Автореферат (1026093), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Содержание азота и кислорода вметалле сварного шва определяли с помощью газоанализатора ELTRA ON900 всоответствии с ГОСТ 18895-97 методом восстановительного плавления вграфитовых тиглях в среде сверхчистого гелия.На защиту выносятся следующие положения:− разработанные математические модели истечения защитных газовыхструй в условиях ветра;− результатырасчетно-экспериментальных исследований параметроврежима сварки в условиях ветра;− оборудование и технология дуговой сварки в условиях ветра;− результаты исследований свойств сварочной дуги и сварных соединенийв условиях ветра.Степень достоверности полученных результатов подтверждается:− применением теории моделирования газодинамических процессов;− применением стандартных апробированных средств измерений и методовматематической обработки экспериментальных данных;− применением расчетно-экспериментальных методов моделированияпроцесса сварки при воздействии ветра;5корректностьюматематическихмоделейирезультатовэкспериментальных измерений и их адекватностью известным критериямоценки изучаемых процессов;− производственными испытаниями новой технологии и оборудования вусловиях ветра;− экспериментальными исследованиями свойств сварочной дуги исварных соединений при дуговой сварке в условиях ветра.Апробация работыОсновные и отдельные положения работы представлены и обсуждены нароссийских и международных конференциях и семинарах: научно-техническихсеминарах кафедры теории и технологии сварки материалов СПбПУ (С.Петербург, 2014, 2015, 2016 г.); научно-технических семинарах кафедрытехнологий сварки и диагностики МГТУ (Москва, 2015, 2016 г.); всероссийскихнаучно-практических семинарах «Металлургия сварки и сварочные материалы(Петровские чтения)» (Зеленогорск, 2015 г., С.-Петербург, 2016 г.);молодежных форумах в рамках международной выставки СВАРКА/WELDING(С.-Петербург, 2012, 2016 г.); международных научно-техническихконференциях (Курск, 2014, 2015, 2016 г.); VI Российской научно-практическойконференции «Актуальные вопросы нефтегазового строительства» (Москва,2015 г.); научно-техническом семинаре кафедры сварки, обработки материаловдавлением и родственных процессов ТГУ (Тольятти, 2015 г.); молодежныхнаучно-практических конференциях в рамках Недели Науки СПбПУ (С.Петербург, 2013, 2014, 2015 г.); научно-технической секции «Технологиисудостроения» Российского Научно-технического Общества судостроителейим.
ак. А.Н. Крылова (С.-Петербург, 2013 г.); международном научнопрактическом семинаре «Сварка в судостроении и машиностроении» (С.Петербург, 2011 г.); научно-техническом семинаре «Современные технологии впромышленности России» (С.-Петербург, 2011 г.).ПубликацииПо материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе5 работ в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК,получен 1 патент РФ на изобретение.Личный вклад автораЛичный вклад автора в исследованиях и разработках составил до 80 %. Вработах, выполненных в соавторстве, вклад автора заключался в постановкепроблемы, разработке методов исследований, построении математическихмоделей, разработке установки для моделирования процесса сварки,проведенииэкспериментальныхисследований,разработкеспециализированного оборудования и технологии.Структура и объемДиссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы.Работа изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 103рисунка, 35 таблиц, 107 наименований библиографических источников.Внедрение и опробование результатов работыОтдельные разделы диссертационной работы выполняли в ФГАОУ ВО−6«СПбПУ» в 2011–2014 гг.
в рамках госбюджетной НИР № 01201165735, в2015–2016 гг. в рамках НИР № 203315501 по заказу ООО «ГазпромВНИИГАЗ».Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены вучебный процесс при подготовке бакалавров и магистров ФГАОУ ВО«СПбПУ». Система автоматического управления потоком защитного газапрошла промышленное опробование в Научном учреждении «Центрстратегических исследований», научные результаты диссертации использованыв практике работы ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей», экспериментальнаятехнология внедрена в ООО «Техник-V», ООО «МРК Модуль», оборудованиепрошло промышленное опробование в ЗАО «Невский завод» (г. СанктПетербург, РФ) и на предприятии «BUCHER» (г. Вентспилс, Латвия).ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновали актуальность исследований, определили цель изадачи работы, сформулировали положения, определяющие научную новизну ипрактическую значимость работы, основные положения, выносимые на защиту.В первой главе провели анализ особенностей дуговой сварки в защитномгазе на открытых монтажных площадках.
На основе данных ГидрометеоцентраРФ установили диапазоны скоростей и усилений ветра.На основании данных НАКС проанализировали типичные дефекты,возникающие при сварке на ветру. В качестве критериев оценки качествавыбрали требования нормативных документов с применением разрушающих инеразрушающих методов контроля. На основании анализа способов улучшениягазовой защиты установили, что эффективность определяется стабильностью,формой и размерами ядра защитной струи, которые зависят от скоростиистечения и расхода газа, траектории движения защитной струи по соплу,равномерности поля скоростей и турбулентности струи на выходе из сопла вусловиях ветра.Во второй главе разработали методику, провели исследованиязакономерностей истечения защитных газовых струй, определилихарактеристики эффективности газовой защиты при сварке в условиях ветра,разработали физическую и математическую модели истечения защитнойгазовой струи из сопла сварочной горелки.Для моделирования процесса сварки в условиях ветра разработалиуниверсальный стенд с многорежимной аэродинамической трубой иавтоматической системой управления, позволяющей регулировать скорость,длительность и усиления ветра (Рис.
1).При исследованиях выполняли серию экспериментов с определеннойбезразмерной величиной отношения H/D0 (где: H – расстояние от среза сопла досвариваемой поверхности, D0 – диаметр выходного отверстия сопла), сизменением сварочного тока I, продолжительности горения дуги t, скоростиветра Vв, скорости защитной струи Vс, расхода защитного газа Qг.
Установили,что деформация защитной газовой струи при воздействии ветра изменяетградиент скорости на срезе сопла, что сокращает длину ядра защитной струи.7Рис. 1. Общий вид стенда: 1 – конфузорное сопло; 2 – дроссельная заслонка; 3 – шибернаязадвижка; 4 – корпус вентилятора; 5 – компьютерное управление; 6 – горелкаРасчетно-экспериментальным способом установили зависимости иколичественные связи между скоростью струи защитного газа (Рис.
2),расходом газа (Рис. 3) и конструктивно-технологическими параметрами сварки,при которых обеспечивалась эффективная газовая защита на ветру:Q = Vвkf(2,5H/D0 + 0,6h)*π(D02 – d2)/4 .Рис. 2. Характеристика эффективностигазовой защиты в зависимости отсоотношения скоростей струи и ветра иотношения H/D0Рис. 3. Зависимости расходов аргона,обеспечивающие эффективную защиту:1 – H/D0= 0,5; I = 250 A; 2 – H/D0 = 1,0; I = 250 A; 3 –H/D0 = 0,5; I = 400 A; 4 – H/D0 = 1,0; I = 400 AОпределили, что эффективная газовая защиты на ветру достигается присоотношении Vс/Vв = 1,8 если H/D0 = 0,5 и Vс/Vв = 3,2 если H/D0 = 1.Установили, что реальными рабочими расстояниями от среза сопла досвариваемых поверхностей должны быть величины: H/D0 = 1 и менее.Экспериментально подтвердили, что полученные формулы и зависимостивозможно применять как для дуговой сварки неплавящимся электродом в средеаргона, так и для сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа.Математическое моделирование газодинамических процессов производилив среде ANSYS Fluent.
Результаты первого этапа компьютерногомоделирования предлагались для свободных струй, развитие которых неограничено твердой поверхностью. При моделировании применяликонфузорное сопло и сопло цилиндрической формы диаметром 30 мм.Для обоих сопел рассматривали несколько величин скорости газа на входев сопло. Движение и теплообмен в газе моделировали с помощью уравненийНавье-Стокса, осредненных по уравнениям Рейнольдса (RANS), которыеприводили к дискретному виду и решали на расчетной сетке (Рис. 4).8pдu iдx i=0p[(дui дu j 2 дulд−дpд( ui u j )=+μ+− δдx jдx i дx jдx j дx i 3 ij дx l)]+д(− p ū'i ū'j )дx jгде u – поле скоростей (u¯ – скорость, осредненная по времени, u' –пульсационная составляющая), p – давление, μ – молекулярная вязкость.Рис. 4. Схема истечения защитного газа из сопла: цилиндрического (6); конфузорного (1);2 – пакет сеток; 3 – корпус; 4 – электродная проволока; 5 – изделие; 7 – мундштук.Справа – вид расчетных сеток для цилиндрического и конфузорного соплаАнализ результатов моделирования позволил установить зависимостипродольного и поперечного поля скоростей газовой струи, определитьизменение формы и протяженности ядра при определенных скоростях струи иветра и подтвердить способность конфузорного сопла обеспечивать жесткостьи ветроустойчивость струи (Рис.
5).Рис. 5. Продольное и поперечное осесимметричное поле скоростей струи на выходе изцилиндрического (слева) и конфузорного сопла при скорости потока на входе 5 м/сПолученные при моделировании данные позволили рассчитатькоэффициенты, подтверждающие жесткость и ветроустойчивость защитнойструи при высоких скоростях истечения при использовании конфузорногосопла (Рис. 6, 7).Рис.
6. Коэффициент изменения скоростизащитной струи в продольном поле Vmin/VmaxРис. 7. Коэффициент изменения величиныпограничного слоя защитной струи Кпс9Влияние ветра, электрода и плоскости, имитирующей свариваемуюповерхность моделировали при решении трехмерной задачи. По результатамбыла получена трехмерная модель деформации газовых потоков, распределениескоростей потока, определены границы ядра струи и области распределенияконцентрации защитного газа при различных скоростях ветра (Рис. 8).Рис. 8.
Распределение концентрации защитного газа и скоростей газовых струйпри сварке в среде СО2 с использованием конфузорного сопла; Vс/Vв = 2,0Установили зависимость эффективности газовой защиты от соотношенийскоростей струи и ветра Vс/Vв, параметров режима сварки, определиликритерий эффективности газовой защиты. Виртуальная модель доказалаобразование вихревых зон при обтекании элементов горелки на её продольнойоси, которые могут быть причиной нарушения газовой защиты при сварке.Сравнение данных ANSYS с экспериментальными результатами показалоих расхождение на 5–8 %, что позволило сделать заключение об адекватномсоответствии расчетных и экспериментальных значений и о пригодностиразработанной модели для проведения дальнейших численных экспериментов.Третья глава посвящена разработке оборудования для дуговой сварки вусловиях ветра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
