Количественная оценка кривизны формы проплавления в зависимости от взаиморасположения электродов при наплавке расщепленной дугой в среде защитного газа
Автор: Скобликов Я.П., Сапожков С.Б.
Журнал: Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don) @vestnik-donstu
Рубрика: Машиностроение и машиноведение
Статья в выпуске: 2 т.26, 2026 года.
Бесплатный доступ
Введение. Повышение эффективности дуговой наплавки плавящимся электродом является одним из ключевых направлений развития современного производства. Особый интерес представляет наплавка расщеплённым плавящимся электродом в среде защитного газа. Взаиморасположение электродов для данного способа наплавки сказывается на зоне проплавления, а именно на ее форме и кривизне. Форма проплавления влияет на градиент свойств и эксплуатационную надёжность покрытия. Влияние взаиморасположения электродов на кривизну фронта проплавления остаётся количественно не оценённым. Целью настоящего исследования являются определение корреляции кривизны формы проплавления в зависимости от взаиморасположения электродов и ее количественная оценка. Материалы и методы. Исследование влияния взаиморасположения электродов на форму проплавления проводилось путем наплавки шести слоёв и последующего анализа формы проплавления основного металла. В качестве влияющих факторов были выбраны расстояние между электродами (z) и угол их наклона (α). Процесс наплавки осуществлялся в среде защитного газа Ar/CO2 в соотношении 98/2 %. Для выявления зоны проплавления поперечные сечения слоев были протравлены. Границы зон проплавления оцифрованы. Для определения функций, описывающих форму проплавления, использовался полином степени 6. Для анализа формы проплавления выполнялось дифференцирование полученных функций. Дифференциал первого порядка использовался для определения количества экстремумов. Для оценки кривизны формы проплавления использовался метод расчета среднего значения модуля второй производной для значений, лежащих в пределах ширины слоя. Установление корреляции выполнялось по методике Пирсона. Результаты исследования. В ходе проведённого эксперимента дана количественная оценка кривизны формы проплавления в зависимости от взаиморасположения электродов. Определены функции, описывающие профили проплавления. Вычислены кривизна полученных профилей и количество экстремумов. Установлены коэффициенты корреляции между межэлектродным расстоянием, углом наклона электродов, кривизной проплавления и количеством экстремумов. Сделан вывод о том, что кривизна формы проплавления и количество экстремумов слабо зависят от межэлектродного расстояния. Угол наклона электродов в большей степени определяет кривизну проплавления. Выявлен эффект демпфирования теплового потока электрической дуги объемом сварочной ванны при межэлектродном расстоянии в 15 мм. Обсуждение. Зона проплавления основного металла для каждого опыта имеет седловатую форму. Увеличение угла развала электродов приводит к формированию более пологой формы проплавления из-за изменения вектора действия электромагнитных сил, влияющих на потоки плазмы и капли расплавленного металла. Возникновение демпфирующего эффекта объясняется тем, что при сближении электродов объём сварочной ванны увеличивается. Между электрической дугой и основным металлом возникает прослойка жидкого металла с высокой теплоемкостью и низкой теплопроводностью, за счет этого происходит демпфирование тепла от электрической дуги. Заключение. Проведённое исследование позволило количественно оценить влияние взаиморасположения электродов на кривизну формы проплавления, а также определить степень влияния межэлектродного расстояния и угла наклона электродов на кривизну формы проплавления. Установлено слабое влияние межэлектродного расстояния на кривизну формы проплавления и количество экстремумов. Коэффициенты корреляции для данных параметров равны –0,22 и 0,43. Влияние угла наклона электродов на кривизну формы проплавления и количество экстремумов оценивается как существенное. Коэффициенты корреляции для данных параметров равны –0,65 и –0,71. С увеличением угла наклона электродов относительно вертикали кривизна формы проплавления уменьшается.
Наплавка расщепленной дугой, GMAW, многопроволочная наплавка, взаимное расположение электродов, зона проплавления
Короткий адрес: https://sciup.org/142248173
IDR: 142248173 | УДК: 621.791 | DOI: 10.23947/2687-1653-2026-26-2-2288
Quantitative Evaluation of Fusion Zone Curvature Correlation with Electrode Positioning in Shielded Gas Split-Arc Surfacing
Introduction. Improving the efficiency of arc surfacing with a consumable electrode is one of the key vectors in the development of modern manufacturing. Split-arc gas-shielded welding with a consumable electrode is of particular interest. The electrode arrangement in this welding process affects the fusion zone, namely its shape and curvature. The shape of the penetration zone significantly affects the property gradient and the operational reliability of the coating. The effect of the electrode arrangement on the curvature of the penetration front remains quantitatively unassessed. The objective of this study is to quantitatively evaluate and determine the correlation of the curvature of the penetration shape depending on the relative arrangement of the electrodes. Materials and Methods. The effect of electrode positioning on the penetration shape was studied by building up six layers and subsequently analyzing the fusion shape in the base metal. The selected influencing parameters were the interelectrode distance (z) and the electrode inclination angle (α). The surfacing process was performed in an Ar/CO₂ shielding gas atmosphere in a ratio of 98/2%. To make the fusion zone visible, the transverse cross-sections of the layers were subjected to etching. The fusion zone boundaries were digitized. A 6th-degree polynomial was used to determine the functions describing the penetration shape. The obtained functions were differentiated to analyze the fusion shape. The first-order derivative was used to determine the number of extremes. To assess the curvature of the penetration shape, the average value of the absolute second derivative was calculated over the range of values within the layer width. Correlation was established using Pearson's method. Results. As a result of the conducted experiment, a quantitative assessment of the curvature of the penetration shape depending on the relative arrangement of the electrodes was performed. Functions describing the penetration shapes were determined. The curvature of the obtained shapes and the number of extremes were calculated. Correlation coefficients between the interelectrode distance, the electrode inclination angle, the penetration curvature, and the number of extremes were determined. It was found that the curvature of the penetration shape and the number of extremes weakly depend on the interelectrode distance. The electrode inclination angle determines the penetration curvature to a greater extent. A damping effect of the heat flux of the electric arc by the volume of the weld pool was identified at an interelectrode distance of 15 mm. Discussion. In each experiment, the base metal fusion zone displayed a saddle-shaped geometry. Increasing the electrode included angle resulted in a shallower penetration shape, attributed to an alteration in the vector of electromagnetic forces that govern plasma streams and molten metal droplet transfer. The damping effect occurred because reducing the interelectrode distance enlarged the weld pool. A layer of molten metal, possessing high heat capacity but low thermal conductivity, separated the electric arc from the base metal, thus damping the heat flux from the arc. Conclusion. The conducted study made it possible to quantitatively assess the effect of the electrode arrangement on the curvature of the penetration shape, as well as to determine the degree of influence of the interelectrode distance and the electrode inclination angle on the curvature of the penetration shape. The interelectrode distance was found to have a weak effect on both the fusion shape curvature and the number of extremes. The correlation coefficients for these parameters were –0.22 and 0.43. The effect of the electrode inclination angle on both the fusion shape curvature and the number of extremes was considered substantial. The correlation coefficients for these parameters were –0.65 and –0.71. As the angle of inclination of the electrodes relative to the vertical increased, the curvature of the penetration shape decreased.
