Диссертация (1024714), страница 16

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 16)

Подмодель горения дуги в зауженной разделке кромокПодмодель горения дуги в разделке кромок определяет влияние наформирования шва таких факторов, как устойчивости горения дуги,расположения дуги в разделке, распределение тепловой мощности дуги поповерхности сварочной ванны и кромкам основного металла.При создании подмодели приняли во внимание, что при токах 70 – 300А напряжение дуги практически не зависит от тока [154, 155], что позволяетсчитать плотность тока в столбе дуги постоянной. Из этого следует [148], чторадиус столба дуги Rarc нарастает с увеличением тока:Rarc I arc. jc(2.1)где jc – средняя плотность тока в столбе дуги.Новым элементом подмодели является определение длины Larc дуги,как среднего расстояния от торца электродной проволоки Zf до поверхностиметалла ZT(x,y) в пределах круга радиусом, равным радиусу столба дуги Rarc:Larc 22rarcrarc Z r   Z r 2Tf r 2 r dr(2.2)0Электрическая дуга характеризуется по вольтамперной характеристике,показывающей зависимость напряжения дуги от ее длины U(Iarc, Larc).Зависимость напряжения от длины дуги и тока согласно данным работы[108] может быть описана в виде функции:104I U I arc , Larc   U a  U k  Larc  gradU  Rarc I arc 1  0  I arc 2(2.3)где Ua=6 В,Uk = 8 В– анодное и катодное падения напряжения, grad U=4…5 В/мм– градиент потенциала в столбе дуги, Rarc=0.001…0.002 Ом –динамическое сопротивление дуги при больших значениях тока, I0 =30..50 А– показатель тока дуги, при котором ее напряжение минимально.Электрическая цепь питания сварочной дуги представлена какисточник напряжения U0, индуктивность Lw, активное сопротивление Rwисточника, а также сопротивлением вылета проволоки из токоподводящегомундштукаRf(T),зависящееоттемпературыегонагрева.Поэтомусопротивление вылета электрода можно определять по общеизвестному [108]распределению в нем температуры:1R f T   2r fгдеLf  T z dzf(2.4)f0f(Tf)–зависимостьизмененияудельногосопротивлениеэлектродной проволоки от температуры нагрева токомTf.При оценке температуры вылета электродной проволоки металлаиспользовали временные изменения тока дуги, приведенные в работе [108]:Tf 1t  T I  dc r 2e2 2Leftvff,(2.5)где: Le –, vf – длина вылета и скорость подачи электродной проволокисоответственно,   z - время перемещения участка проволоки на расстояниеvfz от торца токоподводящего наконечника,  - плотность материалапроволоки, c - удельная теплоёмкость.Однако использование данной зависимости снижает точность расчетов,поэтому она была уточнена.Известно [108], что процессы, происходящие в электрической дугеможно описать уравнением, которое связывает ток Iarc и напряжение Uarcдуги с параметрами сварочного источника:105I arc1 min I max ,Lwt U00 U arc I arc , Larc   I arc Rw  R f (T f )dt  ,(2.6)где Imax, U0, Rw – максимальный ток, напряжение холостого хода ивнутреннее сопротивление (наклон ВАХ) источника питания дуги.Данная зависимость позволила описать нагрев вылета электрода болееточной зависимостью через уравнение теплопроводности:2 f I arcH 2TH  2 vftzz d 2f 42,(2.7)где H, T – энтальпия и температура металла электродной проволоки,связанные нелинейной функцией T(H), учитывающую теплоёмкость итеплоту плавления, vf –скорость подачи,  - теплопроводность.Граничными условиями являются:температура проволоки в точке подвода тока:z=0, T=T0,(2.8)и общеизвестное из теории сварочных процессов граничное условиетепловыделение дуги на конце электрода:z=Zf,I UH 4 arc 2 a .td f(2.9)Плавящийся металл на конце электрода собирается в каплю, объёмкоторой Vсогласно данным работы [115] определяется из решения уравнениятеплопроводности по расположению точки плавления ZL на электроде:V  Z f  Z L d 2f4(2.10)Согласно данным работы [156] в этом случае длина дуговогопромежутка определяется с учетом расположения точки плавления ZL наповерхности ванны и диаметра капли:Larc  Z m  Z L  D(2.11)Соответственно можно считать, что диаметр капли равен:D36V(2.12)Разумеется, что отрыв капли происходит только тогда, когда объем106капли достигнет критической величины, при которой сила тяжести иэлектродинамическогодавлениядугипревысятсилу поверхностного2натяжения.

В первом приближении электродинамическая сила FI  kI arc, силаповерхностного натяженияFg  Vg , где k = 410-7F  d f dfD, где D –диаметр капли, сила тяжестиH/A2 – магнитная постоянная,  = 0.012 Н/см –коэффициент поверхностного натяжения, g = 9.81 м/с2 – ускорениесвободного падения. Согласно данным работы [156] объем капли Vk в моментотрыва определялся решением уравнения:Vk g  kI 2  d f dfD.(2.13)С учетом этого, в момент отрыва капли от торца проволоки значенияобъема и диаметра капли при V>Vk можно приравнять к нулю: V=0, D=0, чтоавтоматически позволяет увеличить длину дуги (2.11) на диаметр капли.

Сучетом этого, численное решение системы уравнений модели (2.1…2.13),позволяет визуализировать формирование дугового промежутка.На рис. 2.3 показан результат моделирования процесса возбуждениядуги в СО2 проволокой диаметром df=1.2 мм при длине вылета Lf=15 мм.U0=35 В, vf=80 мм/с, Rw=0.08 Ом, Lw=10 мГн.Рис. 2.3. Результат моделирования процесса возбуждения дуги в СО2107Моделирование выполнили для случая сварки стали толщиной 40 мм сузкой разделкой кромок шириной 8…10 мм электродной проволокой Cв08Г2C.Численное решение системы уравнений при моделировании быловыполнено сшагомвремениdt=0.1 мспри начальных условиях,соответствующих короткому замыканию в момент первичного возбуждениядуги при соприкосновении электродной проволоки с металлом стыка.Полученный результат показывает возможность определения длины дуги иее расположения в зауженной разделке кромок с учётом параметров подачиэлектродной проволоки и характеристик источника питания сварочной дуги.Помимо этого, решение этой системы уравнений позволяет оцениватьустойчивость саморегулирования длины дуги.2.2.3.

Подмодель формирования сварочной ванны2.2.3.1. Распределение теплового потока дуги на кромки разделки иповерхность сварочной ванныПри оценке распределения теплового потока дуги на кромки зауженнойразделки и поверхность сварочной ванны необходимо раздельно учитыватьтепловыделение в катодном слое, излучение столба дуги и тепло потокакапель электродного металла [157, 158]. Поэтому при моделировании сваркипо узкому зазору нельзя использовать нормальное распределение тепловогопотока дуги на плоской поверхности [159].Катодное пятно существенно меньше диаметра столба и хаотическиблуждает в пределах круга соприкосновения столба дуги с металлом.Вероятность расположения катодного пятна в данной точке поверхностикромок зависит от расстояния от этой точки до конца электрода. Принятоновое оригинальное положение, что значение плотности тока j в катодномпятне определяются относительным расстоянием от центра активного пятнадуги на торце плавящегося электрода до ближайшей точки на донной части108разделки, либо на ее боковой поверхности:1j  k j exp   2 Z T ( x, y )  Z f R arc2 x 2  y 2  ,(2.14)где Zf – координата конца электрода,ZT(x,y) – координата поверхностикромок,металла,kj–коэффициент,значениекоторогопредложеноопределять итерационно для достижения соответствия распределенияплотности тока j (2.13) заданному значению тока дуги Iarc j dZk varT(2.15)jI arcZTНарис.2.4показанораспределениеудельноймощноститепловыделения в катодном пятне дуги на плоской поверхности металла и вV-образной разделке.Рис.

2.4. Результаты расчета плотности тока в катодном пятне дуги наплоской поверхности металла и в V-образной разделке при токе 200 Аи длине дуги 6 ммИнтенсивность теплового потока в металл от тепловыделения вкатодном слое, определяли общеизвестной зависимостью:qk  jU a(2.16)Однако мощность теплового потока капель Pf предложено оцениватьпо впервые выведенной зависимости:109Pf  I arcU a d 2f4v f cT f ,(2.17)где с - теплоёмкость, Tf –температура нагрева вылета электрода.Распределение температуры по длине вылета электрода рассчитываетсядля установившихся значений уравнения (2.7):Tf z  16zf  T Ic d 2 20fef2dz ,(2.18)где: zf – расстояние от токоподводящего мундштука, e T f  зависимость удельного электрического сопротивления металла электроднойпроволоки от температуры.Впервые предложено в установившемся режиме сварки описыватьформу наружной поверхности сварочной ванны в допущении мгновенногопоглощения ею капли электродного металла с учетом исходной формы ееповерхности.

Данный случай можно описать функцией распределенияобъема капли электродного металла по поверхности ZT, определяемойуравнением (2.19), рис. 2.5:  x, y   ZT  x  v x dt, y   ZT  x, y (2.19)где dt–частота перемещения капель в сварочную ванну.Рис. 2.5. Распределение объема каплиэлектродного металла по поверхностиZT и теплового потока от капель qf вповерхностном слое  (x,y) жидкойпрослойки на поверхности сварочнойванны110Данное допущение позволяет установить важную взаимосвязь междураспределением мощности теплового потока от капель электродного металлапо поверхности ванны следующей функцией:q f  x.

Характеристики

Список файлов диссертации