Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор современного состояния исследований в области взаимодействия электрической дуги с технологическим объектом 12
1.1 Анализ поведения расплавленного металла при воздействии электрической дуги 12
1.2 Условия формирования электрической дуги прямого действия. Сжатая электрическая дуги 16
1.3 Области применения сжатой электрической дуги. Технологическая документация для сопровождения процесса сварки сжатой дугой 18
1.4Спектроскопические методы исследования электрической дуги 20
1.4.1 Особенности обработки данных континуума 21
1.5 Выводы и постановка задачи исследования 25
ГЛАВА 2. Математическое моделирование процесса взаимодействия сжатой электрической дуги с технологическим объектом 27
2.1 Основные уравнения численной модели 27
2.2 Граничные условия 33
2.3 Свойства аргоновой плазмы 36
2.4 Расчёт поверхностного натяжения технологического объекта 37
2.5 Результаты компьютерного моделирования 40
2.6Моделирование влияния эффекта Марангони в зависимости от условий горения дуги 59
2.7 Энтальпия сжатого теплового потока и удельная мощность, выделяемая на поверхности технологического объекта 62
2.8 Режимы сварки сжатой электрической дугой для широкого диапазона параметров 67 2.9Выводы по главе 77
ГЛАВА 3. Методика проведения экспериментальных исследований взаимодействия сжатой электрической дуги с технологическим объектом 79
3.1 Экспериментальная установка 79
3.2 Методика обработки экспериментальных данных 84
3.3 Результаты экспериментальных исследований. Верификация численных расчётов 93
3.4 Выводы по главе 107
Заключение 108
Список сокращений 110
Список литературы
- Области применения сжатой электрической дуги. Технологическая документация для сопровождения процесса сварки сжатой дугой
- Особенности обработки данных континуума
- Расчёт поверхностного натяжения технологического объекта
- Методика обработки экспериментальных данных
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Технологические процессы,
производимые с помощью сжатой электрической дуги (резка, сварка,
термическая обработка), нашли применение в различных областях
промышленности, таких как машиностроение, судостроение, космическое
аппаратостроение, электроника и т.д. В данной работе взаимодействие потока
сжатой электрической дуги с технологическим объектом рассматривается на
примере сварочного процесса, и результаты исследования могут быть
адаптированы для сварочного производства. Технология сварки сжатой дугой
является родственной технологии аргонодуговой сварки неплавящимся
электродом. Достоинства воздействия сжатой электрической дугой
заключаются в более высокой температуре плазменного потока, её более концентрированном и локальном нагреве технологического объекта по сравнению со свободно горящей дугой в случае аргонодуговой сварки. За счёт перечисленных особенностей данной технологии обеспечивается более глубокое проплавление свариваемых кромок, меньшая ширина сварного шва, а, следовательно, и зона термического влияния (далее по тексту ЗТВ). Именно в области ЗТВ, а не в сварном шве, происходит излом при механических испытаниях заваренных проб. Меньшие размеры ЗТВ по сравнению с аргонодуговой сваркой позволяют судить о том, что прочностные характеристики сварного шва, выполненного сжатой дугой, выше, чем у швов, заваренных аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом.
Не менее важным параметром, чем механические характеристики сварного
шва, является тепловложение в металл от электрической дуги и последующие
деформации. Сварка сжатой дугой позволяет выполнять процесс
концентрированным потоком плазмы, не перегревая металл и уменьшая последующие затраты, связанные с правкой заваренной конструкции.
По глубине проплавления и ширине сварного шва сварку сжатой электрической дугой можно сравнить с лазерно-дуговой сваркой. Однако
4 неоспоримым преимуществом для отечественной промышленности является
наличие ГОСТ’а на плазменную сварку, в то время как на лазерно-дуговой процесс он отсутствует, что позволяет уже сейчас применять сжатую электрическую дугу для более широкого спектра производственных задач. Так как плазменная сварка является дуговым способом сварки по ГОСТ Р ИСО 4063-2010, то основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных швов определяются по ГОСТ 14771-76.
Изучению и моделированию плазмы сжатой электрической дуги посвящены научные труды Б.Е. Патона, В.В. Башенко, В.Я. Фролова, Н.А. Соснина, Ю.Д. Щицына, Y.M. Zhang, J. Haidar, J.C. Metcalfe. В области моделирования сварочной ванны, описании физических процессов, происходящих в расплавленном металле под действием электрической дуги, значительный вклад внесли работы Н.Н. Рыкалина, В.А. Кархина, В.А. Судника, M. Tanaka, J.J. Lowke, A.B. Murphy и др.
Возможность управления тепловым потоком и давлением электрической дуги,
воздействующей на технологический объект, начиная с зажигания дуги и
заканчивая процессом охлаждения расплавленного металла, за счёт
разработанной компьютерной модели процесса и рекомендованных параметров силы тока, расстояния между электродами и др., позволяет применять данную технологию в более широких (по сравнению с нынешними) диапазонах производственных задач. Однако, рассматривая процесс взаимодействия сжатой электрической дуги с технологическим объектом на примере сварочного процесса, было установлено, что область применения технологии ограничивается отсутствием:
уточнённых режимов ведения процесса, обеспечивающих максимальный провар детали необходимой толщины совместно с минимальными размерами ЗТВ;
компьютерной модели, учитывающей все известные силы и физические явления, сопровождающие процесс сварки сжатой электрической дугой.
Цели и задачи работы. Разработка модели и исследование процесса взаимодействия сжатой электрической дуги с технологическим объектом с целью
5
совершенствования технологического процесса обработки металлов и
расширения области применения концентрированного плазменного потока.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработка алгоритма моделирования процесса взаимодействия сжатой
электрической дуги с технологическим объектом, включая расчёт плазменной
дуги и её взаимодействие с расплавленным металлом, на примере сварочного
процесса.
2. Разработка методики проведения экспериментальных исследований
температуры и формы сжатой дуги, глубины проплавления и формы сварочной
ванны, размеров ЗТВ с целью подтверждения результатов численного
моделирования.
3. Исследование влияния эффекта Марангони на форму сварочной ванны и
направление движения расплавленного металла в ней в зависимости от
химического состава технологического объекта и способа воздействия на него.
4. Определение удельной кондуктивной, конвективной и электронной
составляющих мощности, выделяемой на поверхности анода, при взаимодействии
сжатого теплового потока с технологическим объектом.
5. Определение режимов воздействия сжатой электрической дугой для
обеспечения проплавления свариваемых кромок технологического объекта.
Объектами исследования являются сжатая электрическая дуга и нагреваемый ей технологический объект.
Методология и методы исследования. Теоретические исследования
выполнялись методом численного моделирования процесса горения
электрической дуги и взаимодействия «плазменная струя – технологический объект». В основе моделирования лежит решение уравнений баланса энергии, неразрывности, движения, системы уравнений Максвелла методом контрольного объёма.
Для достижения цели диссертационной работы и верификации результатов
численного моделирования было принято решение выполнить
экспериментальные исследования процесса взаимодействия сжатой и свободно
6 горящей дуги с технологическим объектом методами спектральной диагностики
плазменного потока и изготовления макрошлифа из технологического объекта.
Методологической основой диссертационной работы послужили
фундаментальные знания в областях теорий газовой динамики, процессов
термодинамики и тепломассообмена, металлургии для твёрдых, жидких и
газообразных сред, а также научные труды отечественных и зарубежных учёных
по проблемам численного моделирования процессов сварки, проведения
спектральной диагностики электрической дуги и последующей обработки
результатов.
Научная новизна. По результатам диссертационной работы были получены
следующие результаты, представляющие научную новизну:
-
Разработана модель взаимодействия сжатой дуги и технологического объекта в пакете прикладных программ ANSYS CFX, учитывающая эффекты и физические явления, возникающие при взаимодействии «плазма - деталь». Произведён анализ эффекта Марангони на форму ванны расплавленного металла и ЗТВ при взаимодействии «сжатая электрическая дуга – технологический объект».
-
Разработаны режимы сварки сжатой электрической дугой (включая силу тока, расстояние между электродами, скорость перемещения горелки и расход защитного газа аргона), обеспечивающие эффективное проплавление свариваемых деталей при минимальных размерах ЗТВ.
-
Разработана методика расчёта размеров ЗТВ, позволяющая установить профиль ЗТВ без проведения дополнительных экспериментов. Установлены закономерности изменения параметров, влияющих на ЗТВ.
Практическая значимость работы. Результаты работы могут быть применены при выполнении технологического процесса сварки сжатой электрической дугой на производственных объектах с целью усовершенствования технологического процесса. А именно, за счёт уменьшения размеров ЗТВ улучшить механические свойства сварных швов, за счёт уменьшения тепловложения по сравнению с аргонодуговой сваркой снизить расходы на правку конструкций. Применение численного моделирования процесса сварки на
7 производственных объектах позволит сократить объёмы работ, выполняемых
лабораторией сварки экспериментальным методом.
Также результаты могут оказаться полезными научным центрам при
актуализации стандартов на сварку сжатой электрической дугой.
Положения, выносимые на защиту:
1. Алгоритм создания численной модели процесса взаимодействия сжатой
электрической дуги и свободно горящей дуги с технологическим объектом,
позволяющей выделить зависимость размеров ванны расплавленного металла и
ЗТВ от силы тока и степени концентрации дуги.
-
Анализ формирования сварочной ванны в зависимости от химического состава стали. Влияние эффекта Марангони на профиль сварочной ванны и ЗТВ при взаимодействии сжатой электрической дуги с технологическим объектом.
-
Результаты теоретических исследований режимов сварки сжатой электрической дугой, анализ составляющих мощности теплового потока (выделяемой на поверхности анода) и способов управления им.
-
Методика проведения экспериментальных исследований: схема эксперимента, определение температуры столба электрической дуги методами видеосъёмки быстрыми (высокоскоростными) камерами и с помощью спектрографа, анализ, полученных в результате нагрева технологического объекта, макрошлифов.
5. Сравнение и анализ результатов, полученных методом численного
моделирования и экспериментальным путём.
Достоверность полученных результатов обеспечивается системным
подходом к решаемой задаче, теоретически обоснованными уравнениями, которые лежат в основе компьютерного моделирования, анализом сторонних научных источников и сравнением результатов эксперимента, полученных с помощью анализа макрошлифов и спектральной диагностики, с результатами численных расчётов.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на следующих научных конференциях:
1. Международная конференция «High Tech Plasma Processes - 2014» (Франция,
Тулуза, 2014).
-
ХХ и ХХI Международные конференции «Physics of Switching Arcs» (Чехия, Нове-Место-на-Мораве, 2013 и 2015 соответственно).
-
ХI Международная конференция «Плёнки и покрытия - 2013» (Россия, Санкт-Петербург, 2013).
4. Международная научно-практическая конференция: «Инновационные
технологии в науке и образовании - III» (Россия, Улан-Удэ, 2013)
5. XLI, XLII, XLIII Научные форумы с международным участием «Неделя науки
СПбПУ» (Россия, Санкт-Петербург, 2012, 2013, 2014 соответственно).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, из которых 4 изданы в журналах, входящих в список ВАК и индексируемых в базе Scopus.
Личный вклад. Автор на всех этапах работы непосредственно участвовал в постановке задачи, разработке компьютерной модели исследуемого процесса, выборе методик расчётов теоретических параметров, определении схемы проведения эксперимента и методов диагностики сжатой электрической дуги, а также обработке результатов, полученных методом численного моделирования и экспериментальным путём, и формировании выводов по проведённой работе.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы, включающего 83 наименования. Полный объём диссертации– 110 страниц, в том числе рисунков – 70, таблиц – 10.
Области применения сжатой электрической дуги. Технологическая документация для сопровождения процесса сварки сжатой дугой
В то же время, незначительное падение точности полученных результатов ( 5 – 10%) является несомненным минусом данного допущения. Однако и эту проблему можно решить, включив в расчёт коэффициенты, уточняющие погрешность конечных результатов.
Не менее важный вопрос - принимать ли движение плазменного потока как ламинарное, т.е. любые два слоя плазмы движутся параллельно, не перемешиваясь друг с другом? Или же следует учитывать явление турбулентности, несомненно, возникающее при взаимодействии электрической дуги с технологическим объектом. Степень влияния этого явления на конечный результат зависит от конфигурации горелки, способа подачи плазмообразующего газа и значения его расхода. В данной работе рассматривается горение сжатой электрической дуги на примере сварочного процесса, сравниваются её характеристики с характеристиками свободно горящей дуги (аргонодуговая сварка). Если при сварке свободно горящей дугой подача газа всегда принимается аксиальной, то при сварке сжатой дугой кроме аксиальной подачи существует ещё и тангенциальная. В последнем случае необходимо применение турбулентной модели движения потока плазмы. Влияние подачи газа в плазменную горелку изучено В.П. Сидоровым и Г.М. Коротковым [21], являющимися приверженцами теории тангенциальной подачи газа. В их работе доказано, что коэффициент сосредоточенности столба дуги на 25% больше при тангенциальной подаче газа в диапазоне изменения длины открытой составляющей дуги от 2 до 10 мм для диаметра сопла 4 мм [21]. Однако с увеличением концентрации дуги за счёт тангенциальной подачи увеличивается скорость плазменного потока, ухудшается его контроль, что может привести к переходу процесса от сварки к резке. Граница этого перехода, учитывающая скоростной напор набегающего потока плазмы, подробно изучена и описана в трудах В.Я. Фролова и В.Е. Васильева [22, 23, 24]. Именно по причине большей устойчивости процесса для изучения взаимодействия сжатой дуги с технологическим объектом использовалась аксиальная подача газа. Таким образом, при численном моделировании движение плазменного потока, как для свободно горящей дуги, так и для сжатой дуги, принималось ламинарным.
Детальному изучению сжатой электрической дуги и её свойств посвящены работы В.В. Башенко и Н.А. Соснина [25], Ю.Д Щицына [26], J. C. Metcalfe [27, 28], Y.M. Zhang [29, 30], M. Schnick [31, 32, 33]. Несмотря на широкий спектр изучаемых вопросов, отсутствует детальное описание процесса теплообмена между электрической дугой и технологическим объектом, а также основные принципы управления плазменным потоком с целью уменьшения размеров ЗТВ. Именно этим аспектам уделено внимание в данной работе.
По глубине проплавления и ширине сварного шва дуговую сварку сжатым плазменным потоком можно сравнить с таким перспективным способом, как лазерная сварка, активную работу в области численного моделирования, экспериментальных исследований и внедрения в производство над которой ведут Туричин Г.А., Лопота В.А. и др. [34, 35, 36, 37, 38]. Однако неоспоримым преимуществом для отечественной промышленности является наличие ГОСТ а на сварку сжатой дугой, в то время как ГОСТ на лазерную и гибридную сварку в настоящее время находится в разработке.
Так как плазменная сварка (сжатой дугой) является дуговым способом сварки по ГОСТ Р ИСО 4063-2010 «Сварка и родственные процессы. Перечень и условные обозначения процессов», то основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных швов определяются по ГОСТ 14771-76 «Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры». Данный стандарт устанавливает основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных соединений для четырёх способов сварки одновременно: 1) сварка в инертных газах неплавящимся электродом без присадочного металла; 2) сварка в инертных газах неплавящимся электродом с присадочным металлом; 3) сварка в инертных газах и их смесях с углекислым газом и кислородом плавящимся электродом; 4) сварка в углекислом газе и его смеси с кислородом плавящимся электродом. Всё вышеперечисленное даёт право производственным объектам уже сейчас, не нарушая требований заказчика и проектанта, выполнять сварку сжатой электрической дугой конструкций, находящихся под ведомством одного из поднадзорных органов (к примеру, Российского морского регистра судоходства в судостроении). Однако сварка сжатой дугой позволяет выполнять более узкий и глубокий прогрев детали по сравнению с указанными в государственном стандарте способами сварки, что указывает на необходимость актуализации нормативных документов в плане технологического процесса подготовки кромок под сварку, конструктивных элементов и размеров сварных швов, выполненных с помощью сжатой электрической дуги.
В данной работе представлены режимы взаимодействия сжатой электрической дуги с технологическими объектами, выполненными из углеродистых низколегированных сталей. Сформулированы основные положения, позволяющие контролировать плазменный поток при взаимодействии «сжатая электрическая дуга – технологический объект». Также разработана модель, позволяющая рассчитать параметры дуги, размеры ванны расплавленного металла и ЗТВ для различных режимов ведения процесса без проведения дополнительных экспериментов.
Особенности обработки данных континуума
УБЭ является одним из основных уравнений при аналитическом описании и математическом моделировании взаимодействия плазменного потока с технологическим объектом. УБЭ выражает закон сохранения энергии, описывает все энергетические процессы, происходящие в плазме, и позволяет получить распределение температуры электрической дуги. Оно связывает температуру плазмы с внешними параметрами электрической цепи, такими как ток и напряжение, и геометрию плазмотрона.
Дуговые плазмотроны, к которым относятся и рассматриваемые в данной работе горелки для сжатой электрической дуги и свободно горящей дуги, имеют цилиндрическую форму и обладают осевой симметрией. Поэтому для описания процессов в плазмотронах удобно использовать цилиндрическую систему координат.
Уравнение баланса энергии в двумерной цилиндрической системе координат имеет следующий вид: Где -Я - теплопроводность, Cp - теплоёмкость, б - электропроводность, Н -энтальпия, Е - напряжённость электрического поля, Vz и Vr - осевая и радиальные скорости соответственно. По составляющим УБЭ (2.1) можно разбить на: мощность, передаваемая за счет теплопроводности вдоль радиальной оси. Дивергентная форма УБЭ, выраженного через энтальпию в двумерной цилиндрической системе координат, записывается следующим - все компоненты плазмы имеют одну и ту же температуру; - концентрация может быть найдена по закону действующих масс (по формуле Саха); 2. Движение плазмы ламинарное, т.е. любые два слоя плазмы движутся параллельно, не перемешиваясь друг с другом. Турбулентность не учитывается; 3. Плазма является оптически тонкой.
B = juH ju - магнитная проницаемость среды, є - диэлектрическая проницаемость среды; H - напряжённость магнитного поля, D - электрическая индукция, В - магнитная индукция, q - электрический заряд. Допущения при решении электромагнитной задачи для электрической дуги:
При решении этого уравнения возникают сложности из-за наличия в расчётной области зон с нулевой электропроводностью. Расчёты можно упростить, если ввести новую величину – функцию электрического тока: i(r,z) = jjds =\jzds = 27t\jzrdr
Функция электрического тока численно равна току, протекающему через окружность, радиусом r, центр которой находится в (0, z). Функция электрического тока равна 0 на оси горелки.
В данном разделе представлены граничные условия для численного моделирования процесса взаимодействия электрической дуги с технологическим объектом. Граничные условия обозначены в соответствии с рисунком (2.1). В качестве расчётной области принимается сектор – половина от реальной области.
Технологическим объектом в ходе работы служила пластина 200х80 мм, выполненная из углеродистой низколегированной стали марки S235, и, имеющая химический состав, представленный в таблице 2.1.
Таблица 2.1 Химический состав стали марки S2 С% Мп% Р% s% Fe% S235 0,17 1,4 0,035 0,035 97,8 Расчёт значения поверхностного натяжения для стали марки S235 в зависимости от температуры нагрева технологического объекта производился в соответствии с теорией Попеля [15, 16]. Значения параметра капиллярной активности различных элементов F1873 при температуре плавления стали марки где Fe это поверхностное натяжение чистого железа для соответствующей температуры, при температуре 1873 К равняющееся 1,850 Н/м. Таким образом, значение поверхностного натяжения для стали марки S235 при температуре 1873 К: 1873= 1.551 Н/м. Значение капиллярной активности элемента изменяется в зависимости от температуры расплавленного металла по следующему закону:
Используя таблицы 2.2 и 2.3, и формулы (2.11) и (2.12), описанные выше параметры были рассчитаны для температуры 2300 K. Значение поверхностного натяжения стали марки S235 при температуре 2300 K: 2300= 1.431 Н/м.
Поверхностное натяжение стали марки S235 как функция температуры представлена на рисунке 2.3.
Для сравнения свойств поверхностного натяжения и их влияния на размеры ванны расплавленного металла и ЗТВ, в рамках данной работы также была рассмотрена сталь повышенной прочности марки 10ХСНД, имеющая химический состав, представленный в таблице 2.4 [73].
В данном разделе представлены результаты численных расчётов, выполненных в пакете прикладных программ ANSYS CFX. Расчёты производились для случаев взаимодействия сжатой электрической дуги с технологическим объектом и для сравнения свободно горящей дуги с технологическим объектом. Такое сравнение выполнялось в силу того, что аргонодуговой процесс в соответствии с ГОСТ 14771-76 «Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры» по размеру конструктивных элементов приравнивается к методу воздействия сжатым плазменным потоком. Актуально выполнение сравнительного анализа профиля ванны расплавленного металла, размеров ЗТВ и теплообмена между дугой и технологическим объектом.
В качестве исследуемых режимов взаимодействия электрической дуги с технологическим объектом были приняты области с геометрией, представленной на рисунке 2.5. Технологическим объектом - анодом в ходе численного моделирования процесса служила углеродистая низколегированная сталь марки S235 толщиной 10 мм. Диаметр неплавящегося вольфрамового катода марки ЭВЛ составлял 3 мм.
Расстояние между электродами варьировалось от 6 до 13 мм. Сила тока электрической дуги изменялась со 100 А до 200 А. В ходе работы были исследованы два режима перемещения горелки относительно неподвижного технологического объекта: со скоростью 12,5 м/ч и 25 м/ч.
Диаметр выходного отверстия сопла горелки для сжатой электрической дуги – 6 мм, расстояние от среза сопла до неплавящегося вольфрамового катода – 5 мм. Расход инертного газа аргона – от 4 до 12 л/мин.
Радиальное расстояние, MM б) Радиальное расстояние, мм Рисунок 2.5 - геометрия рассчитываемой области: а - взаимодействие сжатой дуги с технологическим объектом, б - взаимодействие свободно горящей дуги с технологическим объектом Диаметр выходного отверстия сопла для свободно горящей дуги – 12 мм, вылет вольфрамового электрода составил 3,5 мм. Расход инертного газа аргона – 12 л/мин. Разница в расходе защитного газа для случая свободно горящей электрической дуги и сжатого плазменного потока связана с диаметром сопла горелки и шириной ванны расплавленного металла, которую необходимо защищать от воздействия окружающего воздуха.
На рисунке 2.6 представлена неравномерная расчётная сетка для задачи численного моделирования процесса взаимодействия сжатой электрической дуги с технологическим объектом. Сетка создана при помощи продукта ICEM CFD, входящего в пакет прикладных программ ANSYS. Количество элементов сетки составило 61479.
На рисунке 2.7 изображена неравномерная расчётная сетка для задачи численного моделирования процесса взаимодействия свободно горящей электрической дуги с технологическим объектом, выполненным из стали марки S235. Количество элементов сетки составило 82850.
Расчёт поверхностного натяжения технологического объекта
На рис. 2.27 представлен профиль ванны расплавленного металла марки S235 с учётом в модели эффекта Марангони и без его учёта для случая свободно горящей дуги. Полученные результаты подтверждают необходимость включения в компьютерную модель значений силы поверхностного натяжения, зависящих от химического состава исследуемого технологического объекта и температуры его нагрева. а)
Кроме того, был проведён анализ движения расплава и профиля ванны расплавленного металла марки S235 для случая воздействия на технологический объект сжатой электрической дугой (рисунок 2.28). Полученный результат очень близок к результату свободно горящей дуги без учёта эффекта Марангони и достигается за счёт большего давления по оси дуги. Однако можно заметить, что на краях сварочной ванны, в тех областях, где давление плазменного потока ниже, движение расплавленного металла происходит в обратном направлении, сходном с ванной, образовавшейся под действием свободно-горящей дуги.
Профиль ванны расплавленного металла с учётом в модели эффекта Марангони для случая сжатой электрической дуги Если не учитывать эффект Марангони при численном моделировании процесса взаимодействия сжатой электрической дуги с технологическим объектом, результатом становится неправдоподобно глубокая ванна, как это продемонстрировано на рисунке 2.29 (б) для анода из стали марки S235, силы тока – 200 А, расстояния между электродами 10 мм, расхода газа 4 л/мин и движения горелки со скоростью 25 м/ч.
В ходе работы был проведён численный расчёт взаимодействия сжатой электрической дуги с технологическим объектом, выполненным из стали повышенной прочности марки 10ХСНД (рисунок 2.30). Размеры ванны расплавленного металла и ЗТВ изменились незначительно (в пределах 5 %), что означает, что для сталей с близким химическим составом корректировкой эффекта Марангони при приближённом численном моделировании можно пренебречь. При желании получить более точные результаты корректировка всё же необходима. Рисунок 2.30 – Профиль ванны расплавленного металла марки S235 (а) и 10ХСНД
В процессе работы была рассчитана удельная мощность, выделяемая на поверхности анода, в случае сжатой электрической дуги (таблица 2.5) и в случае свободно горящей (таблица 2.6) при расстоянии между анодом и катодом – 10мм. Результаты приведены для трёх составляющих механизма передачи тепла: электронной, конвективной и кондуктивной. Посчитаны также суммарная удельная мощность, выделяемая на поверхности технологического объекта, и процент каждой составляющей от общей удельной мощности. Аналогичные результаты получены для случая свободно горящей дуги при 200 А, но при расстоянии между электродами – 6 мм (таблица 2.7). Анализируя результаты можно сделать вывод, что тепловой поток сжатой электрической дуги имеет удельную мощность в два раза больше по сравнению со свободно горящей дугой, в связи с чем и обеспечивается разница в профиле ванны
С целью большей наглядности таблиц 2.5, 2.6, 2.7 на рисунке 2.31 приведена гистограмма составляющих удельной мощности для трёх режимов горения дуги: сжатая при 200 А и межэлектродном расстоянии – 10 мм, свободно горящая при 200 А и межэлектродном расстоянии – 6 мм и 10 мм. Таблица 2.7
Гистограмма составляющих удельной мощности Анализируя составляющие удельной мощности можно отметить, что основной составляющей, влияющей на тепловой поток, является электронная мощность. Именно за счёт изменения силы тока и меньшего значения коэффициента сосредоточенности электрической дуги для сжатого плазменного потока достигается высокая удельная мощность, выделяемая на поверхности технологического объекта, и обеспечивающая большую глубину проплавления при малой ширине ванны. Изменение конвективной составляющей, достигающееся за счёт увеличения расхода защитного газа – аргона, не приведёт к серьёзным изменениям в суммарном значении мощности. Это связано с тем, что в действительности на аноде выделяется лишь часть конвективной мощности, зависящей от критериев Стантона и Рейнольдса.
На рисунках 2.32, 2.33, 2.34 приведены результаты зависимости энтальпии дуги от её радиуса в середине межэлектродного промежутка (а) и на расстоянии 1мм от анода (б). Данные результаты получены методом обработки данных численного моделирования: зависимость температуры электрической дуги от радиуса пересчитана в энтальпию [72], с целью подтверждения теории более локального и мощного тепловложения от сжатой дуги в технологический объект.
Методика обработки экспериментальных данных
Другой причиной погрешности в измерениях может оказаться систематическая погрешность. Данный вид погрешности может быть вызван отклонением плазмы от состояния локального термодинамического равновесия, отклонением дуги от состояния аксиальной симметрии, неопределённостью вероятности спонтанного излучательного перехода, оптической глубиной (плазма не является оптически тонкой) [50]. Погрешность в экспериментальных измерениях, как для результатов быстрых камер, так и для результатов спектрографа была рассчитана в соответствии с теорией, предложенной в [50] и составила порядка 12 %. Разброс, полученных экспериментальным методом, результатов температуры дуги приведен в качестве примера на рисунках 3.16 и 3.17.
С целью верификации модели в данном разделе представлены результаты обработанных экспериментальных данных. На рисунках 3.13, 3.14, 3.15 представлены результаты численного моделирования совместно с полученными экспериментальным путём, сравниваются форма электрической дуги, температура в разных точках плазменного потока.
Рисунки 3.11, 3.12, в качестве примера, пошагово демонстрируют результат обработки экспериментальных данных, полученных с помощью интерференционного фильтра 812±2 нм быстрых камер. Результаты рисунка 3.12 были преобразованы в наглядную карту температур для сжатой электрической дуги при силе тока 100 А, расстоянии между электродами 13 мм, от сопла до анода – 8 мм, расход защитного газа аргона 4 л/мин.
Зависимость температуры плазмы от её радиуса при различном расстоянии от анода для случая сжатой электрической дуги Температура плазменной дуги (эксперимент)
Сравнение результатов численного моделирования с экспериментально полученным полем температур сжатой электрической дуги при токе 100 А, расходе аргона 4 л/мин и расстоянии между катодом и анодом 13 мм Результаты обработки экспериментальных данных, полученных с помощью быстрой камеры и спектрографа, демонстрируют удовлетворительное согласие (в пределах 15 %) между собой и с результатами компьютерного моделирования процесса взаимодействия электрической дуги с технологическим объектом. На рисунках 3.13, 3.14 (а) расхождение в температуре на границе сжатой электрической дуги между результатами эксперимента и численных расчётов связано с отклонением плазмы в этой области от состояния локального термодинамического равновесия. На большом расстоянии от оси потока компьютерная модель позволяют получить температуру газа, тогда как спектроскопические измерения отражают температуру электронов.
Сравнение результатов численного моделирования с экспериментально полученным полем температур свободно горящей электрической дуги при токе 200 А расходе аргона 12 л/мин и расстоянии между катодом и анодом 10 мм Температура плазменной дуги (эксперимент) На рисунках 3.16, 3.17, 3.18, 3.19 представлены зависимости температуры свободно горящей электрической дуги и сжатой дуги от её радиуса в середине межэлектродного промежутка, на расстоянии 1 мм от анода и 1 мм от катода при различных параметрах горения электрической дуги. Зависимость температуры дуги от её радиуса в середине межэлектродного промежутка (а) и на расстоянии 1 мм от анода (б) при токе 100 А и расстоянии между катодом и анодом 10 мм. Пунктирная линия - результаты моделирования; сплошная линия - результаты экспериментальных исследований; точка-тире - данные спектрографа
Также для случая свободно горящей дуги была рассмотрена температура в центре электрической дуги на её оси при значениях силы тока от 50А до 250А и расстоянии между электродами 6, 8, 10 мм. Результаты, приведённые на рисунке 3.20, были получены в результате обработки снимков быстрой камеры. При изменении расстояния между катодом и анодом от 8 мм до 10 мм температура в центре электрической дуги практически не меняется, однако при уменьшении межэлектродного промежутка до 6 мм, значение температуры возрастает на 7 – 10%. Дистанция между катодом и анодом в 6 мм является более близкой к реальному технологическому процессу сварки по сравнению с 8 мм и 10 мм, в связи с большей температурой электрической дуги и лучшей защитой ванны расплавленного металла от воздействия окружающего воздуха.