CC BY
44
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.
