Диссертация (1026094), страница 13
Текст из файла (страница 13)
На основе математического моделирования в среде ANSYSобнаружили и экспериментально подтвердили возможность управленияэффективностью газовой защиты в условиях ветра за счет стабилизации иувеличения размеров ядра защитной газовой струи при высоких скоростяхистечения из конфузорного сопла сварочной горелки.93Глава 3.
РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙСВАРКИ В УСЛОВИЯХ ВЕТРА3.1. Анализ конструкций сварочных горелок для сварки на ветруЭффективность струйной газовой защиты, а следовательно, качествосварного шва зависит от конструкции горелки и формы сопла, расстояниясопла от изделия, режимов сварки и скорости воздушной среды в зонесварки. Известно, что многие исследователи во всём мире интенсивнозанимались вопросами сварки в защитных газах на ветру.
В работах Т.Г.Квирикадзе, Д.К. Безбаха, J.F. Lowery выполняли сварку горелками сцилиндрическим соплом [15, 49, 103]. Но скорость ветра на этих горелкахпри удалении сопла от сварочной ванны, на расстояние от 0,5D до 1D, быладо 1,5 м/с, далее возникало насыщение шва воздухом [51].Горелки, которые ранее применяли, обеспечивали эффективную газовуюзащиту и качество шва при скорости ветра не более 1,5–2 м/с. Большиескорости ветра требовали сокращения расстояния от сопла до свариваемойповерхности, неприемлемого в производственных условиях.Первые производственные горелки появились в конце сороковых годовпрошлого века, когда начался промышленный процесс сварки алюминия варгоне.
С появлением его возникла необходимость изучения эффективностигазовой защиты в сварных узлах различной конфигурации. На первых порахизучались вопросы влияния формы сопла, конструктивных параметровмагистрали, по которой газ поставлялся к срезу сопла горелки, а такжевеличин расходов защитного газа на эффективность газовой защиты сварныхузлов при их размещении в закрытых помещениях с положительнойтемпературой и без перемещения воздуха [9, 64, 78, 90, 102].Уже первые исследования показали, что всю газовую магистральгорелки, начиная от газового редуктора, установленного на баллоне или94цеховой газовой магистрали, можно разбить на две части – подводящаямагистраль и проточная часть горелки.
Подводящая магистраль проходит отгазового редуктора через приборы аппаратного ящика (ресивер, расходомер,регулятор расхода и т.п.), газовые шланги и заканчивается на деталях,расположенных внутри горелки между корпусом головки и соплом. Этотучасток газовой магистрали вносит в газовый поток большое количествонеравномерностей поля скоростей и турбулентность, пульсацию основныхфизических параметров потока – скорости и температуры.Проточная часть горелки включает в себя детали, обеспечивающиепоступления газа в сопло из корпуса головки горелки, само сопло ипроходящий через сопло неплавящийсяэлектрод или мундштук снаконечником для плавящегося электрода [34].Подобное разделение газовой магистрали, подводящей поток к срезусопла, обусловлено ролью каждой вышеприведенной составляющей вформировании защитной струи.
Дело в том, что эффективность струйнойгазовой защиты тем выше, чем будет однороднее поле скоростей струи насрезе сопла горелки и ниже степень ее турбулентности. Под степеньютурбулентности понимается величина:ε = √(V/)2 / Vср ,где V/, Vср – соответственно величины пульсации скорости в турбулентномпотоке и средней скорости потока, м/с.Прохождениезащитногогазачерезподводящуюмагистральобусловлено не только необходимостью его доставки к сварочной ванне, но инеобходимостью осуществления операций сварочного цикла, таких какпродувка магистрали до зажигания дуги, подача защитной струи насварочную ванну после выключения дуги и т.д.
и т.п. Снижатьнеоднородность поля скоростей и степень турбулентности в подающиймагистрали бесполезно, так как она опять возникнет. В то же время напроточную часть горелки ложится только одна функция – уменьшение95неоднородности поля скоростей и степени турбулентности [36, 60]. Такимобразом,подповышениемэффективностигазовойзащитывсегдапонималось совершенствование проточной части горелки [85].Вторыммоментом,накоторыйобращалосьвниманиепервыхисследователей, был диапазон расходов защитного газа, в пределах которогообеспечивалась эффективная газовая защита.
Верхний предел эффективностигазовой защиты (т.е. максимальные расходы защитного газа, при которыхзащита была эффективна) был близок к критическим числам Рейнольдса, прикоторых ламинарный поток в трубах превращался в турбулентный. Поэтомуобъяснение Борланда и Хала о том, что газовая защита может обеспечиватьсятолько ламинарным потоком, долго господствовала в науке, а как следствиеэтого, верхние пределы расходов были атрибутами сварочных процессов[102].Считается,чтоэффективностьгазовойзащитыопределяетсяконструкцией проточной части горелки и диапазоном расхода защитногогаза, который ограничен критическими числами Рейнольдса, при которыхламинарный поток истечения переходит в турбулентный [1, 2, 9, 59].Формы проточной части горелок для дуговой сварки в защитных газахвесьма разнообразны и зависят от изготовителя. Форма выходного сечениясопла может быть круглой, эллиптической, квадратной, может иметь форму,отличную от формы входного сечения.
По конструкции сопла могут бытьконические (Рис. 56, а); цилиндрические (Рис. 56, б); профилированные (Рис.56, в); коноидальные (Рис. 56, г, ж); катеноидальные (Рис. 56, д, е).Наиболеекомпактнойполучаетсяструяприиспользованииконоидальных сопел. Так называемое сопло Лаваля структурно представляетсобой коноидальное сопло.
Сопло, суженное в середине, имеющее видпесочных часов, служит для ускорения газового потока, проходящего черезнего, до скоростей выше скорости звука (Рис. 56, 3). Несмотря на то, что96коноидальные сопла дают наибольшие выходные скорости и расходы, ихредко применяют на практике.Коническое сходящееся сопло с небольшим углом конусности широкоприменяется в гидравлических узлах и в гидрорезательных машинах.Основным достоинством конического сопла является простота изготовленияпри удовлетворительных гидродинамических параметрах (Рис. 56, 1).В сварочном производстве чаще применяются профилированные сопла,выполненныепопараболическойкривой,вчастностипокривойВитошинского, так называемое сопло Витошинского (Рис. 56, в, 2).Катеноидальный профиль, в отличие от профиля Витошинского, плавносогласуется только с выходным сечением, что позволяет также получатькомпактную струю с равномерным распределением скорости.
Поэтомукатеноидальный профиль нашел широкое применение в гидроабразивнойрезке. Форму катеноидального сопла имеет сопло Вентури (Рис. 56, е).Рис. 56. Конструктивные схемы сопел: а – конические;б – цилиндрические; в – профилированные; г, ж – коноидальные;д, е – катеноидальные; 1 – коническое сопло, 2 – сопло Витошинского,3 – сопло Лаваля97В работе [70] проводился анализ характеристик для различных сопел, втом числе Витошинского, коноидального, катеноидального и конического.Каждое из этих сопел обладает своими достоинствами и недостатками инашлоприменениевопределеннойобласти.Приведенныеданныепоказывают, что при истечении газа из сопла наиболее эффективнымоказывается сопло Витошинского: у него наилучшая компактность струи инаибольший коэффициент преобразования энергии.
На выходе из этого соплаполе скоростей близко к равномерному, а потери минимальны.Для получения потока, в котором поле скоростей будет равномерным ина входе, и на выходе из сопла, необходимо использовать конфузорныесопла, в которых вход и выход газового потока осуществляется повнутренней поверхности, образующая которой асимптотически стремится кпрямой, параллельной продольной оси сопла.Компактность струи в значительной степени зависит от качестваобработки и состояния внутренней поверхности сопел. Поэтому сопладолжны быть изготовлены из стали повышенной прочности, твердых сплавовили металлокерамики, а их внутренняя поверхность отполирована.
Стальныесопла следует закаливать.Как уже говорилось ранее, основная задача проточной части горелкиуменьшать неоднородность поля скоростей и турбулентность в потокезащитного газа, поступающего в проточную часть. Истечение газа из горелкидолжно быть равномерным по всему сечению сопла, для чего применяютразличные схемы ввода газа в сопло горелки (Рис.
57). Мундштукцелесообразно несколько утопить в горелке. Для улучшения истечения газавнутреннюю полость сопла делают параболической или конической сцилиндрической частью на выходе (Рис. 57, б, в).Совершенствование форм проточных частей горелок производилось нетолько в институтах исследовательских и учебных, но и на предприятиях,98занимающихся сваркой в защитных газах.
В табл. 16 представлено 20 типовгорелок, разработанных на одном предприятии [88, 95].Рис. 57. Схемы подвода газа в сварочных горелках: а – с кольцевымподводом газа; 6 – с отражателями; в – с успокоительными камерами;г – с сеточными вставками; д – с металлокерамическими вставками;1 – отражатель газа; 2 – успокоительная камера;3 – сетка; 4 – металлокерамика [68]Проточные части этих горелок состоят из цилиндрических, коническихили сочетающих конус с цилиндром сопел, по оси симметрии которыхрасполагаются цанги с неплавящимися электродами или мундштуки снаконечниками для подачи плавящегося электрода (не указанных здесь). Всеэти горелки объединяет тождество свойств струй, вытекающих из них.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
