книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч

приемной части полости) зона разворота струи заглубляется в по­ лость кратера, при этом происходит перераспределение расходов: QKуменьшается, Q& возрастает. Мощность потока, индуцирую­ щего вихрь в верхней части ванны, падает, уменьшается и размер вихря в верхней части ванны. При дальнейшем уменьшении угла наклона фронта плавления и расширении приемной части полости кратера зона разворота струи находится в глубине полости крате­ ра при этом значительно возрастает мощность обратного потока струи, вследствие чего происходит изменение направления вра­ щения верхнего вихря (на передней стенке жидкой ванны вверх). В зоне взаимодействия верхнего и нижнего вихря потоки расплава имеют одинаковое направление движения, что способствует уве­ личению размеров нижнего вихря.

Дальнейшее уменьшение угла фронта плавления (до значе­ ний меньше критического) приводит к закрытию сквозного от­ верстия и переходу к режиму без сквозного проплавления. Газо­ вый поток, обтекая полость кратера, как полуограниченная струя, индуцирует в хвостовой части ванны гидродинамический вихрь с направлением вращения, совпадающим с направлением движения газовой струи на передней стенке жидкой ванны (см. рис. 54, з).

Характер движения расплава в хвостовой части сварочной ванны определяет степень однородности металла шва, механизм насыщения жидкого металла газами, оказывает влияние на пе­ ренос тепла и особенности кристаллизации металла. Наличие ин­ тенсивного вихревого движения расплава, выявленного при мо­ делировании, объясняет высокую однородность металла шва и отсутствие пор при сварке проникающей дугой.

Лабораторная работа № 6 «Низкотемпературное моделирование плазменной сварки

проникающей дугой»

Цели работы:

1. Ознакомление с теоретическими и практическими осно­ вами физического моделирования сложных технологических процессов на примере низкотемпературного моделирования плазменной сварки проникающей дугой цветных металлов и вы­ соколегированных сплавов.

111

2.Получение навыков практической работы с оборудовани­ ем для моделирования плазменной сварки проникающей дугой.

3.Визуальное наблюдение динамики процессов, происхо­ дящих в полости кратера и в жидкой ванне, при моделировании плазменной сварки проникающей дугой.

Методика проведения работы

Основными параметрами режима являются: геометрические параметры модели, параметры газовой струи и скорость относи­ тельного перемещения модели и сопла («сварки») (табл. 10).

Таблица 10 Условия проведения экспериментов низкотемпературного моделирования плазменной сварки проникающей дугой

dc= 1,5...2 мм; h = 1.5...3 мм; толщина модели 5 = 6 мм; темпера­ тура газовой струи 150... 180 °С.

Для проведения исследований используется установка для моделирования процесса плазменной сварки проникающей ду­ гой, представленная на рис. 55.

Установка включает в себя:

1. Систему перемещения образца (кюветы) в заданном на­ правлении с заданной скоростью. В нее входят: исполнительный механизм перемещения кюветы 1, двигатель с редуктором 2, система электропитания и управления двигателя.

2.Систему задания параметров струи газа на срезе сопла 3.

Внее входят: подогреватель газа (головка) 4 с источником пи­ тания 5, компрессор б с ресивером 7, регулирующая арматура расхода газа 8, 9. Головка 4 снабжена системой ориентации, по­ зволяющей регулировать высоту подъема сопла над поверхно­ стью модели (кюветы) и изменять угол наклона сопла в плоско­ сти «сварки».

112

Рис. 55. Схема установки для моделирования процесса плазменной сварки проникающей дугой

3. Кювету 10, заполненную материалом модели. Кювета со­ стоит из двух кварцевых пластин, собранных при помощи зажи­ мов, между пластинами (на концах) установлены ограничители ширины, которыми задают ширину полости - «шва». Подготовку кюветы проводят следующим образом: материал модели залива­ ют в кювету, и там он остывает. Ввиду большой усадки после за­ твердевания, верхний слой срезают для получения ровной поверхности. Для визуализации движения расплава по полости кратера и в хвостовой части ванны используется угольная пудра, нанесенная на поверхность модели. Для предотвращения сдува­ ния пудры во время эксперимента верхний слой подплавляется.

113

Для фиксации явлений, происходящих в зоне «сварки» при низкотемпературном моделировании, используется фотоаппарат или видеокамера.

Порядок проведения экспериментов следующий. Устанав­ ливаются параметры режима: скорость перемещения кюветы («сварки») К, расход газовой струи Q, ориентация сопла («свар­ ка» углом вперед и углом назад); ориентация модели («сварка» на подъем и на спуск); крепится на подвижный стол кювета и настраивается съемочная аппаратура. Струей горячего газа обеспечивается сквозное проплавление модели и проводится наблюдение процессов, происходящих в полости кратера.

Точка приложения максимального давления и его величина зависят от угла натекания струи на преграду. Не изменяя энер­ гетических параметров струи, изменением угла наклона сопла (изменением угла натекания струи) можно активно воздейство­ вать на форму фронта плавления и гидродинамические процес­ сы, протекающие в полости кратера. При проплавлении углом вперед происходит сближение точки приложения максимально­ го давления с точкой пересечения струи с преградой, при этом происходит увеличение силового воздействия струи на фронт плавления. В зоне критической точки происходит интенсивное плавление материала и унос расплава, при этом передняя стенка полости кратера получает характерное искривление. При про­ плавлении углом назад угол наклона фронта плавления асим­ птотически приближается к углу наклона сопла. Угол «атаки» струи на фронт плавления значительно уменьшается, силовое воздействие струи снижается, вследствие чего падает скорость плавления и уноса с фронта плавления.

Угол наклона передней стенки полости кратера (фронта плавления), длина полости, диаметр отверстия в корневой части кратера, форма передней стенки жидкой ванны являются пара­ метрами, которые характеризуют особенности протекания про­ цессов в полости кратера. В экспериментах ставится задача оп­ ределить зависимость этих параметров от изменения параметров моделирования.

Заметное влияние на поведение жидкой ванны оказывает про­ странственное положение кюветы при имитации сварки на подъем и на спуск. При продольном наклоне кюветы возникает сила, дей­ ствующая в направлении, образующем с горизонтом угол у:

114

F = m g sin у ,

где m —масса жидкой ванны; vj/- угол наклона кюветы.

При «сварке» на спуск сила F способствует натеканию жидкой ванны на фронт плавления, а при сварке на подъем си­ ла F способствует смещению жидкой ванны в хвостовую часть и расширению полости кратера.

Порядок проведения работы

1.Подготавливаются кюветы для проведения моделирования.

2.Кювета закрепляется на подвижном столе установки для моделирования.

3.Устанавливается сопло для подачи струи горячего воздуха.

4.Включается электрическое питание установки.

5.Подготавливается видео-, фотоаппаратура.

6.Включается подогреватель газа.

7.Включается компрессор и устанавливается требуемый рас­ ход газа через сопло.

8.При заглублении струи горячего воздуха в материал мо­ дели на 2/3 толщины модели включается перемещение модели

сзаданной скоростью.

9.При сквозном проплавлении модели контролируется ста­ бильность переноса расплава с фронта плавления в хвостовую часть жидкой ванны. Производится наблюдение явлений в «сва­ рочной ванне» и фиксирование на видеоили фотокамеру при изменении параметров моделирования (табл. 10).

10.Строятся графики зависимости угла наклона фронта плавления при изменении параметров процесса, при имитации сварки «углом вперед и назад» и «на подъем и на спуск». Со­ ставляется описание динамики полости кратера в зависимости от угла наклона фронта плавления.

11.Наблюдаются вихревые перемещения расплава в хвосто­ вой части жидкой ванны. Оценивается зависимость размеров вихрей и направлений их вращения от размеров полости кратера при изменении параметров моделирования.

Контрольные вопросы

1. С какой целью проводится физическое моделирование технологических процессов?

2. Какие условия необходимо соблюдать при физическом моделировании технологических процессов?

115

3.Что такое критерий подобия?

4.От чего зависят форма и размеры полости кратера?

5.Какие факторы оказывают наибольшее влияние на про­ цессы в полости кратера при сварке проникающей дугой?

6.Что изменяется при изменении угла наклона сопла при сварке проникающей дугой?

7.Как влияет изменение угла наклона изделия на формиро­ вание шва при сварке проникающей дугой?

8. Что является причиной вихревых движений расплава в хвостовой части сварочной ванны при сварке проникающей дугой? Какое влияние оказывают вихревые движения расплава на качество сварного шва?

9.Опишите работу установки для моделирования при свар­ ке проникающей дугой.

10.Отчего происходит нарушение формирования сварного шва и образование прожога при сварке проникающей дугой?

11.Для каких металлов проще обеспечить условия стабиль­ ного формирования сварного шва при сварке проникающей дугой?

Библиографический список

1. Гарбуль А.Ф. Влияние параметров режима на формиро­ вание шва при сварке на весу стыковых соединений плазменной дугой / А.Ф. Гарбуль // Сварочное производство. - 1971. -

№8 .-С . 28-30.

2.Шиганов Н.В. Некоторые особенности формирования шва при плазменной сварке высокопрочной стали / Н.В. Шига­ нов, Г.П. Трегубов, М.П. Орлов // Сварочное производство. - 1972. - № 1. - С. 16-17.

3.Ищенко Ю.С. Сварка неповоротных стыков труб без раз­ делки кромок проникающей плазменной дугой / Ю.С. Ищенко, В.А. Букаров, В.Т. Пищик// Сварочное производство. - 1975. -

№5 .-С . 17-18.

4.Плазменно-дуговая сварка алюминиевых сплавов без формирующих подкладок / М.П. Орлов [и др.] // Сварочное про­ изводство. - 1975. - № 11. - С. 23-24.

5.Wu Chih Chiang. Operational envelopes for plasma keyhole welded titanium / W. Ch. Chiang, B.E. Pinfold // Welding and Metal Fabrication. 1979. - Vol. 47. - № 9. - P. 661-673.

116