книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч

ги, расходуемой на нагрев окружающей среды, Вт; NH- часть мощности дуги, расходуемой на нагрев изделия, Вт.

Оценка мощности сжатой дуги будет проведена ниже.

Сжатая дуга и плазменная струя оказывают значительное силовое воздействие на зону обработки. Это воздействие для различных техноло­ гических процессов может играть положительную роль (например, увели­ чение проплавляющей способности дуги) и отрицательную (например, ухудшение условий стабильного удержания ванны жидкого металла и ка­ чественного формирования сварного шва). Давление сжатой дуги на пре­ граду в 6-10 раз больше, чем свободной дуги, при одинаковом токе. Изу­ чению природы и величины силового воздействия свободно горящей и сжатой дуги посвящен целый ряд исследований, дающих разноречивые, порой противоположные представления о качественной картине силового воздействия сварочной дуги и не менее различные результаты количест­ венной оценки этого воздействия. Единым является лишь мнение, что при­ чиной силового воздействия следует считать суммарное действие различ­ ных составляющих сил. Предположительно считается, что возможными компонентами общего воздействия могут быть названы следующие виды сил: электромагнитные, электродинамические, газокинетические, электро­ статические плазменной струи, давление носителей заряда, силы реакции от испарения металла в зоне сварки. Многочисленными исследованиями установлено, что на суммарное силовое воздействие сжатой дуги и на рас­ пределение его по поперечному сечению влияет целый ряд факторов: ток дуги /д, расход плазмообразующего газа Qn, свободная длина сжатой дуги А, диаметр плазмообразующего сопла dc.

Большинство исследователей подтверждают квадратичную зависи­ мость величины силового воздействия от тока

P*=Ua.

Однако величина коэффициента пропорциональности по данным различ­ ных исследователей варьируется в широких пределах. Основной причиной этого считается отсутствие единой методики определения силового воз­ действия.

1.2.Воздействие сжатой дуги на зону обработки

Особенности передачи тепла в изделие, глубина проплавления, ме­ ханизм движения расплавленного металла в сварочной ванне и особенно­

11

сти формирования сварного шва во многом определяются характером си­ лового воздействия сжатой дуги.

Характер силового воздействия сжатой дуги при сварке определяет­ ся как параметрами самой дуги, так и особенностями зоны воздействия. Для понимания процессов, происходящих при взаимодействии сжатой ду­ ги со сварочной ванной, имеющей сложную форму, необходимо на первом этапе рассмотреть взаимодействие дуги с плоской преградой (рис. 4). На­ текание осесимметричной струи на плоскую преграду, перпендикулярную оси струи, рассматривалось в ряде работ.

Рис. 4. Схема взаимодействия сжатой дуги с плоским экраном

Струя, нормально натекающая на плоскую преграду, после соударе­ ния с ней образует веерную струю, растекающуюся радиально от критиче­ ской точки К. При этом вблизи преграды создается область повышенного давления.

В общем случае область течения можно разбить на четыре зоны: I - начальный участок; II - основной участок; П1 - зона поворота потока; IV - зона установившегося радиального течения. Сечение 0-0 - срез сопла. Профили скорости и энтальпии в этом сечении предполагаются постоян­ ными. Координата 0 < Х < Х н ограничивает начальный участок с ядром по­ стоянных параметров. Границы струи предполагаются прямолинейными.

1 2

Обозначения, принятые на рис. 4: X, г - осевая и радиальная коорди­ наты; U - скорость. Индексы: 0 - относятся к условиям на срезе сопла; Н - на начальном участке сжатой дуги; 1 - на внутренней границе сжатой ду­ ги; 2 - на внешней границе сжатой дуги.

Сжатая дуга может рассматриваться как изобарическая струя, поэто­ му уравнение сохранения импульса, записанное для сечений 0-0 и Н-Н, бу­ дет иметь вид

где Сн - константа начального участка; Кц - коэффициент расширения струи на начальном участке;

профили Шлихтинга на начальном участке

где А и п - постоянные коэффициенты, зависящие от рода плазмооб­ разующей среды и температурного интервала;

позволяют решить задачу о геометрической структуре начального участка. Длина и радиальная граница начального участка струи определя­ ется выражениями

1 3

2 4 - л 7 - л 5,5- л ’

л берется по данным аппроксимации плотности плазмы; коэффициент расширения струи на начальном участке

где средняя скорость исрвычисляется по формуле

чн

Jpu2rdr

Jpurdr

о

отсюда коэффициент Кц рассчитывается по формуле

н1,68(52 -B !)

Множитель, равный 1,68, введен в знаменатель с тем расчетом, что­ бы в случае изотермической струи (л = 0) коэффициент Кц обращался в единицу.

Уравнения (5) - (13) позволяют рассчитать все геометрические и га­ зодинамические параметры струи в области начального участка.

Следует отметить, что неучет начальной неравномерности парамет­ ров и исходной турбулентности плазменной струи на срезе сопла приво­ дит к расхождению расчетных и реальных значений параметров. Началь­ ная неравномерность параметров и и Ао на срезе сопла обусловлена нали­ чием теплового и динамического погранслоев на стенках сопла. Начальная неравномерность параметров учитывается путем переноса полюса началь­ ного участка внутрь сопла на расстояние Х0ц. Учитывая (5), можно полу­ чить следующее выражение для конца начального участка:

1 4

где величина пи характеризует неравномерность распределения скорости на срезе сопла; А2 - коэффициент турбулентного обмена,

Отсюда следует, что с увеличением неравномерности распределения параметров на срезе сопла (уменьшением пи) длина начального участка уменьшается. Скорость струи плазмы (см. рис. 4) в пределах зон I и II из­ меняется так же, как и в свободной струе. Вблизи преграды (зона П1) ско­ рость на оси быстро уменьшается до нуля на стенке. В точке торможения давление достигает максимума. При этом распределение давлений по стенке аналогично распределению давлений торможения в струе перед разворотом.

Протяженность зоны III:

Х г= (1 ,2 -1 ,З К ,

Давление, оказываемое на преграду сжатой дугой, определяется со­ отношением

При осреднении скорости плазменной струи по сечению давление

p =pQum=2Fcp & .

Рассмотренная схема взаимодействия сжатой дуги с преградой явля­ ется простейшей, она характерна для некоторых процессов, при которых отсутствует заглубление струи в металл и образование кратера (напыле­ ние, металлизация и другие). Процессы плазменной резки и сварки харак­ теризуются более сложной картиной взаимодействия сжатой дуги и плаз­ менной струи с обрабатываемым материалом.

1.2.1. Взаимодействие сжатой дуги с преградой, расположенной под углом к оси струн

Рассматривая особенности взаимодействия сжатой дуги с полостью кратера при сварке проникающей дугой или плазменной резке, необходи­ мо учитывать сложную форму полости кратера и несимметричность воз­ действия сжатой дуги. В установившемся режиме сжатая дуга воздейству­

1 5

ет на фронт плавления, имеющий угол наклона а (рис. 5). Характер расте­ кания потоков плазмы по фронту плавления и величина силового воздей­ ствия на него определяются углом «атаки» ф = п/2 (рис. 6). При угле «ата­ ки» ф £ ф ^ (37-40°) плазменные потоки по поверхности преграды растека-

Рис. 5. Схема взаимодействия сжатой дуги с фронтом плавления

ются веерно (см. рис. 6, а), при ф < ф^, происходит одностороннее расте­ кание (см. рис. 6,6) с углом распространения в плоскости преграды р:

При натекании сжатой дуги на преграду при ф Фтс/2 происходит на­ рушение симметрии набегающего потока и распределения давления по поверхности преграды относительно критической точки К при ф = %12. При этом точка, в которой достигается максимальное давление, смещается вверх от геометрического пересечения потока с поверхностью преграды:

гд е Л = -— длина сжатой дуги в безразмерном виде; dc- диаметр сопла.

1 6

Рис. 6. Особенности растекания струи по плоскому экрану в зависимости от угла «атаки» <р: о - ф > фкр (37-40); б - ф < фкр

Взаимодействие происходит на начальном участке. Величина сило­ вого воздействия сжатой дуги также определяется углом «атаки» ф (см. рис. 5, 6), при ф<д/2 струя в точке встречи с преградой затормаживается не полностью и максимум давления будет меньше, чем при ф = я/2

( 18)

где Рп/2 - силовое воздействие сжатой дуги при нормальном натекании на преграду.

Расчетные значения Рф получены без учета кривизны фронта плав­

ления в горизонтальном сечении и по величине они должны несколько от­ личаться от реального силового воздействия сжатой дуги на фронт плав­ ления, однако характер изменения Pv, полученного расчетным путем и

экспериментальным, одинаков. Величина силового воздействия сжатой ду­ ги на фронт плавления в зависимости от а изменяется в несколько раз. Характер растекания потоков плазмы по фронту плавления и величина си­ лового воздействия оказывают существенное влияние на процесс абля­ ции фронта плавления, формирование кратерной полости и особенности движения расплава по полости кратера.

1 7

1.2.2. Взаимодействие сжатой дуги с полостью кратера

Необходимо рассмотреть наиболее общий случай - взаимодействие сжатой дуги с полостью кратера при сварке проникающей дугой. В этом случае сварочный кратер представляет собой камеру сложной формы с от­ верстием в нижней части.

В квазистатическом состоянии для определенной области формиро­ вания сварного шва полости кратера присущи вполне определенные па­ раметры: угол наклона передней стенки полости кратера а, длина полости по диаметральному сечению L, ширина шва В, диаметр сквозного отвер­ стия в нижней части сварного шва d, форма передней стенки жидкой ван­ ны (рис. 7).

Рис. 7. Схема взаимодействия сжатой дуги со сварочной ванной при сварке проникающей дугой (а) и расчетная схема (б)

Перечисленные параметры определяются характеристиками сжатой дуги и теплофизическими свойствами свариваемого металла. При рассмот­ рении силового воздействия сжатой дуги на полость кратера необходимо учитывать ограниченность объема полости кратера, т.е. в полости кратера сжатая дуга будет распространяться как стесненная струя. На формирова­ ние струи в стесненных условиях влияют отношение площади сопла к площади поперечного сечения ограничивающей струю камеры, длина ка­ меры и расстояние от входного сечения до рассматриваемого сечения струи. Предложено рассматривать процесс взаимодействия сжатой дуги с полостью кратера как взаимодействие струи с тупиковой камерой, имею­ щей в дне отверстие меньшего проходного сечения, чем у самой камеры (см. рис. 7, б). Такую струю можно назвать транзитно-тупиковой стеснен­ ной струей. Причем влияние стенок камеры на характер распространения струи проявляется уже при соотношении

1 8

F c = Q,25FK,

где Fc - площадь поперечного сечения струи, Fc = FK; FK- площадь попе­ речного сечения камеры.

При дальнейшем сближении сечений струи и ограничивающей каме­ ры происходит быстрое размывание границ струи и прекращение (замед­ ление) поступательного движения струи, т.е. кинетическая энергия струи частично (или полностью) переходит в потенциальную энергию давления. На выходе снова увеличивается скорость истечения. В связи с конусно­ стью (B/d > 2 ) полости кратера описанные явления стеснения струи в по­ лости кратера развиваются быстрей, чем в цилиндрической камере.

Если площадь приемной камеры мала по сравнению с площадью струи, то картина течения аналогична течению при нормальном натекании струи на стенку, в этом случае давление в приемной камере равно давле­ нию торможения. Если площадь приемной камеры существенно больше площади струи, то картина течения аналогична течению струи, втекающей в тупик.

Рассматривая натекание сжатой дуги на плоский экран (см. рис. 4), можно отметить, что распределение давлений по преграде, очевидно, не изменится, если сделать в экране отверстие достаточно малого диаметра по оси струи. В этом случае обратный расход практически отсутствует и под­ водимый расход равен расходу отклоненного потока. Поэтому при отсут­ ствии расхода через отверстие давление в нем равно осредненному по площади давлению торможения. При смещении отверстия в экране с оси набегающей струи давление в нем будет падать пропорционально расстоя­ нию от оси струи, согласно закону распределения скоростей в набегающей струе. В этих условиях давление, которое создается в приемном отверстии, определяется исключительно характеристиками струи. При увеличении диаметра приемной камеры могут возникнуть обратные потоки, изменяю­ щие картину течения.

Рассматривая взаимодействие сжатой дуги с полостью кратера при наличии сквозного отверстия в корне шва как элемент сопло-приемная ка­ мера (см. рис. 7, б), причем приемная камера находится на начальном уча­ стке струи, необходимо отметить, что давление в кратере (приемной каме­ ре) не равно осредненному давлению торможения той части струи, которая попадает в кратер. Такой вывод обусловливается тем, что при взаимодей­ ствии сжатой дуги (далее струи) с полостью кратера (далее приемной ка­ меры) возникают сложные вторичные течения, связанные с неравномерно­ стью распределения скоростей в струе и стесненностью струи. Эти тече­ ния существенно влияют на расход и давление в приемной камере. Проти­ вотоки при натекании струи на приемную камеру возникают вследствие несоответствия расходов - подводимого струей и «транзитного» - через

19

приемную камеру (сбрасываемого через сквозное отверстие). Обратные течения возникают в периферийной части приемной камеры, где динами­ ческий напор набегающей струи сравнительно мал. При втекании струи в приемную камеру должно соблюдаться уравнение баланса расходов

Расход обратного потока Q0б тем больше, чем меньше расход на вы­ ходе QKпо сравнению с Qc. Обратный поток может распространяться либо в направлении оси струи, либо отклоняться в результате взаимодействия с периферийными частями струи. Направление течения обратного потока зависит от соотношения ширин струи и приемной камеры, а также осо­ бенностей взаимодействия струи с камерой (взаимная ориентация, форма полости камеры и т.д.). Давление в приемной камере зависит не только от скоростного напора набегающей струи, но и от сопротивления, которое встречает струя в приемной камере и на выходе из нее, а также от воздей­ ствия обратного потока на объем газов в камере.

В зависимости от сопротивления приемной камеры меняются давле­ ние в камерерк и расход QKпри заданных диаметре сопла dc, расстоянии Л, диаметре приемной камеры dKи параметрах струи. С увеличением, при прочих равных условиях, диаметра приемной камеры dKрасход QKсначала растет, а затем уменьшается вследствие возникновения противотоков в пе­ риферийной части камеры. При дальнейшем увеличении dKдавление в ка­ мере будет приближаться к атмосферному и газ практически не будет про­ текать через сквозное отверстие.

Неучет влияния обратного потока на процесс движения газов в при­ емной камере ведет к занижению давления в камере. Давление в камере возрастает за счет давления, соответствующего силе, возникающей при повороте струи и действующей в сторону, противоположную направлению

где Роб - сила, возникающая при повороте струи; 0 - угол разворота струи, тогда давление обратного потока на газ в приемной камере определяется так:

A * = ^ = ^ ^ f ^ [ 1 + COS(18° ~ 0)!'

2 0