Гидродинамические процессы при сварке двух пластин высокоскоростным ударом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Г. А. Барбашова

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ДВУХ ПЛАСТИН ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ УДАРОМ

Институт импульсных процессов и технологий НАН Украины, пр. Октябрьский, 43-а, г. Николаев, 54018, Украина, dpte@ iipt.com.Ha

Введение

В работах [1, 2] приведены некоторые результаты теоретического исследования гидродинамических процессов в трубе неограниченной длины при взрыве в ней проводника, помещённого в заполненный водой полиэтиленовый патрон цилиндрической формы. Необходимость в таком исследовании возникает при разработке технологии развальцовки труб в решётках теплообменных аппаратов [3]. Такой же патрон используется при сварке двух пластин высокоскоростным ударом (ВСУ) [4]. В этом случае заполненный водой полиэтиленовый патрон помещают в толстостенную втулку цилиндрической формы с отверстиями на торцах, высота которой равна его длине. Одно из оснований патрона закрыто полиэтиленом, к другому прикрепляется одна из свариваемых пластин - метаемая. В патроне находится спиралевидный проводник. В результате его электрического взрыва образуется заполненная плазмой полость (канал разряда), расширение которой приводит к резкому росту давления жидкости в патроне. Под воздействием гидродинамической нагрузки метаемая пластина перемещается до своего соударения со второй, неподвижной пластиной.

На качество сварного соединения влияют многочисленные факторы, в том числе величина гидродинамической нагрузки, скорость движения метаемой пластины в момент её соударения с неподвижной, угол между пластинами [5]. Поэтому определение степени влияния того или иного фактора на процесс сварки актуально при разработке соответствующей разрядно-импульсной технологии [3]. Экспериментальное изучение этого вопроса вызывает большие трудности, а измерение некоторых параметров процесса даже невозможно. В связи с этим целесообразно путём построения математической модели процесса сварки ВСУ и её реализации изучить процесс теоретически.

Цель настоящей работы - теоретическое изучение гидродинамических процессов при сварке двух пластин ВСУ.

Постановка и способ решения задачи

При построении математической модели были приняты следующие допущения:

- стенка держащей патрон втулки абсолютно жёсткая;

- проводник находится на оси симметрии патрона и имеет форму прямого кругового цилиндра конечной длины;

- проводник взрывается мгновенно;

- метаемая пластина имеет форму диска, не деформируется и перемещается по закону движения твёрдого тела;

- патрон заполняет идеальная сжимаемая жидкость, а канал разряда - идеальная низкотемпературная плазма.

В соответствии с принятыми допущениями математическая модель, описывающая гидродинамические процессы при сварке двух пластин ВСУ, включает в себя:

- систему двумерных нелинейных уравнений газовой динамики, записанную в цилиндрической системе координат [1];

- уравнение состояния в двухчленной форме [1];

- уравнение баланса энергии в канале разряда [1] на контактном разрыве плазма - вода (внутренняя граница расчётной области);

- условие непротекания на неподвижной жёсткой поверхности [1];

- равенство скорости движения границы жидкость-пластина скорости перемещения пластины;

- условие на свободной поверхности [1] на том основании патрона, где жидкость в начальный момент времени ограничена полиэтиленом, и на границе вода-газ вытекающей жидкости на противоположном торце.

© Барбашова Г.А., Электронная обработка материалов, 2010, № 6, С. 72-75.

Задача решается конечноразностным методом Годунова [1]. Используется подвижная сетка. При решении задачи учитывалась область, занимаемая вытекающей водой вблизи пластины. Результаты решения задачи

Схема расчётной области дана на рис. 1. Внутренний радиус втулки и патрона и радиус метаемой пластины равны Я, масса метаемой пластины т = 8 г, первоначальное расстояние ее до неподвижной пластины х = 10 мм. Закон ввода электрической мощности в канал разряда [1] приведен на

рис. 2.

Рис. 1. Схема области исследования: 1 - внутренняя поверхность втулки; 2 - полиэтиленовое дно; 3 - метаемая пластина; 4 - неподвижная пластина; 5 - взрывающийся проводник; А, В, С - точки на поверхности пластины и в жидкости

Рис. 2. Вводимая в канал разряда электрическая мощность

Давление в образовавшейся после электрического взрыва проводника плазменной полости существенно превосходит давление в окружающей жидкости. Вследствие этого канал разряда интенсивно расширяется, генерируя ударную волну. Давление жидкости в патроне резко возрастает, что приводит к взрыву патрона и истечению воды из занимаемой ею первоначально области. Отражённая от цилиндрической поверхности волна достигает стенки канала разряда, что приводит к уменьшению объёма канала и повышению давления в нём (рис. 3, кривая 1). Величина второго максимума давления в канале меньше первого, что связано с окончанием ввода энергии в канал разряда и увеличением занимаемого жидкостью объёма [1]. Давление жидкости после достижения максимального значения быстро падает во всей области, в том числе и на метаемую пластину (рис. 3, кривые 2-4). Следует также отметить, что фронт ударной волны достигает различных участков пластины практически одновременно, а гидродинамическая нагрузка распределена практически однородно (рис. 3).

Вследствие разрушения патрона и начала перемещения пластины происходит истечение жидкости из втулки. Скорость жидкости достигает 380 м/с. Направленность и значения компонент вектора скорости жидкости (рис. 4) свидетельствуют о том, что с некоторого момента времени поток воды обтекает движущуюся пластину (рис. 4, кривые 2 и 2'). Этот факт также затрудняет экспериментальное изучение процесса сварки ВСУ.

После достижения максимума плотность жидкости быстро падает до значений, которые меньше плотности покоящейся жидкости р = 1000 кг/м3 (рис. 5). Это происходит вследствие увеличения занимаемого ею объёма. То есть жидкость разрушается - образуются «отколы» [6]. Как в [6] и

полагали, разрушаемая жидкость является сплошной средой, плотность которой меньше плотности невозмущенной жидкости, а давление равно нулю.

□ 10 20 30 I, мкс 40

Рис. 3. Давление в канале разряда и на метаемую пластину: 1 - давление в канале; 2

10 20 30 % мкс 40

Рис. 4. Радиальная (V,) и осевая (V) компоненты в точке вектора скорости жидкости: 1,1'-vr, vz в точке г = 0,5-Я на пластине; 3 - в точке г = 0,75Я; 4 - в А (рис. 1) соответственно; 2, 2'- V,, V, в точке В;

точке r = 0,95-Я

3, 3'-vr, vz в точке C

1200т Р, кг/м3

1100

1000

900-

800

0 10 20 30 % мкс 40

Рис. 5. Плотность жидкости: 1 - в точке А (рис. 1); 2 - в точке В; 3 - в точке С

На рис. 6 представлены зависимость скорости метаемой пластины от перемещения - х(х) (кривая 1) и зависимость её скорости в момент соударения с неподвижной от массы пластины -х(т) (кривая 2). После резкого падения гидродинамической нагрузки на пластину (рис. 3) её ускорение уменьшается, но скорость движения растёт. Это следует объяснить, по-видимому, идеализацией жидкой среды и материала перемещающейся пластины. Анализ кривой 2 на рис. 6 показал, что скорость движения пластины убывает с увеличением её массы по гиперболическому закону.

700 600 500 400 Н 300 200 юо Н

О V, м/с

X, мм

т, г

4 8 12 16 18

Рис. 6. Скорость перемещения метаемой пластины: 1 - зависимость от перемещения х; 2 - зависимость от массы пластины т при х=10 мм

Заключение

Таким образом, гидродинамическая нагрузка в рассматриваемом случае сварки двух пластин высокоскоростным ударом распределяется практически однородно по всей поверхности метаемой пластины.

Скорость перемещения метаемой пластины уменьшается с увеличением её массы по гиперболическому закону.

ЛИТЕРАТУРА

1. Барбашова Г.А. Исследование гидродинамических процессов при электрическом разряде в малом объёме жидкости // Электронная обработка материалов. 2008. № 1. С. 35-39.

2. Барбашова Г.А. Исследование гидродинамического давления в ограниченной области трубы при взрыве микропроводника // Электронная обработка материалов. 2009. № 1. С. 44-47.

3. Мазуровский Б.Я. Электрогидроимпульсная запрессовка труб в трубных решетках теплообменных аппаратов. Киев, 1980. 172 с.

4. Юрченко Е.С., Половинко В.Д., Шленский П. С. Сварка разнородных материалов высокоскоростным ударом с применением электровзрыва проводника // Тезисы докладов VII Международной школы-семинара «Импульсные процессы в механике сплошных сред». Николаев, 2007. С. 69-70.

5. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. М., 1977. 408 с.

6. Атанов Г.А. Гидроимпульсные установки для разрушения горных пород. Киев, 1987. 155 с.

Поступила 10.06.10

Summary

Hydrodynamic Processes by High-Speed Impact Welding of two plates are studied numerically. The hydrodynamic load on the thrown plate is determined.