CC BY
14
УДК 621.791
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СВАРОЧНЫХ ГОРЕЛОК ДЛЯ РАБОТ НА ОТКРЫТЫХ МОНТАЖНЫХ
ПЛОЩАДКАХ Паршин Сергей Георгиевич, д.т.н., профессор schweissen@mail.ru Иванова Ирина Владимировна, ст. преподаватель. irinalev2407@yandex.ru Калинина Вера Ивановна, к.т.н., доцент kalininavi@zavod-vtuz.ru
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Представлены расчетно-экспериментальные данные исследования газодинамических процессов дуговой сварки в среде защитных газов при использовании горелок разных конструкций для работ на открытых площадках.
Ключевые слова: сварочная горелка, конфузорное сопло, газовая защита, сносящий воздушный поток
Современный этап развития науки и техники признает имитационное моделирование в качестве эффективного метода исследования реальных процессов и объектов. Авторами предпринята попытка смоделировать процесс дуговой сварки в среде защитных газов в условиях сносящих воздушных потоков (ветра).
Для сварочных работ, проводимых на открытых монтажных площадках, характерны случаи нарушений газовой защиты расплавленного металла сварочной ванны, изменений параметров сварочной дуги и, как следствие, ухудшение качества сварных соединений [1-3].
Совершенствование конструкции сварочных горелок - одно из направлений создания эффективной газовой защиты в условиях ветра, один из основополагающих способов организации защиты [2-5]. Именно конструкция сварочной горелки способна обеспечить необходимую жесткость защитной газовой струи и поддерживать максимально возможные размеры деформируемого ветровыми нагрузками ядра струи при оптимальном расходе защитного газа.
Факт сохранения ядра защитной струи при высоких скоростях истечения газа в условиях сносящих воздушных потоков математически доказан и подтвержден экспериментально на специальном лабораторном стенде для случая применения горелок с конфузорной проточной частью (рис. 1).
Характерная особенность конструкции разработанной горелки - сопло, образующая которого выполнена по двухасимптотной параболической кривой с устанавливаемым перед входным отверстием сопла пакетом сеток (рис. 2).
Исследование эффективности газовой защиты при использовании разных горелок требует сравнения скоростей истечения газа на срезе сопла при варьировании расхода газа. Расчеты и эксперименты показали, что при использовании конфузорного сопла скорость истечения газа (рис. 3) при одинаковом его расходе возрастает в 2,6 раза по сравнению с вариантом, в котором используется цилиндрическое сопло. Отмечается существенное увеличение динамического давления потока газа (табл. 1).
Рис. 1. Схемы истечения защитного газа из сопла сварочных горелок: 1 - конфузорное сопло; 2 - пакет сеток; 3 - корпус; 4 - электродная проволока; 5 - изделие; 6 - цилиндрическое сопло; 7 — мундштук
2 1
_ ::
\Ш
Рис. 2. Пакет сеток (1) для конфузорного сопла (2) сварочной горелки
Необходимы дополнительные эксперименты по исследованию тепловых полей в заданных условиях сварочного процесса, изменений областей концентраций защитного газа, однако, они затруднены по причине значительных временных и материальных затрат, а также сложности осуществления и оценки физических процессов.
V, , м/с
4,5
É 2
2,09
1,67
1,25
0,65 !-I
1
I Цилиндрическое {площадь сечения 5=706 мм2)
Конфузорное {площадь сечения S—314 мм2)
Q, л/мин
20 25 40
Расход газа
Рис. 3. Скорость истечения газа на срезе сопла
Таблица 1 - Расчетно-экспериментальные данные истечения
газа на срезе сопла
Вид сопла Плотность газа р, кг/м3 Площадь сечения входного отверстия S, мм2 Площадь сечения выходного отверстия S, мм2 Расход газа Q, л/мин Скорость истечения vc, м/с Давление газа P, Па
15 0,51 0,23
20 0,65 0,37
цилиндрическое 532 25 0,81 0,58
40 1,29 1,48
1,78 706 50 1,62 2,34
15 1,25 1,39
20 1,67 2,48
конфу- 314 25 2,09 3,89
зорное 40 3,35 9,99
50 3,99 14,70
Продолжение работ по созданию эффективной газовой защиты при сварке на открытых площадках связано с применением компьютерного моделирования. Целью очередного этапа исследований стало построение модели поведения струи защитного газа в программной среде ANSYS Fluent.
В расчетной области (включая сопло сварочной горелки после пакета сеток и прилежащую область 1 м от выходного сечения сопла, рис.4) численно решается система уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рей-нольдсу. Размер сетки (54 500 ячеек) постоянен для конструкций с цилин-
дрическим и конфузорным соплами. Рассматриваемые скорости течения газа позволяют решать задачу в дозвуковом приближении (при условии несжимаемости газа).
Моделирование подтвердило зависимость распределения скоростей движения газовой струи от величины расхода газа, от значения скорости газа на входе в сопло и, наконец, от формы сопла. Существенное увеличение скорости истечения газовой струи отмечено для конфузорного сопла. Расхождение результатов, полученных с помощью программы ANSYS для динамического напора струи, с расчетными данными составило 6 - 7 %, что позволило признать адекватность математической модели и возможность ее использования в проведении дальнейших исследований газодинамических процессов сварки.
Моделирование поперечного поля скоростей выявило области сохранения максимальных скоростей в газовых потоках. При использовании конструкции горелки с конфузорным соплом высокие скорости в потоке защитного газа сохраняются на расстоянии 6-7 диаметров сопла, затем незначительно уменьшаются. Для конструкции горелки с цилиндрическим соплом отмечены факты резкого падения газовой скорости на расстоянии 4-5 диаметров сопла с одновременным исчезновением ядра струи.
а) б)
Рис. 4. Вид расчетной области: а) цилиндрического сопла; б) конфузорного сопла
Таким образом, на основе моделирования в среде ANSYS обнаружена и в настоящее время экспериментально подтверждается возможность управления эффективностью газовой защиты при дуговой сварке на открытых монтажных площадках за счет стабилизации и увеличения размеров ядра защитной газовой струи при высоких скоростях истечения из сварочной горелки с конфузорным соплом. Список литературы
1. Федоренко Г. А., Иванова И.В., Синяков К. А. Совершенствование технологического процесса сварки в защитных газах на ветру / Сварочное производство. - 2010. - № 1. - С. 6-13.
2. Иванова И.В. Горелка для сварки в защитных газах - инструмент эффективности газовой защиты / Инструмент и технологии. - 2010. - № 32-33. - С. 32-38.
3. Иванова И.В., Калинина В.И., Паршин С.Г. Исследование свойств сварочных горелок, эксплуатируемых на открытом воздухе / Современные материалы, техника и технологии (по мат. 5-й междунар. науч.-техн. конф. 19-20 окт. 2015 г.). - Курск : ЮЗГУ. - 2015. - №2. - С. 55-58.
4. Паршин С.Г., Кобецкой Н.Г., Иванова И.В. Исследование эффективности газовой защиты при дуговой сварке в условиях воздействия воздушных потоков / Сварка и диагностика. - 2015. - № 3. - С. 31-34.
5. Иванова И.В., Кобецкой Н.Г., Калинина В.И., Паршин С.Г. Исследование сварочной дуги в защитных газах в условиях сносящих воздушных потоков / Современные материалы, техника и технологии : науч.-пр. журнал. - Курск : ЮЗГУ, ЗАО «Университетская книга». - 2015. - № 1. - С. 101-103.
Parshin S. G., Dr., professor
schweissen@mail.ru
Ivanova I.V., engineer
irinalev2407@yandex.ru
Kalinina V. I., PhD, ass. professor
kalininavi@zavod-vtuz.ru
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
IMPROVEMENT OF WELDING TORCHES CONSTRUCTION FOR UTILIZATION ON OUTDOOR ASSEMBLY SITES
Abstract. The paper reviews the experimental results of investigation of gas-dynamic processes of welding in gas protection environment with utilization of welding torches of different construction in outdoor assembly sites.
Keywords: welding torch, confusor nozzle, gas protection, entraining air flow
