CC BY
38
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип. № 12
УДК 621.791. 753. 9
Чигарев В.В.1, Пучков В.Н.2
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ГАЗА ИЗ ГОРЕЛКИ ПРИ СВАРКЕ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ
Предложена методика и установка для измерения скорости свободной струи аргона, вытекающего из сварочной горелки. Показано, что при уменьшении диаметра сопла горелки за счет налипания на его стенки разбрызгиваемого металла при сварке порошковой проволокой, течение защитного газа из ламинарного переходит в турбулентное с подсосом воздуха из атмосферы.
При аргонодуговой сварке никеля, особенно плавящимся электродом, требуется более эффективная газовая защита из-за склонности никеля к образованию пор. Причины пористости сварных швов никеля и меры борьбы с ней представлены в работе [1]. В ней отмечается, что одной из причин газонасыщения металла сварочной ванны является растворение в ней газов атмосферы, которые попадают в зону дуги из-за некачественной ее защиты. Выходящая из сопла горелки сплошная струя защитного газа смешивается с окружающим его воздухом, в результате чего доля чистого защитного газа представляет собой сужающийся конус. В большинстве работ [2-5] указывается на то, что качественная защита расплавленного металла может быть достигнута лишь при ламинарном характере истечения газового потока из сопла горелки. Исходя из этого рекомендуются различные конструктивные варианты оформления сопла, пористые набивки и другие приёмы. Однако в горелках, предназначенных для сварки плавящимся электродом, применение различных металлических сеток и пористых керамических материалов затруднено в связи с забрызгиванием их каплями расплавленного металла. Кроме того, при сварке плавящимся электродом, вследствие блуждания и пульсирующего горения дуги, неравномерного переноса электродного металла, засорения сопла горелки и других причин, вряд ли существует стабильное ламинарное движение защитного газа в зоне сварки.
В этих условиях атмосфера дуги, по-видимому, представляет собой не стабильную по составу смесь паров и газов, выделяющихся из переплавляемого дугой металла, защитного газа и некоторого количества воздуха.
Режим движения газа может оцениваться числом Рейнольдса
V
где Б - диаметр сопла, м;
У - скорость истечения газа, м/с; V- коэффициент кинематической вязкости.
Обычно принято считать, что Яе < 2 3 0 0 газовый поток, протекающий по цилиндрической трубе (соплу), имеет ламинарное движение, а при Яе > 2300- турбулентное движение. Однако, для свободной струи поток газа может перейти из ламинарного в турбулентный режим и при Яе= 1000[6].
В связи с вышеизложенным, в данной работе предпринята попытка разработать методику и с ее помощью оценить изменение режима течения свободной струи аргона при засорении сопла горелки каплями электродного металла.
1 ПГТУ, д-р техн. наук, проф
2 ДГТУ, соискатель
С этой целью проводили исследования характера течения струи аргона в воздушной атмосфере на расстоянии до 50мм от сопла наконечника. Для изменения скорости свободной струи применили термоанемометр, работающий на использовании свойства вольфрамовой нити изменять электрическое сопротивление при изменении температуры накала [7].
Вольфрамовую нить, нагреваемую электрическим током, помещали на пути потока аргона. При увеличении скорости струи аргона происходит уменьшение температуры накала, то есть охлаждение вольфрамовой нити из-за обдува ее потоком аргона. Изменение величины электрического тока фиксировали миллиамперметром.
Схема установки для измерения скорости свободной струи аргона на различных расстояниях от среза наконечника и в различных точках сечения приведены на рисунке 1 .Установка состоит из камеры 1, заполненной аргоном первого сорта до давления 0,101325 МПа (1 атм.), так как в воздушной атмосфере происходит окисление и перегорание вольфрамовой нити. В камере установлена стойка 2 с укрепленными на ней горелкой 3 и устройством с вольфрамовой нитью 4. Перемещение вольфрамовой нити в различные участки сечения газовой струи от среза наконечника производим при помощи регулировочного механизма 5, укрепленного на стойке.
Градуировку миллиамперметра с целью установления количественной зависимости между величиной тока и скоростью газовой струи выполняли при помощи стандартной горелки с диаметром сопла 16мм, создающей ламинарное истечение аргона. Скорость истечения газа в зависимости от его расхода определяли по формуле:
СР г- г- '
ур
где С> - объемный расход газа, м /с;
Б - площадь сечения сопла горелки, м .
При градуировке вольфрамовая нить подводилась в центр газовой струи непосредственно к срезу наконечника. Миллиамперметр 8 включили в электрическую цепь и настраивали при помощи реостата 10 так, чтобы при скорости газовой струи равной 0, стрелка миллиамперметра стояла на нулевом делении. По данным изменения силы тока в цепи вольфрамовой нити, при разных скоростях истечения аргона из сопла наконечника - эталона была получена градуировочная кривая изменения величины тока в зависимости от скорости истечения аргона.
Используя указанную методику измерения скорости, определяли изменение средней скорости течения аргона по оси свободной струи при различной степени забрызгивания сопла наконечника. Замеры производили на длине струи от среза наконечника до 50мм, что составляло немногим более реального расстояния горелки от изделия при сварке.
Влияние разбрызгивания на изменение размера сопла горелки проводили по следующей методике. На оптимальных режимах сварки никеля НП-2 толщиной 5мм, которые составляли: 1П( = 340-360 А, Уд, = 18м/ч, расход аргона С> = 15л/мин, производили непрерывную наплавку валика. Затем через определенное время, кратное 20; 30; 40; и 50 мин, сварку останавливали и производили замер внутреннего диаметра сопла. Величина времени 50 мин регламентировалось тем, что по внешнему виду и наличию большого количества видимых пор наплавленный валик относился к неудовлетворительным. Первоначальный диаметр цилиндрической части сопла сварочной горелки составлял 17мм. Результаты испытаний показали, что через 20 мин диаметр сопла стал 15,5мм, затем 13,5; 12,0 и 10,0мм соответственно. Затем эти наконечники устанавливали на горелку, помещенную в камеру установки и замеряли скорость течения струи аргона на различных расстояниях от среза наконечника по оси струи. Результаты измерения представлены в таблице 1.
Затем по формуле (1) при Я = 2300 определили критическую скорость перехода струи аргона из ламинарного в турбулентное течение при 20°С, которая равна 1,81 м/сек. Сравнивая данные таблицы 1 с критической скоростью перехода аргона из ламинарного течения в турбулентное, мы видим, что при засорении сопла горелки каплями разбрызгиваемого металла до диаметра 13,5мм скорость течения аргона из сопла горелки меньше критической и при удалении от торца наконечника изменяется незначительно (до 17%) и защитная струя является ламинарной. При засорении сопла до 12мм и менее скорость течения аргона выше критической
1 - камера; 2 - стойка; 3 - сварочная горелка с наконечником; 4 - устройство с вольфрамовой нитью; 5 - регулировочный механизм; 6 - баллон аргона; 7 - ротаметр; 8 - милиамперметр; 9 - электрическая цепь; 10 - реостат; 11 - источник питания постоянного тока.
Рис, - Схема установки для определения скорости свободной струи аргона
Таблица 1 - Результаты измерения скорости течения аргона по оси струи на различном удалении от торца наконечника (при расходе аргона (2= 15л/мин.), м/с.
Диаметр сопла горелки после наплавок, мм Удаление от торца наконечника до точки измерения по оси струи, мм
0 10 25 40 50
17 1,10 1,05 1,00 0.95 0.92
15,5 1,33 1,27 1,20 1,15 1,11
13,5 1,74 1,67 1,58 1,50 1,45
12 2 21 1,76 1,43 1Л1 0,88
10 ЗД8 2,54 2,06 1,59 1,27
с большим падением скорости при удалении от наконечника горелки (до 60%), то есть ламинарное течение перешло в турбулентное с резким падением скорости из-за того, что частицы аргона испытывают большое сопротивление окружающей газовой среды. Нарушение ламинарности, по-видимому приводит к подсосу воздуха в защитную струю и, как следствие, к образованию пор и нарушению формирования шва, что было наглядно видно при наплавке засоренным соплом, когда его диаметр стал менее 13,5мм или ЗОмин непрерывной наплавки.
Выводы
1. Разработана методика позволяющая оперативно определять действительную скорость течения защитной струи аргона по её оси при ее нахождении на различном расстоянии от среза наконечника.
2. При засорении сопла горелки каплями расплавленного металла защитная струя аргона из ламинарного течения переходит в турбулентное с резким (до 60%) падением скорости при удалении ее до 50мм от среза наконечника, что является основной причиной подсоса воздуха в защитную струю.
Перечень ссылок
1. Пучков ВН. Атмосфера дуги и ее влияние на порообразование при аргонодуговой сварке никеля порошковой проволокой //Сб.науч. тр. ДГТУ. (техн. науки) Юбилейный выпуск (1999-2000г.г). Днепродзержинск, 2000.-С.66-69.
2. Белкин СЛ., Воронвщкий И.Н., Шефелъ В.В. Повышение защитных свойств газового потока при аргонодуговой сварке. // Сварочное производство. - 1969,-№4,- С.22-23.
3. Ардентов В.В., Федоренко Г.А. О влиянии конструкции проточной части горелок на характеристики газовой защиты.// Сварочное производство. - 1973,- №10 - С. 14-15.
4. Поправка Д.Л., Хворостов НЕ., Проскурин В.Н. Некоторые закономерности истечения струи защитного газа// Сварочное производство. - 1973,- №6,- С. 33-36.
5. Степанов В.В., Нечаев В.Н. и др. Влияние формы сопла и характера истечения газового потока на качество защиты сварочного шва. // Сварочное производство. - 1976.-№6,-С.34-36.
6. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Пделъчик- М.: Машиностроение, 1975.-557с.
7. Попов С.Г. Измерение воздушных потоков. - М.: Гостехиздат, 1947. - 296с.
Чигарев Валерий Васильевич. Д-р техн.наук, проф, зав. кафедрой МиТСП (ПГТУ), окончил Мариупольский металлургический институт в 1969г. Основные направления научных исследований - прикладные и теоретические проблемы создания электродных материалов для дуговой наплавки с улучшенным комплексом служебных свойств, технологических процессов их изготовления.
Пучков Виктор Николаевич. Ст. преподаватель кафедры СП (ДГТУ), соискатель кафедры МиТСП (ПГТУ), окончил Пермский политехнический институт в 1972г. Основное направление исследований - разработка сварочных материалов.
Статья поступила 22.02. 2002.
