книги из ГПНТБ / Елистратов, П. С. Сварка чугуна сталью

Вода опять оказалась наиболее подходящей жидкостью. Чтобы сохранить подобие между стальной и водяной ваннами, водяная ванна должна иметь параметры (глу­ бину проплавления, ширину), в 3 раза большие, чем па­ раметры стальной ванны, что облегчает наблюдения.

связывающим удельные давления на стальную Рс и во­ дяную Рп ванны и соответствующие удельные веса Ус и уи:

(33)

Чтобы определить площадь сварочной ванны, при­ мем, что сварочная дуга представляет собой струю газа, истекающего из отверстия диаметром, равным диаметру электрода. В таком случае диаметр этой струи на рас­ стоянии длины дуги /д определим по уравнению [21]

Приняв диаметр электрода равным 0,5 см и длину дуги также 0,5 см, получим диаметр струн па сварочной ванне, равный 0,737 см, и площадь ванны 770 = 0,42 см2. Удельное давление на сварочную ванну при общем дав­ лении (0,05—0,06) Н

40

В таком случае удельное давление на водяной ванне при удельном весе воды ув=1 г/см3 и жидкой стали

ус—7 г/см3

Рв= { 0,12—0,14) ^-=(0,018—0,020) Н/см2=--(Ш—200) Н/м2.

Погружение газовой струи в жидкость

Динамическое воздействие сварочного пламени па ванну сопровождается погружением его. Моделирование такого воздействия осуществляется подводом сжатого газа по трубке к поверхности воды. При давлении газо­ вой струи до 100 Н/м2 на поверхности воды не заметно каких-либо механических воздействий струи на жид­ кость даже при очень малом расстоянии конца верти­ кально расположенной трубки от зеркала воды. При давлении газа, близком к 200 Н/м2, на поверхности во­ ды наблюдается небольшое углубление —• вмятина, или кратер. Диаметр кратера определяется диаметром от­ верстия трубки и расстоянием от торца трубки до зерка­ ла воды. При давлении газа около 300 Н/м2 кратер хо­ рошо очерчен и жидкость спокойна. При более высоких давлениях газа — около 400—600 Н/м2 кратер теряет точное очертание из-за колебания поверхности приле­ гающей жидкости, вокруг него образуется нечто вроде барьера из водяной волны. Здесь уже можно говорить о двух характерных размерах: диаметре ванны DBи диа­ метре кратера DK. Следует отметить, что у сварочной ванны также можно наблюдать эти два размера, так как она всегда опоясана таким барьером. Для обнаружения этого явления выполнялся следующий эксперимент.

На стальную пластину толщиной 10—15 мм, уложен­ ную в специальный сосуд, накладывали валик при за­ данном режиме. Когда длина наплавленного валика до­ стигала около 100 мм, сосуд быстро (практически мгно­ венно) заливали водой при еще горящей дуге. Вода гасила дугу и фиксировала положение металла ванны. Изучение полученных таким образом сварочных ванн по­ казало, что здесь, так же как и у воды, имеется кратер, опоясываемый барьером. Этот барьер представляет со­ бой ту часть жидкого металла, которая выдувается при образовании кратера. Особенно заметен такой барьер у задней стенки ванны — составляет около 4—5 мм.

41

При обычном охлаждении сварочной ванны этот барьер малозаметен из-за стенания жидкого металла в кратер. Размер его па воде получается тем больше, чем меньше диаметр трубки, подводящей газ, больше давле­ ние газа и ближе торец трубки от зеркала воды. При сварке размер барьера тем больше, чем больше сила то­

чивается с повышением давления газа и происходит при строго постоянном давлении газа. Иными словами, ко­ лебание жидкости не связано с неустойчивостью давле­ ния газа, а определяется механизмом воздействия струи газа с неподвижной жидкостью. Движущаяся струя га­ за, встречая неподвижную поверхность, изменяет на­ правление, что сопровождается трением. Вследствие этого появляется пульсациоииая составляющая скорости перемещения газа у поверхности жидкости. Одновре­ менно создается пульсационное давление граничных струй газа па жидкость, которая приходит в волнообраз­ ное движение, что подробно изложено в работе [22]. Оче­ видно, такие пульсациоииые скорости и давления имеют место и при сварке и служат причиной колебаний метал­ ла сварочной ванны и чешуйчатости металла шва.

Если давление подводящего по трубке газа подни­ мать выше 600 #/лг2, то колебание воды около кратера увеличивается и наблюдается кипение, связанное с вы­ ходом газа, проникающего в воду. Кипение тем интен­ сивнее, чем меньше диаметр подводящей трубки и боль­ ше глубина погружения струи газа в воду. Аналогичное явление наблюдается при сварке на повышенных плот­ ностях тока и при обильном выделении газа в сварочном пламени.

Погружение газовой струи в жидкость взаимосвяза­ но с давлением газа на жидкость. Это давление вызвано силой удара частиц газа, что определяет среднее давле­ ние газа на поверхность Р, которое определим по урав­

42

Если dV — элементарный объем струи, заключенный между двумя ее сечениями, то

где рг — плотность газа; уг — удельный вес газа.

Так как газовый поток перемещается, то величина элементарного объема будет определяться временем его существования:

dV = Vdt.

Движущаяся струя обладает определенным скоростным напором, величина которого

Подставив это значение в уравнение (36), получим

Р = 2PcyrF Н,

или

т. е. давление струи на поверхность равно удвоенной ве­ личине скоростного напора.

Если струя встречает твердую поверхность, то, расте­ каясь по поверхности, она оказывает соответствующее

43

давление па нее. Если газовая струя встречает жидкость, то опа погружается в нее. Глубину погружения газовой струн в жидкость можно найти исходя из того, что по­ ток газа обладает определенной кинетической энергией, равной Mw2/2, где М — масса газа. Эта кинетическая энергия потока газа при входе в жидкость расходуется иа перемещение соответствующего объема жидкости на глубину Л. Для единицы объема газа уг и жидкости уж запишем

откуда

Практически это уравнение выражает только функцио­ нальную зависимость, так как при входе струп в жид­ кость наблюдаются трудноучитываемые потери напора и фактическая глубина погружения меньше расчетной.

Экспериментальная проверка изменения параметров погружения уравнения (38) для разных условий подачи газа показала, что при увеличении диаметра выходного отверстия подводящей трубки глубина погружения сни­ жается. Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что зависимость глубины погружения от основных параметров струп газа довольно хорошо опи­ сывается уравнением

му уравнению, близки к экспериментальным. Этим урав­ нением можно пользоваться при практических расчетах погружения струи газа в воду.

Образование кратера при погружении газовой струи в жидкость

Как указывалось выше, при давлении подводимой газовой струи около 400—600 Я/ш2 вокруг кратера жид­

44

кости, вытесняемой потоками воды, а также газами, по­ глощенными водой, образуется барьер.

Наблюдения за образобаппем кратера показали, что вода вокруг него находится в сильном волнении. Тем не менее кратер фиксируется довольно четко, и можно за­ мерить его средний размер— диаметр, чему способст­ вуют также поглощенные газы, большая часть которых выделяется в области барьера. Но это затрудняет и оп-

Рис. 9. Кратер сварочной ванны: а — расширение выходящими газами; б — диаметры струп входящего и выходящего газа

ределение положения внешней кромки барьера, которая делается расплывчатой и непостоянной. Поэтому можно сказать только, что ширина барьера приблизительно ле­ жит в пределах 1—5 мм.

Диаметр кратера определяется диаметром газовой струи иа уровне зеркала воды и давлением газа. Диа­ метр газовой струи, свободно истекающей в однородной

струя газа входит в воду) диаметр ее увеличивается. Это вызвано необходимостью выхода газа из углубления, что раздвигает стенки воронки и увеличивает диаметр кра­ тера (рис. 9, а). Поэтому диаметр кратера больше диа­ метра струи у зеркала воды и зависит не только от d0 и /, но и от давления газа Р.

Вероятный диаметр кратера можно определить сле­ дующим методом. При углублении струи диаметром dc

45

(у зеркала) газ входит в воду и, углубившись па опреде­ ленную величину /г, выходит. Без учета газа, поглощен­ ного водой, можно принять, что количество входящего и выходящего газа одинаковое. Следовательно, площади сечения струй газа равны, т. е. F' — Fс. Но площадь се­ чения струи выходящего газа F' определяется площадью кольца с внутренним диаметром dc и наружным DK (рис. 9, б). В таком случае

Отсюда видно, что диаметр кратера примерно в 1,5 раза больше диаметра струи у входа ее в жидкость. Фактиче­ ски диаметр кратера зависит от торможения струи и дав­ ления газа. Это связано с тем, что секундный расход газа Qr определяется его давлением:

тально. С учетом этого в уравнение для определения диа­ метра кратера (41) надо ввести и давление.

Соответствующие экспериментальные исследования связи диаметра кратера DK с параметрами Р, cl0 и I при погружении газовой струи в воду и обработка получен­ ных данных показали, что диаметр кратера можно опре­ делять по уравнению

46

Влияние наклона электрода на размер ванны

Выше рассматривался случай, когда трубка, подво­ дящая газ, располагалась перпендикулярно к зеркалу воды. Однако, как показал анализ сил, действующих на сварочную ванну (уравнение (23)), угол наклона элек­ трода имеет большое значение для соотношения этих сил. Естественно, наклон электрода имеет значение и для геометрических размеров ванны, что проверялось па модели. Для моделирования применяли корытообразный сосуд вытянутой формы из прозрачной пластмассы. Раз­ мер сосуда взят с учетом необходимости увеличения во­ дяной ванны по сравнению со стальной. Вытянутая фор­ ма сосуда обеспечивает ограничение ванны с боков, что имитирует условия образования ее. Газ (кислород, ар­ гон, воздух) подавался по трубкам различного диа­ метра и при разном давлении. Угол наклона трубок кон­ тролировался угломером, так же как и угол наклона задней стенки образующейся ванны.

Эксперименты показали, что наклон трубки вызы­ вает изменение формы и размера ванны (кратера): она вытягивалась в сторону, обратную наклону трубки, и в проекции вместо круга принимала форму эллипса при соответствующем уменьшении глубины погружения. При давлении газа менее 300—400 Н/м2ванна спокойна и кра­ тер хорошо очерчен в виде вмятия воды. При большем давлении наблюдается колебание ванны, образование барьера и гребешков (волн). Высота барьера, глубина погружения и амплитуда волн все время колеблются в пределах некоторого минимума и максимума в зависи­ мости от условий дутья. Интенсивность и амплитуда ко­ лебаний при данных параметрах дутья зависят также и от состава жидкости: для чистой воды они больше, у ма­ шинного масла и особенно у глицерина гораздо меньше из-за иных физических свойств этих жидкостей. Добав­ ка в воду поверхностно-активных веществ мало влияет на интенсивность и амплитуду колебаний. Наличие на поверхности воды «шлака» (тонкие древесные опилки, перемешанные с машинным маслом) несколько сглажи­ вает амплитуду волн.

Применяя корытообразный сосуд меньшего размера, можно наблюдать за поведением жидкости при увеличе-

47

і і п н давления, когда глубина погружения струп превы­

шала толщину слоя воды. В этом случае струя газа раз­ деляла всю жидкость сосуда на две части н сдувала жидкость не только со дна, но п со стенок сосуда. Обра­ зующиеся две стенки жидкости сохраняли свое положе­ ние в течение всего периода подачи газа, находясь в большом колебании. Естественно предположить, что при определенных режимах сварки и наклоне электрода

Рис. 10. Схема разделения струп при встрече с твердой поверхностью

жидкий металл сварочной ванны может почти полно­ стью переместиться к задней стенке ванны. Это откры­ вает поверхность твердого металла внизу ванны, что обеспечивает максимально возможную при данном ре­ жиме сварки глубину проплавления.

При подаче газа к поверхности вертикальной или на­ клонной трубкой он оказывает давление па эту поверх­ ность. Если бы струя газа с площадью сечения F встре­ чалась с твердой поверхностью, расположенной к осп струп под углом а, то струя газа растекалась бы по по­ верхности, но неодинаково (рис. 10). Примяв F\ — пло­ щадь сечения основной части струи, которая направлена в сторону движения потока, F2— площадь сечения об­ ратной части струи, согласно теории импульсов [22], имеем

Fx = 0,5 (1 -г cos а) F, Е2 == 0,5(1 — cos а)F. (43)

Среднее значение давления, оказываемое струей газа на поверхность при наклоне струи, в соответствии с (36)

Так как при моделировании струя газа воздействует на жидкую поверхность, то совершается работа перемеще­ ния определенного объема жидкости — струя выдувает жидкость, удлиняя ванну. Форма ванны при этом не­ сколько своеобразна, что зависит от давления газа и диаметра газовой струн. При этом задняя стенка ванны

48

стремится расположиться перпендикулярно оси струи, что создает несимметричную форму ванны в продольном сечении ее вертикальной плоскостью (рис. 11). Если диа­ метр струи мал (меньше 3 мм) при большом давлении газа, то струя как бы врезается в жидкость (рис. 11), вследствие чего задняя стейка принимает почти верти­ кальное и даже наклонное вперед положение. Естествен­ но, что при этом ванна очень неспокойна, кромки ее все

Рис. 11. Действие струи газа на поверхность жидкости: а — при малом удельном давлении; б — при большом удельном давлении; в — схема

время колеблются, как и при дутье перпендикулярной струей.

Наблюдения и замер положения задней стенки ван­ ны при изменении угла наклона оси газовой струи (труб­ ки) показали, что средняя часть задней стенки ванны стремится занять определенное положение, почти пер­ пендикулярное к оси струп (рис. 11, в). Причем это справедливо в широком диапазоне угла наклона трубки.

Таким образом, меняя положение трубки, подводя­ щей газ, можно изменять положение задней стенки ван­ ны. Это заключение справедливо и для сварочной ван­ ны, когда, изменяя положение электрода, можно регули­ ровать положение ванны.

Б. И. Медовар [23], используя моделирование с мас­ ляной ванной, показал влияние угла наклона электрода на параметры сварного шва. В подтверждение этого был проведен следующий опыт. Посередине чугунной пласти­ ны размером 10X60X100 мм была прострогана У-образ- иая канавка глубиной 4 мм. Вдоль канавки па расстоя­ нии 20 мм друг от друга были просверлены отверстия диаметром 3 мм, в которые плотно вставлялись прутки нержавеющей хромоникелевой стали высотой 10 мм.