книги из ГПНТБ / Безбах, Д. К. Сварка на открытых площадках в судостроении и судоремонте

Взаимодействие ветра с дуговыми струями. Сложный, беспрерывно изменяющийся состав движущихся газов и паров, их высокая темпе­ ратура, обилие твердых раскаленных частиц и брызг не позволяют ни теоретически, ни экспериментально получить достоверную кар­ тину взаимодействия ветра с дуговыми струями. Теорией турбу­ лентных струй [1 ] установлено, что профиль кривых распределения температуры и скорости газов при действии ветра совпадает. Поэтому по температурному полю можно судить о характере взаимодействия дуговой струи с ветром. На рис. 29 показаны изотермы окружаю­ щих дугу газов при сварке порошковой проволокой в условиях действия встречного ветра. С наветренной стороны дуговая струя распространяется на незначительное расстояние от дуги. В этом

месте участок ванны расплавленного металла обдувается воздухом. Каче­ ственный шов возможен только в том случае, если ванна расплавленного металла будет почти полностью (за исключением придуговой области) покрыта шлаком. В этом отношении порошковые проволоки и покрытые электроды имеют определенные пре­ имущества перед легированной про­ волокой однородного сечения.

плавления электродного стержня. В случае применения порошковых проволок проблема решается путем увеличения диаметра проволоки и сосредоточения металлической части сердечника в его центре. Приме­ ром может служить двухкольцевая проволока марки ПП-АНЗ. Кроме того, в покрытия электродов и в сердечники порошковых проволок вводят газообразующие компоненты (карбонаты, оксицеллюлозу, крахмал и т. п.), с таким расчетом, чтобы образующихся газов и паров было достаточно для защиты расплавленного металла от воздуха. В табл. 17 приведен расход газообразующих компонентов в % от электродного металла при плавлении некоторых электродных материалов. Для сравнения приведен удельный расход газа при сварке в среде углекислого газа.

Устойчивая защита расплавленного металла при ветре зависит не только от количества образующихся газов, но и от скорости их движения, т. е. от кинетической энергии движущихся частиц. Сог­ ласно Меккеру [см. 801, кинетическая энергия частиц в струе дуги пропорциональна произведению силы тока на его плотность. Сле­ довательно, сварка на повышенных режимах с этой точки зрения для открытых площадок более предпочтительна.

50

слого газа

§ 6. Взаимодействие ветра со струями защитных газов

Сварка в среде защитных газов позволяет повысить уровень механизации сварочных работ на открытых площадках. Затрудняет применение этого прогрессивного способа сварки на открытых площадках ветер. Для успешного предотвращения сдувания защит­ ной струи ветром необходимо знать закономерности истечения газа из сопл сварочных горелок и взаимодействия его с ветром.

Схема струи защитного газа. Струя, истекающая из сопла сва­ рочной горелки, относится к турбулентным затопленным струям малой скорости и характеризуется начальной скоростью vr и величиной начальной турбулентности. От этих параметров, а также от диа­ метра сопла dc зависит высота конуса потенциального ядра струи Лк и угол расширения струи а (рис. 30). Незначительное влияние на форму струи оказывает молекулярный вес газа, его кинемати­ ческая вязкость, разность температур газа и окружающего воздуха.

Для защиты расплавленного металла при сварке используется потенциальное ядро струи. Участок, прилегающий к ядру, состоит из смеси защитного газа и газов окружающей среды. В турбулент­ ных струях концентрация проникающего в струю воздуха изме­ няется плавно [1].

Механизм проникновения воздуха в струю следующий. Погра­

Вто же время вследствие кинематической вязкости эти макро­ объемы со стороны оси струи увлекаются ядром и получают враща­ тельное движение. В результате вращательного движения макро­ объемов пограничного слоя и диффузии газов струя обогащается воздухом и постепенно замедляет скорость.

Взону дуги защитный газ можно подавать различными спосо­ бами. Наиболее распространены горелки, у которых оси струи

в о з д у х а . П ок азан и я т а к и х ротам етров п роп ор ц и он альн ы к и н етщ ч еск ой эн ер ги и части ц газов

где рг, рв — плотность защитного газа и воздуха, г/м3; нг, vB— ско­ рость истечения защитного газа и воздуха соответственно, м/с. Из уравнений (32—34) находим

Скорость истечения углекислого газа можно определить по формуле

не изменяется; потеря энергии между двумя сечениями струи равна разности кинетических энергий газа в этих сечениях, а количество движущейся массы от сечения к сечению в единицу времени практи­ чески не изменяется.

В теории турбулентных струй [1] получены формулы для рас­ чета различных параметров струн. Расчетные формулы для осе­

структуры струи а, характеризующий неравномерность скорости газа в начальном сечении струи. Значения указанного коэффициента для различных сопл, а также углы расширения струи и высота конуса потенциального ядра приведены в табл. 19.

От значения коэффициента турбулентной структуры струи зави­ сит ее устойчивость при воздействии ветра, что в конечном счете определяет экономию защитного газа. Чем совершеннее сварочная горелка, тем равномернее скорость истечения газа из сопла, тем меньше значение коэффициента а и тем меньше расход защитного газа при данной скорости ветра.

Установки для имитации ветра и испытания сварочных горелок. Скорость перемещения частиц при ветре непостоянна по величине и направлению. Поэтому для определения эффективности защиты расплавленного металла от воздействия воздушного потока реко­ мендуется использовать упрощенную аэродинамическую трубу (рис. 31). Воздушный поток в трубе создается центробежным воз­ душным насосом. Направляющие каналы применяются для умень­ шения турбулентности потока. Сварку производят в полуоткрытой

53

трация

трубе. Перепад скорости воздушной струи в начале и в конце сварки в такой трубе не превышает нескольких процентов. Для изменения скорости воздушного потока на входном отверстии насоса устана­ вливают сменные накладки с калиброванными отверстиями. Реко­ мендуется иметь набор накладок, позволяющих создать следующие

54

значения скорости воздушного потока: 0,5; 1,7; 3,3; 5,2; 7,4; 9,8; 12,4; 15,2 м/с. Эти значения являются максимальными для соот­ ветствующих диапазонов специальной шкалы Бофорта. Абсолют­ ную величину скорости воздушного потока измеряют ручным чашеч­ ным анемометром, а направление— с помощью тонкого неупругого волоска длиной 8— 10 мм, наклеенного на острие державки.

Границы струи вблизи дуги можно установить методом специ­ альной фотографии, основанной на интерференции когерентных

лучей, или проанализировав состав газов, отобранных из струи тонким шприцем [23, 76]. Однако оба эти метода сложно применять в производственных условиях. Для сварочного производства важно знать главным образом размеры и положение защищенного пятна, поэтому можно воспользоваться методом окисления поверхности изделия или натянутой параллельно изделию струны.

Наружную границу струи можно определить методом термопар; этим же методом можно воспользоваться для определения параметров струи защитного газа при отсутствии сварочной дуги. Схема уста­ новки для испытаний сварочных горелок методом термопар пока­ зана на рис. 32.

Для использования метода термопар защитный газ на входе р сварочную горелку необходимо либо подогревать, либо охлаждать

55

Устойчивость газовых струй прй воздействии ветра. Наиболее изучено влияние ветра на два метода сварки: неплавящимся электро­ дом в аргоне и плавящимся электродом типа Св-08Г2С в углекислом газе или смеси углекислого газа и кислорода. Сварка порошковой проволокой в углекислом газе значительно меньше исследована — имеются лишь практические рекомендации [21, 47].

Дж. Лоуэри [75] провел обстоятельные иселедоваиия

водивших исследования с углекислым^ газом [23, 61 ]. Ряд важных выводов получил Т. Г. Квирикадзе [23], исследовавший влияние ветра на эффективность защиты при сварке в углекислом газе про­ волокой Св-08Г2С. С помощью оптического метода на базе интер­ ферометра Маха—Цендера, а также метода выявления начала обра­ зования пор при изменении параметров струи он показал, что ско­ рость истечения газа из сопла является важным параметром струи и что, уменьшая диаметр сопла, можно экономить защитный газ.

На рис. 36 показана деформация, струи защитного газа под воздействием ветра. В пограничных районах струи скорость посту­

58

пательного движения частиц газа невелика, поэтому пограничные слои легко сдуваются — струя как бы постепенно оголяется под воздействием ветра. Обтекая наиболее стойкую сердцевину струи, воздушный поток постепенно превращает ее из круглой в подково­ образную.

Деформация струи защитного газа у изделия при воздействии ветра показана на рис. 37. Так же, как и в случае свободно истекаю­ щей струи (при отсутствии изделия), ветер уносит медленно дви­ жущиеся пограничные слои струи, изгибает ее ось, смещает защи­ щенное пятно на изделии и, наконец, уносит отразившиеся от изде­ лия макрообъемы газа.

той частью, которая представляет собой смесь защитного газа с воз­ духом. Если расстояние меньше критического, то ядро струи каса­ ется изделия, однако защищенное пятно будет смещено (рис. 38).

Величину смещения защищенного пятна на изделии под воздей­ ствием ветра можно определить, зная положение оси струи, уравне­ ние которой можно рассчитать аналитически. Из теории турбулент­ ных струй [1] известно несколько эмпирических и полуэмпирических уравнений для оси струи в сносящем потоке, однако, как показало сравнение расчетных и экспериментальных данных, упо­ мянутые уравнения не являются универсальными и пригодны преи­ мущественно для участков струи, удаленных не менее чем на пять диаметров сопла от его торца. По' этой причине они не подходят для условий сварочных защитных струй.

Уравнение для оси струи можно вывести, исходя из следующих соображений. Набегая на струю защитного газа, воздушный поток создает область повышенного давления на передней стороне струи и разрежение на задней. Перепад давлений способствует смещению струи по направлению движения воздушного потока. Сила давления потока равна центростремительной силе, заставляющей молекулы газа струи двигаться по закруглению определенного радиуса.

59