Диссертация (1024714), страница 17

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

Текст из файла (страница 17)

y  Pf vx dZTrf2 v f dxПолученноераспределение(2.20)мощности,рис.2.5,соответствуетформированию наплавляемого слоя при допущении, что электродный металлмгновенно переносится в этот слой, т.е. капля, переместившаяся в сварочнуюванну,мгновенновыдавливаетсяиз-поддугиееэлектромагнитнымдавлением. Мощность излучения столба дуги определяется напряжениемстолба, прямо зависящим от длины дуги. При сварке задают напряжение U0на горелке, но часть, которого падает в вылете электрода.Электрическое сопротивление вылета с учетом зависимости (2.4)равно:1Rf  2rfLf  T z dz ,ef(2.21)0Падение напряжения в столбе дуги составляет:U c  U 0  U a  U k  I arc R f .(2.22)Мощность тепловыделения в столбе дуги частично переноситсяконвективными потоками плазмы к поверхности металла, и частичноизлучается поверхностью факела.

Мощность излучения поверхностью столбадуги согласно данным работы [148] можно оценить значением:Pr  Rarc Larc k r T p4 ,(2.23)где kr=5,67 10—8 Вт/(м2×К4) – постоянная Стефана-Больцмана, Tp –температура плазмы столба дуги, принятая равной 8000 К.Для упрощения расчетов примем, что это излучение исходит из центраплазменного факела дуги. Этот факел охватывает конец электрода, поэтомуза центр допустимо принять точку Zf, рис.2.1. Тогда удельный поток теплотыубывает при удалении от центра излучения, соответственно в точке паденияна поверхность разделки его интенсивность можно определить как:111qr Prcos ,4r 2(2.24)где r 2  x 2  y 2  Z f  Z T 2 - расстояние от конца электрода Zf до точкиповерхности ZT ,  - угол падения излучения на поверхность.Остаток тепловой мощности, выделяемой в столбе дуги, переноситсяпотоками плазмы в металл кромок. Если принять, что тепловой поток плазмы,мощность которого распределена по поверхности кромок по тому же закону,что и плотность тока (2.14), то распределение интенсивности тепловогопотока можно определить решением системы оригинальных уравнений:1222 q p  k p exp  2 Z T ( x, y )  Z f   x  y  R arc.K P  var q p dZ T  I arcU c  PrZTПолученноераспределениеинтенсивности(2.25)тепловогопотока,создаваемого тепловыделением в столбе дуги на поверхности зауженнойразделки, показано на рис.

2.6.Рис. 2.6. Распределение по поверхности разделки излучения qr дуги сучетом изменения угла  воздействия на боковую поверхность узкойразделки и потоков плазмы qp в поверхность донного участка разделкиСледует учитывать, что угол  воздействия излучения может112изменяться от 0 до практически 900 по поверхности разделки. Дополнительнона его изменения также влияет угол раскрытия кромок и ширина разделки В.2.2.3.2. Тепловые процессы при двухдуговой сварке по узкому зазоруВ модели использовали неподвижную декартову систему координатx,y,z, в которой две дуги перемещаются вдоль координаты x.Это потребоваловвести в общеизвестное уравнение математической физики теплопереносаслагаемые, учитывающие переменную скорость движения расплава:H   T    T    T HH     vz,     vxt x  x  y  y  z  z xz(2.26)где H – энтальпия, Дж/см3, T=T(H) – температура, нелинейнозависящая от энтальпии,  - теплопроводность, Вт/(см К), vx, vz – скоростидвижения расплава, определяемые сечением сварочной ванны и потокомкапель электродного металла.Экспериментальнуюзависимостьтемпературыотэнтальпиипредложено представлять кусочно-линейной аппроксимацией:Ts  T0T0  H  H 0 Hs  H0T TT ( H )  Ts  H  H s  L sHL  HsTvap  TLTL  H  H L H vap  H Lпри H  H sпри H s  H  H L(2.27)при H  H Lгде TS,TL, Тvap,HS,HL, Нvap,– значения температур солидуса, ликвидуса и кипения,а также значения соответствующих энтальпий.На верхней поверхности кромок действует более рассеянный тепловойпоток дуги, что учитывается граничным условием общеизвестного уравненияматематической физики:T qk  qr  q f ,n( x, y , x )  Z T .(2.28)где n – нормаль к поверхности ZT, qk, qr, qf – тепловые потоки, Вт/см2,создаваемые тепловыделением в катодной области, излучением дуги и113каплями электродного металла.Теплоотдачу на верхней и нижней поверхностях также целесообразноучитывать по общеизвестному уравнению математической физики:T bT  T0 ,z(2.29)( x, y , x)  Z T  Z B ,где b – коэффициент теплоотдачи, Вт/(см2 К).2.2.3.3.

Формирование наружной поверхности сварочной ванныРасположение наружной поверхности расплава сварочной ванныZ(x,y)целесообразно определять с учетом равновесия давлений согласно 3-гозакона Ньютона:(2.30)p  p g  pi1  pi 2  pv  pwгде p - капиллярное, создаваемое силами поверхностного натяжения,pg – гравитационное, pi1, pi2 – электродинамическое, создаваемое токамипервой и второй дуги, pv – гидродинамическое, создаваемое напором потокарасплава при его течении через сечение переменной площади, pw –внутреннее, обеспечивающее сохранение объёма расплава.В работах [123, 126] предложено выражать зависимость этихсоставляющих давления через параметры процесса и размеры сварочнойванны, что позволяет определить расположение поверхности сварочнойванны Z(x,y).

Однако для случая сварки по узкому зазору добавленослагаемое, которое учитывает гидродинамическое давление расплава:r12r22 2 2 2Z 2Z kk  2  2   g  z max  Z   2 I 12 e R1  2 I 22 e R2   v x2  v 2y  pW ,y R1R2 x(2.31)где  - коэффициент поверхностного натяжения,  - плотность, g –гравитационное ускорение, I1, I2, R1, R2 – токи и силовые радиусы дуг, r1, r2 –расстояния от оси первой и второй дуг до рассматриваемой точкиповерхности сварочной ванны, pW – внутреннее давление в расплаве.Установлено, что для повышения точности расчетов скорость течения114расплава целесообразно определять по площади поперечного сечениясварочной ванны S(x)и потоку массы M(x)(кг/с) расплава через это сечение:vx ,0 M x ,S  x (2.32)Данное значение скорости расплава является средней скоростью посечению ванны.

Так как на дне сварочной ванны скорость течения равнанулю и допущении, что скорости линейно нарастают к поверхности расплава,скорость у поверхности предлагается рассчитывать по соотношению:z  ZL,Z  x, y   Z Lv x  2v x ,0(2.33)где ZL – координата глубины до дна ванны.Учет данного предложения позволяет определить скорость потока изусловия его неразрывности в вертикальном направлении:vv z xzxz, vz v x xZLdz M x  z  Z LZ  x, y  .S x  Z x, y   Z L x(2.34)Поток массы расплава, проходящий через продольное сечениесварочной ванны, предложено определять по отношению количестваплавящегося и кристаллизующегося металла кромок (основного металла) кдополнительному объему металла, поступающего в сварочную ванну приплавлении электродной проволоки:r12r222 2 dS L   d f ,1v f ,1 R12 d f , 2 v f , 2 R22M X    e edx4  R12R220X  dx , (2.35)гдеSL– площадь поперечного сечения расплавленного металла кромок,df, vf –диаметры и скорости подачи электродной проволоки.Внутреннее давление определяли согласно уравнению сохранениямассы расплава решением вариационной задачиpW  var T   vw   Z  Z 0 dy y T0  d 2f ,1v f ,1  d 2f , 2v f , 2  ,4где Z0 – исходный профиль кромок.(2.36)115Граничными условиями уравнения(2.31) являются координатыисходного профиля кромок (на фронте плавления) и профиль шва (на фронтекристаллизации):Z T ,B  Z 0 ,Z T , Bx 0,T 0 & T  TL ,x(2.37)T 0 & T  TL ,xгде TL – температура ликвидуса.Приведенные зависимости позволяют не только описать формированиеповерхности сварочной ванны, но и учесть ее расположение в разделке.2.2.4.

Структура модели формирования шва при двухдуговоймногопроходной сварке по узкому зазоруОсновой подмодели формирования сварочной ванны является системауравнений(2.15)…(2.37),описывающихтепловойпотокдуги,распространение теплоты в металле, равновесное положение поверхностисварочной ванны. Исходные данные для решения этой системы уравненийучитывают геометрию разделки кромок и теплофизические свойствасвариваемого металла, а также режим сварки. Данные о режиме сваркивключают значений скорости сварки и подачи электродной проволоки, атакже результаты расчёта энергетических характеристик дуги (см. раздел.2.3): средние значения тока, радиуса столба, длины и напряжения дуги.Модель учитывает взаимодействие (взаимное влияние) процессов,рис.2.7:- нелинейную зависимость температуры основного металла и металлаэлектродной проволоки от энтальпии;- нелинейную зависимость теплопроводности металла от температуры;- зависимость формы поверхности сварочной ванны от распределения вней температуры и скорости течения расплава;116- зависимость распределения теплового потока дуги от формыповерхности сварочной ванны;- зависимость скорости течения расплава от формы сварочной ванны.Рис.

2.7. Структура модели формирования шва при двухдуговоймногопроходной сварке по узкому зазоруВновьустановленнымиособенностямипредставленнойформирования шва в зауженную разделку кромок является:модели117- учёт влияния формы разделки (глубина которой изменяется припоследовательномвыполнениипроходов)икратераподдугойнараспределение интенсивности теплового потока по поверхности кромок исварочной ванны;- разделение теплового потока дуги на составляющие, обусловленныетепловыделением в катодном пятне, потоком капель электродного металла,излучением дуги и плазменным потоком в столбе дуги;- учётом гидродинамического давления на поверхность сварочнойванны, обусловленного различием значений скорости течения расплава подлине ванны, вследствие изменения площадей ее поперечных сечений.Приведенная структура физико-математической модели формированиясварочной ванны и шва позволяет учитывать все основные процессы,происходящие при двухдуговой сварке в защитных газах.

Характеристики

Список файлов диссертации