Аналитическое моделирование теплового источника при наплавке стальной втулки центробежным методом с использованием осесимметричной электрической дуги

Введение. Технология центробежной биметаллизации с применением независимой осесимметричной электрической дуги становится всё более значимой ввиду высокой потребности в улучшении качества биметаллических композиций, используемых в производстве подшипников скольжения, гильз для цилиндров гидромашин и элементов пар трения в двигателях внутреннего сгорания. Имеющиеся исследования в этой области подчеркивают необходимость более глубокого изучения особенностей тепловых процессов, связанных с этой технологией. В современной научной литературе недостаточно полно раскрыты вопросы, касающиеся контроля температуры на границе раздела материалов, и имеющийся пробел в представлении о поведении биметаллических соединений в условиях нагрева тормозит внедрение этой технологии в промышленное производство. Цель данного исследования — проведение аналитического моделирования теплового источника в виде осесимметричной электрической дуги для определения коэффициента сосредоточенности тепла и снижения доли экспериментальных данных в модели теплового процесса, что позволит повысить ее универсальность. Задачи, вытекающие из поставленной цели, заключаются в сравнении результатов расчета эффективной плотности теплового потока по двум различным выражениям (с использованием тригонометрической и экспоненциальной функций), а также в оценке распределения теплового потока осесимметричной дуги по внутренней поверхности втулок (это необходимо для установления зависимости между температурой наружной поверхности наплавляемой втулки и температурой на границе раздела материалов).

Материалы и методы. Прямой контроль температуры на границе раздела материала основы и наплавляемого слоя является затруднительным, однако возможно осуществить косвенный контроль с помощью температуры наружной поверхности. Для определения зависимости между температурой наружной поверхности наплавляемой втулки (заготовки) и температурой на её внутренней поверхности, то есть на границе раздела материала основы и наплавляемого слоя, были проведены моделирование теплового источника и оценка распределения теплового потока осесимметричной электрической дуги по внутренней поверхности втулки.

Результаты исследования. В ходе работы получено аналитическое выражение для определения коэффициента сосредоточенности тепла, k = 0,945 / R²₁, который необходим для расчёта параметров электрической дуги с учётом распределения эффективной тепловой мощности в пятне нагрева по экспоненциальной зависимости. Для моделирования теплового источника процесса наплавки (биметаллизации) внутренней поверхности стальных втулок с нагревом независимой осесимметричной электрической дугой были сравнены результаты расчета эффективной плотности теплового потока по двум выражениям: q = q₀ ∙ cos³φ и q = q₀ ∙ e^{–k· r²п}. Это сравнение показало, что для расчетов температурных полей при наплавке внутренней поверхности стальных втулок (заготовок) металлическими сплавами с нагревом независимой осесимметричной дугой можно использовать аналитическую экспоненциальную форму представления теплового источника.

Обсуждение и заключение. Моделирование тепловых процессов центробежной биметаллизации с применением упрощенных схем равномерного распределения теплового потока q = const на всей свободной поверхности наплавляемого слоя, что имитирует распространение тепла электрической дуги, требует введения корректирующих коэффициентов и проведения серии экспериментов для их определения. В этом случае в описании теплового процесса в модели тепловых процессов высока доля экспериментальных данных и корректирующих коэффициентов. Поэтому для исключения большей части экспериментальных составляющих при моделировании теплового источника и распределения теплового потока процесса наплавки (биметаллизации) внутренней поверхности стальных втулок с нагревом независимой осесимметричной электрической дугой автором в данной работе предложено аналитическое решение для расчета эффективной плотности теплового потока в виде экспоненциальной функции, которая позволяет определить коэффициент сосредоточенности тепла независимой осесимметричной электрической дуги в процессе наплавки, который необходим для повышения точности расчета температурного поля биметаллизируемой втулки и улучшения контроля температуры тепловых параметров технологического процесса.

1. Денисенко С.Г., Глушко С.П. Оптимизация технологии производства подшипников скольжения из биметалла сталь-бронза. В: Тезисы доклада IV Украинской республиканской научно-технической конференции «Современные методы наплавки, упрочняющие покрытия и используемые материалы». Харьков: Харьковский автомобильно-дорожный институт; 1990. С. 70–71.

2. Глушко С.П., Денисенко С.Г. Синтез критерия качества биметаллических подшипников скольжения. В: Тезисы доклада Всесоюзной научной конференции «Конструкционная прочность, долговечность, упрочнение материалов и деталей машин». Волгоград: Дом науки и техники; 1990. С. 202–204.

3. Клеветов Д.В., Старостин Д.А. Подход к увеличению долговечности гидромашин за счет снижения интенсивности износа при технологической обкатке. В: Труды Всероссийской научно-технической и научно-методической конференции «Современные проблемы надежности и техносферной безопасности: образование, наука, практика», посвященной 20-летию кафедры безопасности жизнедеятельности, экологии и химии Ковровской государственной технологической академии имени В.А. Дегтярева. Ковров: Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева; 2019. С. 41–46.

4. Arias-González F, del Val J, Comesaña R, Penide J, Lusquiños F, Quintero F, et al. Production of Phosphor Bronze Coatings by Laser Cladding. Procedia Manufacturing. 2017;13:177–182. https://doi.10.1016/j.promfg.2017.09.031

5. Kumar RK, Kamaraj M, Seetharamu S, Pramod T, Sampathkumaran P. Effect of Spray Particle Velocity on Cavitation Erosion Resistance Characteristics of HVOF and HVAF Processed 86WC–10Co4Cr Hydro Turbine Coatings. Journal of Thermal Spray Technology. 2016;25(6):1217–1230. https://doi.10.1007/s11666-016-0427-3

6. Frazier WE. Metal Additive Manufacturing: A Review. Journal of Materials Engineering and Performance. 2014;23(6):1917–1928. https://doi.10.1007/s11665-014-0958-z

7. Zhenglei Yu, Lunxiang Li, Deqiang Zhang, Guangfeng Shi, Guang Yang, Zezhou Xu, et al. Study of Cracking Mechanism and Wear Resistance in Laser Cladding Coating of Ni-Based Alloy. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2021;34(92):1–14. https://doi.org/10.1186/s10033-021-00599-8

8. Neng Li, Wei Liu, Yan Wang, Zijun Zhao, Taiqi Yan, Guohui Zhang, et al. Laser Additive Manufacturing on Metal Matrix Composites: A Review. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2021;34(38):1–16. https://doi.org/10.1186/s10033-021-00554-7

9. Murr LE, Gaytan SM, Ramirez DA, Martinez E, Hernandez J, Amato KN, et al. Metal Fabrication by Additive Manufacturing Using Laser and Electron Beam Melting Technologies. Journal of Materials Science & Technology. 2012;28(1):1–14. https://doi.10.1016/S1005-0302(12)60016-4

10. Lawrense AR, Michaleris P. Effects of Thermal Transport in Computation of Welding Residual Stress and Distortion. Science and Technology of Welding and Joining. 2011;16(3):215–220. https://doi.10.1179/1362171810Y.0000000027

11. Глушко С.П., Поправка Д.Л., Абрамов Н.С. Моделирование теплового процесса центробежной биметаллизации внутренней поверхности втулок. Сварочное производство. 2009;(6):30–35.

12. Судник В.А., Ерофеев В.А., Масленников А.В., Цвелёв Р.В. Методика определения характеристик эквивалентного источника теплоты для выполнения расчетов деформаций при сварке. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015;(6–2):32–43. URL: https://tidings.tsu.tula.ru/tidings/pdf/web/file/tsu_izv_technical_sciences_2015_06_part_2.pdf (дата обращения: 20.03.2025).

13. Полищук В.А. Математическое моделирование процессов сварки. Научно-методический электронный журнал «Концепт». 2014;20:356–360. URL: http://e-koncept.ru/2014/54332.htm (дата обращения: 20.03.2025).

14. Вершинин В.П., Дмитриев И.К. Экспериментальные исследования распределения температуры в тавровых соединениях при сварке. Инженерный вестник Дона. 2023;(4):1–9. URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2023/8330 (дата обращения: 20.03.2025).

15. Иванов С.Ю., Кархин В.А., Михайлов В.Г. Моделирование тепловых процессов при сварке соединений с криволинейными швами. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015;(6–2):62–66. URL: https://tidings.tsu.tula.ru/tidings/pdf/web/file/tsu_izv_technical_sciences_2015_06_part_2.pdf (дата обращения: 20.03.2025).