Диссертация (1026094), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Поэтому визуально, без31каких-либо дополнительных технических средств, наблюдение за процессомпереноса не представляется возможным. Таким образом, исследованиесварочно-технологических характеристик дуги необходимо провести спомощью скоростной киносъемки [61].Вторым важнейшим параметром, влияющим на свойства сварочной дугии сварных соединений, является напряжение. С изменением напряженияизменяется ширина шва и формирование валика. Оптимальное напряжениедуги зависит от силы тока, диаметра и состава электрода, а также родазащитного газа.Стабильность процесса сварки определяется временем, на протяжениикоторого заданный режим сварки сохраняется неизменным и происходитобразование шва, и характеризуется изменением напряжения и тока напротяжении процесса сварки.Поскольку процесс сварки на ветру характеризуется быстрым ихаотичным изменением положения столба дуги, необходимо установитьнасколько скорость ветра влияет на изменение параметров режима сварки инасколько минимальна продолжительность восстановления процесса при егозатухании.Таким образом, для качественной и количественной оценки этихизменений целесообразно исследовать изменения сварочного тока инапряжения сварочной дуги при воздействии на нее сносящих воздушныхпотоков, которая осуществляется с помощью осциллографирования тока инапряжения сварочной дуги.
Данные исследований могут установить связьвнутренних параметров дуги с внешними параметрами, такими как скоростьвоздушных потоков и явиться основой для выбора рациональных режимовсварки в условиях ветра [61].Расход защитного газа в обычно применяемых пределах не влияет натехнологические характеристики процесса, но в условиях сносящих потоков,когда эффективность газовой защиты в первую очередь, зависит от скорости32истечения защитного газа из сопла, его влияние на процесс приобретаетважнейшее значение.
Состав защитного газа существенно влияет настабильность и технологические характеристики процесса сварки, способпереноса электродного металла, глубину проплавления и профиль шва, что всвою очередь, в целом, влияет на качество сварного шва [69].Втабл.5приведенынекоторыефизическиесвойствагазов,используемых в качестве защитной атмосферы при сварке в защитном газе.Таблица 5.Некоторые физические свойства газовГазПлотностьДинамическаяАтомМолеПотенциал0при 0 С ивязкость принаякулярнаяионизации,101,3 кПа,20 0С, μ, 10-8массамассаUi, эВ3кг/мПа·сСтепеньдиссоциациипри 5000 КАргон39,9480-1,783315,762215НедиссоциируетГелий4,0026-0,178524,581946НедиссоциируетУглекислыйгаз-44,011,976014,4014630,99Воздух-28,981,2930-1812-Надежностьзащитызонысваркиотвоздухаповышается,анеобходимый расход газа понижается с увеличением плотности газа и егоспособности к термической диссоциации.
С увеличением плотности газаповышается устойчивость струи газа, что затрудняет ее сдувание потокамивоздуха. Диссоциация защитного газа в зоне сварки сопровождаетсяувеличением объема газа и следовательно, более интенсивным оттеснениемвоздуха [54, 58]. Применение углекислого газа в условиях ветровых нагрузокпозволит создать эффективную газовую защиту и обеспечить необходимыесварочно-технологические свойства дуги.
В связи с вышеизложенным,необходимо исследовать сварочно-технологические свойства дуги и свойствасварных соединений в условиях ветра [61].33Цель и задачи работыАнализ дефектов и способов улучшения газовой защиты при дуговойсварке в условиях ветра позволил сделать вывод о том, что одним изосновных условий получения бездефектного шва высокого качества являетсянадежная защита зоны сварки защитным газом, а для этогоисследоватьзакономерностиистечениязащитныхнеобходимогазовыхструйихарактеристики эффективности газовой защиты.Анализ существующих решений и способов улучшения газовой защитыв условиях ветра показал, что наиболее эффективным решением проблемыкачества сварки на ветру является комплексный подход через управлениеистечением защитной газовой струи, разработку специализированногооборудования и технологии.Цель работы: повышение эффективности газовой защиты и качествасварных соединений при дуговой сварке в условиях воздействия ветра путемразработки специализированного оборудования и технологии.Для реализации поставленной цели необходимо решить следующиезадачи:1.
Выполнить анализ дефектов и способы улучшения газовой защитыпри дуговой сварке в условиях ветра.2. Исследовать закономерности истечения защитных газовых струй ихарактеристики эффективности газовой защиты при сварке в условиях ветра.3. Разработать специализированное оборудование и технологию длясварки в условиях ветра.4.Исследовать технологические особенности сварочной дуги исвойства сварных соединений, полученных при сварке на ветру.Решение поставленных задач определяет научную новизну работы и еепрактическую значимость.34Глава 2.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИСТЕЧЕНИЯЗАЩИТНЫХ ГАЗОВЫХ СТРУЙ И ХАРАКТЕРИСТИКЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОВОЙ ЗАЩИТЫ ПРИ СВАРКЕ ВУСЛОВИЯХ ВЕТРА2.1. Строение и свойства защитной газовой струиЭффективность защиты зоны сварки в значительной степени зависит отхарактераистечениягазовойструиизсоплагорелки.Однакоуисследователей нет единого мнения по этому вопросу. А.В. Петров считает,что течение газа имеет ламинарный, В.С. Головченко и А.В. Никонов –турбулентный характер. Исследования В.В. Ардентова, С.А. Ивченко,выполненные в течение последних лет, показывают, что получитьудовлетворительную защиту зоны сварки удаётся при значительныхскоростях истечения защитных газов [59, 63].К концу XX века среди специалистов определился единый подход приисследовании и описании процесса струйной газовой защиты зоны сварки,состоящий в том, что течение защитного газа из сопла горелкирассматривается с позиций теории турбулентных струй.
Сопоставлениесвойств защитных и турбулентных затопленных струй показало, что газоваязащита осуществляется ядром затопленной струи [1, 36, 38, 53, 74].Затопленной струей называется поток газа, вытекающий из сопласварочнойгорелкивпространство,затопленноепокоящимсягазом(например, воздухом).
Ядро, в пределах которого концентрация газа и еготемпература остаются неизменными по величине, а скорость – по величине инаправлению, и соответствует значениям начального сечения струи (т.е.струи на срезе насадки в момент ее вытекания), находится в начальномучастке затопленной струи, в центре которого располагается вольфрамовыйэлектрод или мундштук для подачи плавящегося электрода (Рис. 13) [7, 83].35Рис. 13. Схема участков газовой струи с эпюрами скоростей: 1 – сопло,2 – ядро струи, 3 – пограничный слой, 4 – периферийный участок струи;L – длина ядра струи, H – расстояние от среза сопла до свариваемойповерхностиДля получения максимально возможных размеров ядра струи защитногогаза конструкция сварочной горелки должна обеспечивать однородныйпрофильскоростейнавыходеизсоплаимаксимальноснижатьтурбулентность потока (Рис.
14).Рис. 14. Эпюры скоростей газовой струи: НУ – начальный участок с ядромструи; эпюры профиля скорости: Vн – начального потока, Vо – струи на оси,Vну – струи в начальном участкеТакимобразом,защитнаяструяявляетсяначальнымучасткомтурбулентной затопленной струи, т.е. участком, где располагается ядроструи. Ядро больше у струй, течение газа у которых максимальноустановившееся.
В струе с более высокой степенью турбулентности ядро36меньше, так как утолщение пограничного слоя и струи в целом обусловленовеличиной поперечной пульсационной скорости потока [1, 55, 86, 91].Судя по развитию начального участка струй, возможно существованиедвух типов струй, вытекающих из горелок с цилиндрической проточнойчастью и конфузорной проточной частью, т.е. струй, имеющих в начальномучастке ламинарный или турбулентный пограничный слой с ядромразличной протяженности (Рис. 15).У струй, вытекающих из горелок с цилиндрической проточной частью (вкоторых движение газа осуществляется по прямолинейному каналу),перестройка течения начального участка, которая протекает по мереувеличения числа Re струи, сопровождается сначала ростом протяженностидо числа ReD0 = 2000, а затем сокращением этой протяженности вместе сядром струи до нуля (Рис.
15, а) [6, 8].Рис. 15. Схема развития начального участка затопленных струй:а – с ламинарным пограничным слоем (2); б – с турбулентнымпограничным слоем (4); 1 – ядро струи, 3 – основной участок струиУ второго типа защитных струй, вытекающих из горелок с конфузорнойпроточной частью (движение газа осуществляется по сужающемуся каналу),участок перестройки с ростом чисел Re сначала увеличивается в длину (Рис.15, б), а затем, достигнув максимальной протяженности, длина ядрастабилизируется, т.к. струя переходит в автомодельный режим движения, т.е.37геометрические параметры начального участка остаются неизменными вшироком диапазоне чисел Re струи (практически от них не зависят).
У этихструй можно существенно увеличить скорость истечения защитного газа, чтоважно для сварки в условиях ветра.Отсюда следует, что форма сопла должна обеспечить увеличениеразмеров ядра, и как следствие, повысить надежность защиты зоны сварки [7,50, 53].Однако, возможность сохранять неизменным геометрические параметрыядра струи при высоких скоростях истечения газа – это одна сторонавопроса.
Вторая сторона кроется во взаимодействии струи со сносящимпотоком и форме влияния этого взаимодействия на эффективность струйнойзащиты.Из теории турбулентных струй известно, что защитная струя в сносящемпотоке деформируется и отклоняется от первоначального направления.Защитная струя, вытекающая из сопла со скоростью Vс в сносящийвоздушный поток, набегающий на нее со скоростью Vв под некоторым угломα (в т.ч. и α = 900) к направлению ее продольной оси, деформируется какупругое плохообтекаемое тело (Рис.
16) [1, 31, 104].С наветренной стороны (пространство, где поток встречается со струей)происходит торможение потока о поверхность струи и повышениевследствие этого статического давления, как в потоке ветра, так и в струе. Занаиболееширокойповерхностьюструи(находящейсявплоскости,нормальной к направлению потока) наблюдается отрыв от боковойповерхности вихрей с образованием зоны пониженного статическогодавления с подветренной стороны струи (пространство, расположенное послеобтекания потоком струи).Этот перекос статического давления распространяется и внутрь сопла,что изменяет эпюру профиля скорости на срезе сопла.
Согласно теории38турбулентных струй, любой перекос профиля скорости на срезе соплаприводит к сокращению протяженности ядра струи [55, 66, 94].Рис. 16. Схема газовой струи в сносящем воздушном потоке:1 – ядро струи, 2 – основной участок струиВоздействие воздушного потока на струю защитного газа, кромеизменения формы поперечного сечения, приводит к искривлению оси струи.Под осью струи подразумевается расположение точек на основном участке, вкоторых скорость струи максимальна. В связи с этим изменяется формапоперечного сечения струи от круглой до подковообразной. В связи сискривлением оси струи в начальном участке, происходит так же сокращениедлины ядра и изменение его формы, которые являются естественнымфизическимфактором,ограничивающимвозможностисохранятьэффективную газовую защиту на ветру.Эксперименты показали, что отклонение оси струи, вытекающей изкруглого отверстия в поперечный сносящий поток, зависит от соотношенияудельных импульсов сносящего потока и струи:iв/iс = (ρвVв2)/(ρсVс2) = i ,где ρв и ρс – соответственно плотности газов сносящего потока и струи, кг/м3;Vв и Vс – соответственно скорости сносящего потока и струи, м/с;i – отклонение оси струи.39Чем меньше критерий ветроустойчивости i, тем меньше отклонениеструи, и тем больше ее жесткость (Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
