Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи работы 19
1.1. Анализ существующих способов электрической сварки плавлением изделий большой толщины 19
1.2. ДС НПЭ - высокопроизводительный способ сварки изделий 27
1.3. Горизонтальная схема ДС НПЭ 29
1.4. Схема сварки на подъем 53
1.5. Схема сварки с горизонтальным перемещением дуги 58
1.6. Особенности формирования сварных швов при ДС НПЭ. Дефекты, ограничивающие работоспособность сварных соединений 60
1.7. Общие представления о структуре математической модели ДС НПЭ 82
Глава 2. Исследование физических процессов пластинчатого электрода 88
2.1. Физические процессы, протекающие в пластинчатом электроде 88
2.2. Распределенный потенциал пластинчатого электрода 95
2.3. Распределение плотности тока в пластинчатом электроде 99
2.4. Нагрев пластинчатого электрода равномерно распределенным источником тепла 102
2.6. Нагрев пластинчатого электрода током сварки 113
Глава 3. Изучение особенностей плавления пластинчатого электрода в ДС НПЭ 127
3.1. Модель источника дугового тепла в пластинчатом электроде 127
3.2. Нагрев пластинчатого электрода внутренними источниками тепла и электрической дугой 131
3.3. Общая постановка задачи плавления пластинчатого электрода при ДС НПЭ 135
3.4. Плавление пластинчатого электрода в начале сварки 144
3.5. Плавление пластинчатого электрода при подогреве внутренним равномерно распределенным объемным источником тепла 157
3.6. Плавление пластинчатого электрода при подогреве внутренними равномерно распределенным и неравномерно распределенным объемными источниками тепла 164
Глава 4. Исследование магнитного поля дугового столба при дс НПЭ 180
4.1. Общая постановка задачи 180
4.2. Составляющие магнитного поля, создаваемые в дуговом канале током, протекающим по пластинчатому электроду 182
4.3. Влияние распределения плотности тока стока электрода на магнитное поле дугового канала 206
4.4. Распределение потенциала в металле изделия 211
4.5. Плотность тока в частях изделия 221
4.6. Напряженности составляющих магнитного поля плавильного пространства, создаваемые токами частей изделия 231
Глава 5. Особенности движения электрической дуги в плавильном пространстве при ДС НТО 245
5.1. Физические процессы дугового столба 245
5.2. Электрическая дуга в плавильном пространстве при ДС НПЭ 249
5.3. Объемные электромагнитные силы, действующие на электрическую дугу в плавильном пространстве 252
5.4. Оценка градиента давления плазмы и газов в плавильном пространстве 256
5.5. Уравнение движения дуги в плавильном пространстве 260
5.6. Топологический анализ уравнения движения дуги 261
5.7. Решение уравнения движения дуги в плавильном пространстве 265 Выводы по главе 5 275
Глава 6. Разработка оборудования для дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом 277
6.1. Источники питания для однопроходной дуговой сварки изделий большой толщины 277
6.2. Модулятор сварочного тока 287
6.3. Влияние В АХ источника питания на плавление пластинчатого электрода и основного металла 290
6.4. Структурные схемы источников питания для ДС НПЭ 300
6.5. Оптимальный источник питания для ДС НПЭ 313
6.6. Перспективное направление создания источников питания для ДСНПЭ 323
6.7. Модулятор сварочных токов частей изделия 325
Глава 7. Разработка технологий дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом 331
7.1. Конструкция электродов для ДСНПЭ 331
7.2. Условия образования сварного шва при ДС НПЭ 343
7.3. Окисление металла при сварке 347
7.4. Другие реакции взаимодействия металла сварочной ванны при ДСНПЭ 353
7.5. Пластинчатые электроды для ДС НПЭ 364
7.6. Дуговая сварка неподвижным плавящимся электродом сталей аустенитного класса 366
7.7. Дуговая сварка неподвижным плавящимся электродом низкоуглеродистых сталей 373
7.8. Технологические возможности дуговой сварки НПЭ 385
7.9. Основные положения технологии ДС НПЭ 398
Общие выводы и результаты работы 404
Библиографический список использованной
Литературы 409
Приложения 436
- ДС НПЭ - высокопроизводительный способ сварки изделий
- Распределенный потенциал пластинчатого электрода
- Нагрев пластинчатого электрода внутренними источниками тепла и электрической дугой
- Составляющие магнитного поля, создаваемые в дуговом канале током, протекающим по пластинчатому электроду
Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие машиностроения в направлении снижения металлоемкости агрегатов, повышения мощности установок и перехода к более высоким температурам и давлениям рабочих процессов привело к необходимости использовать для этих целей сварные конструкции из различных сталей и сплавов. В современном промышленном производстве сварка занимает место ведущего технологического процесса, определяющего эффективность многих существующих отраслей.
Нужды промышленного производства требуют постоянного совершенствования технологии сварки деталей различных толщин из различных материалов, в связи с чем постоянно расширяется набор применяемых видов и способов сварки. При этом одним из перспективных направлений развития сварочного производства в России и за рубежом является разработка новых ресурсосберегающих и энергосберегающих технологий.
Существующий уровень развития сварки плавлением позволяет решать широкий круг задач, стоящих перед инженерами и учеными, работающими в этой области. Тем не менее, в сфере производства остаются проблемными направления, к числу которых относятся: выполнение сварных соединений при отсутствии рабочего пространства для размещения сварочного оборудования, сварка в труднодоступных и замкнутых местах, сварка в помещениях с наличием взрывоопасных или вредных для здоровья обслуживающего персонала сред, сварка, выполняемая рабочим с невысокой квалификацией. В таких условиях особое значение для сварочного производства придается вопросам комплексной механизации и автоматизации, и особую актуальность приобретает процесс дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом, изучению которого посвящена данная работа.
Дуговая сварка неподвижным плавящимся электродом (ДС НПЭ) - новый способ сварки плавлением, предложенный в МЭИ группой исследователей во главе с профессором И.В. Зуевым. В широко известном процессе дуговой сварки при выполнении определенных условий возникает явление самоорганизации, заключающееся в самостоятельном упорядоченном движении электрической дуги в плавильном пространстве. Это имеет место при сварке мощной электрической дутой в узкой щелевой разделке.
Самоорганизующийся процесс движения дуги возникает в открытой неравновесной системе "концентрированный источник энергии — изделие" и имеет нелинейный, автоколебательный характер. Управление процессом сварки легко осуществить дистанционно, что позволяет получать сварные соединения в местах с радиационным загрязнением, минимизировав время пребывания обслужизающего персонала в опасной зоне. Использование в произ-
водстве самоорганизующейся технологии дуговой сварки открывает реальные перспективы снижения энергозатрат, уменьшения расхода конструкционных материалов, экономии рабочего времени, увеличения возможностей процесса сварки плавлением и, в конечном счете, повышения качества сварных соединений.
Научные исследования по теме диссертационной работы проводились непрерывно с 1986 года в соответствии с государственной научно-технической программой, научно-технической программой "Сварочные процессы" и в рамках двух грантов Минобразования России по фундаментальным исследованиям в области технических наук по направлению "Новые безотходные энергосберегающие технологии производства" (1999-2000гг. и 2002-2004гг.).
Цель работы. Создание теплофизических основ и разработка оборудования для способа дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
исследовать специфику дугового разряда в узком пространстве, ограниченном поверхностью оплавления торца пластинчатого электрода и распределенной сварочной ванной;
создать модель, описывающую физические процессы нагрева и плавления, протекающие в пластинчатом электроде при сварке и наплавке;
используя теплофизическую модель, разработать методику, определяющую конструкцию пластинчатого электрода при сварке;
создать математическую модель процесса, описывающую поведение электрической дуги, помещенной в узкую щелевую разделку;
экспериментально исследовать физические взаимодействия в электрогидродинамической системе источник - дуга - ванна при ДС НПЭ;
- определить характеристики источника питания, обеспечивающие
устойчивость процесса сварки;
- оценить технологические возможности и разработать рекомендации при
выборе параметров дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом.
Методы исследования. При выполнении теоретической части работы использовались методы математической физики, вариационное исчисление, качественный анализ, методы теории подобия и численные методы для решения уравнений и систем уравнений электромагнетизма, теплопроводности, магнитной газодинамики. При получении численных решений использовались известные математические пакеты программ MathCAD, MatLAB, Maple, Mathematica, FemLAB.
При экспериментальных исследованиях применялись методы физического моделирования, скоростная киносъемка с синхронной магнитной записью режимов процесса сварки, измерение магнитного поля магнитометром ИПМ-101, методы математического планирования и статистической обработки результатов эксперимента. Механические испытания на растяжение сварных об-
разцов проводились на разрывной машине ИМ-12А, для неразрушающего контроля использовался малогабаритный прибор для экспресс-испытаний материалов ПИМ-ДВ1, при исследовании микроструктуры применялся микроскоп HY-2E.
Научная новизна работы. Научная новизна работы связана с выявлением специфики поведения мощного электрического разряда в щелевой разделке, а также раскрытием закономерностей, характеризующих физические процессы, происходящие при сварке в пластинчатом электроде, дуговом столбе и основном металле.
-
Показано, что при сварке протекание тока по пластинчатому электроду и наличие узкого стока тока при горении дуги в щелевой разделке приводит к появлению двух источников теплового нагрева электрода. Подогрев пластинчатого электрода протекающим током изменяет режим плавления электрода, при этом изменяются условия массопереноса и формирования сварного соединения. Тепловой нагрев электрода вблизи узкого стока тока находится в области возмущений температурного поля активного пятна дуги, что повышает скорость и термический КПД дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом. При этом коэффициент наплавки для одной и той же мощности дуги превышает коэффициент наплавки автоматической сварки под флюсом в 2,5...5 раз.
-
Установлено, что при симметричной сборке изделия под сварку асимметричное поперечное магнитное поле в пространстве дугового столба создается только током пластинчатого электрода, а сила, действующая на электрическую дугу со стороны такого поля, всегда направлена к центру плавильного пространства, где поперечное магнитное поле минимально.
-
Показано, что при сварке самоорганизующееся, периодическое движение электрической дуги в плавильном пространстве можно рассматривать, как результат взаимодействия трех массовых объемных сил: магнитной, электромагнитного сопротивления и газодинамической. При наличии асимметричного поперечного магнитного поля и турбулентного течения потоков газа и паров металла квазистационарный период и скорость движения электрической дуги самоустанавливаются и определяются балансом действующих сил. Циклическое движение электрической дуги в плавильном пространстве обеспечивает близкое к равномерному распределение энергии дуги по толщине свариваемого изделия и позволяет при одной и той же мощности дуги увеличить толщину свариваемого изделия в 2...3 раза по сравнению со сваркой лежачим электродом.
-
Установлено, что циклическое движение электрической дуги в плавильном пространстве приводит к периодическим изменениям ее длины и положения рабочей точки на вольт-амперной характеристике источника. При этом периодически изменяется скорость плавления пластинчатого электрода и металла изделия, поэтому форма оплавления пластинчатого электрода при сварке соответствует виду внешней вольт-амперной характеристики источника, а изменение формы границы сплавления пропорционально мощности дуги.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Новый способ однопроходной сварки изделий большой толщины - дуговая сварка неподвижным плавящимся электродом.
-
Результаты моделирования процесса плавления неподвижного пластинчатого электрода при наличии внутренних равномерно распределенного и неравномерно распределенного источников подогрева.
-
Методика расчета конструкции неподвижного плавящегося пластинчатого электрода при сварке протяженных швов.
4. Результаты исследований магнитного поля пространства дугового
столба. Методика определения составляющих напряженности магнитного по
ля в местах воздействия концентрированного источника энергии.
-
Результаты исследований кинетики движения мощной электрической дуга в щелевой разделке. Устройство, стабилизирующее период перемещения электрической дуги в плавильном пространстве и обеспечивающее равномерное плавление пластинчатого электрода и основного металла при сварке изделий большой толщины.
-
Результаты численных и экспериментальных оценок закономерностей взаимодействия электрогидродинамической системы источник-дуга-ванна. Источники питания, учитывающие сканирующее движение дуги и поведение сварочной ванны в плавильном пространстве, и обеспечивающие пространственную и энергетическую устойчивость дуги при дуговой сварке и наплавке неподвижным плавящимся электродом.
-
Результаты технологических оценок возможных применений способа ДС НПЭ. Основные положения технологии дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом.
Практическая ценность и результаты работы. Теоретические положения, результаты расчетов по математическим моделям, основные положения технологии дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом использованы при разработке, промышленной апробации и внедрении технологий сварки и наплавки конструкционных и легированных сталей на изделиях Московского локомотиворемонтного завода, при сварке изделий из строительных и арматурных сталей ООО "Строй-Вымпел" и сварке изделий из аустенитньгх сталей АО "Аэроэлектрик". Рекомендации технологии ДС НПЭ были использованы при разработке технологии ДС НПЭ неповоротных стыков на изделиях ГП "НПО ТЕХНОМАШ". Технологии дуговой сварки и наплавки неподвижным плавящимся электродом внедрены на Московском локомотиворемонтном заводе, а технология сварки изделий круглого сечения на предприятии ООО "Строй-Вымпел".
Разработаны и запатентованы источники питания для ДС НПЭ, обеспечивающие пространственную и энергетическую устойчивость дуги при сварке. В диссертационной работе аналитически и численно решен ряд важных теоретических задач, позволяющих определять результаты воздействия концентрированных источников энергии на обрабатываемые материалы, а также находить параметры электрического и магнитного поля в таких местах воздействия концентрированных потоков энергии (КПЭ), где произвести точные,
прямые, экспериментальные измерения практически невозможно. Теоретические положения работы были использованы при решении ряда задач на изделиях, полученных дуговой сваркой в защитном газе, электронно-лучевой сваркой и лазерной сваркой.
Новизна разработанных технологий и оборудования подтверждается 4-мя патентами и свидетельствами и 2-мя поданными заявками на патенты.
Результаты диссертационной работы использовались в читаемых спецкурсах: "Воздействие на материалы концентрированных источников энергии", "Физические основы генерации концентрированных потоков энергии", "Управление техническими системами". Материалы диссертационной работы применялись при курсовом и дипломном проектировании студентов по специальности 12.07.00 «Машины и технология высокоэффективных процессов обработки».
Апробация работы. Основные положения работы были доложены на II Всесоюзном симпозиуме по перспективным металлическим материалам (Москва, 1991г.), всесоюзной научно-технической конференции "Концентрированные потоки энергии в обработке материалов" (Пенза, 1991г.), научно-технической конференции "Повышение эффективности сварки и упрочнение материалов концентрированными потоками энергии" (Казань, 1991 г.), научно -технической конференции "Прогрессивные процессы сварки з машиностроении" (Красноярск, 1991 г.), международной научно-технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники" (Ростов-на-Дону, 1993 г.), научно-техническом семинаре "Надежность металлов ответственных элементов оборудования ТЭС" (Казань, 1994 г.), всероссийском симпозиуме "Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии" (Москва, 1996 г.), международной конференции "Информационные средства и технологии" (Москва, 1999г.), всероссийской научно—технической конференции "Сварка и смежные технологии" (Москва, 2000 г.), научно-технической конференции "Сварка Урала-2003" (Киров, 2003 г.), всероссийской научно-технической конференции "МАТИ-Сварка XXI века" (Москва, 2003 г.). Диссертационная работа в целом обсуждалась на кафедре "Технология металлов" МЭИ (ТУ), на кафедре "Технологиия сварочного производства" "МАТИ"- РГТУ им. К.Э. Циолковского, на научном семинаре кафедры "Технологии сварки и контроля" МГТУ им. Н.Э. Баумана, на научном семинаре ученого совета АО НПО "ЦНИИТМАШ", на научном семинаре кафедры "Сварка и мониторинг нефтегазовых сооружений" РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 31-ой опубликованной работе, 1-ом авторском свидетельстве, двух патентах, 1-ом свидетельстве на полезную модель и 6-ти отчетах по выполненным научно-исследовательским темам.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов и результатов работы, библиографического списка использованной литературы и приложений.
ДС НПЭ - высокопроизводительный способ сварки изделий
Дуговая сварка неподвижным плавящимся электродом (ДС НПЭ) позволяет принципиально по-новому осуществлять технологический процесс сварки изделий любой толщины (преимущественно 5 - 200 мм). Значительно упрощаются некоторые подготовительные операции, не требуется разделка кромок при сварке изделий большой толщины.
В некоторых случаях при использовании дополнительных присадочных пластин [35] значительно снижаются требования к качеству обработки свариваемых поверхностей изделия.
Существует ряд процессов в биологических и физических открытых системах, отличительным свойством которых является наличие самоорганизации, связывающей пространственно - временное поведение системы с динамическими процессами внутри самой системы [8, 9, 36].
К числу таких процессов при определенных условиях можно отнести некоторые виды обработки материалов концентрированными потоками энергии [4, 6].
Дуговая сварка НПЭ - новое направление в сварке, базирующееся на самоорганизующемся поведении мощной электрической дуги, возникающем при сварке металлов в узкой щелевой разделке [4]. Переход на самоорганизующиеся технологии открывает реальные перспективы резкого повышения качества сварных соединений, снижения энергоемкости и увеличения возможностей процесса сварки плавлением.
Под самоорганизацией при дуговой сварке неподвижным плавящимся электродом понимается самостоятельное, упорядоченное, периодическое движение дуги, горящей между торцом пластинчатого электрода и сварочной ванной [37-41].
Так как технология ДС НПЭ основана на самоорганизации процесса нагрева дугой материала, то сам процесс сварки значительно упрощается, и для управления дугой не требуется наличия сложных управляющих и следящих устройств.
При сварке происходит самоподдерживающий переплав металла электрода, установленного в зазор между свариваемыми поверхностями, с одновременным оплавлением свариваемых поверхностей и образованием между ними сварочной ванны, после кристаллизации которой образуется монолитный сварной шов по всей длине стыка. Такой метод сварки характеризуется высокой производительностью процесса, причем производительность сварки металлов больших толщин может в десятки или сотни раз превышать производительность автоматической сварки под флюсом при одинаковых площадях стыка свариваемых изделий. Коэффициент наплавки для ДС НПЭ составляет (32 -88) г/(А-ч) и для одной и той же мощности дуги превышает коэффициент наплавки автоматической сварки под флюсом в 2,5...5 раз.
Процесс характеризуется пониженным удельным расходом теплоты, а вследствие большой скорости сварки - незначительной областью сплавления и зоной термического влияния. Так как горение дуги происходит в плавильном пространстве при избыточном давлении, то при сварке сталей, как правило, не требуется специальной защиты. В качестве защиты при сварке может использоваться флюс или шихта электродного покрытия, соответствующая составу качественных покрытий для ручной дуговой сварки. Поэтому ДС НПЭ целесообразно использовать в полевых условиях монтажа строительных и технологических металлоконструкций, где высокопроизводительные, но относительно сложные сварочные механизмы и процессы часто не рентабельны.
Эффективность способа возрастает, так как сварщик участвует только на этапе подготовки изделия к сварке, и его квалификация не оказывает решающего влияния на качество сварки. Это также позволяет использовать данный процесс в труднодоступных местах и при наличии вредных для рабочего персонала сред, так как после подготовки изделия под сварку обслуживающий персонал может быть удален в безопасное место и может дистанционно управлять процессом сварки. Специфика технологии ДС НПЭ позволяет применять способ в местах с радиационным загрязнением, минимизировав время пребывания персонала в опасной зоне и исключив возможность его поражения из-за превышения допустимых норм излучений.
При внедрении технологии ДС НПЭ снижается стоимость процесса за счет отказа от использования кантователей, сварочного автомата, сварочных электродов и обработки кромок при разделке. Но при этом возрастают требования к качеству сборки изделий под сварку, точности оснастки, используемым технологическим материалам и источникам сварочного тока.
Распределенный потенциал пластинчатого электрода
Рассмотрим двухмерную линейную задачу распределения потенциала на пластине в следующей постановке (рис. 2.2). В тонкую пластину ( 8« Ь, 8 « а) втекает равномерно по всей торцевой поверхности ток /(заштрихованная область). Сток тока происходит с другой стороны пластины и занимает площадь меньшую, чем площадь торца пластины (заштрихованная область). На незаштрихованных торцевых поверхностях пластины имеют место нулевые условия Неймана [86]. Если -потенциал пластины, уравнение для потенциала пластины имеет вид Следует подчеркнуть, что для граничных условий распределение плотности тока в стоке тока (2.17) считается равномерным, хотя в начальный момент времени до появления нагрева стока тока это не так. Знак минус в граничных условиях (2.16) учитывает направление внешней нормали к пластине. Проверим правильность выбранных граничных условий. Поставленная задача разрешима, если имеет место равенство При выполнении условия (2.18) пластина не накапливает заряд. Проверка показывает, что граничное условие (2.16) надо изменить, т.е. Используя метод разделения переменных [86-88], получим решение для потенциала пластины [83, 89] где (p - потенциал пластины; a,b,S - геометрические размеры пластинчатого электрода, причем а,Ь»д, то есть сток узкий; с,1 - координаты стока тока; рм -удельное сопротивление материала электрода; / - электрический ток пластины. На рис. 2.3 показано распределение потенциала электрода при наличии узкого стока для трех различных случаев расположения стока, а на рис.2.4 объемное распределение потенциала пластины при наличии узкого стока. Так как эквипотенциальные поверхности по пластинчатому электроду располагаются практически везде на одном и том же расстоянии друг от друга, то потенциал пластины практически везде распределен равномерно, и лишь вблизи стока тока распределение потенциала отличается от равномерного. Распределения потенциала пластины выполнены с использованием пакета Mat-LAB [90]. Следует отметить, что вблизи стока наблюдается значительное изменение потенциала пластины. что соответствует разложению в ряд по собственным функциям граничного условия (2.17). Естественно проекция Jy при этом должна равняться нулю, так как предполагается, что сток тока имеет один и тот же потенциал по всей своей длине. Следует заметить, что члены рядов (2.22-2.23) убывают не быстрее чем Мк. Это происходит из-за того, что разлагаемая функция при выбранных граничных условиях отлична на границе от нуля, а в точках стока си/ терпит разрывы. Так как значения функции на границе нам известны, то это обстоятельство можно использовать в дальнейших расчетах и построениях графиков, не прибегая к подсчету большого числа членов рядов (2.22- 2.23). Абсолютное значение плотности тока электрода Ju определится выражением На рис. 2.5 показано объемное распределение проекции плотности тока Jy. Плотность имеет максимум вблизи координаты стока с (в рассматриваемом случае /=0). Это объясняется тем, что общая плотность тока практически по всему электроду равномерна и лишь у стока отличается от равномерного. Так как сток тока расположен относительно центра электрода несимметрично, то линии тока, находящиеся в противоположной от стока стороне электрода, для попадания в сток будут уплотняться у координаты стока, расположенной ближе к центру электрода. Это приведет к тому, что плотность тока на стоке будет неравномерной, хотя в граничном условии (2.17) это не так. Ситуация с плотностью тока Jy изменится, если учесть обратную связь, возникающую из-за нагрева электрода протекающим током. Чрезмерное уплотнение линий тока приведет к локальному нагреву электрода и перераспределению линий тока по более холодным местам электрода.
Нагрев пластинчатого электрода внутренними источниками тепла и электрической дугой
Для простоты рассмотрим случай постоянных теплофизических коэффициентов. Уравнение теплопроводности при наличии в пластине (рис.2.2) равномерно и неравномерно распределенного внутреннего источника, потока тепла в тело анода от электрической дуги и теплообмене через боковую поверхность электрода имеет вид Уравнение (3.8) не отличается от уравнения (2.65), но изменились граничные условия при х=0, граничные условия для других сторон пластины не изменились Считаем, что мощность дуги равномерно распределена по анодному пятну площадью Sa, для мощных электрических дуг это имеет место [130]. Граничное условие на границе электрода с электрической дугой получается из соотношения где ка - коэффициент, учитывающий эффективность вклада общей мощности электрической дуги в анодную область. Коэффициент ка сильно зависит от режима сварки. Используя экспериментальные данные о тепловом балансе быстродвижу-щейся дуги [51], можно предполагать, что эффективный к.п.д. процесса нагрева анода и катода приблизительно одинаков и для режимов, используемых при ДС НПЭ, значения коэффициента ка находятся в диапазоне 0,3...0,4. Окончательно имеем В качестве начального условия примем Упростим исходное уравнение (3.8). Для этого воспользуемся подстановкой При этом получим где ?nn = #nne0W" удельная мощность внутренних источников теплоты, приходящихся на единичную удельную объемную теплоемкость материала, после замены переменных. Граничные условия (3.9) не изменятся, только вместо Г будет U, а граничное условие (3.11) примет вид Для начального условия с учетом (3.13) получим Щху,0)=0. (3.16) Решение тепловой задачи в новых переменных (3.9, 3.14-3.16) для пластинчатого электрода можно выполнить, используя построение функции Грина для данных граничных условий [131, 132], которое является решением исходной однородной задачи. В нашем случае в принятых обозначениях общее решение будет иметь вид где Uo(%,rf) - начальное условие, G{x,y, ,ri,t) - функция Грина, Qm(i],T) - источник нагрева пластины, q\{r], т), qi{r] ,т), р\{% ,г),рі{% ,т) - граничные условия на краях пластины, am=McTp - коэффициент температуропроводности пластинчатого электрода. Функция Грина для граничных условий Неймана и уравнения теплопроводности с внутренним источником определится выражением [133] С учетом граничных условий (3.9) и начального (3.16) получим Очевидно, что, как и в приведенном ранее решении (2.105) с использованием косинус-преобразования Фурье, основную трудность вызывает интегрирование члена, содержащего источник нагрева Qm. Возвращение к исходным переменным можно осуществить, используя подстановку (3.13). На рис. 3.1 приведено численное решение исходной задачи (3.8-3.12). Данное решение линейной задачи справедливо лишь в диапазоне температур Т ТПЛ, когда отсутствует плавление пластинчатого электрода.
Составляющие магнитного поля, создаваемые в дуговом канале током, протекающим по пластинчатому электроду
С протеканием тока по пластинчатому электроду тесно связана задача о нахождении составляющих магнитного поля в пространстве дугового столба, создаваемых токами, протекающими по электроду и изделию. В первый момент появления электрической дуги в плавильном пространстве пластинчатый электрод имеет прямоугольную форму, сварочная ванна отсутствует, и горение дуги происходит между торцом пластинчатого электрода и вспомогательной, металлической боковой подкладкой, поэтому вначале выполним расчет магнитного поля для такой формы электрода и пространства дугового столба.
Для простоты определим сначала проекции магнитного поля на координатные оси, создаваемого в пространстве дугового столба током, протекающим по пластинчатому электроду. Полагая, что центр пространства дугового столба совпадает с осью у\ при определении магнитного поля в плавильном пространстве будем искать проекции поля Hz, Ну и Нх (рис. 4.1). Задача является идеализированной, так как считается, что сток тока пластины неподвижен, в частях изделия отсутствуют индукционные токи [163], возникающие при движении стока тока по торцу электрода и влияющие на величину и характер распределения магнитного поля в плавильном пространстве.
Следует отметить, что магнитное поле, создаваемое в пространстве дугового столба током, протекающим по пластинчатому электроду, зависит от формы оплавления торца пластинчатого электрода в процессе сварки. Форма оплавления торца пластинчатого электрода определяется видом внешней характеристики используемого источника питания (см. главу 6).
Для случая, показанного на рис. 4.1, внешняя характеристика источника должна быть штыковой (жесткой по току).
Наибольшее влияние на характер движения дуги в плавильном пространстве оказывает составляющая Н2. Составляющая магнитного поля Ну создает дополнительные условия по стабилизации дугового столба в плавильном пространстве, а составляющая магнитного поля Нх влияет на ширину получаемого сварного шва.
Для простоты примем, что среда однородна и изотропна. Магнитные свойства основного металла, окружающего электрод-пластину, учитывать не будем, полагая // «1. Подобный случай имеет место при сварке аустенитных сталей. Будем считать, что ось дугового канала расположена на расстоянии приблизительно равном Ъ8 от торца электрода (S- толщина электрода), а ширина получаемого сварного шва равна 3 5, что соответствует имеющимся экспериментальным данным.
При сварке сталей, имеющих магнитную проницаемость больше единицы, необходимо перед сваркой выполнять размагничивание изделия, в этом случае в процессе сварки не будет случайных отклонений дуги от центра стыка из-за остаточной намагниченности изделия. Следует отметить, что после размагничивания влияние остаточной намагниченности изделия скажется незначительно на значение величины полученного магнитного поля, так как плавильное пространство и околошовная зона, в основном определяющие величину магнитного поля в щелевой разделке, при сварке нагреты выше точки Кюри [141], и их магнитная проницаемость близка к единице.
Численное интегрирование полученных ранее рядов для проекций плотности тока Jx (1.22 ) и J у (1.23 ) показывает, что они плохо сходятся для точек границы, где плотность тока отлична от нуля, то есть вблизи стока тока (рис. 4.1). Поэтому выполним эквивалентные преобразования найденного для плотностей тока решения. Воспользуемся следующими формулами математического анализа [86,164]
Меняя порядок суммирования в двойных рядах и используя указанные формулы, получим для плотности тока Jx четыре слагаемых
Каждое из слагаемых Al, А2, A3, АА выражается уже хорошо сходящимися рядами, которые отличаются друг от друга сомножителями (с+у), (с-у), (1+у), (/-у). В качестве примера приведем одно из них (4.5) Формула для Jx, хотя и громоздка, дает очень хорошую сходимость ряда, численные расчеты, выполненные пакетом MathCAD, показывают, что в дальнейших расчетах можно использовать один член ряда для п=0 (опустить знак суммы), так как члены ряда при п \ отличаются более чем на десять порядков от первого. Использование полученного выражения для расчета плотности тока Jx позволяет значительно уменьшить машинное время и увеличить точность расчета.
На рис. 4.2 а показано распределение плотности тока Jx , подсчитанное по формулам (3.3)-(3.5), для сравнения на рис. 4.2 б приведено распределение плотности тока по исходной формуле при подсчете тридцати членов ряда Фурье.
