1344

Рис. 3. Зависимость электропроводности (а) и энтальпии (б) плазмы от температуры

Чем выше теплосодержание плазмообразующего газа, тем большую мощность требуется передать единице длины столба дуги, тем выше, следовательно, при данном токе напряженность поля столба E. Таким образом, напряженность поля столба дуги, а значит, и напряжение сжатой дуги в первую очередь определяются составом плазмообразующего газа. При неизменном составе газа напряженность всех участков столба сжатой дуги увеличивается с ростом степени сжатия.

Таким образом, напряжение сжатой дуги зависит от конструктивных параметров плазмотрона ( dс,lкс,lс ), от тока дуги, состава и расхода

плазмообразующего газа, а также от расстояния от среза сопла плазмотрона до поверхности изделия. В области малых токов (десятки ампер) вольт-амперные характеристики сжатой дуги падающие, а с увеличением тока переходят в жесткие и возрастающие.

Электрическая мощность сжатой дуги почти полностью превращается в тепловую и расходуется на нагрев плазмотрона, окружающей среды и обрабатываемого изделия

где Nд – электрическая мощность сжатой дуги, Вт; Nк – часть мощности дуги, расходуемая на нагрев катода, Вт; Nс – часть мощности дуги, расходуемая на нагрев плазмообразующего сопла, Вт; Nос – часть мощности дуги, расходуемая на нагрев окружающей среды, Вт; Nи – часть

мощности дуги, расходуемая на нагрев изделия, Вт. Оценка мощности сжатой дуги будет проведена ниже.

11

Сжатая дуга и плазменная струя оказывают значительное силовое воздействие на зону обработки. Это воздействие для различных технологических процессов может играть положительную роль (например, увеличение проплавляющей способности дуги) и отрицательную (например, ухудшение условий стабильного удержания ванны жидкого металла и качественного формирования сварного шва). Давление сжатой дуги на преграду в 6–10 раз больше, чем свободной дуги, при одинаковом токе. Изучению природы и величины силового воздействия свободно горящей и сжатой дуги посвящен целый ряд исследований. Многочисленные публикации представляют разноречивые, порой противоположные результаты как по качественной картине силового воздействия сварочной дуги, так и по количественной оценке этого воздействия. Единым является лишь мнение, что причиной силового воздействия следует считать суммарное действие различных составляющих сил. Предположительно считается, что возможными компонентами общего воздействия могут быть названы следующие виды сил: электромагнитные, электродинамические, газокинетические, плазменная струя, электростатические, давление носителей заряда, силы реакции от испарения металла в зоне сварки. Многочисленными исследованиями установленно, что на суммарное силовое воздействие сжатой дуги и на рапределение его по поперечному сечению влияние оказывает целый ряд факторов: ток дуги Iд, расход плазмообразующего газа Qп, Свободная длина

сжатой дуги h, диаметр плазмообразующего сола dс .

Большинство исследователей подтверждают квадратичную зависимость величины силового воздействия от тока:

Pд =kIд.

Однако величина коэффициента пропорциональности, по данным различных исследователей, различается в широких пределах. Основной причиной этого считается отсутствие единой методики определения силового воздействия.

12

1.2. Воздействие сжатой дуги на зону обработки

Передача тепла в изделие, глубина проплавления, механизм движения расплавленного металла в сварочной ванне и особенности формирования сварного шва во многом определяются характером силового воздействия сжатой дуги.

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

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

Рис. 4. Схема взаимодействия сжатой дуги с плоским экраном: x – осевая координата; u – скорость; индексы: 0 – относятся к условиям на срезе сопла; н – на начальном участке сжатой дуги; 1 – на внутренней границе сжатой дуги; 2 – на внешней границе сжатой дуги

13

В общем случае область течения можно разбить на четыре зоны: I – начальный участок; II – основной участок; III – зона поворота потока; IV – зона установившегося радиального течения. Сечение 0-0 срез сопла. Профили скорости и энтальпии в этом сечении предполагаются постоянными. Координата 0 ≤ x≤ xн ограничивает начальный участок

с ядром постоянных параметров. Границы струи предполагаются прямолинейными.

Сжатая дуга может рассматриваться как изобарическая струя, поэтому уравнение сохранения импульса, записанное для сечений 0-0 и н-н, будет иметь вид

где Сн – константа начального участка; Kн – коэффициент расширения струи на начальном участке, Хн – длина начального участка, профили Шлихтинга на начальном участке

где η = r r2н – безразмерная ордината начального участка, и уравнение изобарической связи между ρ и h

где A и n – постоянные коэффициенты, зависящие от рода плазмообразующей среды и температурного интервала, позволяют решить задачу о геометрической структуре начального участка. Длина и радиальная граница начального участка струи определяется выражением

14

где n – берется по данным аппроксимации плотности плазмы, коэффициент можно представить как

коэффициент расширения струи на начальном участке рассчитывается по формуле

Множитель, равный 1,68, введен в знаменатель с тем расчетом, чтобы в случае изотермической струи (n = 0) коэффициент Kн обращался

в единицу.

Уравнения (5)–(13) позволяют рассчитать все геометрические и газодинамические параметры струи в области начального участка.

Учитывая (5), можно получить следующее выражение для конца начального участка:

величина nи – 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 изменяется так же, как и в свободной струе. Вблизи преграды (зона III) скорость 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

Хт = (1,2−1,3)dc .

Давление, оказываемое на преграду сжатой дугой, определяется следующим соотношением:

При осреднении скорости плазменной струи по сечению

Рассмотренная схема взаимодействия сжатой дуги с преградой является простейшей, она характерна для некоторых процессов, при которых отсутствует заглубление струи в металл и образование кратера (напыление, металлизация и другие). Процессы плазменной резки и сварки характеризуются более сложной картиной взаимодействия сжатой дуги и плазменной струи с обрабатываемым материалом.

16

а б

Рис. 6. Особенности растекания струи по плоскому экрану в зависимости от угла «атаки» φ: а – ϕ≥ϕкр (37 – 40 ); б – ϕ<ϕкр

Взаимодействие происходит на начальном участке. Величина силового воздействия сжатой дуги также определяется углом «атаки» φ (см. рис. 5, 6), при ϕ < π2 струя в точке встречи с преградой затормаживается не полностью, и максимум давления будет меньше, чем при

ϕ = π2.

где Pπ/2 – силовое воздействие сжатой дуги при нормальном натекании на преграду.

Расчетные значения Pϕ получены без учета кривизны фронта плав-

ления в горизонтальном сечении, и по величине они должны несколько отличаться от реального силового воздействия сжатой дуги на фронт

плавления, однако характер изменения Pϕ , полученного расчетным пу-

тем и экспериментальным, одинаков. Величина силового воздействия сжатой дуги на фронт плавления в зависимости от α меняется в несколько раз. Характер растекания потоков плазмы по фронту плавления

ивеличина силового воздействия оказывают существенное влияние на процесс абляции фронта плавления, формирование кратерной полости

иособенности движения расплава по полости кратера.

18

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

сотверстием в нижней части.

Вквазистатическом состоянии для определенной области формирования сварного шва полости кратера присущи вполне определенные параметры: угол наклона передней стенки полости кратера α, длина

полости по диаметральному сечению L, ширина шва B, диаметр сквозного отверстия в нижней части сварного шва d, форма передней стенки жидкой ванны (рис. 7).

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

Перечисленные параметры определяются характеристиками сжатой дуги и теплофизическими свойствами свариваемого металла. При рассмотрении 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. Наформирование струи в стесненных условиях влияют отношение площади сопла к площади поперечного сечения, ограничивающей струю камеры, длина камеры и расстояние от входного сечения до рассматриваемого сечения струи. Предложено рассматривать процесс взаимодействия сжатой дуги с полостью кратера как взаимодействие струи с тупиковой камерой, имеющей в дне отверстие меньшего проходного сечения, чем у самой камеры (рис. 7, б). Такую струю можно назвать транзитнотупиковой стесненной струей. Причем влияние стенок камеры на характер распространения струи проявляется уже при соотношении

19

Fc =0,25Fк,

где Fc = Fк – площадь поперечного сечения струи; Fк – площадь попе-

речного сечения камеры.

При дальнейшем сближении сечений струи и ограничивающей камеры происходит быстрое размывание границ струи и прекращение (замедление) поступательного движения струи, т.е. кинетическая энергия струи частично (или полностью) переходит в потенциальную энергию давления. На выходе снова увеличивается скорость истечения. Учитывая конусность ( Bd >2 ) полости кратера, описанные явления стеснения

струи в полости 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 давлению 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 подводимый расход равен расходу отклоненного потока. Поэтому при отсутствии 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

струи. При увеличении диаметра приемной камеры могут возникнуть обратные потоки, изменяющие картину течения.