CC BY
3DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1-40-43
РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ ИНЖЕНЕРИИ ПОКРЫТИЙ С НИЗКОРАЗМЕРНОЙ СТРУКТУРОЙ МЕТОДАМИ ТЕХНОЛОГИЙ СВАРКИ И НАПЛАВКИ
С РЕГУЛИРУЕМЫМ ТЕПЛОВЛОЖЕНИЕМ ЗА СЧЕТ ИМПУЛЬСНОГО ИЗМЕНЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА И ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ УДАРНО-МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Сараев Ю.Н.1, Голиков Н.И.1, Сидоров М.М.1, Максимова Е.М.1, Непомнящий А.С2
1 Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук - обособленное подразделение ФИЦ «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», г. Якутск
2 АО «Газпром Добыча Томск», г. Томск [email protected]
В работа рассматриваются направления по физическому принципу инженерии покрытий с низкоразмерной структурой методами адаптивного импульсного управления и дополнительной ударно-механической обработки. Развиваемое направление исследований основано на применении технологий, в которых обеспечивается регулируемое тепловложение, за счет импульсного изменения энергетических параметров режима управление характеристиками тепломассопереноса при сварке и наплавке. На основе выполняемых исследований можно констатировать, что повышение свойств наплавленных покрытий можно обеспечить за счет комплексного применения методов модифицирования материалов, варьирования энергетических параметров режима, использования нового перспективного сварочного оборудования, способного сохранять свою работоспособность в условиях низких климатических температур Севера.
Актуальность разработки и экспериментально-теоретического обоснования принципов инженерии покрытий на деталях и изделиях, эксплуатирующихся в условиях знакопеременных нагрузок и низких климатических температур Севера, связано с необходимостью совершенствования технологий монтажных, ремонтно-восстановительных и упрочняющих обработок быстроизнашивающихся деталей и изделий, работающих в условиях Крайнего Севера и Арктики [1]. Указанное совершенствование основывается на изыскании путей комплексного применения дисперсных тугоплавких соединений в исходных наплавочных композициях, режимов импульсных технологий наплавки, позволяющих обеспечивать регулируемое тепло-вложение в процессе внедрения в расплав, и определяющих структуру, физико-механические и служебные свойства покрытий из металлов и сплавов, а также методов физико-технической обработки структурно-неоднородных зон [2].
Задачей комплексного сочетания экспериментальных и теоретических исследований является обоснование показателей надежности и живучести крупногабаритных металлоконструкций на основе расчетных методик и современных исследовательских ресурсов по изучению быстропротекающих процессов тепломассопереноса, обоснование возможности управления структурой и свойствами неразъемных соединений, не только на этапах их производства, но и на этапах ремонтных работ в естественно-климатических производственных условиях [3]. Отмеченное сочетание может обеспечить повышение эксплуатационной надежности металлоконструкций ответственного назначения, работающих в условиях низких климатических температур Крайнего Севера и Арктики [4].
Цель исследований - поиск путей повышения надежности и живучести технических систем ответственного назначения, работающих в условиях низкочастотного термоциклиро-вания в Северные и Арктические районы Российской Федерации.
Методологические подходы, реализуемые при выполнении исследований. За основу выполняемых исследований выбраны технологии электродуговой наплавки. Анализ факторов, влияющих на формирование наплавленного покрытия, показал, что их можно разделить на две группы.
Первая группа выражается показателем, который в процессе наплавки изменить нельзя, пространственным положением защищаемой покрытием поверхности [5].
Вторая группа связана с параметрами режима наплавки, которые можно изменять в ходе технологического процесса. При этом появляется возможность изменять геометрические размеры наплавляемого покрытия: его высоту и ширину, а также кривизну поверхности ванны расплава в поперечном сечении [6]. Перечисленные возможности по управлению параметрами второй группы факторов заложены в способе нанесения наплавляемого покрытия с использованием низкочастотной модуляции энергетических параметров режима [7]. В этом случае появляется больше возможностей управления изменением геометрических размеров наплавляемого покрытия, чем при наплавке на постоянном токе, где количество регулируемых параметров режима ограничено. Например, при нанесении покрытия на рельефные поверхности, где может изменяться пространственное положение ванны расплава от нижнего до потолочного. В этом случае ванна расплава обладает большой подвижностью, что, часто, приводит, из-за внезапных коротких замыканий, к нарушению стабильности технологического процесса наплавки.
В целом, проблема повышения прочности и эксплуатационной надежности сварных соединений из низколегированных сталей связана с необходимостью обеспечения комплекса физико-механических свойств и равнопрочности зон соединения, предотвращения образования холодных трещин, а также структур, снижающих сопротивляемость соединений замедленному и хрупкому разрушению, определяемой характером микрометаллургических процессов на этапе их формирования.
■Л В О
с
я
5 -
О
Ч о ч о
н
0»
В
S
X
V
■S ¡г
и л
Ч S
о п
S- «
а X
m сЗ 0
И 0 с - о X X
X V
— - S а и (j
X и
о QJ
5 В
а н
сЗ 0
н Я :=
>-> X
Ч X
с а
и
¡£ а
m h"
•j
X
0
X
Совершенствование технологий сварки и наплавки, основанное на комплексном применении новых сварочных материалов, модифицированных мультифазными наноструктурными компонентами
Применение методов адаптивной импульсно-дуговой сварки и наплавки, обеспечивающих возможность управления характером протекания микрометаллургических процессов за счет регулируемого тепловложення прп автоматическом изменении энергетических параметров
режима
Использование специализированного сварочного оборудования, способного сохранять свою работоспособность в условиях низких климатических температур Севера
Применение методов дополнительной физико-технической обработки зон структурной неоднородности, способных обеспечить в этих областях наиболее благоприятные усилия сжатия
Рис. 1. Методология повышения эксплуатационных показателей конструкций ответственного назначения
Как показали выполненные исследования, помимо вышеуказанных факторов, физические принципы инженерии покрытий в условиях низких климатических температур, должны содержать дополнительные ресурсы управления структурным и напряженно-деформируемым состоянием упрочняемых поверхностей [8]. Например, дополнительной ударно-механической обработкой структурно-неоднородных областей, способных обеспечивать в них наиболее благоприятные усилия сжатия [9]. Основные составляющие такого комплексного подхода приведены на рисунке 1.
Опыт выполнения перечисленных исследований показал, что для предотвращения подобных нарушений процесса наплавки необходимо использовать дополнительное высоко-
энергетическое воздействие на расплав. Дополнительные регулировочные параметры: изменение амплитуды токов импульса и паузы, их длительностей, частоты следования, глубины модуляции тока, которые позволяют управлять размерами ванны расплава, изменять характер плавления и переноса металла в эту ванну. Это способствует повышению стабильности формирования наплавляемого покрытия независимо от пространственного положения обрабатываемой поверхности. Кроме того, увеличение ширины ванны расплава при наплавке в режиме импульсного изменения энергетических параметров приводит к уменьшению силы поверхностного натяжения, что способствует повышению жидкотекучести ванны расплава на интервале действия импульса тока, увеличению площади ее поверхности и радиуса кривизны поверхности расплавленного металла. На интервале тока паузы ширина ванны расплава уменьшается при снижении значения напряжения дуги. Это, способствует перемешиванию металла сварочной ванны за счет возвратно-поступательного движения расплавленного металла, что приводит к уменьшению его теплосодержания и увеличению скорости кристаллизации. Наиболее эффективно управлять движением металла в ванне расплава можно варьированием силой тока наплавки на интервале длительности импульса. С увеличением силы тока импульса увеличивается давление дуги, что способствует более активному движению металла в ванне расплава равномерному распределению легирующих элементов по объему наплавляемого металла.
Таким образом, одной из важнейших задач создания надежных и долговечных машин и конструкций северного исполнения является разработка рациональных технологий сварки и наплавки, как основных методов изготовления, восстановления и упрочнения наиболее высо-конагруженных узлов и рабочих поверхностей конструкций ответственного назначения [10]. Помимо сказанного, сама проблема ремонта и повышения прочности крупногабаритных конструкций Севера является сложной многофакторной задачей, обусловленной их эксплуатацией в сложных климатических условиях, в частности, очень низких температур, что требует разработки и использования хладостойких материалов, новых технологических процессов изготовления неразъемных соединений и после сварочной обработки. Широко распространенные в отечественном и зарубежном производстве способы ремонтной сварки стационарной дугой исчерпали свои возможности повышения качества сварных соединений в сложных условиях решения технологических задач реального сварочного производства.
Отметим, что одним из наиболее эффективных направлений управления характером протекания микрометаллургических процессов путем применения новых присадочных материалов, модифицированных мультифазными наноструктурными композициями, обеспечивающими повышение ресурса металлоконструкций и изделий, функционирующих в условиях низких климатических температура, а также оборудования и технологий адаптивной импуль-сно-дуговой сварки и наплавки, которые позволяют через программируемый ввод тепла в зону сварного соединения, управление процессами плавления и переноса каждой капли электродного металла, создание в зонах сварных соединений технических систем мелкодисперсной структуры в металле шва и зоне термического влияния, существенно уменьшить степень остаточных деформаций сварных соединений, изготавливаемых из различных марок сталей, а также повысить их эксплуатационную надежность. Такой подход является оригинальным и соответствует мировому уровню.
Заключение. Выполняемые исследования подтверждают, что для повышения эффективности формирования покрытий и их эксплуатационных показателей, целесообразно применение методов регулируемого тепловложения, достигаемых за счет импульсного изменения энергетических параметров режимов в наиболее эффективном частотном диапазоне. Такое управление энергетическими параметрами при наплавке позволяет обеспечить снижение структурной неоднородности по всему сечению покрытия, в том числе за счет уменьшения размеров его структурных составляющих.
Структура металла покрытия, выполненного импульсно-дуговой наплавкой, не содержит значительного количества протяженных дендритов в отличие от шва, выполненного дуговой наплавкой на постоянном токе. Это подтверждается многочисленными результатами
исследований покрытий, полученными с применением, как различных марок покрытых электродов, так перспективных порошковых проволок.
Таким образом, на основе выполняемых исследований можно констатировать, что повышение свойств наплавленных покрытий можно обеспечить за счет комплексного применения методов модифицирования материалов, варьирования энергетических параметров режима, использования нового перспективного сварочного оборудования, способного сохранять свою работоспособность в условиях низких климатических температур Севера.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИФТПС СО РАН, шифр проекта FRWS-2024-0034, номер государственной регистрации 1023031300029-4-2.3.1
Литература
1. Стратегия научно-технологического развития Российской Федерации, утверждена Указом Президента Российской Федерации от 28 февраля 2024 г. № 145.
2. Ларионов В.П., Слепцов О.И., Сараев Ю.Н., Безбородов В.П. Новые подходы к разработке современных технологий сварки и нанесения покрытий для обеспечения эксплуатационной надежности металлоконструкций и изделий, эксплуатируемых в условиях Сибири и Крайнего Севера // в сборнике трудов IV Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. Пленарные доклады. Якутск. 2008. С. 26-30.
3. Сараев Ю.Н., Голиков Н.И., Слепцов О.И., Сидоров М.М., Семенов С.В. Разработка концепции создания и функционирования региональных центров производства, восстановительного ремонта и упрочняющей обработки ресурсоопределяющих деталей и изделий техники, работающей в условиях Крайнего Севера и Арктики // EURASTRENCOLD-2023 [Электронный ресурс]: сборник трудов XI Евразийского симпозиума по проблемам прочности и ресурса в условиях климатически низких температур, посвященного 85-летию со дня рождения академика В.П. Ларионова (11-15 сентября 2023 г., г. Якутск). Киров: Изд-во МЦИТО, 2023. С. 531-537.
4. Поисковые исследования повышения надежности металлоконструкций ответственного назначения, работающих в условиях экстремальных нагрузок и низких климатических температур / Сараев Ю.Н., Гладковский С.В., Голиков Н.И. и др. // В книге: Наукоемкие технологии в проектах РНФ. Сибирь. Томск, 2017. С. 134-202.
5. Сараев Ю.Н. Обоснование концепции повышения безопасности и живучести технических систем, эксплуатируемых в регионах Сибири и Крайнего Севера, на основе применения адаптивных импульсных технологий сварки // Тяжелое машиностроение. 2010. № 8. С. 14-19.
6. Сараев Ю.Н., Полетика И.М., Козлов А.В., Хомченко Е.Г. Формирование структуры и свойств сварных соединений в условиях регулируемого тепловложения при импульсно-ду-говой сварке // Физическая мезомеханика. 2005. Т 8. № S. С. 137-140.
7. Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Гладковский С.В., Голиков Н.И. Повышение надежности металлических конструкций при эксплуатации в условиях низких климатических температур посредством комплексного применения современных методов модифицирования зоны сварного соединения // Сварочное производство. 2016. № 9. С. 3-9.
8. Сараев Ю.Н. Адаптивные импульсно-дуговые методы механизированной сварки при строительстве магистральных трубопроводов // Сварочное производство. 2002. № 1. С. 4-11.
9. Сидоров М.М., Голиков Н.И., Сараев Ю.Н., Тихонов Р.П. Управление уровнем остаточных напряжений в стыковых соединениях труб из низколегированных сталей ударно-механической обработкой // Тяжелое машиностроение. 2023. № 10. С. 23-28.
10. Сараев Ю.Н., Голиков Н.И., Сидоров М.М., Максимова Е.М., Семёнов С.В., Перовская М.В. Поисковые исследования повышения надежности сварных металлоконструкций ответственного назначения, эксплуатируемых в условиях Севера // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2017. № 4 (77). С. 30-42.
