Диссертация (1026094), страница 6
Текст из файла (страница 6)
17).Рис. 17. Отклонение оси струи в сносящем потоке в зависимостиот критерия ветроустойчивости i: 1 – 0,003; 2 – 0,007; 3 – 0,020;4 – 0,080; 5 – 0,210По координатным осям на Рис. 17 отложены безразмерные величиныХ = х/Dо и Y = y/Dо, чем меньше отношение удельных импульсов, тем позженачинается искривление оси струи и тем меньше радиус ее кривизны.
ПриVв/Vс≈1наблюдаетсясущественноеискажениесеченияструинепосредственно у кромок сопла [39, 94].Поэтому, для обеспечения жесткости защитной струи и предотвращениянарушений газовой защиты необходимо увеличивать скорость истечения газаиз сопла. В каком отношении скорость струи должна превосходить скоростьветра и, какие предельные величины скорости ветра, при которых будетобеспечиватьсяэффективнаягазоваязащитаиявляетсяпредметомисследований.Таким образом, факт, что ядро струи сокращается при сварке в условияхсносящих потоков, говорит о физических пределах возможности обеспеченияэффективности газовой защиты на ветру.
Поэтому, прежде чем приступать кразработке технологии сварки на ветру, необходимо провести исследования и40определить предельные величины скорости ветра, при которых будетобеспечиваться эффективность газовой защиты.Также на эффективность газовой защиты влияют свойства защитногогаза,еговзаимосвязьпараметрысжимаемости,характеристикпоэтомузащитногонеобходимопотока,установитьобеспечивающихэффективную защиту для получения высокого качества сварных соединений.Как было показано выше, эффективность газовой защиты при дуговойсваркевсредезащитногогазаопределяетсяначальнымучасткомтурбулентной затопленной газовой струи, в котором располагается ядрогазовой струи.
Протяженность этого участка зависит от режима движениягаза в пограничном слое, который прилегает к поверхности внутреннейстенки сопла [94, 106].Когда режим движения в пристеночном пограничном слое ламинарный,то движение пограничного слоя края струи за срезом сопла такжеламинарное. Известно, что ламинарный режим движения для струйныхтечений неустойчив, так как при незначительных числах это движениепереходит в турбулентное [1, 20].
Однако, этот переход к турбулентномурежиму движения в пограничном слое на участке перестройки происходит немгновенно. Величина участка перехода х* в зависимости от чисел Re можетиметь значительную протяженность.При уменьшении первоначальной протяженности переходного участкаухудшаются аэродинамические характеристики проточной части горелки,что влияет на эффективность газовой защиты, а при сокращении переходногоучастка до нуля, происходит полная потеря эффективности газовой защиты.Величина переходного участка, а значит, и эффективность газовой защитызависит от состава газа и его сжимаемости.
В работе [76, 94, 99] исследовализависимость длины переходного участка с ядром струи х*/r (где х* –координата по оси струи от среза сопла до окончания участка, r – радиусструи на срезе сопла) от чисел Re для различных газов (Рис. 18). Измерение41длины переходного участка производили по фотографиям движения струигаза. За длину участка перехода принимали расстояние от среза сопла досечения, в котором в пограничном слое струи на фотографиях появлялисьотчетливые вихревые структуры.Рис.
18. Зависимость длины участка перестройки х*/r от чисел Re для струй,истекающих из сопла Dо = 2r = 20 мм различных газов: 1 – воздушная струя,n = 1; 2 – СО2 , n = 0,66; 3 – аргон, n = 0,725; 4 – гелий, n = 7,25 [94]Каждый газ характеризуется параметром сжимаемости n = ρв/ρс (где ρв иρс – соответственно плотности воздуха и газа струи). Для защитных струйиспользуютсягазысоследующимипараметрамисжимаемости,представленными в табл.
6.Таблица 6.Параметр сжимаемости n для защитных газовГазСО2ArN2Неn0,660,7251,0347,25Максимальнаяпротяженностьпереходногоучасткасоответствуетn = 1, а при n < 1 и при n > 1 протяженность участка перехода уменьшается.Это сокращение для струй таких газов как СО 2, Ar, N2 незначительно, однакодля Не весьма существенна. В тоже время, добавки Не к СО 2 или Ar будутспособствовать повышению величины n.42Таким образом, разработку технологических процессов сварки взащитных газах на ветру следует производить только на горелках сконфузорной проточной частью, обладающих высокими аэродинамическимихарактеристиками.
В качестве защитных газов могут быть использованы СО 2,Ar, N2 или их смеси, в том числе и c Не.Эффективность газовой защиты зависит от градиента профиля скоростина срезе сопла, который, согласно теории турбулентных струй, приводит ксокращению протяженности ядра струи [1, 3, 21, 86]. Количественнаяхарактеристика этого сокращения изучалась в работе [101]. Струясоздавалась профилированным соплом с выходным отверстием Dо = 19,5 мм.Средняя скорость струи в опытах оставалась постоянной, равной 72 м/с.Число Re, рассчитанное по Dо, составляло 0,935 х 105.
Сносящий воздушныйпоток двигался нормально к первоначальной оси струи со скоростью от 7,5до 22 м/с, что создавало возможность иметь диапазон отношения скоростейпотока к струе Vв/Vс = m от 0 до 0,3. На Рис. 19 приведены результатыисследования.а)б)Рис. 19. Сокращение длины ядра струи (а) и деформация струи (б)в зависимости от отношения скоростей потока к струе Vв/Vс = m,m = 0–∆; m = 0,05–●; m = 0,1–□; m = 0,2–х, m = 0,3–о: а – сеченияядра в плоскости симметрии струи и потока; б – сечения полушириныядра в плоскости нормальной к плоскости симметрии43Основанием графиков (Рис. 19) является срез сопла, из которогоистекает струя. Как видно из Рис.
19, а, по мере возрастания m ядро струиуменьшается, наблюдается его искривление в кормовой части. Пунктирнойлинией на графике представлена теоретическая граница ядра струи,вытекающей в покоящееся пространство. Боковые границы ядра (Рис. 19, б),вотличиеотфронтальныхграниц,сохраняющихдостаточнуюпрямолинейность, имеют существенную кривизну, которая возрастает помере сокращения ядра. В этой плоскости ядро с увеличением m расширяетсяв основании, т. е.
из конуса превращается в клин. Таким образом, тот факт,что ядро струи сокращается, говорит о физических пределах возможностиобеспечения эффективности газовой защиты на ветру. Поэтому, преждевсего, необходимо определить предельные величины скорости ветра, прикоторых будет обеспечиваться эффективность газовой защиты. Судя порезультатам работы [88, 95] можно прогнозировать, что при Н/Dо = 1 пределэффективной газовой защиты на ветру будет соответствовать скорости ветрапорядка 22 м/с ≤ Vв ≤ 28 м/с.
В то же время, рассчитывать на возможностьувеличения предельной скорости при Н/Dо < 1, вероятно, не имеет смысла. Вуказанном диапазоне скоростей сносящего потока наступает деформацияядра струи, выражающаяся в сплющивании его продольных границ ирасширении поперечных. В работе [20] изучался начальный участоктурбулентной струи, набегающий на твердую поверхность в сносящемвоздушном потоке.В настоящее время нет надежных рекомендаций по защите зоны сваркиот действия ветра при сварке в среде защитного газа на открытых площадках.Специализированноесварочноеоборудованиеиматериалы,которыеприменялись бы на открытых площадках, так же отсутствуют. Требованием,которое предъявляется к технологиям сварки плавлением на ветру, являетсявысокая эффективность газовой защиты сварочной ванны.
Для этогонеобходимо исследовать эффективность газовой защиты в условиях ветра.442.2. Разработка методики исследований эффективности газовойзащиты в условиях ветраЭффективность газовой защиты определяет качество и механическиехарактеристики сварных соединений, поэтому определение оптимальногорасхода и скорости истечения защитного газа имеет важное значение.Изучение строения газовой струи и влияния сносящих ветровых потоковна изменение строения позволило разработать методику для исследованияэффективности газовой защиты и выбора режимов сварки при действиисносящих ветровых потоков.Известно, что удар затопленной струи о твердую поверхностьсопровождается деформацией траектории ее движения и переходом ввеерную полуограниченную струю, распространяющуюся по поверхности.От ее центра к периферии по защищаемой поверхности движетсяпристеночный пограничный слой, в котором линия перехода от ламинарногодвижения к турбулентному характеризует границу зоны газовой защиты(Рис.
20) [91, 95].Рис. 20. Схема защитной струи: ПСС – пограничный слой края струи;ПЛПС – пристеночный ламинарный пограничный слой;ПТПС – пристеночный турбулентный пограничный слой;ТВ – тороидальный вихрь; КТ – критическая точка; I – область газовой струи,развивающейся независимо от защищаемой поверхности; II – областьдеформации движения струи над защищаемой поверхностью; III – областьполуограниченной веерной струи; Dз – зона газовой защиты45В процессе деформации ядро сначала уменьшается в поперечныхразмерах, а затем на расстоянии 0,5 D0 от экрана, миновав самое узкоесечение – шейку ядра, начинает увеличиваться. В центре ядра припересечении оси струи защищаемой поверхности располагается критическаяточка струи, в которой V = 0, а статическое давление возрастает на величинуΔP = ρV2/2.Вокруг дуги образуется тороидальный вихрь, который поглощаеттепловую энергию от дуги, сварочной ванны, разогретого электрода, из-зачего увеличивается в размерах до тех пор, пока увеличиваются размерысварочной ванны [92, 95].По защищаемой поверхности в радиальном направлении от границытороидального вихря движется пристеночный ламинарный пограничныйслой (ПЛПС).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
