Плазменно-порошковая наплавка модулированным током выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.06, кандидат технических наук Копылов, Дмитрий Юрьевич

• Копылов, Дмитрий Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Копылов, Дмитрий Юрьевич

Введение.

Глава 1. Проблемы упрочнения и разрушения фаски выпускных клапанов современных двигателей.

1.1. Конструкция выпускного клапана.

1.2. Технологии, применяемые при упрочнении фаски выпускного клапана.

1.3. Работоспособность выпускного клапана. Причины разрушения и способы их устранения.

1.4. Исследование способов повышения качества наплавки.

1.5. Возможность повышения качества наплавки за счёт введения модуляции.

Глава 2. Технология плазменно-порошковой наплавки модулированным током.

2.1. Методика определения перемещения границы сплавления.

2.2. Методика расчёта параметров плазменно-порошковой направки.

2.3. Методика расчёта параметров модуляции.

2.4. Методика исследований. Используемое оборудование.

Глава 3. Исследование влияния модуляции на свойства наплавленного слоя.

3.1. Исследование химического состава наплавленного слоя.

3.2. Металлографическое исследование наплавленного слоя.

3.3. Исследование пористости в наплавленном слое и ЗТВ.

3.4. Исследование микротвёрдости наплавленного слоя и ЗТВ.

3.5. Исследование влияния модуляции на глубину проплавления.

Глава 4. Исследование влияния модуляции на износостойкость пар трения «клапан-седло».

4.1. Методика испытаний.

4.2. Результаты триботехнических испытаний.

Глава 5. Разработка и внедрение технологии плазменно-порошковой наплавки модулированным током.

5.1. Разработка оборудования для модуляции сварочного тока.

5.2. Внедрение модуляции тока при плазменно-порошковой ремонтной наплавке.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Плазменно-порошковая наплавка модулированным током выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания»

Повышение требований к динамическим характеристикам автомобиля, необходимость обеспечения международных норм токсичности выхлопных газов и снижение расхода топлива ведёт к изменению конструкции современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Для таких двигателей характерно существенное повышение рабочих нагрузок одновременно со снижением веса и размеров деталей газораспределительного механизма. Не менее важными факторами являются ресурс безремонтной эксплуатации двигателя и его себестоимость.

Для обеспечения соответствия двигателей современным требованиям необходимо постоянное совершенствование технологий и материалов, используемых при изготовлении наиболее нагруженных деталей ДВС. Газораспределительный механизм (ГРМ) выполняет функции системы управления ДВС и в значительной мере определяет показатели его работы: мощность, экономичность, токсичность и акустические характеристики. Одной из самых напряжённых и ответственных деталей ГРМ является выпускной клапан, работающий в сложных условиях ударных нагрузок и трения, при повышенной температуре, коррозионном воздействии продуктов сгорания, топлива и смазки, горячих газов, твёрдых продуктов коксования [1]. Повышенный износ клапанов приводит к возникновению критических величин зазоров в паре «клапан-седло», ухудшая все без исключения показатели двигателя.

Одним из способов повышения ресурса работы выпускного клапана является упрочнение его рабочей поверхности жаропрочными, жаростойкими материалами на основе никеля или кобальта [2]. С этой целью в ОАО «АВТОВАЗ» применяется технология индукционной наплавки методом «намораживания» и плазменно-порошковая наплавка (ППН).

Необходимо заметить, что в силу особенностей ввода тепла в заготовку при «намораживании», температура плавления применяемых для наплавки материалов, особенно для малогабаритных клапанов, ограничена в связи с сильным перегревом (вплоть до оплавления) металла основы. Это не позволяет наплавлять по технологии «намораживания» сплавы на кобальтовой основе на заготовки диаметром менее 30 мм [3].

Таким образом, наиболее перспективной является технология ППН, имеющая большие возможности управления формой наплавляемого валика и позволяющая наплавлять слои толщиной от 0,1 мм до 3 мм и более (при необходимости).

Согласно проведённым исследованиям [4, 5], одним из факторов, определяющих ресурс работы выпускного клапана, является химический состав наплавленного слоя. Наплавляемый сплав в процессе наплавки перемешивается с расплавленным металлом основы, что приводит к снижению содержания в нём легирующих элементов.

Актуальность выполнения современных требований, предъявляемых к надежности двигателей внутреннего сгорания, позволила сформулировать цель работы.

Цель работы: Повышение качества наплавки выпускных клапанов современных тяжелонагруженных двигателей за счёт регулирования процессов растворения и кристаллизации.

Объектом исследования являются процессы формирования химического состава и структуры наплавленного слоя.

Предметом исследования является технология плазменно-порошковой наплавки.

В работе использованы как стандартные, так и оригинальные методики экспериментальных исследований процесса наплавки и наплавленных слоев, в том числе - осциллографические исследования энергетических параметров сварочной дуги, наплавленных образцов, металлографические и микрорентгеноспектральные исследования наплавленного металла и зоны сплавления.

Исследования микроструктуры проводили с использованием оптического микроскопа NEOPHOT 32 и электронного микроскопа LEO 1455vp. Химический состав исследовали с использованием приборов MS - 46 «Cameka» и LEO 1455vp.

Фотографирование основной дуги производилось при помощи цифрового фотоаппарата Sony Cybershot с разрешающей способностью 5 Мпикс.

Триботехнические испытания проводились на универсальной машине трения УМТ-1, оснащённой высокотемпературной камерой. Весовой износ седла определялся с помощью весов BJIP-200.

Все расчёты и обработка экспериментальных данных проводились с использованием современной вычислительной техники.

Научная новизна:

1. Показано, что при фиксированном значении удельного тепловложения содержание железа в наплавленном слое связано с временем импульса тока основной дуги полиноминальным уравнением третьей степени.

2. Предложенный расчётно-экспериментальный метод определения параметров модуляции позволяет:

- снизить долю участия основного металла в металле шва;

- получить более дисперсную структуру наплавленного слоя с меньшей химической неоднородностью по сравнению с наплавкой немодулированным током;

- повысить твёрдость наплавленного слоя и ЗТВ;

- снизить пористость в наплавленном слое и ЗТВ;

- повысить триботехнические свойства наплавленного слоя.

3. Показано, что наложение модулирующих импульсов тока основной дуги в процессе ППН приводит к прерывистой кристаллизации, проявляющейся в образовании «чешуек» на поверхности наплавленного слоя, расстояние между которыми соответствует шагу кристаллизации, определяемому параметрами модуляции и скоростью наплавки.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод расчёта параметров модуляции, обеспечивающих повышение качества наплавленного слоя.

2. Закономерности формирования химического состава и структуры наплавленного слоя.

3. Универсальное устройство для импульсной наплавки с использованием управляемых источников тока, не имеющих возможности модуляции.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 117 страниц, в том числе 58 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 67 наименований.

Заключение диссертации по теме «Технология и машины сварочного производства», Копылов, Дмитрий Юрьевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Введение модуляции тока при плазменно-порошковой наплавке является дополнительным технологическим параметром, позволяющим управлять проплавляющей способностью сжатой дуги. Комплекс проведённых исследований по применению модуляции тока основной дуги при плазменно-порошковой наплавке позволил повысить качество наплавленного слоя выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания.

2. Применение параметров модуляции тока, определённых с помощью разработанного расчётно-экспериментального метода, позволяет:

-снизить долю участия основного металла в металле шва на 1,25 - 24% в зависимости от параметров наплавки;

- снизить содержание железа на 45 - 70% и повысить содержание легирующих элементов на 39 - 57% в наплавленном слое;

-повысить дисперсность структуры наплавленного слоя на 10 - 58%; -повысить микротвёрдость наплавленного слоя на 10 — 13%; -снизить пористость наплавленного слоя на 14 - 39%.

3. Сравнительные триботехнические испытания в условиях трения в высокотемпературной камере показали снижение износа клапанов, наплавленных модулированным током, в среднем на 19% и снижение износа сёдел в среднем на 15%.

4. Созданное универсальное устройство (модулятор), позволяет модернизировать существующие системы управления и источники тока для обеспечения возможности модуляции. Модулятор внедрён в механо-сборочном производстве ОАО «АВТОВАЗ» на операции ремонтной наплавки выпускных клапанов 2101-1007012, 2108-1007012. Результаты испытаний модулятора показали более стабильное ориентирование плазменной дуги относительно наплавляемой поверхности, более однородную и мелкодисперстную структуру и в среднем на 14% большую твёрдость наплавленного слоя.

5. Разработанная и используемая в механо-сборочном производстве ОАО «АВТОВАЗ» технология плазменно-порошковой наплавки модулированным током внедряется на операции наплавки выпускных клапанов двигателя ВАЗ-2112.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Копылов, Дмитрий Юрьевич, 2005 год

1. Астешкевич Б.М., Зиновьев Г.С. Упрочнение и восстановление лазерной наплавкой клапанов дизелей. // Сварочное производство. 1995. - № 11, с. 2-4.

2. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. М.: Машиностроение, 1985, 238 с.

3. Переплетчиков Е.Ф., Гладкий П.В., Фрумин И.И. Плазменная наплавка хромоникелевых сплавов, легированных кремнием и бором. // Автоматическая сварка. -1968. N 9, с. 58-62.

4. Вайнерман А.Е., Шоршоров М.Х., Веселков В.Д., Новосадов B.C. Плазменная наплавка металлов. Д.: Машиностроение, 1969, 191 с.

5. Самохоцкий А.И., Кунявский М.Н., Кунявская Т.М., Парфеновская Н.Г., Быстрова H.A. Металловедение. М.: Металлургия, 1990. - с. 334-335.

6. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990. - 527 с.

7. Масино М.А., Алексеев В.Н., Мотовилин Г.В. Автомобильные материалы. Справочник инженера механика. М.: Транспорт, с. 1971- 295.

8. McLeish J.A. «Nickel alloy hardfacing of stainless steel // First International Conference on Surface engineering. Brighton, 25-28 June. 1985. - p. 111-121.

9. Xiaoxiong M.A. A study on plasma arc spray welding of the exhaust valve sealing face. // Advances in thermal spraying, New York. 1986 - p. 701-709.

10. New hardfacing alloys // Surface engineering. 1985. - v. 1, N 3, p. 167168.

11. Narasihman S.L., Larson J.M. Valve gear materials: an overview // Automotive Engineering. 1986. - V.94, №5, p. 40-45.

12. Шмидт К., Хофен X., Койцлик К., Линке, Й.,Никель Г. Анализ структуры металлических материалов. Справочное издание. М.: Металлургия, 1989, с. 134-135.

13. Сидоров А.И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой. М.: Машиностроение, 1987. - с. 121-124.

14. Дюко М. Плазменная наплавка вынесенной дугой. // Международный семинар «Газотермическое напыление в промышленности». Доклады. Санкт-Петербург: ЛДНТП. - 1991. - с. 83-86.

15. Силуянов В.П., Лужнов П.И., Хараборчев Н.П., Петряков Б.И., Мурзаев В.П., Максимов Е.В., Кухтин Т.П. Способ наплавки клапанов. Заявка 1540904 СССР. МКИ В23К 13/00, В23Р 6/00.

16. Кусков Ю.М. Электрошлаковая наплавка: достижения и перспективы (обзор). // Сварочное производство. 1999. - № 10, с. 32-35.

17. Акулов А.И., Баженов В.В. и др. Справочник по сварке, том 4. М.: Машиностроение. 1971, 415 с.

18. Пузярков А.Ф. Новые разработки и перспективы использования плазменных технологий. // Сварочное производство. 1997. - № 12, с. 21.

19. Нефедов Б.Б., Лялякин В.П. Развитие плазменной сварки-наплавки за рубежом. // Сварочное производство. 1998. - № 3, с. 21-27.

20. Гладкий П.В., Фрумин И.И. Плазменная наплавка. // Автоматическая сварка. 1965. - № 3, с. 23-27.

21. Гладкий П.В., Переплётчиков Е.Ф., Фрумин И.И. Плазменная наплавка хромоникелевых сплавов, легированных кремнием и бором. // Автоматическая сварка. 1968. - № 9, с. 58-62.

22. Волченко В.Н., Ямпольский В.М., Винокуров В.А, и др. Теория сварочных процессов. М.: Высшая школа, 1988. с. 558.

23. Малаховский В.А. Плазменная сварка. М.: «Высшая школа», 1987.79 с.

24. Масаки Мацуно. Способ наплавки твердого сплава. Заявка № 1197066 Япония. МКИ В 23 К 9/04,26/00,26/12. Заявл. 08.08.89.

25. Pfeifer Е., Zurn H., Schweibtechnische Oberflachenbeschichtung -Plasmapulver-auftragschweiben im Vergleich mit anderen Verfahren // 10 Internationale Konferenz «Termiches Spritzen». 1983.

26. Lucas W., Arc surfacing and cladding processes — to enhance performance in service and to repair worn components // Welding and Metal Fabrication. 1994. -Vol.62.N 2. p. 55-56, 60-62.

27. Cler S., Ducos M. Le plasma a arc transféré. // Souder. Mars 1987 №2,p. 10.

28. Dehaudt Ph., Rochette Ph. Parametric study of plasma transfered arc surfacing. // Advances in thermal spraying. Sept. 8-12, 1986, p. 709-718.

29. Tsay L.W., Chen C., Cheng S.W. Effect of welding parameters on the working envelopes for plasma arc welding. // Journal of Materials and Product Technology. № 3, 1991, p. 217-226.

30. Аманов C.P., Горин А.Д. Изучение механизма разрушения выпускного клапана двигателя ВАЗ 21083. // Межвузовский сборник научных трудов «Наука, техника, образование города Тольятти и Волжского региона», ч.2. Тольятти, ТолПИ, 1999 г., с. 203-207.

31. Талыпов Г.Б. Сварочные напряжения и деформации. JL: Машиностроение, 1973. с. 276.

32. Хренов К.К. Сварка, резка и пайка металлов. М.: Машиностроение, 1970.-с. 407.

33. Narasihman S.L., Larson J.M. Valve gear wear: a Review // Automotive Engineering. 1986. - V.94, №2, p. 92-101.

34. Петров A.B. Тепловые характеристики импульсно-дугового процесса сварки // ФХОМ. 1967. - №6. с. 11-19.

35. Петров А.В., Славин Г. А. Исследование технологических возможностей импульсной дуги // Сварочное производство. 1966. - №2. - с. 14.

36. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. Б.Е. Патона. М.: Машиностроение. - 1974. -768 с.

37. Бирман У.И., Петров A.B. Влияние характера кристаллизации металла шва при импульсно-дуговой сварке вольфрамовым электродом на образование горячих трещин / Сварочное производство. 1971. - №6. - с. 1417.

38. Wang O.L., Yang C.L., Geng Z. Separately excited resonance phenomenon of weld pool and its application / Weld/. J. 1993. - 72(9). - p. 455s-462s.

39. Дудко Д.А., Зацерковный C.A., Сидорук B.C. и др. Влияние параметров режима ручной сварки модулированным током на форму шва // Автоматическая сварка. 1987. - №6. - с. 19-22.

40. Шигаев Т.Г. Влияние параметров режима сварки модулированным током на геометрические размеры шва // Автоматическая сварка. — 1992. №2. -с. 10-12.

41. Грабин В.Ф., Головко В.В., Новикова Д.П. Особенности структуры металла швов при сварке под флюсом пульсирующей дугой // Автоматическая сварка. 1995.-№8.-с. 3-10.

42. Джеймс JI. И др. Структура слитков и отливок. Под ред. Любова Б.Е. Сборник «Жидкие металлы и их затвердевание». Металлургиздат, 1962.

43. Петров A.B., Бирман У.И. Об условиях кристаллизации сварочной ванны при импульсно-дуговой сварке вольфрамовым электродом // Автоматическая сварка. 1969. - №8.

44. Сараев Ю.Н. Импульсные технологические процессы сварки и наплавки. Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1994. — 108 с.

45. Rolf Milbach. Ventilschaden und ihre Ursachen. TRW Thompson GmbH. 1987, p. 52.

46. Максимович Б.И., Дудко Д.А., Чупров C.C. Наплавка клапанов порошковым сплавом. ИЭС им. Патона., 1974. Информационное письмо № 30.

47. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков. М.: «Машиностроение», 1979.-256 с.

48. Вайнерман Л.Е., Шоршоров М.Х., Красулин Ю.Л. Теплофизические условия наплавки меди и бронз на сталь плазменной струёй // Автоматическая сварка. 1966. — №12.

49. Нефедов Б.Б. Расчет режимов плазменно-порошковой наплавки. М.: ЦНИИТУВИД, 1992, с. 30.

50. Нефедов Б.Б., Лялякин В.П. Расчет режима плазменно-порошковой наплавки валов // Сварочное производство. 1993. - №6, с. 7-9.

51. Столбов В.И., Сайфиев Р.З., Иштыков Ю.В. Особенности формирования температурного поля при сварке круговых швов. // Теплофиз. технол. процессов. -1975. вып.2, с.106-114.

52. Нефедов Б.Б. Плазменно-порошковая наплавка валов малого диаметра в режиме предельного теплового насыщения. // Технология металлов. 1999. -№7, с. 35-39.

53. Дилигенский Н.В., Михеев Ю.В., Иштыков Ю.В., Голованов П.А. Оптимизация режимов сварки круговых швов тонкостенных конструкций. // Доклады II всесоюзной конференции «Актуальные проблемы сварки цветных металлов». Киев, Наукова думка, 1985, с. 57-59.

54. Нефедов Б.Б., Князев А.Ю. Особенности плазменной наплавки валов. // Материалы конференции «Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин», сборник 1., М: Центральный Российский дом знаний, 1994, с. 45-50.

55. Абрамов И.В., Семенюк B.C., Скачков И.О., Черныш В.П. Способ автоматической аргонодуговой сварки кольцевых стыков труб малого диаметра. A.c. СССР №1683924, кл. В23 К9/10, 9/167, опуб. 15.10.91.

56. Нефедов Б.Б. Расчет на персональной ЭВМ плазменно-порошковой наплавки. // Сварочное производство. 1997. - №6, с. 2-6.

57. Рыкалин H.H. Расчет тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951.-296 с.

58. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1971.-512 с.

59. Гладкий П.В., Павленко A.B., Зельниченко А.Т. Математическое моделирование нагрева порошка в дуге при плазменной наплавке //Автоматическая сварка. 1989. - № 11, с. 17-21.

60. Проработка документации ф. ЭЫМ! для определения возможности использования модулятора на установках наплавки ф. БЫМ1. 03/04 ОЭТС, МСП, ИЦДТР

61. Подключение модулятора на установку ллазменно порошковой наплавки код. №508.724.32. 04/04 ИЦДТР, ОЭТС, ц.32-2, МСП

62. Отработка технологии наплавки выпускных клапанов на операции ремонт клапанов. 05/04 ОАЭСП, ц.32-2, ОПИКР, МСП ИЦДТР

63. Анализ полученных результатов. Принятие решения о внедрении. Оформление акта внедрения. 07/04 ИЦДТР, МСП При полож тельных р зультатах

64. Начальник ОИТСММ ИЦДТР Начальник ОАЭСП МСП Начальник ОПИКР МСП Зам. начальника цеха 32-2 /Начальник ВТК МОТОР-21. Нэиалиии* ПЯТГ. МПП

65. P.P. Габитов Л.З. Михаленко >¿¿9 глгдл-чээенков С. И. Тюрин В.Ф. Васильев1. A A (llauuuh