Особенности управления формой валика при однослойной микроплазменной наплавке на кромки лопаток авиационных ГТД
Ввиду необходимости увеличения размеров восстанавливаемых наплавкой поврежденных участков кромок лопаток авиационных ГТД из никелевых жаропрочных сплавов на высоту 5…15 мм при микроплазменной порошковой наплавке на узкую подложку менее 3 мм требуется уточнение закономерностей формообразования наплав...
Збережено в:
| Дата: | 2016 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2016
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147529 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Особенности управления формой валика при однослойной микроплазменной наплавке на кромки лопаток авиационных ГТД / П.Д. Жеманюк, И.А. Петрик, С Л. Чигилейчик, А.В. Яровицын, Г.Д. Хрущов // Автоматическая сварка. — 2016. — № 11 (758). — С. 26-34. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-147529 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1475292019-02-16T01:25:53Z Особенности управления формой валика при однослойной микроплазменной наплавке на кромки лопаток авиационных ГТД Жеманюк, П.Д. Петрик, И.А. Чигилейчик, С.Л. Яровицын, А.В. Хрущов, Г.Д. Научно-технический раздел Ввиду необходимости увеличения размеров восстанавливаемых наплавкой поврежденных участков кромок лопаток авиационных ГТД из никелевых жаропрочных сплавов на высоту 5…15 мм при микроплазменной порошковой наплавке на узкую подложку менее 3 мм требуется уточнение закономерностей формообразования наплавляемого металла. Для условий соответствующей однослойной наплавки исследован диапазон изменения энергетических показателей процесса в системе «эффективная тепловая мощность дуги–погонная энергия–площадь поперечного сечения наплавленного валика» и оценена действенность технологического управления поперечным сечением наплавляемого слоя. Установлено, что в условиях ограниченной глубины проплавления основного металла площадь поперечного сечения наплавляемого валика наиболее эффективно регулируется за счет изменения погонной энергии в диапазоне 100...1600 Дж/мм. Предполагается, что установленная технологическая взаимосвязь между величиной погонной энергии, высотой и площадью поперечного сечения наплавляемого валика будет способствовать формированию дополнительных критериев предотвращения образования трещин в сварном соединении «основной –наплавленный металл» при восстановлении деталей авиационных двигателей из никелевых жаропрочных сплавов многослойной микроплазменной порошковой наплавкой. It is a necessary to specify the dependencies of deposited metal shaping due to the need of 5–15 mm height increase of the dimensions of surfacing-repaired damaged areas of blade edges of aircraft GTE of high-temperature nickel alloys in microplasma bead surfacing on narrow substrate of less than 3 mm. A range of change of the process energy indices in «effective heat power of arc–heat input–cross-section area of deposited bead» system was investigated for conditions of corresponding single-layer surfacing, and effectiveness of process regulation of deposited layer cross-section was evaluated. It is determined that heat input change in 100–1600 J/mm range is the most effective regulation of cross-section area of the deposited bead under conditions of base metal limited penetration depth. It is assumed that the determined process relationship between heat input energy, height and cross-section area of the deposited bead will promote for formation of the additional criteria preventing crack formation in the «base–deposited metal» welded joint in repair of the parts of aircraft engines of high-temperature nickel alloys using multi-layer microplasma powder surfacing. 2016 Article Особенности управления формой валика при однослойной микроплазменной наплавке на кромки лопаток авиационных ГТД / П.Д. Жеманюк, И.А. Петрик, С Л. Чигилейчик, А.В. Яровицын, Г.Д. Хрущов // Автоматическая сварка. — 2016. — № 11 (758). — С. 26-34. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0005-111X DOI: https://doi.org/10.15407/as2016.11.04 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147529 621.791.(92+046) ru Автоматическая сварка 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 Жеманюк, П.Д. Петрик, И.А. Чигилейчик, С.Л. Яровицын, А.В. Хрущов, Г.Д. Особенности управления формой валика при однослойной микроплазменной наплавке на кромки лопаток авиационных ГТД Автоматическая сварка |
| description |
Ввиду необходимости увеличения размеров восстанавливаемых наплавкой поврежденных участков кромок лопаток авиационных ГТД из никелевых жаропрочных сплавов на высоту 5…15 мм при микроплазменной порошковой наплавке на узкую подложку менее 3 мм требуется уточнение закономерностей формообразования наплавляемого металла. Для условий соответствующей однослойной наплавки исследован диапазон изменения энергетических показателей процесса в системе «эффективная тепловая мощность дуги–погонная энергия–площадь поперечного сечения наплавленного валика» и оценена действенность технологического управления поперечным сечением наплавляемого слоя. Установлено, что в условиях ограниченной глубины проплавления основного металла площадь поперечного сечения наплавляемого валика наиболее эффективно регулируется за счет изменения погонной энергии в диапазоне 100...1600 Дж/мм. Предполагается, что установленная технологическая взаимосвязь между величиной погонной энергии, высотой и площадью поперечного сечения наплавляемого валика будет способствовать формированию дополнительных критериев предотвращения образования трещин в сварном соединении «основной –наплавленный металл» при восстановлении деталей авиационных двигателей из никелевых жаропрочных сплавов многослойной микроплазменной порошковой наплавкой. |
| format |
Article |
| author |
Жеманюк, П.Д. Петрик, И.А. Чигилейчик, С.Л. Яровицын, А.В. Хрущов, Г.Д. |
| author_facet |
Жеманюк, П.Д. Петрик, И.А. Чигилейчик, С.Л. Яровицын, А.В. Хрущов, Г.Д. |
| author_sort |
Жеманюк, П.Д. |
| title |
Особенности управления формой валика при однослойной микроплазменной наплавке на кромки лопаток авиационных ГТД |
| title_short |
Особенности управления формой валика при однослойной микроплазменной наплавке на кромки лопаток авиационных ГТД |
| title_full |
Особенности управления формой валика при однослойной микроплазменной наплавке на кромки лопаток авиационных ГТД |
| title_fullStr |
Особенности управления формой валика при однослойной микроплазменной наплавке на кромки лопаток авиационных ГТД |
| title_full_unstemmed |
Особенности управления формой валика при однослойной микроплазменной наплавке на кромки лопаток авиационных ГТД |
| title_sort |
особенности управления формой валика при однослойной микроплазменной наплавке на кромки лопаток авиационных гтд |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2016 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147529 |
| citation_txt |
Особенности управления формой валика при однослойной микроплазменной наплавке на кромки лопаток авиационных ГТД / П.Д. Жеманюк, И.А. Петрик, С Л. Чигилейчик, А.В. Яровицын, Г.Д. Хрущов // Автоматическая сварка. — 2016. — № 11 (758). — С. 26-34. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT žemanûkpd osobennostiupravleniâformojvalikapriodnoslojnojmikroplazmennojnaplavkenakromkilopatokaviacionnyhgtd AT petrikia osobennostiupravleniâformojvalikapriodnoslojnojmikroplazmennojnaplavkenakromkilopatokaviacionnyhgtd AT čigilejčiksl osobennostiupravleniâformojvalikapriodnoslojnojmikroplazmennojnaplavkenakromkilopatokaviacionnyhgtd AT ârovicynav osobennostiupravleniâformojvalikapriodnoslojnojmikroplazmennojnaplavkenakromkilopatokaviacionnyhgtd AT hruŝovgd osobennostiupravleniâformojvalikapriodnoslojnojmikroplazmennojnaplavkenakromkilopatokaviacionnyhgtd |
| first_indexed |
2025-07-11T02:23:38Z |
| last_indexed |
2025-07-11T02:23:38Z |
| _version_ |
1837315533592068096 |
| fulltext |
НАУ НО- Е НИ ЕСКИ АЗ ЕЛ
26 SS 0005-111 АВ ОМА И ЕСКА СВА КА, 11 (758), 2016
УДК 621.791.(92+046)
особенности Управления Формой валиКа
при оДнослойной миКроплазменной наплавКе
на КромКи лопатоК авиаЦионных гтД*
П. Д. ЖЕМАНЮК1, И. А. ПЕТРИК1, С. Л. ЧИГИЛЕЙЧИК1, А. В. ЯРОВИЦЫН2, Г. Д. ХРУЩОВ2
1ао «мотор сич». 69068, г. запорожье, пр. моторостроителей, 15. E-mail: motor@motorsich.com
2иЭс им. е. о. патона нан Украины. 03680, г. Киев-150, ул. Казимира малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
ввиду необходимости увеличения размеров восстанавливаемых наплавкой поврежденных участков кромок лопаток ави-
ационных гтД из никелевых жаропрочных сплавов на высоту 5…15 мм при микроплазменной порошковой наплавке на
узкую подложку менее 3 мм требуется уточнение закономерностей формообразования наплавляемого металла. Для условий
соответствующей однослойной наплавки исследован диапазон изменения энергетических показателей процесса в системе
«эффективная тепловая мощность дуги–погонная энергия–площадь поперечного сечения наплавленного валика» и оценена
действенность технологического управления поперечным сечением наплавляемого слоя. Установлено, что в условиях огра-
ниченной глубины проплавления основного металла площадь поперечного сечения наплавляемого валика наиболее эффек-
тивно регулируется за счет изменения погонной энергии в диапазоне 100...1600 Дж/мм. предполагается, что установленная
технологическая взаимосвязь между величиной погонной энергии, высотой и площадью поперечного сечения наплав-
ляемого валика будет способствовать формированию дополнительных критериев предотвращения образования трещин
в сварном соединении «основной – наплавленный металл» при восстановлении деталей авиационных двигателей из
никелевых жаропрочных сплавов многослойной микроплазменной порошковой наплавкой. библиогр. 18, табл. 4, рис. 8.
К л ю ч е в ы е с л о в а : микроплазменная порошковая наплавка, никелевый жаропрочный и кобальтовый жаростойкий
сплав, узкая подложка, эффективная тепловая мощность дуги, погонная энергия, термический КПД, площадь попе-
речного сечения наплавленного валика
одной из областей применения дуговой наплавки
на узкую подложку [1] шириной до 3 мм является
серийный ремонт поврежденных или изношен-
ных кромок лопаток авиационных газотурбинных
двигателей (гтД) [2–8]. рабочие лопатки серийно
ремонтируемых авиационных двигателей Д18т,
Д436, аи222, аи-450 изготовлены из никелевых
жаропрочных сплавов с поликристаллической
структурой (жс6У-ви, жс6К-ви) или из спла-
вов с направленной кристаллизацией (жс32-ви,
жс26-ви) [9]. Данные высоколегированные ма-
териалы, содержащие 55 и более об. % γ'-фазы,
предназначены для эксплуатации при температу-
рах 1000...1100 °с и отличаются высокой склон-
ностью к образованию трещин при сварке плав-
лением и/или при последующей термической
обработке [9, 10]. аргонодуговая сварка применя-
лась для восстановления таких деталей более 40
лет, однако ремонт кромок лопаток был ограничен
глубиной до 2 мм, а присадочный металл уступал
основному металлу по жаропрочности [2, 3].
более 10 лет в ао «мотор сич» и гп «ивчен-
ко-прогресс» для ремонта авиационных рабочих
лопаток из данных сплавов с наработкой более
3...5 тыс. ч успешно применяется микроплазмен-
ная порошковая наплавка [4–8]. в данном процес-
се широко используются несколько марок при-
садочных порошков — в частности никелевый
жаропрочный сплав жс32 [4–8] и кобальтовый
жаростойкий и износостойкий сплав в3К [5, 8].
на сегодняшний день серийное ремонтное
производство ставит требования к увеличению
размеров восстанавливаемых наплавкой повре-
жденных участков лопаток (торцы бандажных по-
лок, лабиринтных гребешков, Z-образных профи-
лей и пера лопаток) на высоту до 5...15 мм ввиду
соответствующего увеличения размеров зон изно-
са, прогаров и термоусталостных трещин, разви-
вающихся в процессе эксплуатации данных дета-
лей. их реставрацию можно охарактеризовать как
процесс многослойной наплавки, в котором свар-
ное соединение «основной-наплавленный металл»
может быть в определенных условиях склонным к
образованию микро- и макротрещин [6, 10, 11]. в
свою очередь многослойную наплавку с некото-
рым приближением можно представить как сово-
купность однослойных валиков. соответственно,
актуально расширение представлений о грани-
цах диапазона энергетических показателей однос-
лойной наплавки с целью рационального выбора
такого уровня и способов дозирования теплов-
ложений в изделие, при которых обеспечивается
* по материалам доклада, представленного на международ-
ной конференции «современные технологии сварки», 13–15
июля 2016 г., г. Киев, иЭс им. е. о. патона нан Украины.
© п. Д. жеманюк, и. а. петрик, с. л. Чигилейчик, а. в. яровицын, г. Д. хрущов, 2016
НАУ НО- Е НИ ЕСКИ АЗ ЕЛ
27SS 0005-111 АВ ОМА И ЕСКА СВА КА, 11 (758), 2016
технологическая прочность данного сварного со-
единения, т. е. не проявляется склонность выше
указанных материалов к образованию трещин при
сварке плавлением.
одной из составляющих данной задачи являет-
ся выявление закономерностей и дальнейшая оп-
тимизация технологического управления формой
валика, наплавляемого на узкую подложку. поми-
мо рационального выбора объема наплавляемого
металла при ручной и автоматической (роботизи-
рованной) наплавке это позволит также оптими-
зировать размеры боковых усилений валика p =
= 0,5(B – δ) в его поперечном сечении (рис. 1).
в свою очередь боковые усиления наплавлен-
ного валика являются припусками, удаляемыми
механической обработкой при формировании за-
данной геометрии восстановленного наплавкой
элемента. ввиду опасности образования прижо-
гов и шлифовочных трещин абразивную обработ-
ку деталей из никелевых жаропрочных сплавов
проводят с использованием специальных режи-
мов, оборудования и абразивных кругов [12, 13].
при этом используют пониженные скорости вра-
щения абразивного инструмента (до 25 м/с) и по-
дачи (350...750 мм/мин), ограничивая интенсив-
ность съема обрабатываемого материала [13].
таким образом, механическая обработка наплав-
ленного металла, помимо технической сложности
формообразования соответствующих профильных
поверхностей лопатки, является весьма трудоем-
ким процессом, дополнительно требующим при-
влечения высококвалифицированных специали-
стов, дорогостоящих оборудования и материалов.
соответственно, уменьшение ширины наплавля-
емого валика в значительной мере способствует
уменьшению трудоемкости и повышению эконо-
мической эффективности ремонта лопатки.
Целью данной работы являлась оценка диа-
пазона эффективной тепловой мощности микро-
плазменной дуги (предварительно определялась
по методике проточного калориметрирования
[1] для соответствующего значения сварочно-
го тока) и погонной энергии для условий однос-
лойной наплавки на узкую подложку шириной
δ = 0,3...3,0 мм на режимах, близких к оптималь-
ным, и установление базовых закономерностей
технологического управления формой поперечно-
го сечения наплавляемого валика.
в качестве основного металла использова-
лись образцы из стали 12х18н10т размерами
90…100×30…40 мм толщиной 0,3...3,0 мм. на-
плавка на режимах, описанных ранее в работе
[8], выполнялась в условиях свободного форми-
рования валика на торце пластины, установленной
вертикально в тисках. расстояние от наплавляемой
поверхности до медных губок тисков составля-
ло не менее 20 мм, от внешнего среза плазмотрона
до образца — 5 мм. в качестве присадки применя-
лись порошки сплавов жс32 и в3К фракцией соот-
ветственно 63...–160 мкм и 53...–150 мкм, с разной
температурой плавления (примерно на 70...90 °с)
и жидкотекучестью расплавленного металла сва-
рочной ванны. в качестве плазмообразующего
и транспортирующего газа использовался аргон
высшего сорта по гост 10157–79. Эксперимен-
ты проводились на двух типах оборудования, раз-
личающихся видом подачи дисперсной присадки,
степенью сжатия микроплазменной дуги и скваж-
ностью S импульсного сварочного тока:
– установка STARWELD 190H, плазмотрон
нрн80 (диаметры каналов сопел: плазменного
dпл= 2 мм, фокусирующего dф = 3 мм), фирма Ken-
nametal Stellite Gmbh – непрерывная подача порош-
ка (расход транспортирующего газа Qтр = 3 л/мин),
S ≈ 1,5;
– установка Упнс304м2/м3, плазмотрон
ппс04 (dпл = 2,5 мм, dф = 4,5 мм) — порционная
подача порошка (Qтр = 2 л/мин), S ≈ 4,5.
обработка экспериментальных данных прово-
дилась с помощью регрессионных зависимостей
величины эффективной тепловой мощности ми-
кроплазменной дуги qи от сварочного тока І, ранее
полученных с использованием методики проточ-
ного калориметрирования [1]. погонная энергия
qи/v определялась по методике работы [11]:
qи/v = QΣ/L, (1)
где QΣ — тепловложения в анод с учетом эффек-
тивного КпД нагрева изделия [1, 11]; L — при-
веденная длина эллиптического цилиндра валика.
площади поперечного сечения наплавленного вали-
ка Fв и наплавленного металла в нем Fвн = Fв – Fво
определялись расчетом по методике работы [14]
на основании измерений ширины, высоты валика
и глубины проплавления основного металла с точ-
ностью до 0,05 мм согласно рис. 1. термический
КпД для наплавляемого металла жс32 опреде-
рис. 1. схема измерения размеров наплавленного валика: δ —
ширина узкой подложки; В — ширина валика; Н — высота
валика; ho, Fво — глубина проплавления и площадь попереч-
ного сечения переплавленного основного металла
НАУ НО- Е НИ ЕСКИ АЗ ЕЛ
28 SS 0005-111 АВ ОМА И ЕСКА СВА КА, 11 (758), 2016
лялся расчетным путем [11] исходя из площади
его поперечного сечения Fвн:
,í ì
òí
è
M H
qη =
(2)
где Hм = 861,2 и 1312,6 Дж — удельная энтальпия
1 г соответственно наплавленого метала жс32 и
основного металла 12х18н10т.
первоначально были оценены закономерности
изменения энергетических показателей процес-
са микроплазменной порошковой наплавки и по-
казателей формы валика для узкой подложки δ =
= 0,3...2,0 мм (рис. 2 и табл. 1). Установлено, что
эффективная тепловая мощность микроплазмен-
ной дуги изменяется в диапазоне 30...330 вт, по-
гонная энергия процесса 100...1000 Дж/мм, произ-
водительность наплавки 0,3...1,3 г/мин; площадь
поперечного сечения валика 1...9 мм2. зависимо-
сти qи(δ), Q∑/L(δ) и Fв(δ) близки к линейной. по-
лученные результаты свидетельствуют об опре-
деленном влиянии на энергетические показатели
процесса химического состава присадки (жс32,
в3К) и способ подачи дисперсной присадки (не-
прерывный, порционный), что позволяет расши-
рить представления об известных способах тех-
нологического регулирования тепловложений в
изделие (сварочный ток, степень сжатия плазмен-
ной дуги, рациональный выбор состава защитного
газа [1, 4]). Указанные технологические факторы в
диапазоне qи < 150 вт и δ < 1,2 мм также оказыва-
ют заметное влияние на уменьшение поперечного
сечения наплавляемого валика. полный термиче-
ский КпД процесса наплавки на узкую подложку
δ = 0,3...2,0 мм, как правило, не превышает ηт =
= 6...10 %, причем часть эффективной мощности
qи, расходуемая на плавление основного метал-
ла, составляет ηто = 0,16...2,5 %. Доля основного
металла в наплавленном ограничена в диапазоне
5...15 %, что соотносится с оптимальными режи-
мами плазменно-порошковой наплавки [1].
Установленный диапазон значений коэффици-
ента формы валика B/H в пределах 0,77...1,22 (см.
табл. 1) позволил уточнить технологически веро-
ятные схемы формообразования наплавляемого
валика [14] при варьировании ряда технологиче-
ских факторов микроплазменной порошковой на-
плавки: ширины узкой подложки; эффективной
тепловой мощности дуги и производительности.
Для δ = 0,3...2,0 мм в зависимости от вязкости
расплавленного металла сварочной ванны (т. е. на-
плавляемого металла, так как γо→min) характер-
рис. 2. влияние ширины узкой подложки δ на эффективную тепловую мощность микроплазменной дуги qи (а), погонную
энергию QΣ/L (б), площадь поперечного сечения наплавленного валика Fв (в) и термический КпД ηт (г): 1 — наплавка сплава
жс32, установка Starweld 190н, непрерывная подача порошка, защитный газ аr; 1.1 — полный термический КпД процесса
ηт; 1.2 — составляющая термического КпД, расходуемая на плавление основного металла; 2 — наплавка сплава в3К, уста-
новка Starweld 190н, постоянная подача порошка, защитный газ аr; 3 — наплавка сплава жс32, установка Упнс-304м2/м3,
порционная подача порошка, защитный газ 95 % аr + 5 % H2; 3.1 — полный термический КпД процесса ηт; 3.2 — составля-
ющая термического КпД, расходуемая на плавление основного металла
НАУ НО- Е НИ ЕСКИ АЗ ЕЛ
29SS 0005-111 АВ ОМА И ЕСКА СВА КА, 11 (758), 2016
ны следующие изменения формы поперечного се-
чения наплавленных валиков:
− при повышенной вязкости (сплав жс32) —
по закону увеличивающегося эллипса с Н > B при
δ < 0,8 мм и B > Н при δ > 1,5 мм;
− при повышенной жидкотекучести (сплав
в3К) — по закону увеличивающегося круга с Н ≈ B.
рассмотренные выше способы технологиче-
ского влияния на форму и размеры наплавляемого
на узкую подложку валика следует отнести к пас-
сивным, так как они могут быть выбраны лишь
до начала наплавки. известно [1, 4], что техно-
логическим параметром сжатой дуги, в первую
очередь определяющим ее эффективную тепло-
вую мощность, является сварочный ток. соответ-
ственно, она достаточно легко может технологи-
чески управляться в процессе восстановительной
наплавки, в частности — при изменении ширины
узкой подложки при локальном ремонте лопаток
сложной геометрии [4–8]. поэтому в данной ра-
боте также оценивалась возможность управления
формой валика за счет применения импульсного
сварочного тока с различной скважностью S.
исследования проводились параллельно для
дисперсных присадочных материалов в3К (уста-
новка STARWELD 190H, S ≈ 1,5) и жс32 (уста-
новка Упнс304м2/м3, S ≈ 4,5). Дополнитель-
но, кроме наплавки постоянным сварочным током
(режим 1), рассматривалось 2 типа импульсных
режимов:
режим 2: Іимп < Іб, Іп < Іб;
режим 3: Іимп > Іб, Іп < Іб;
где Іб — базовое значение величины постоянного
сварочного тока; Іимп, Іп — соответственно значе-
ния сварочного тока при импульсе и паузе.
закономерности изменения энергетических по-
казателей процесса микроплазменной порошко-
вой наплавки и формы валика для узкой подложки
δ = 0,3…2,0 мм представлены на рис. 3, табл. 2 и
рис. 4, табл. 3 для условий наплавки сплавов в3К
и жс32, соответственно. в зависимости от вели-
чины скважности импульса сварочного тока при
наплавке на узкую подложку δ ≤ 2 мм на режи-
ме 3 отмечено различное положение зависимостей
qи(δ), QΣ/L(δ) и Fв(δ) относительно аналогичных
при наплавке на постоянном токе (см. рис. 3, 4).
полученные результаты свидетельствуют о
возможности эффективного управления размера-
ми поперечного сечения валика, наплавляемого
Т а б л и ц а 1 . Влияние ширины узкой подложки δ на долю основного металла γо, производительность наплавки MH и
коэффициент формы валика В/Н при микроплазменной порошковой наплавке сплавов ЖС32 и В3К
δ, мм
γо, % В/Н Mн, г/мин
жс32 (н) жс32 (п) в3К (н) жс32 (н) жс32 (п) в3К (н) жс32 (н) жс32 (п) в3К (н)
0,3 9,97 − 9,26 0,787 − 1,054 0,351 − 0,157
0,55 5,11 − 5,04 0,772 − 1,041 0,645 − 0,333
0,75 8,98 − 8,5 0,857 − 0,930 0,639 − 0,366
1,0 − 14,16 − 1,201 − − 1,043 −
1,2 11,46 − 13,55 0,933 − 0,936 0,826 − 0,534
1,55 12,11 13,37 15,39 1,216 1,113 1,000 1,013 0,872 0,711
2,0 11,19 10,64 10,31 1,032 1,206 0,969 1,276 0,958 1,261
Примечание: (н) и (п) – соответственно непрерывная и порционная подача порошка.
рис. 3. влияние ширины узкой подложки δ на эффективную
тепловую мощность микроплазменной дуги qи (а), погонную
энергию QΣ/L (б), площадь поперечного сечения наплавлен-
ного валика Fв (в). наплавка сплава в3К, защитный газ аr,
установка Starweld 190н, непрерывная подача порошка: 1 —
постоянный; 2, 3 — импульсный сварочный ток
НАУ НО- Е НИ ЕСКИ АЗ ЕЛ
30 SS 0005-111 АВ ОМА И ЕСКА СВА КА, 11 (758), 2016
на узкую подложку, за счет рационального выбора
параметров импульсного сварочного тока. также
при наплавке на импульсном сварочном токе спла-
ва в3К несколько уменьшается (на 2...5 %) доля ос-
новного металла по сравнению с наплавкой на по-
стоянном токе (см. табл. 2) и становится возможным
формообразование наплавляемого валика по закону
увеличивающегося эллипса с Н > B для всего диа-
пазона ширины узкой подложки δ = 0,3...2,0 мм.
при наплавке на импульсном токе сплава жс32
возможности уменьшения доли основного метал-
ла и управления коэффициентом формы валика за
счет применения импульсных режимов несколько
ограничены (см. табл. 3).
исследования влияния скорости микроплаз-
менной порошковой наплавки сплавов жс32 и
в3К на энергетические показатели процесса и
площадь поперечного сечения валика выполня-
лись в режиме автоматической наплавки посто-
янным сварочным током на роботизированной
установке 190Hр. Установлено (рис. 5), что при
увеличении скорости наплавки на узкую подлож-
ку шириной δ = 0,3...3,0 мм с 1,2 до 3,6 м/ч пло-
щадь поперечного сечения наплавленного вали-
ка Fв снижается в среднем в 3 раза, а погонные
тепловложения в изделие QΣ/L – в 4 раза. про-
изводительность наплавки на узкую подложку
δ = 3,0 мм в рассматриваемом диапазоне скоро-
стей по данным рис. 5 составляет примерно 3 г/мин
Т а б л и ц а 2 . Влияние ширины узкой подложки δ на долю основного металла γо, производительность наплавки Mн
и коэффициент формы валика В/Н при микроплазменной порошковой наплавке сплава В3К на постоянном (режим 1)
и импульсном токе (режим 2, 3)
δ, мм
γо, % Mн, г/мин В/Н
режим 1 режим 2 режим 3 режим 1 режим 2 режим 3 режим 1 режим 2 режим 3
0,3 9,26 7,47 4,73 0,157 0,116 0,251 1,05 0,71 0,72
0,55 5,04 7,31 1,67 0,333 0,287 0,332 1,04 0,90 0,85
0,75 8,50 13,37 4,64 0,366 0,329 0,456 0,93 1,06 0,74
1,2 13,55 14,12 8,20 0,534 0,485 0,785 0,94 0,92 0,83
1,55 15,39 8,47 6,48 0,711 0,616 1,042 1,00 0,92 0,79
2,0 10,31 11,32 6,74 1,260 0,678 1,496 0,97 1,16 0,80
рис. 4. влияние ширины узкой подложки δ на эффективную тепловую мощность микроплазменной дуги qи(а), погонную
энергию QΣ/L (б), площадь поперечного сечения наплавленного валика Fв (в) и термический КпД ηт (г) при изменении ши-
рины узкой подложки δ. наплавка сплава жс32, защитный газ 95 % аr + 5 % H2, установка Упнс-304м2/м3, порционная
подача порошка: 1 — постоянный сварочный ток; 2, 3 — импульсный сварочный ток (режимы 2 и 3); 1.1, 2.1, 3.1 — полный
термический КпД процесса ηт; 1.2, 2.2, 3.2 — составляющая термического КпД ηто, расходуемая на плавление основного
металла
НАУ НО- Е НИ ЕСКИ АЗ ЕЛ
31SS 0005-111 АВ ОМА И ЕСКА СВА КА, 11 (758), 2016
и приближается к производительности подачи
порошка.
Дополнительно показано (см. табл. 4), что при-
менение дисперсной присадки при микроплазмен-
ной наплавке является более предпочтительным
по сравнению с присадкой из микропроволоки,
так как позволяет снизить эффективную тепло-
вую мощность дуги более чем в 2 раза, погонную
энергию — в 1,8 раза, а производительность на-
плавки повысить в 1,8 раза. также, исходя из дан-
ных работы [15], снижение погонных тепловложе-
ний до уровня лазерно-порошковой наплавки при
микроплазменной порошковой наплавке возможно с
увеличением ее скорости примерно до 22,6 м/ч.
оценка совместного и раздельного влияния
технологических факторов эффективной тепло-
вой мощности микроплазменной дуги и погон-
ной энергии на форму поперечного сечения вали-
ка выполнялась путем анализа целевых функций
[18]
/,
èq Q L∑
ε ε и εF в виде отношения величин эф-
Т а б л и ц а 3 . Влияние ширины узкой подложки δ на долю основного металла γо, производительность наплавки MH и
коэффициент формы валика В/Н при микроплазменной порошковой наплавке сплава ЖС32 на постоянном (режим 1)
и импульсном токе (режим 2, 3)
δ, мм
γо, % Mн, г/мин В/Н
режим 1 режим 2 режим 3 режим 1 режим 2 режим 3 режим 1 режим 2 режим 3
1,0 17,17 15,09 11,57 0,950 0,344 0,585 1,04 0,89 0,79
1,55 12,61 15,9 13,64 0,970 0,557 0,750 1,11 1,07 1,22
2,0 10,63 13,7 11,08 1,020 0,773 1,004 1,21 1,11 1,07
рис. 5. влияние ширины узкой подложки δ и средней скоро-
сти наплавки на эффективную тепловую мощность микро-
плазменной дуги qи (а), погонную энергию QΣ/L (б), площадь
поперечного сечения наплавленного валика Fв (в): 1 — 1,2;
2 — 3,6 м/ч. роботизированная установка Starweld 190н, по-
стоянная подача порошка, защитный газ аr
рис. 6. зависимость относительной площади поперечного
сечения наплавленного валика εF от относительной эффек-
тивной тепловой мощности микроплазменной дуги
èqε при
микроплазменной порошковой наплавке на узкую подложку:
а — сплав в3К, установка Starweld 190н, непрерывная пода-
ча порошка, защитный газ аr, δ = 0,3...3,0 мм; б — установ-
ка Упнс-304м2/м3, порционная подача порошка, защитный
газ 95 % аr + 5 % H2, δ = 1,0...2,0 мм
НАУ НО- Е НИ ЕСКИ АЗ ЕЛ
32 SS 0005-111 АВ ОМА И ЕСКА СВА КА, 11 (758), 2016
фективной тепловой мощности микроплазменной
дуги, погонной энергии и площадей поперечного
сечения наплавленного валика при текущем режи-
ме наплавки и базовом, соответственно. базовым
режимом, как правило, являлся режим наплавки
на постоянном сварочном токе. значения целевой
функции εF оценивали при варьирующихся техно-
логических факторах в виде различных режимов
импульсного сварочного тока (Іимп < Іб, Іп < Іб и
Іимп > Іб, Іп < Іб) и скорости наплавки, которые учи-
тывались через показатели эффективной тепло-
вой мощности микроплазменной дуги и погонной
энергии. регрессионные зависимости изменения
целевых функций εF = f ( )
èqε и εF = f
/
( , )
è Lq Q∑
ε ε )от-
носительно их базового уровня (
èqε = 1; /Q L∑
ε
= 1;
εF = 1) представлены в виде двухмерного и трех-
мерного (контурного) графиков на рис. 6, 7.
Установлено, что снижение эффективной тепло-
вой мощности микроплазменной дуги на 20 % вы-
зывает уменьшение площади поперечного сечения
наплавленного валика на 30...50 % соответственно
для сплавов в3К и жс32. при этом для импульсно-
го сварочного тока соотношение ширины B к высоте
наплавленного валика Н, как правило, находится в
пределах 0,7...0,92.
изменение погонной энергии наплавки (преи-
мущественно за счет ее скорости), особенно в со-
четании с некоторым увеличением эффективной
тепловой мощности микроплазменной дуги, более
существенно влияет на форму валика, наплавляемо-
го на узкую подложку (см. рис. 6, 7). при наплав-
ке с непрерывной подачей порошка увеличение по-
гонной энергии в 2...3 раза позволяет на столько же
увеличить площадь поперечного сечения валика, а
в сочетании с одновременным увеличением эффек-
тивной тепловой мощности микроплазменной дуги
на 70 % — до 3,6 раз (см. рис. 7, а). при наплавке
с порционной подачей порошка увеличение погон-
ной энергии в 2,5 раза позволяет увеличить площадь
поперечного сечения наплавленного валика до 3,5
раз, а в сочетании с одновременным увеличением
эффективной тепловой мощности микроплазмен-
ной дуги на 10...30 % — до 5,5...6 раз (см. рис. 7,
б). одновременное снижение эффективной мощно-
сти микроплазменной дуги и погонной энергии на
20...30 % относительно базового уровня значений
/,
èq Q L∑
ε ε позволяет уменьшить площадь попереч-
ного сечения валика в 1,5...2,0 раза (см. рис. 7).
проведенный анализ экспериментальных дан-
ных, приведенных на рис. 2–7, позволил выделить
3 базовых закона изменения поперечного сечения
валика, наплавленного на узкую подложку шири-
ной δ = 0,5...3,0 мм. первый из них обусловлен
изменением ширины узкой подложки (рис. 8, а)
Т а б л и ц а 4 . Сравнение характеристик поперечного сечения валика (В, Н, γо), эффективной мощности нагрева изде-
лия qи, погонной энергии QΣ/L и производительности наплавки Mн при микроплазменной и лазерной наплавке
процесс
наплавки наплавляемый материал В, мм Н, мм qи, вт γо, %
QΣ/L,
Дж/мм
Mн,
г/мин
источ-
ник
микроплазменная,
≈ 22,6 м/ч порошок H13 tool steel 2,0 0,2 ≈280*1 --- ≈ 45*1 1,0 [15]*3
микроплазменная,
≈ 3,6 м/ч
проволока AISI P20 Ø 0,3 мм 1,9±0,06 0,9± 0,04 400 5,12±0,12 380,95 0,47 [16] *3
порошок в3К, 53...–160 мкм 2,0 1,8 150 ≈ 15 211,7 0,87 Данная
работа*2
Yb:YAG
Laser ≈ 24 м/ч порошок Ti–6Al–4V 1,9...2,1 0,15...0,22 400 --- 48 1,00 [17] *3
Примечания: *1 – оценка авторов статьи по данным параметров режимов [15]; *2 – однослойная наплавка на узкую подложку
δ = 1,2 мм; *3 – многослойная наплавка.
рис. 7. Контурный график изменения относительной площади поперечного сечения наплавленного валика εF от относитель-
ной эффективной тепловой мощности микроплазменной дуги
èqε и относительной погонной энергии микроплазменной на-
плавки /Q L∑
ε : а — сплава в3К, установка Starweld 190н, непрерывная подача порошка, защитный газ аr, δ = 0,3…3,0 мм; б —
установка Упнс-304м2/м3, порционная подача порошка, защитный газ 95 % аr + 5 % H2, δ = 1,0...2,0 мм
НАУ НО- Е НИ ЕСКИ АЗ ЕЛ
33SS 0005-111 АВ ОМА И ЕСКА СВА КА, 11 (758), 2016
при постоянной скорости наплавки: при ее рас-
ширении в 6 раз необходимая для наплавки эф-
фективная тепловая мощность микроплазменной
дуги увеличивается в 4...8 раз, что сопровождает-
ся увеличением площади поперечного сечения ва-
лика в 8...12 раз. второй обусловлен изменением
эффективной тепловой мощности микроплазмен-
ной дуги на ±20 % при постоянной ширине узкой
подложки и скорости наплавки (рис. 8, б), что со-
провождается изменением площади поперечного
сечения валика в 1,3...2,0 раза. третий обусловлен
изменением в 3...4 раза погонной энергии наплав-
ки за счет ее скорости при постоянных ширине уз-
кой подложки и эффективной тепловой мощности
микроплазменной дуги (рис. 8, в), что сопрово-
ждается соответствующим изменением площади
поперечного сечения валика в 3...4 раза. Данные
законы изменения поперечного сечения валика,
как правило, на практике одновременно сочетают-
ся в той или иной степени.
ранее для аргонодуговой сварки считалось [2,
3, 10], что технологическая прочность при свар-
ке никелевых жаропрочных сплавов с высоким со-
держанием упрочняющей γ'-фазы определяется ус-
ловием предельного ограничения сварочного тока
и глубины проплавления основного металла. опыт
использования микроплазменной порошковой на-
плавки [4–8] свидетельствует, что технологическая
прочность при однослойной наплавке кромок лопа-
ток обеспечивается в довольно широком диапазоне
параметров режимов (І = 2...35 а, v = 0,2...5,0 м/ч,
Fв < 30...35 мм2), где глубина проплавления основ-
ного металла, как правило, не превышает 1 мм.
анализ соответствующих режимов наплавки
на узкую подложку δ ≤ 3 мм, считающихся близ-
кими к оптимальным, показал, что при изменении
площади поперечного сечения наплавляемого ва-
лика в 2...4 раза доля основного металла в наплав-
ленном изменяется незначительно и не превышает
15 %. соответственно, доля тепла, расходуемого
на плавление основного металла, не превышает
2,5 % от эффективной тепловой мощности микро-
плазменной дуги. поэтому при переходе к мно-
гослойной наплавке кромки лопатки актуально
формирование дополнительных критериев обе-
спечения технологической прочности.
исходя из установленной в работах [11, 14]
взаимосвязи склонности к образованию тре-
щин для рассматриваемых сварных соединений
и суммарных тепловложений в изделие, а также
из изложенных в данной работе закономерностей
управления поперечным сечением наплавляемого
валика, таким дополнительными критерием тех-
нологической прочности может являться погонная
энергия наплавки. соответственно, с учетом ее ве-
личины для определенной ширины узкой подлож-
ки и необходимо выбирать площадь поперечного
сечения наплавленного слоя при многослойной
наплавке.
Выводы
1. Уточнен технологический диапазон энергети-
ческих показателей однослойной микроплазмен-
ной порошковой наплавки на узкую подложку
шириной менее 3 мм, где при соблюдении прочих
технологических рекомендаций обеспечивается
технологическая прочность сварного соединения
«основной-наплавленный металл», в котором по
крайней мере один из материалов является нике-
левым жаропрочным сплавом и содержит более
55 об. % γ'-фазы: эффективная тепловая мощность
микроплазменной дуги — 30...420 вт; погонная
энергия наплавки — 100...1600 Дж/мм; произво-
дительность наплавки — 0,3...3,0 г/мин; площадь
поперечного сечения наплавленного валика —
1...25 мм2.
2. в данном диапазоне в условиях ограничен-
ной глубины проплавления основного металла
технологическое управление формой и размерами
поперечного сечения наплавляемого валика мо-
жет осуществляться путем изменения эффектив-
ной тепловой мощности микроплазменной дуги,
погонной энергии наплавки, рационального вы-
бора химического состава наплавленного метал-
ла и способа подачи порошка (порционная, не-
прерывная). наиболее эффективными из них при
постоянной ширине узкой подложки являются:
погонная энергия — изменение до 2,5...4 раз, эф-
фективная тепловая мощность микроплазменной
дуги — изменение на 30...50 %, а также их соче-
тание — изменение до 3,5...6 раз. выявленные за-
кономерности управления формой валика приме-
няются на ао «мотор сич» в условиях серийного
ремонта лопаток авиационных гтД.
рис. 8. базовые закономерности изменения формы попереч-
ного сечения валика при наплавке на узкую подложку в за-
висимости от: ширины узкой подложки (а), изменяющейся
эффективной тепловой мощности микроплазменной дуги (б),
изменяющейся погонной энергии (в); 1→2 — направление
изменения сечения валика
НАУ НО- Е НИ ЕСКИ АЗ ЕЛ
34 SS 0005-111 АВ ОМА И ЕСКА СВА КА, 11 (758), 2016
3. Дополнительными критериями обеспечения
технологической прочности при восстановитель-
ной многослойной микроплазменной порошковой
наплавке кромок лопаток из никелевых жаропроч-
ных сплавов могут являться величина погонной
энергии и связанные с ней высота и площадь по-
перечного сечения слоя наплавляемого металла.
1. гладкий п. в. плазменная наплавка / п. в. гладкий, е. Ф.
переплетчиков, и. а. рябцев. – К.: екотехнологія, 2007.
– 292 с.
2. перемиловский и. а. восстановление наплавкой тур-
бинных лопаток авиационных двигателей / и. а. пере-
миловский, в. с. гейченко, и. и. Фрумин // автоматиче-
ская сварка. – 1976. – № 5. – с. 54–56.
3. петрик и. а. Дальнейшее развитие технологии упрочне-
ния бандажных полок лопаток турбины из жаропрочных
сплавов / и. а. петрик, и. а. перемиловский // техноло-
гические системы. – 2001. – № 3. – с. 90–92.
4. яровицин о. в. мікроплазмове порошкове наплав-
лення жароміцних нікелевих сплавів з вмістом γ’-фази
45...65 %: автореферат дис. на здобуття наук. ступеня
канд. техн. наук: спец. 05.03.06 «зварювання та спорід-
нені процеси і технології» / о. в. яровицин. – Київ, Іез
ім. Є. о. патона, 2009 р. – 21 с.
5. технологический семинар Deloro Stellite в запорожье //
автоматическая сварка. – 2010. – № 1. – с. 59–62.
6. разработка технологии восстановления торцов бандаж-
ных полок рабочих лопаток твД авиационного двигате-
ля Д18т методом микроплазменной порошковой наплав-
ки / К. а. Ющенко, в. с. савченко, а. в. яровицын [и
др.] // автоматическая сварка. – 2010. – № 8. – с. 25–29.
7. Ющенко К. а. совершенствование технологии восста-
новления верхней бандажной полки рабочих лопаток
авиационного гтД / К. а. Ющенко, а. в. яровицын //
Цільова комплексна програма нан України «проблеми
ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій споруд та ма-
шин»: збірник наукових статей за результатами, отрима-
ними в 2010–2012 рр. – Іез ім. Є. о. патона, Київ, 2012.
– 612 с. – с. 506–509.
8. жеманюк п. Д. опыт внедрения восстановительной ми-
кроплазменной порошковой наплавки при ремонте ло-
паток турбин высокого давления в условиях серийного
производства / п. Д. жеманюк, и. а. петрик, с. л. Чиги-
лейчик // автоматическая сварка. – 2015. – № 8. – с. 43–
46.
9. технологическое обеспечение эксплуатационных харак-
теристик деталей гтД. лопатки турбины. часть ΙΙ / в. а.
богуслаев, в. м. муравченко, п. Д. жеманюк [и др.]. –
запорожье: оао «мотор сич», 2003. – 420 с.
10. сорокин л. и. свариваемость литейных жаропрочных
сплавов типа жс6 / л. и. сорокин, в. и. лукин, Ю. с.
багдасаров // сварочное производство. – 1997. – № 6. –
с. 12–17.
11. яровицын а. в. Энергетический подход при анализе ре-
жимов микроплазменной порошковой наплавки / а. в.
яровицын // автоматическая сварка. – 2015. – № 5-6. –
с. 18–25.
12. попов с.а. Шлифовальные работы / с. а. попов. – м.:
высшая школа, 1987. – 383 с.
13. профильное глубинное шлифование деталей газотур-
бинных двигателей / Э. в. Кондратюк, в. а. леонтьев,
а. в. Шуша [и др.] // промышленность в фокусе. – 2013.
– № 5. – с. 22–24.
14. 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. – C. 22–29.
15. Microplasma powder deposition as a new solid freeform fab-
rication process / H. Wang, W. Jiang, M. Vallant M. [et al.]
// Proc. Instn. Mech. Engrs. – 2003. – vol. 217. – Part B. J.
[Engineering Manufacture]. – P. 1641–1650.
16. Jhavar Suyog. Development of micro-plasma transferred arc
(μ-PTA) wire deposition process for additive layer manufac-
turing applications / Suyog Jhavar, N. K. Jain, C. P. Paul //
Journal of Materials Processing Technology. – 2014. – vol.
214, № 5. – P. 1102–1110.
17. Influence of various process conditions on surface finishes
induced by direct metal deposition laser technique on a Ti–
6Al–4V alloy/ Gharbi M., Peyre P., Gorny C. [et al.] // Jour-
nal of Materials Processing Technology. – 2012. – vol. 213,
№ 5. – P. 791–800.
18. математический энциклопедический словарь / [гл. ред.
Ю. в. прохоров]. – м.: современная энциклопедия,
1988. – 848 с.
поступила в редакцию 06.07.2016
|