CC BY
22
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Вып.№8
1999 г
УДК 621.792.5.046
Серенко В.А.1, Зусин В.Я.~
АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПОРООБРАЗОВАНИЯ В СВАРНОМ ШВЕ
ЧАСТЬ 1
Разработана математическая модель порообразования при сварке (наплавке), учитывающая гидродинамику жидкого металла в сварочной ванне, поведение пузырьков газа в условиях нестационарной температуры расплава.
Пористость является основным дефектом при сварке (наплавке), в частности, цветных металлов и их сплавов, таких как алюминий, титан и др.
Большинство исследователей [1-5] связывают появление пор в шве в связи с выделением водорода из металла из-за понижения его растворимости при изменении температуры.
В данной работе предлагается математическая модель движения газовых пузырьков в сварочной ванне применительно к сварке или наплавке алюминия и его сплавов.
Примем, как и в |6, /], что стенка кратера передней части ванны является частью шарового сегмента радиусом 11с>, шириной провара В и глубиной провара И (рис.1), а изотермическая поверхность кристаллизации (задняя часть ванны) эллипсоидом с полуосями (ш, В/2, Н [8, 9].
Предположим, что одиночный газовый пузырек радиусом г0 находится в жидком металле ванны с начальными координатами х0, го (в диаметральной плоскости ванны). Дальнейшее поведение пузырька будет определяться действием выталкивающей (архимедовой) силы и равнодействующей сил поверхностного натяжения в неоднородно нагретой жидкости. Кроме того, пузырек будет перемещаться вместе с движением металла сварочной ванны, характер которого зависит от формы и размеров ванны, места расположения пузырька и др. факторов.
Абсолютная скорость перемещения пузырька в ванне (рис.2., а) будет равна геометриче-
V у
ской сумме переносной скфйсти , скорости всплывания 6 и градиентной скоростив
сторону увеличения температуры.
Скорость всплывания газового пузырька в неподвижном жидком металле, имеющем однородную температуру по объему, определяется размером пу зырька, вязкостью и плотностью жидкости [10-12].
1 Ииду стр. техн. 1111 У, инж.
2 ГТГТУ, д-р. техн. наук, проф., акад. АИН Украины
Рис. 1 - Параметры сварочной ванны
Для пузырьков радиусом г < 7,5 • 10'3 м скорость всплывиния определяется по выраже-
нию
у = 2 ->' •), '•
(1)
9 \х
где g - ускорение силы тяжести, м/с2; р*, рг - плотность жидкости и газа пузырька, кг/м ; ц Г динамическая вязкость жидкости, Па-с.
При радиусе пузырьков г > 7,5 • 103 м скорость их вспльшания может быть определена по зависимости
I
Р ж +Рг
г
О
Г(р,с+Рг)
(2)
где а - поверхностное натяжение жидкого металла, Н/м.
Рис.2 - К определению скоростей пузырька (а) и распределения температуры в металле ванны (б)
Известно, что температура металла в сварочной ванне распределяется неравномерно [13]. поэтому газовые пузырьки получают дополнительное движение в сторону увеличения температуры со скоростью [14, 15 ]
г е/ст с1'Г
2/л с1Т с1п
Й?СТ
где ----температурный коэффициент поверхностного натяжения, Н/(м-°С);
йТ
с1п
■ градиент температуры жидкости в направлении норма и п, °С/м.
(3)
Переносная скорость перемещения газового пузырька в ванне равна скорости движения жидкого металла Уж, величина которой зависит от параметров режима сварки (наплавки).
Таким образом, результирующий вектор скорости движения газового пузырька в ванне (рис. 2, а) может быть найден по зависимости
У, - У а + К +■ Уж • (4)
Авторы большинства работ, посвященных определению гидродинамических параметров жидкого металла сварочной ванны [6,7 и др.], ограничивались анализом его состояния на передней стенке кратера ванны (рис.1, от точки Б до точки О), 13 тс же время, порообразование
происходит в кристаллизующейся задней части ванны (от точки С) до точки Б), поэтому необходимо рассмотреть движение жидкого металла в этой области ванны.
В работах [16-18] показано, что скорость осевого потока жидкого металла достигает наибольшей величины в самой нижней части кратера ванны (рис. 1, толка О) и по мере перемещения в хвостовую часть ванны замедляется.
Примем в первом приближении, что проекция скорости Гж на ось х изменяется по линей ■ ному закону от I 'о (в точке О) до I (в точке Б), тогда
( 7
V = (У -V )• ]--'-- + У (5)
ЖХ V О СЧ ) 1 — ск 1 V- '
н
где Vce - скорость сварки (наплавки), м/с.
Проекция Уж на ось Z изменяется по более сложному закону в точках О и F Ужг - 0. а в промежутке от Z > 0 до Z < Н - по параболическому закону, при условии равенства проекции
ч, - т гср _ Н "
вектора переноса количества движения на ось Z для средней скорости v ^ —
^ же
Vce и ско-
рости, меняющейся по закону параболы . Можно показать, что ¥ж, будет определяться по зависимости
V
V г
6V,
св
жг
Н-8
Z).
(6)
же
Примем, что скорость у дна ванны У0 будет определяться в соответствии с рг1ботой [6], сделав поправку на изменение скорости под влиянием присоединяемой массы к жидкой прослойке вследствие плавления электрода
[1 + 4 А-В- |У,8 + А ■ Г;] -1
V. = К. ■
(7)
1 F., где Кп =--— - поправочный коэффициент; J3 = - отношение площадей наплавки
1 + 0
1 1
\ + 2у)
пр
и проплавления; у =- - отношение длины хвостовой чааи заины к ширине шва;
В
А =
В
Зц.| 'Т а ' 2
о | У
Усв (1 - sin ас,)
С = ■
F> К Ах
2nR„
Р° - коэффициент, корректирующий неравномерность распределения скорости по сечению жидкой прослойки (для параболического распределения скорости равен 0,70); . - полное газодинамическое давление дуги на поверхность сварочной ванны. Н; К- коэффициент сосредоточенности теплового потока дуги, 1/м;
- смещение оси электрода (дуги) относительно оси ванны м.
При определении результирующей скорости (формула 4} необходимо учитывать, что радиус пузырька газа г будет увеличиваться с течением времени I в соответствии с в ыражением [1]
V
/•.,-• + 2D—--—-
(8)
К 57
где г0 - начальный радиус газового пузырька (Г = 0), м; Асж - пересыщение жидкого металла газами, см3/100 г; сг - количество газа в единице объема, см3/см . Коэффициент диффузии И зависит от температуры расплава в заданной точке и определяется по зависимости
и
О(Т) = О0 -е , (9)
где £>о - коэффициент, зависящий от типа материала, см Усек; и - теплота активации диффузии, кал/(моль °С); Я - газовая постоянная, кал/(моль сС); Т - температу ра, °С.
Плотность жидкости рж , динамическая вязкость р. и поверхностное натяжение жидкости а, входящие в формулы (2-4), также зависят от температуры и для их определения можно воспользоваться известными параметрическими уравнениями [15, 20, 22]
Рж (Т) = а- Ь{Т - Тт ); -
= с + , (Ю)
а(т)=ат
здесь а, Ь, с, с/, —— - коэффициенты, зависящие от типа металла или сплава; Тт . Опл - темпе-с1Т
ратура и поверхностное натяжение в точке плавления.
Как уже упоминалось, температура расплава в сварочной ванне распределена неравномерно, особенно по толщине (рис. 2, б). По аналогии с результатами исследования [15] можно вывести зависимость изменения температуры металла по мере удаления по нормали п-п от поверхности ванны (рис.2, кривая 2) до фронта кристаллизации (рис. 2, кривая 1) в виде
Г-—
Тж {х, г) = Гтах - ДТ^— , (11)
где Ттах - температура поверхности ванны в заданном сечении п-п, °С;
АТ = Ттах - Т„„ - перепад температуры в жидком слое толщиной 5Ж, °С;
с/ - расстояние от поверхности ванны до центра газоЕого пузырька (на рис. 2,6 т. А(х, г).
Подставляя формулы (8-11) в формулы (2-4), можно найти проекции результирующей скорости Ур на оси координат
V = У + У + У
у рх * жх у ех т у га:
^ • (12)
V = V + У + V
г р2 у Ж2 ^ у «2 т ' Т2 .
= У ^
л рх рх' л
ных уравнений, правая часть которых содержит переменные >:, г, 1, т.е. это система, в общем, будет совместной.
Решение совместной системы уравнений (12) позволяет определить все характеристики движения газового пузырька в сварочной ванне и оценить вероятность образования пор в шве.
Выводы
Построена модель порообразования в шве при сварке или наплавке. Получены дифференциальные уравнения, позволяющие определиь вероятность появления пор в шве. Дальнейший анализ всех процессов будет выполнен во второй части.
Учитывая, что —7- = VрХ = УрХ , — — Ур2 = Ур2, получаем систему дифференциаль-
Перечень ссылок
1. Походня И.К. Газы в сварных швах. -М.: Машиностроение, 1972.-256 с.
2. Редчиц В.В. и др. Оценка эффективности мер преду преждения пор в швах активных металлов при сварке плавлением различными способами // Сварочное производство. - 1979. -№ 10.-С. 12-15.
3. Никифоров Г.Д., Редгиц В.В. Механизм зарождения в сварочной ванне пузырьков газа при сварке активных металлов // Сварочное производство. - 1977. - №8. - С.53-56.
4. Зусин В.Я., Серен ко В. А. Особенности дегазации сварочной ванны при наплавке алюминие-
вых сплавов порошковой проволокой // Вестник Приазов гос . техн. ун-та. :Сб. науч. тр,-Мариуполь,-1995. Вып.1.-С. 189-191.
5. Зусин В.Я., Глозман Л.А., Серенко В.А. Пути повышения плотности металла при наплавке алюминиевых сплавов порошковыми проволоками // Автоматическая сварка. - 1996. - №8. -С. 39-41.
6. Размышляев А.Д. Гидродинамические параметры пленки' жидкого металла на передней стенке кратера ванны при дуговой сварке // Автоматическая сварка. - 1982. - №1 - С. 20-25.
7. Болдырев Л.М., Биржев В.А., Черных A.B. К расчету' параметров жидкого металла на дне сварочной ванны при дуговой сварке // Сварочное производство. - 1992. - №2. - С. 31-33.
8. Прохоров H.H. Физические процессы в металлах при сварке. -Г 1-М.: Металлургия. 1968. -695 с.
9. Теория сварочных процессов / Под. ред. В. В. Фролова. - М.: Е!ысшая школа, 1988. - 559с.
10. НесисЕИ. Кипение жидкостей. -М.: Наука, 1973. - 280с.
11. Явойский В.И., Дорофеев Г.А., Повх И.Л. Теория продувки сталеплавильной ванны. -М.: Металлургия, 1974. - 496 с.
12. Маленков И. 1 './/Журнал прикладной механики и технической физики.-! 968.-№6. -С. 130-133.
13. Рабкин ДМ. Распределение температур в ванне при автоматической сварке алюминия // Автоматическая сварка. - 1956. -№2. - С. 1-11.
14. Братухин Ю.К., Евдокимова О А., Пшеничников А.Ф. Движение газовых пузырей в неоднородно нагретой жидкости // Изв. АН СССР, Механика жидкости и газа. - 1979. - №5. - С. 55-57.
15. Явойский В.П., Явойский A.B., Сизов A.M. Применение пульсирующего дутья при производстве стали. -М.: Металлургия, 1985. - 176с.
16. Демянцевич В.П., Матюхин В И. Особенности движения жидкого металла в сварочной ванне при сварке неплавящимся электродом // Сварочное производство.- 1972. - №10. - С. 1-3.
17. Столбов В.И. и др. Движение металла в ванне при сварке трехфазной дугой глубоким про-плавлением // Сварочное производство. - 1976. - №9. - С 5 1.-53.
18. Размышляев АД. Исследование скорости движения скорости жидкого металла в сварочной ванне при дуговой наплавке под флюсом // Сварочное производство,- 1979. - №9. - С. 3-5.
19. Петров Г.А. Гидравлика переменной массы. - Харьков: ХПИ, 1964.-223 с.
20. Ершов Г.С., Бычков Ю.Б. Свойства металлургических расплавов и их взаимодействие в сталеплавильных процессах. -М.: Металлургия, 1983. -216с
21. Ниженко В.И., Флока Л.И. Поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов: Справочник. - М.: Металлургия, 1981. - 208 с.
22. Андронов В.П., Чекин Б.В., Нестеренко С.В. Жидкие металлы и шлаки: Справочник. -М.: Металлургия, 1977. - 128с.
Серенко Валерий Александрович. Директор Индустриального техникума ПГТУ, окончил Мариупольский металлургический институт в 1981 году. Основное научное направление-совершенствование процессов сварки и наплавки алюминия и его сплавов.
Зусин Владимир Яковлевич. Д-р техн. наук, проф., акад. АИН Украины, окончил Ждановский металлургический институт в 1963 году. Основное научное направление-совершенствование материалов, процессов сварки, наплавки и восстановления алюминиевых, изделий, работающих в особых условиях.
