Диссертация (1026094), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Очертания зоныгазовой защиты из круглых превращаются в эллипсообразные. При углахнаклона 700 и более эффективность газовой защиты нарушается. Деформациязоны газовой защиты приводит к тому, что ширина зоны остаетсянеизменной, а длина увеличивается. Если длину зоны обозначить как lз , тополучаем функцию lз /D0 = f (α) (Рис. 41).lз /D0Рис. 41. Изменение размеров зоны газовой защиты в зависимости от угланаклона горелки при D0, мм: 18 (1, 4, 7); 20 (2, 5, 8); 22 (3, 6, 9)76Использование зависимостей, представленных на Рис.
40 и 41, даетвозможность оценивать максимальные размеры зоны газовой защиты подиаметру сопла горелки, безразмерному вылета электрода при углах наклонагорелки в диапазоне изменения 150 ≤ α ≤ 650.В связи с тем, что сварка конструкций на открытых монтажныхплощадках в основном выполняется плавящимся электродом в средеуглекислого газа, необходимо установить возможно ли применениеполученных значений расходов аргона для использования углекислого газа.Известно, что несмотря на небольшое различие в плотностях газов (ρ Ar =1,78 кг/м3, а ρCO2 = 1,94 кг/м3) защитные струи аргона и углекислого газа и вкачественном, и в количественном отношении ведут себя примерноодинаково. Подобные свойства струйного движения у газов разнойплотности по отношению к воздуху неоднократно отмечались. Только присущественном различии плотности газа струи и плотности воздуха (0,25 ≥ρв/ρс≥4) эти свойства начинают изменяться [69, 75].
Таким образом,сформулированные требования позволяют применять полученные формулыи зависимости как для дуговой сварки неплавящимся электродом в средеаргона, так и для сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа.Экспериментальное подтверждение было получено при сварке образцовиз малоуглеродистой стали 09Г2С с применением горелки с конфузорнымсоплом, в качестве защитного газа использовали углекислый газ высшегосорта по ГОСТ 8050-85, сварочную проволоку Св-08Г2С диаметром 1,2 ммпо ГОСТ 2246-70.
Условия эксперимента оставляли те же, что и припроведенииисследованийсиспользованиемаргонодуговойсварки.Минимальные расходы углекислого газа в сопло соответствовали расходамаргона при тех же скоростях сносящих потоков.Представленные в главе 4 результаты испытаний образцов доказываютвышеизложенные утверждения.772.5.
Математическое моделирование параметров защитных газовструи при сварке в условиях ветраВ настоящее время важным условием совершенствования сварочногопроизводства является не только развитие теоретических основ сварки сиспользованиемновейшихдостиженийвразличныхобластяхфундаментальных и прикладных наук, но и создание высокоэффективныхметодов и средств моделирования и имитации сварочных процессов [28].Применениематематическихметодовиматематическогомоделирования сварочных процессов позволяет исследовать процессы,происходящие в сложных технологических системах, и не только получитьописание их основных закономерностей, но и эффективно управлять ими.Математическоемоделированиепозволяетоптимизироватьусловияпротекания процесса образования сварного соединения, предотвратитьпоявление недопустимых дефектов сварных швов, соединений, конструкцийи одновременно повысить производительность сварочных операций.В связи с тем, что при сварке на ветру газовая защита сварочной ванныобеспечиваетсяядромструи,содержащимисходнуюконцентрациюзащитного газа, которое деформируется и сокращается в условиях ветра,конструкция сварочной горелки должна обеспечивать жесткость защитнойструи и максимально возможные размеры ядра при оптимальном расходезащитного газа.Одним из направлений создания эффективной газовой защиты вусловиях ветра является создание принципов ее организации путемсовершенствования конструкций сварочных горелок [34].Многочисленныеэкспериментальныеисследованияпоказали,чтосохранение ядра защитной струи при высоких скоростях ее истечения вусловиях сносящих потоков может обеспечиваться только горелками сконфузорной проточной частью (Рис.
42, б). Сварочные горелки с так78называемой цилиндрической проточной частью не могут обеспечитьсохранение ядра при высоких скоростях истечениях газа (Рис. 42, а) [34].а)б)Рис. 42. Схема истечения защитного газа из сварочного сопла:а – цилиндрическое сопло; б – конфузорное сопло;1 – конфузорное сопло; 2 – пакет сеток; 3 – корпус; 4 – электроднаяпроволока; 5 – изделие; 6 – цилиндрическое сопло; 7 – мундштукДля сравнения скоростей истечения и давления потока газа на выходе изцилиндрического и конфузорного сопла выполнили расчет. Скоростьистечения защитного газа определяли по формуле [62]:Vc = Q/S ,где Q – расход газа через сопло, л/мин;S – площадь поперечного сечения среза сопла горелки, м2,S = π(D02 – d2)/4,где D0 и d – соответственно диаметры сопла и электрода, м.Динамический напор потока газа определяли по формуле:P = ρVc2 /2 ,где P – величина динамического напора газа, Па;ρ – плотность газа, кг/м3;Vc – скорость истечения, м/с.79Площадь поперечного сечения входного отверстия цилиндрического иконфузорного сопел одинакова и равна S = 706 мм2.
Площадь поперечногосечения выходного отверстия цилиндрического сопла Sц = 532 мм2,конфузорного Sк = 314 мм2 (табл. 13).Таблица 13.Скорость истечения газа на срезе соплаВидсоплаПлотность ПлощадьПлощадьгаза ρ,входноговыходногокг/м3сечения, мм2 сечения, мм2Цилиндрическое5321,78706КонфузорноеПо314результатамрасчетовРасходгаза Q,л/минСкоростьистеченияVc, м/сДинамический напоргаза P, Па150,510,23200,650,37250,810,58401,291,48501,622,34151,251,39201,672,48252,093,89403,359,99503,9914,7установлено,чтоприиспользованииконфузорного сопла по сравнению с цилиндрическим соплом скоростьистечения газа при одинаковом его расходе возрастает примерно в 2,6 раза(Рис. 43).Рис.
43. Скорость истечения газа Vc из цилиндрического (ЦС) иконфузорного (КС) сопла80Проведение экспериментов осуществляли на созданном лабораторномстенде, состоящим из сварочной горелки, двухрежимной аэродинамическойтрубы с системой управления, создающей различные скорости воздушногопотока.Проведение эксперимента требует наличия громоздких установок,дорогостоящего оборудования и временных затрат.
Кроме того, сложностьфизических явлений, протекающих при высокой температуре и малыхразмерах сварочной ванны, затрудняет процесс исследования в условияхсносящих воздушных потоков.Для преодоления возникающих затруднений широко используетсякомпьютерное моделирование сварочных процессов. Компьютерные моделибазируются на известных математических зависимостях и позволяютнаглядно представить протекающие при сварке процессы и полученные приэтом результаты, они значительно сокращают трудоемкость и длительностьопределения оптимального решения, а также увеличивают точностьполученных результатов в сравнении с вычисленными вручную.На основе численных методов построена расчетная часть большинствасовременных САЕ систем, представленных на рынке в большом количестве ишироко используемых для решения задач гидродинамики и теплообмена,таких как ANSYS CFX и Fluent, SolidWorksFlowSimulation, FlowVision,FLOW-3D и другие.
Однако программные продукты имеют практическуюценность только в том случае, если используют модели и зависимости,адекватно описывающие процесс и обеспечивающие хорошую сходимостьрезультатов.С помощью программной среды ANSYS Fluent, предназначенной длярасчета задач газо- и гидродинамики, построили модель процесса истечениязащитного газа из сопла сварочной горелки и провели оценку картиныформирования и поведения струи с удалением от среза сопла при сварке взащитном газе.81На начальном этапе исследования для поставленной задачи ищетсястационарное решение двумерной осесимметричной модели без учетабокового ветра.
Рассматриваемые скорости истечения газа позволяют решатьзадачу в существенно дозвуковом приближении, т.е. газ считаетсянесжимаемым. Движение и теплообмен в жидкости и газе в программномкомплексе ANSYS Fluent моделируется с помощью уравнений Навье-Стокса,описывающих законы сохранения массы, импульса и энергии этих сред.Посколькуиспользуемыевматематическоймоделисистемыдифференциальных уравнений не имеют аналитического решения, ониприводятся к дискретному виду и решаются на некоторой расчетной сеткеметодом конечных объемов.В качестве расчетной области рассматривали сопло сварочной горелкипосле пакета сеток и прилежащую область длиной 1 м от выходного сечениясопла.
Размеры области выбраны таким образом, чтобы вместить основныевозмущения потока.На Рис. 44 приведен вид расчетной области и сетка из 54500 ячеек дляцилиндрического и конфузорного сопел (с отражением по оси симметрии).Рис. 44. Вид расчетной области и расчетных сеток для цилиндрического(слева) и конфузорного (справа) сопла82На входе в область задавали равномерный профиль постоянной скоростиистечения газа, на стенках сопла скорость газа принимали равной нулю, награницах внешней области задавали условие свободного протекания газа,давление на внешних границах расчетной области принимали равныматмосферному. Предполагали, что расчетная область заполнена защитнымгазом, в данном случае аргоном. Для обоих сопел рассматривали нескольковеличин скорости газа на входе: 0,5; 1,0; 2,5 и 5,0 м/с, что соответствуетпримерным объемным расходам защитного газа 6, 12, 30 и 60 л/с.В расчетной области численно решали систему уравнений Навье-Стокса(уравнения движения вязкой жидкости), осредненных по Рейнольдсу(Reynolds Averaged Navier-Stokes – RANS), состоящую из уравнениянеразрывности, которое демонстрирует закон сохранения массы, и уравненияпереноса, описывающее перенос сохраняющейся скалярной величины впространстве.Системупринимализамкнутойспомощьюмоделитурбулентности k-ω SST [107].ppдui= 0дxiд− дpд дui дu j 2 дul д(ui u j ) =++− δ ij− pui'u j' ,µ +дx jдxiдx j дx j дxi 3 дxl дx j()где u – поле скоростей (u¯ – скорость, осредненная по времени,u' – пульсационная составляющая),p – давление,μ – молекулярная вязкость.Анализ результатов моделирования показал, что форма и скоростьпотока газа при истечении из цилиндрического и конфузорного сопла сильноотличаются.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
