;
  

След като потребителят е задал входната информация в системата, може да пристъпи към обработка на тази информация и получаване на резултатите от нейната работата чрез натискане на бутона “Изчисли”. Резултатите от работата на системата включват:

• 
  резултати за необходимото количество наварен метал;
  
• 
  резултати за дължината на електродния тел;
  
• 
  резултати за времето за наваряване при горна и долна граница на стабилно протичане на процеса на наваряване;
  
• 
  резултати за скоростта на наваряване при горна и долна граница на стабилно протичане на процеса на наваряване.
  

От приведените резултати за загубите при наваряване (т. 3.2.1) и гладкостта на покритието (т. 3.2.3) във функция от кинематичните параметри се вижда, че те не се променят еднозначно с необходимото време за наваряване. При по-подробен анализ на резултатите се вижда, че с увеличаване скоростта на подаване на електродният материал за получаване на определена дебелина на наварения слой се увеличава и скоростта на наваряване, респективно се намалява времето за наваряване, но едновременно с това се увеличават загубите от разпръскване и се влошава гладкостта на покритието. Следователно от една страна се намаляват разходите за труд, но се увеличават разходите за електроден материал и за механична обработка. За решаването на така поставеният казус е необходимо да се използва метода за многофакторно планиране на експеримента, което е предмет на допълнително изследване.

Необходимо е да отбележим, че при изборът на един или друг метод за възстановяване, освен критериите свързани със себестойността и производителността е необходимо да се отчитат специфичните особености на структурните характеристики на детайлите и термичното въздействие на отделните процеси върху тях. Това произтича от ограничителното условие за приложимост и критериите посочени в т. 3.1.2, 3.1.3 и 3.1.4.

От приведените резултати (табл. 3.6) се вижда, че за наваряването на една и съща дебелина на навареният слой количеството въведена топлина съществено се различава, както за съответните методи, така и в границите на стабилното протичане на процеса. Въз основа на ефективната мощност на дъгата и резултатите приведени в т. 3.1.3 е целесъобразно да бъде избран този от разглежданите алтернативни методи, който отговаря на ограничителните условия за приложимост и осигурява минимални разходи за труд и материали.