Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности дуговой сварки в защитном газе на открытых монтажных площадках 10
1.1. Метеорологические условия сварки на открытых монтажных площадках 10
1.2. Анализ дефектов при дуговой сварке в условиях ветра 17
1.3. Анализ способов улучшения эффективности газовой защиты 19
1.4. Цель и задачи работы 33
Глава 2. Исследование закономерностей истечения защитных газовых струй и характеристик эффективности газовой защиты при сварке в условиях ветра 34
2.1. Строение и свойства защитной газовой струи 34
2.2. Разработка методики исследований эффективности газовой защиты в условиях ветра 44
2.3. Разработка универсального стенда для моделирования сварки в условиях ветра 52
2.4. Исследование влияния ветра на эффективность газовой защиты 59
2.5. Математическое моделирование параметров защитных газов струи при сварке в условиях ветра 77
2.6. Выводы главы 2 91
Глава 3. Разработка оборудования для дуговой сварки в условиях ветра 93
3.1. Анализ конструкций сварочных горелок для сварки на ветру 93
3.2. Разработка конструкции сварочной горелки для дуговой сварки в условиях ветра 106
3.3. Изготовление сопла методом 3D-печати 122
3.4. Разработка системы управления газовой защитой и режимом дуговой сварки в условиях ветра 125
3.5. Разработка комплекта оборудования для сварки в условиях ветра 129
3.6. Выводы главы 3 132
Глава 4. Исследование сварочно-технологических свойств дуги и свойств сварных соединений в условиях ветра 134
4.1. Исследование сварочных токов и напряжений 134
4.2. Исследование свойств сварных соединений пластин при сварке в лабораторных условиях 141
4.3. Исследование сварных соединений труб при сварке в производственных условиях 148
4.4. Выводы главы 4 159
Общие выводы по работе 161
Литература
- Анализ дефектов при дуговой сварке в условиях ветра
- Разработка универсального стенда для моделирования сварки в условиях ветра
- Разработка конструкции сварочной горелки для дуговой сварки в условиях ветра
- Исследование свойств сварных соединений пластин при сварке в лабораторных условиях
Введение к работе
Актуальность работы. В судостроении, судоремонте, при строительстве зданий и сооружений, монтаже нефтегазопроводов значительный объем сварочных работ выполняется на открытых монтажных площадках. Ветер затрудняет применение прогрессивных способов механизированной и автоматической сварки в защитном газе из-за нарушения газовой защиты сварочной ванны, и образования дефектов в сварных соединениях, в результате чего снижается качество сварных соединений.
По оценке экспертов Национального агентства контроля сварки (НАКС) при строительстве ответственных конструкций, трудно обеспечить надежную защиту зоны сварки от ветра. Например, при монтаже крыши стадиона «Зенит-Арена» в Санкт-Петербурге, необходимо выполнить сварку большого количества коротких швов в различных пространственных положениях, что затрудняет установку ветрозащитных сооружений.
Следовательно, для решения задачи по повышению эффективности газовой защиты необходимо разработать технологию и оборудование, которые позволяют обеспечить высокое качество сварных соединений.
Степень разработанности темы работы
Разработка технологий сварки на ветру началась в конце 60-х годов прошлого столетия в России, США, Японии, Германии. Однако внедрение разработок ограничивалось уровнем развития приборостроения. Влияние условий на технологический процесс дуговой сварки в среде защитных газов изложено в трудах ученых Г.А. Николаева, В.Л. Руссо, Н.И. Акатнова, В.В. Ардентова, Г.А. Федоренко, Д.Л. Поправка и др.
Исследования Д.К. Безбаха по дуговой сварке на ветру при постоянной скорости ветра показали, что сварочное оборудование нуждается в серьезной доработке. В трудах К.К. Хренова, Г.А. Николаева, Н.Н. Рыкалина, А.И. Акулова, Г.Г. Чернышова, Н.М. Новожилова отмечается важность защиты зоны сварки для повышения качества и надежности сварных конструкций. Также отмечается, что эффективность защиты зависит от характера истечения газовой струи из сопла горелки. К концу XX века определился единый подход при исследовании процесса струйной газовой защиты на основе применения теории турбулентных струй. Однако, не были установлены граничные условия для параметров режима сварки на ветру, а также предельные скорости ветра, при которых обеспечивается эффективная газовая защита. Кроме того, не учитывался тот факт, что в реальных условиях скорость ветра имеет резкие усиления, что обуславливает проведение исследований в условиях влияния ветра с переменной скоростью.
Цель работы: повышение эффективности газовой защиты и качества сварных соединений при дуговой сварке в условиях воздействия ветра путем разработки специализированного оборудования и технологии.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить анализ дефектов и способов улучшения газовой защиты при дуговой сварке в условиях ветра.
-
Исследовать закономерности истечения защитных газовых струй и характеристики эффективности газовой защиты при сварке в условиях ветра.
-
Разработать специализированное оборудование и технологию для сварки в условиях ветра.
-
Исследовать технологические особенности сварочной дуги и свойства сварных соединений, полученных при сварке на ветру.
Научная новизна работы:
-
На основе моделирования в среде ANSYS обнаружена и экспериментально подтверждена возможность управления эффективностью газовой защиты в условиях ветра за счет стабилизации и увеличения размеров ядра защитной газовой струи при высоких скоростях истечения из конфузорного сопла сварочной горелки, внутренняя поверхность которой имеет двухасимптотную параболическую форму.
-
Установлены расчетно-экспериментальные зависимости между размерами ядра защитной газовой струи, расходом защитного газа, скоростью ветра, режимами сварки и расстоянием до свариваемой поверхности, обеспечивающие эффективную газовую защиту в условиях ветра.
3. Расчетно-экспериментальным методом обнаружен механизм
уменьшения неоднородности поля скоростей, вращения и турбулентности
защитного газового потока на выходе из сопла сварочной горелки при высоких
скоростях истечения защитной газовой струи при воздействии ветра за счет
изменения траектории движения и уменьшения энергии защитной струи в
конфузорном сопле газовой горелки с устанавливаемым пакетом сеток.
Практическая ценность результатов:
-
Разработан универсальный стенд с многорежимной аэродинамической трубой и автоматическая система управления режимами стенда для моделирования процесса дуговой сварки в условиях воздействия ветра с резкими усилениями.
-
Разработана и внедрена в производство конструкция сварочной горелки с конфузорным соплом, внутренняя поверхность которого имеет двухасимптотную параболическую форму, с устанавливаемым перед входным отверстием сопла пакетом сеток.
3. Разработана и запатентована система автоматического управления
режимами дуговой сварки в условиях ветра, позволяющая увеличить
эффективность газовой защиты за счет регулирования расхода защитного газа в
зависимости от скорости ветра, частоты его усилений, расстояния от сопла до
изделия и силы сварочного тока.
4. Установлены оптимальные параметры режимов дуговой сварки в среде
защитных газов с применением сварочной горелки с конфузорным соплом,
которые обеспечили высокую стабильность горения дуги, эффективную
газовую защиту при различных скоростях и частоте усиления ветра.
5. Установлено, что применение новой сварочной горелки с
конфузорным соплом в условиях ветра позволило уменьшить отклонения
сварочного тока и напряжения, улучшить механические свойства и химический
состав сварных швов из стали повышенной прочности.
Методы исследований
Для достижения поставленной цели использовали расчетно-экспериментальные методы исследований, а также методы математического моделирования в программе ANSYS. Эксперименты проводили на установке, состоящей из многорежимной аэродинамической трубы, автоматической системы управления, механизма перемещения горелки и источника питания ЛЭТ-350. Изучение размеров зоны газовой защиты проводили методом пробы на пятно, при определении диаметра и конфигурации пятна без цветов побежалости. Математическое моделирование выполняли на ЭВМ с использованием пакетов ANSYS Fluent, ADClab.
Видеосъемку сварочной дуги выполняли в прямом свете через зеркальный светофильтр с помощью высокоскоростной видеокамеры CITIUS IMAGING С10 с частотой 2 кГц. Осциллографирование сварочных токов и напряжений производили с частотой 10 кГц с помощью цифрового регистратора сигналов S-Recorder 2-Opto. Скорость ветра и газов измеряли с помощью цифрового термоанемометра Dwyer Series 471. Регистрацию полей концентрации газов осуществляли на газоанализаторе ГХП-3М.
Исследования свойств сварных соединений проводили в испытательной лаборатории ООО «Учебный Научно-Технический Центр «Сварка» (Санкт-Петербург) и в лаборатории металлургической экспертизы ФГАОУ ВО «СПбПУ». Испытания на ударный изгиб проводили по ГОСТ 9454-78, ГОСТ 6996-66 на копре РН450. Испытания на статическое растяжение проводили по ГОСТ 1497-84, ГОСТ 6996-66 на испытательной машине Super «L» 60, измерение твердости проводили по ГОСТ 2999-75 на твердомере «DuraScan-20». Химический анализ швов проводили по ГОСТ 18895-97 на оптико-эмиссионном спектрометре «Q4 TASMAN». Содержание азота и кислорода в металле сварного шва определяли с помощью газоанализатора ELTRA ON900 в соответствии с ГОСТ 18895-97 методом восстановительного плавления в графитовых тиглях в среде сверхчистого гелия.
На защиту выносятся следующие положения:
-разработанные математические модели истечения защитных газовых струй в условиях ветра;
-результаты расчетно-экспериментальных исследований параметров режима сварки в условиях ветра;
-оборудование и технология дуговой сварки в условиях ветра;
-результаты исследований свойств сварочной дуги и сварных соединений в условиях ветра.
Степень достоверности полученных результатов подтверждается:
-применением теории моделирования газодинамических процессов;
-применением стандартных апробированных средств измерений и методов математической обработки экспериментальных данных;
-применением расчетно-экспериментальных методов моделирования процесса сварки при воздействии ветра;
- корректностью математических моделей и результатов
экспериментальных измерений и их адекватностью известным критериям
оценки изучаемых процессов;
- производственными испытаниями новой технологии и оборудования в
условиях ветра;
- экспериментальными исследованиями свойств сварочной дуги и
сварных соединений при дуговой сварке в условиях ветра.
Апробация работы
Основные и отдельные положения работы представлены и обсуждены на российских и международных конференциях и семинарах: научно-технических семинарах кафедры теории и технологии сварки материалов СПбПУ (С.Петербург, 2014, 2015, 2016 г.); научно-технических семинарах кафедры технологий сварки и диагностики МГТУ (Москва, 2015, 2016 г.); всероссийских научно-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-технических конференциях (Курск, 2014, 2015, 2016 г.); VI Российской научно-практической конференции «Актуальные вопросы нефтегазового строительства» (Москва, 2015 г.); научно-техническом семинаре кафедры сварки, обработки материалов давлением и родственных процессов ТГУ (Тольятти, 2015 г.); молодежных научно-практических конференциях в рамках Недели Науки СПбПУ (С.Петербург, 2013, 2014, 2015 г.); научно-технической секции «Технологии судостроения» Российского Научно-технического Общества судостроителей им. ак. А.Н. Крылова (С.-Петербург, 2013 г.); международном научно-практическом семинаре «Сварка в судостроении и машиностроении» (С.Петербург, 2011 г.); научно-техническом семинаре «Современные технологии в промышленности России» (С.-Петербург, 2011 г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 5 работ в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, получен 1 патент РФ на изобретение.
Личный вклад автора
Личный вклад автора в исследованиях и разработках составил до 80 %. В
работах, выполненных в соавторстве, вклад автора заключался в постановке
проблемы, разработке методов исследований, построении математических
моделей, разработке установки для моделирования процесса сварки,
проведении экспериментальных исследований, разработке
специализированного оборудования и технологии.
Структура и объем
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 103 рисунка, 35 таблиц, 107 наименований библиографических источников.
Внедрение и опробование результатов работы
Отдельные разделы диссертационной работы выполняли в ФГАОУ ВО
«СПбПУ» в 2011–2014 гг. в рамках госбюджетной НИР № 01201165735, в 2015–2016 гг. в рамках НИР № 203315501 по заказу ООО «ГазпромВНИИГАЗ». Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров ФГАОУ ВО «СПбПУ». Система автоматического управления потоком защитного газа прошла промышленное опробование в Научном учреждении «Центр стратегических исследований», научные результаты диссертации использованы в практике работы ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей», экспериментальная технология внедрена в ООО «Техник-V», ООО «МРК Модуль», оборудование прошло промышленное опробование в ЗАО «Невский завод» (г. Санкт-Петербург, РФ) и на предприятии «BUCHER» (г. Вентспилс, Латвия).
Анализ дефектов при дуговой сварке в условиях ветра
В большинстве случаев защита осуществляется путем подачи в зону сварки струи защитного газа. Форма потока газа и эффективность защиты зависят от рода защитного газа, типа сварного соединения, скорости сварки, движения окружающего воздуха (ветра, сквозняка). Вопросы надежной защиты зоны сварки особенно актуальны при выполнении сварочных работ на открытых площадках, когда на защитную струю газа оказывают воздействие сносящие потоки ветра, сквозняки, что приводит к нарушению газовой защиты сварочной ванны и к снижению качества сварного соединения.
Для эффективной защиты зоны сварки необходимо знать не только скорость, но и направление ветра. На скорость, направление и пульсацию ветра существенное влияние оказывают искусственные и естественные препятствия. У преград (сооружений, металлоконструкций) пульсация ветра усиливается и состоит из порывов и затишья.
Под ветром обычно подразумевают горизонтальную составляющую воздушного потока, однако иногда понятие «ветер» расширяют, включая в него и вертикальную составляющую. Вблизи металлоконструкций ветер дует обычно параллельно плоскости полотнищ, полок набора и т.п. Поэтому в дальнейшем под словом «ветер» будем понимать движение воздуха параллельно плоскости металлоконструкции, а воздушное течение через щели в соединениях (на стыках и пазах), собранных под сварку, будем называть сквозняком.
Вблизи горелки во время сварки на газовую защиту зоны сварки действуют несколько воздушных потоков, скорость которых имеет значительно более сложный характер.
По отношению к струе защитного газа, а также к направлению сварки различают: попутный, встречный и боковой ветер (Рис. 5). Кроме скорости и направления, ветер характеризуется также силой. О силе ветра судят по его динамическому давлению. Скорость ветра изменяется по времени, по значению и по направлению воздействия на струю защитного газа. а) б) Рис. 5. Классификация ветра по направлению: а – по отношению к струе защитного газа; б – по отношению к направлению сварки: 1 – попутный, 2 – боковой, 3 – встречный [67] Проведённые исследования [15, 49, 67] показали, что при сварке на открытых площадках эффективность защиты зоны сварки зависит от многих факторов: конструктивных особенностей сопла сварочной горелки и организации потока на выходе из него (структура струи, профиль скоростей в начальном сечении); действия возмущающих факторов (конвективные потоки газа, состав свариваемых деталей); расстояния от сопла до свариваемого металла; геометрических размеров и формы сварных соединений и т. п. Все эти факторы необходимо учитывать при решении вопросов разработки оптимальной технологии сварочных работ и конструировании сварочных горелок.
При наличии ветра и сквозняка эффективность защиты зависит от жесткости струи защитного газа и ее размеров. Жесткость струи определяется родом защитного газа и повышается с увеличением скорости его истечения. Поэтому при увеличении диаметра сопла необходимо одновременно увеличивать расход газа. Однако при чрезмерном увеличении скорости потока газа вследствие турбулентности уменьшается зона чистого газа, струя деформируется и эффективность защиты снижается.
При сварке с поперечным потоком воздуха (на сквозняке или на ветру) большое значение имеют свойства защитного газа. Так, например, гелий оказывает меньшее сопротивление сдуванию воздухом, чем аргон или углекислый газ, вследствие его меньшей плотности и меньшей кинетической энергии потока. Поэтому для получения удовлетворительных результатов сварки при наличии ветра и при использовании для защиты гелия, его расход должен быть значительно больше расхода аргона или углекислого газа [68].
Существенное влияние на эффективность защиты зоны сварки, особенно при выполнении монтажных работ на открытых площадках, оказывают такие технологические факторы, как разделка и смещение кромок при сварке. Сварка деталей, изготовленных из тонколистового проката, целесообразна без разделки кромок с зазором между изделиями до 1 мм. При зазоре более 1 мм требуется дополнительная защита корневого шва защитным газом, что приводит к увеличению его расхода до 100 %. Особое внимание необходимо обращать на взаимное расположение свариваемых кромок, смещение и перелом стыкуемых кромок снижают качество шва.
Некоторые исследования показали [67], что оптимальной разделкой кромок при сварке на открытых площадках, является угол раскрытия 60. Разделка с меньшим углом раскрытия в значительной степени затрудняет процесс сварки: во-первых, нет хорошего визуального контроля за процессом сварки, во-вторых, снижается эффективность защиты зоны сварки и, в-третьих, усложняется процесс регулирования напряжения дуги. При сварке стыков с разделкой кромок с углом раскрытия больше 60 создаются хорошие условия газовой защиты, однако это приводит к увеличенному расходу присадочной проволоки.
Разработка универсального стенда для моделирования сварки в условиях ветра
Каждый газ характеризуется параметром сжимаемости п = pв/pс (где рв и рс - соответственно плотности воздуха и газа струи). Для защитных струй используются газы со следующими параметрами сжимаемости, представленными в табл. 6.
Максимальная протяженность переходного участка соответствует n = 1, а при n 1 и при n 1 протяженность участка перехода уменьшается. Это сокращение для струй таких газов как СО2, Ar, N2 незначительно, однако для Не весьма существенна. В тоже время, добавки Не к СО2 или Ar будут способствовать повышению величины n. Таким образом, разработку технологических процессов сварки в защитных газах на ветру следует производить только на горелках с конфузорной проточной частью, обладающих высокими аэродинамическими характеристиками. В качестве защитных газов могут быть использованы СО2, Ar, N2 или их смеси, в том числе и c Не.
Эффективность газовой защиты зависит от градиента профиля скорости на срезе сопла, который, согласно теории турбулентных струй, приводит к сокращению протяженности ядра струи [1, 3, 21, 86]. Количественная характеристика этого сокращения изучалась в работе [101]. Струя создавалась 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 воздушный поток двигался нормально к первоначальной оси струи со скоростью от 7,5 до 22 м/с, что создавало возможность иметь диапазон отношения скоростей потока к струе Vв/Vс = т от 0 до 0,3. На Рис. 19 приведены результаты исследования.
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 - сечения ядра в плоскости симметрии струи и потока; б - сечения полуширины ядра в плоскости нормальной к плоскости симметрии Основанием графиков (Рис. 19) является срез сопла, из которого истекает струя. Как видно из Рис. 19, а, по мере возрастания m ядро струи уменьшается, наблюдается его искривление в кормовой части. Пунктирной линией на графике представлена теоретическая граница ядра струи, вытекающей в покоящееся пространство. Боковые границы ядра (Рис. 19, б), в отличие от фронтальных границ, сохраняющих достаточную прямолинейность, имеют существенную кривизну, которая возрастает по мере сокращения ядра. В этой плоскости ядро с увеличением m расширяется в основании, т. е. из конуса превращается в клин. Таким образом, тот факт, что ядро струи сокращается, говорит о физических пределах возможности обеспечения эффективности газовой защиты на ветру. Поэтому, прежде всего, необходимо определить предельные величины скорости ветра, при которых будет обеспечиваться эффективность газовой защиты. Судя по результатам работы [88, 95] можно прогнозировать, что при Н/Dо = 1 предел эффективной газовой защиты на ветру будет соответствовать скорости ветра порядка 22 м/с Vв 28 м/с. В то же время, рассчитывать на возможность увеличения предельной скорости при Н/Dо 1, вероятно, не имеет смысла. В указанном диапазоне скоростей сносящего потока наступает деформация ядра струи, выражающаяся в сплющивании его продольных границ и расширении поперечных. В работе [20] изучался начальный участок турбулентной струи, набегающий на твердую поверхность в сносящем воздушном потоке.
В настоящее время нет надежных рекомендаций по защите зоны сварки от действия ветра при сварке в среде защитного газа на открытых площадках. Специализированное сварочное оборудование и материалы, которые применялись бы на открытых площадках, так же отсутствуют. Требованием, которое предъявляется к технологиям сварки плавлением на ветру, является высокая эффективность газовой защиты сварочной ванны.
Разработка конструкции сварочной горелки для дуговой сварки в условиях ветра
Эффективность газовой защиты оценивается по распределению концентрации газа над защищаемой поверхностью. Определяются границы ядра струи, имеющего постоянную концентрацию. Существующие методики основаны на отборе газа из точки с последующим определением его состава в газоанализаторах и хорошо подходят для ламинарного движения.
Однако, подобные методики практически неприемлемы для определения пульсации избыточной концентрации при турбулентном движении, в то же время, по существующим методикам определение температур производится в турбулентных потоках быстро и надежно. Поэтому, используя известную аналогию между распределением концентрации газа и избыточной температуры в струе [45, 94, 106], исследовалось поле безразмерных температур у струй и по изотермам определяли поля концентрации защитного газа.
Результаты исследования воздушной струи, вытекавшей из установки с КПЧ с диаметром выходного отверстия сопла 30 мм в сносящий поток, имеющий температуру 20 оС, представлены на Рис. 30 и 31.
На рис. 30 приводятся результаты измерения, выполненные в плоскости симметрии защитной струи и потока при расстояниях между срезом сопла и защищаемой поверхностью равных Z/Dо = 2 и разных величинах скоростей струи Vси сносящего потока Vв. а) б) в) г) Рис. 30. Поле концентрации защитного газа струи в сносящем потоке при Н/D = 2 и плоскости симметрии: а - Vс = 10 м/с, Vв = 10 м/с; б Vс = 10 м/с, Vв = 5 м/с; в - Vс = 12 м/с, Vв = 4 м/с; г - Vс = 16 м/с, Vв = 4 м/с При Vс/Vв = 1 и Vс/Vв = 2 (Рис. 30, а, б) ядро струи, не достигая защищаемой поверхности, отклоняется сносящим потоком. При Vс/Vв = 3 ядро струи достигает защищаемой поверхности (Рис. 30, в), но отклоняется сносящим потоком за точку пересечения оси струи защищаемой поверхности. При Vс/Vв = 4 (Рис 30, г) ядро струи достигает защищаемой поверхности, но граница деформированного ядра находится на оси струи. Таким образом, при вылетах электрода Н/Dо = 2 в условиях сносящих потоков, скорости истечения защитной струи должны более, чем в 3-4 раза превосходить скорость сносящего потока. Подобное делает неприемлемым этот вариант.
Проводились измерения, выполненные как в плоскости симметрии струи и потока при удалении сопла от защищаемой поверхности на расстояние Z/Dо = 1, так и в плоскости, параллельной защищаемой поверхности и удаленной от нее на Z/Dо = 0,2 (Рис. 31). а) б) в) г) Рис. 31. Поле концентрации защитного газа струи в сносящем потоке при Н/D = 1 в плоскости симметрии и в плоскости, параллельной экрану на расстоянии Z = 0,2 Dо, при Vв = 5 м/с; а - Vс = 5 м/с; б - Vс = 10 м/с; в - Vс = 12,5 м/с; г - Vс = 15 м/с Скорость сносящего потока составляла Vв = 5 м/с, а скорость струи Vс от 5 до 15 м/с. При Vс/Vв = 1 (Рис. 31, а), как и в предыдущем случае, ядро струи не достигает защищаемой поверхности и на ней заметны только изотермы пограничного слоя.
При Vс/Vв = 2 (Рис. 31, б) границы ядра струи достигают защищаемой поверхности, но при этом, изотерма 1 (т.е. граница ядра и пограничного слоя струи) смещается до оси симметрии струи. Одновременно с этим, ядро сплющивается в плоскости симметрии струи и потока и вытягивается в плоскости, перпендикулярной направлению потока.
При Vс/Vв = 2,25 (Рис. 31, в) ядро струи достигает защищаемой поверхности с небольшим смещением пятна ядра в направлении подветренной стороны струи. Одновременно со смещением заметно сплющивание пятна ядра, как и на Рис. 31, б.
При Vс/Vв = 3 (Рис 31, г), ядро струи достигает защищаемой поверхности. Пятно ядра на защищаемой поверхности имеет небольшое отклонение от оси симметрии с заметной деформацией, как и на Рис 31, б.
Резюмируя приведенное выше, можно отметить, что при разработке технологических процессов в сварке в защитных газах на ветру, совершенно нецелесообразны большие вылеты электродов. В то же время, при Н/Dо 1, можно успешно решать вопросы газовой защиты при Vс/Vв 3 [94, 106].
Качественно исследование эффективности газовой защиты проводили по приведенной выше методике для горелки с конфузорной частью с диаметром сопла 21 мм. Качество газовой защиты оценивали визуально по наличию цветов побежалости на поверхности расплавленных пятен, полученных при разных H/D0.
Эксперименты показали, что с уменьшением скорости истечения защитной струи при постоянной скорости ветра с наветренной стороны появляется и постепенно перемещается по поверхности пленка цветов побежалости, что свидетельствует о проникновении воздуха в защищаемую зону. По мере уменьшения скорости струи площадь оксидной пленки увеличивается и занимает всю площадь защищаемой поверхности оплавляемого пятна [95].
По предложенной методике определили зависимости снижения эффективности газовой защиты Vпз от скорости струи Vс (Рис. 32). Как видно из Рис. 32, исходной точкой начала проявления нарушения являются: величина отношения скорости струи к скорости ветра Vс/Vв и величина удаления сопла от защищаемой поверхности H/D0.
При H/D0 = 0,5 отношение скоростей Vс/Vв = 0,6, т.е. скорость струи в момент начала наступления цветов побежалости на защищаемую поверхность всего Vс = 0,6 Vв, а в момент охвата цветами побежалости всего пятна, отношение уменьшилось до Vс/Vв = 0,4. Аналогичная ситуация имеет место при H/D0 = 0,75; 1 и 1,5. По результатам исследований, величина Vпз прежде всего зависит от величины H/D0.
Таким образом, установлен механизм нарушения эффективности газовой защиты в условиях ветра, который состоит в том, что по мере увеличения расстояния между соплом и сварным швом увеличивается скорость потери эффективности газовой защиты.
В реальных условиях скорость ветра не постоянна, поэтому при выборе расхода защитного газа необходимо вводить поправочные коэффициенты, величина которых увеличивается с ростом скорости снижения эффективности струйной защиты. Для исследования эффективности газовой защиты, выполнили наплавку в среде аргона с использованием горелок с цилиндрическими и конфузорными соплами. Скорость истечения защитного газа определяли по формуле: Vc = Q/S , где Q – расход газа через сопло, л/мин; S – площадь поперечного сечения среза сопла горелки, м2, S = (D02 – d2)/4, где D0 и d – соответственно диаметры сопла и электрода, м. Результаты исследований эффективности газовой защиты при использовании методики «на пятно» с горелками с различной проточной частью приведены в табл. 9.
Исследование свойств сварных соединений пластин при сварке в лабораторных условиях
Конфузорные сопла, у которых и на входе потока и на выходе из него образующая асимптотически стремится к прямой, параллельной оси сопла, называются двухасимптотными. Здесь струи не имеют верхнего предела расхода и способны обеспечивать эффективную газовую защиту при заведомо больших расходах защитного газа. Это позволяет использовать такие горелки при сварке на открытых площадках в условиях ветра.
При исследованиях, проводимых ранее, в одних случаях использовали горелку, обладающую высокими аэродинамическими качествами проточной части, благодаря чему обеспечивалась защита сварочной ванны ядром струи во всем диапазоне чисел Re, но не принимались меры для выравнивания поля скоростей и уменьшения турбулентности, существенно влияющей на устойчивость защитной струи. В других случаях, использовали горелки с местными сопротивлениями, позволяющими создавать поток защитного газа со степенью турбулентности на срезе сопла менее одного процента, но с невысокими аэродинамическим качеством проточной части [7, 105] .
Оптимальными являются горелки с конфузорной проточной частью, позволяющей получить поток на срезе сопла со степенью турбулентности, стремящейся к нулю, и с однородным полем скоростей на срезе сопла. Поэтому при дуговой сварке в защитных газах на открытых площадках необходимо применять только горелки с конфузорными двухасимптотными соплами. Однако, до сих пор отсутствовала научная концепция, которая определяла принципы проектирования сварочных горелок с эффективной защитой зоны сварки.
Из вышеизложенного становится ясно, что направление работ по созданию оборудования для сварки в условиях открытых площадок в первую очередь должно быть направлено на разработку специализированной горелки с соплом в виде двухасимптотного конфузора, которая бы стабилизировала форму и размеры ядра защитной струи при высоких скоростях ее истечения и обеспечивала качественную газовую защиту при сварке на ветру, а так же автоматической системы управления скоростями истечения защитного газа в зависимости от скорости сносящих потоков воздуха.
Как отмечалось выше, эффективность газовой защиты зависит от множества факторов, в том числе от динамических характеристик газового потока на срезе сопла. Для достижения эффективной газовой защиты, геометрическая форма проточной части сварочной горелки должна обеспечивать максимально возможные размеры ядра газовой струи защитного газа, сопло горелки должно выравнивать неоднородность поля скоростей газового потока и уменьшать его турбулентность.
Анализ течения осесимметричных струй, показал, что для достижения максимальной эффективности газовой защиты сопло должно иметь форму конфузора. Указанная форма обеспечивает увеличение размеров ядра и, как следствие, повышение надежности защиты зоны сварки путем интенсивного уменьшения турбулентности и устранения неравномерности скоростей струи защитного газа.
Геометрические размеры внутренней поверхности горелок с конфузорной проточной частью созданы в соответствии с законами аэродинамики при конструировании форм поверхности аэродинамических труб. В результате изучения выравнивающих способностей отдельных элементов аэродинамических труб, такие как местные сопротивления (хонейкомбы, проволочные сетки, решетки), проточные части каналов (цилиндрических, конфузорных, диффузорных) и др., создали расчетные методы, позволяющие конструировать аэродинамические трубы с однородными эпюрами поля скоростей на срезе сопла. При этом, все скорости на срезе сопла имеют одинаковые направления и величину, а степень турбулентности на срезе сопла стремится к нулю [2, 47].
Приведённый выше анализ с учетом требований газовой динамики показал, что для достижения эффективной газовой защиты конструкция горелки должна иметь проточную часть, состоящую из пакета сеток и двухасимптотного конфузорного сопла. В указанном сопле вход и выход газового потока осуществляется по внутренней поверхности, образующая которой асимптотически стремится к прямой, параллельной продольной оси сопла. На свойства струй, истекающих из таких конфузорных сопел, существенное влияние оказывают степень поджатия газового потока, длина сопла и особенно профиль кривой, по которой построена образующая внутренней поверхности конфузора [41].
Степень поджатия п определяется отношением площадей входного и выходного отверстия сопла: п = F1/F0 = 4D21 / 4D20 = D12/D02 , где F1, F0 – площади входного и выходного отверстий сопла, м2; D1, D0 – диаметры тех же отверстий, м. Степень поджатия в конфузорных соплах для сварки должна изменяться в пределах от 2 до 4. Для широкого применения при вылетах электрода Н 2D0, в том числе и при сварке на ветру, можно рекомендовать конфузоры с п = 2,5. Построение профилированной образующей конфузора может производиться по одной из параболических функций [16, 29]: f(х) = 1/(1+х2)q, f(х) = 1/(hх2)q, f(х) = l-х2 q , где l – длина конфузора, м; х – текущая осевая координата, м; q – произвольный коэффициент, который во всех случаях 1. Для ряда значений q этих функций задачи полностью решены и построены образующие диффузоров, однако, при перевороте оси координат они превращаются в конфузоры (Рис. 65). Диффузоры построены при q = 2 и n = 1/2, n = 1/3, n = 1/4. Для построения конфузоров по этим графикам входное отверстие потока следует располагать в конце оси x, а выходное в её начале. В этом случае поджатие потока в конфузоре составит n = 2; 3; 4 [29, 34, 60].