Файл: Елистратов, П. С. Сварка чугуна сталью.pdf

(у зеркала) газ входит в воду и, углубившись па опреде­ ленную величину /г, выходит. Без учета газа, поглощен­ ного водой, можно принять, что количество входящего и выходящего газа одинаковое. Следовательно, площади сечения струй газа равны, т. е. F' — Fс. Но площадь се­ чения струи выходящего газа F' определяется площадью кольца с внутренним диаметром dc и наружным DK (рис. 9, б). В таком случае

Отсюда видно, что диаметр кратера примерно в 1,5 раза больше диаметра струи у входа ее в жидкость. Фактиче­ ски диаметр кратера зависит от торможения струи и дав­ ления газа. Это связано с тем, что секундный расход газа Qr определяется его давлением:

тально. С учетом этого в уравнение для определения диа­ метра кратера (41) надо ввести и давление.

Соответствующие экспериментальные исследования связи диаметра кратера DK с параметрами Р, cl0 и I при погружении газовой струи в воду и обработка получен­ ных данных показали, что диаметр кратера можно опре­ делять по уравнению

46

Влияние наклона электрода на размер ванны

Выше рассматривался случай, когда трубка, подво­ дящая газ, располагалась перпендикулярно к зеркалу воды. Однако, как показал анализ сил, действующих на сварочную ванну (уравнение (23)), угол наклона элек­ трода имеет большое значение для соотношения этих сил. Естественно, наклон электрода имеет значение и для геометрических размеров ванны, что проверялось па модели. Для моделирования применяли корытообразный сосуд вытянутой формы из прозрачной пластмассы. Раз­ мер сосуда взят с учетом необходимости увеличения во­ дяной ванны по сравнению со стальной. Вытянутая фор­ ма сосуда обеспечивает ограничение ванны с боков, что имитирует условия образования ее. Газ (кислород, ар­ гон, воздух) подавался по трубкам различного диа­ метра и при разном давлении. Угол наклона трубок кон­ тролировался угломером, так же как и угол наклона задней стенки образующейся ванны.

Эксперименты показали, что наклон трубки вызы­ вает изменение формы и размера ванны (кратера): она вытягивалась в сторону, обратную наклону трубки, и в проекции вместо круга принимала форму эллипса при соответствующем уменьшении глубины погружения. При давлении газа менее 300—400 Н/м2ванна спокойна и кра­ тер хорошо очерчен в виде вмятия воды. При большем давлении наблюдается колебание ванны, образование барьера и гребешков (волн). Высота барьера, глубина погружения и амплитуда волн все время колеблются в пределах некоторого минимума и максимума в зависи­ мости от условий дутья. Интенсивность и амплитуда ко­ лебаний при данных параметрах дутья зависят также и от состава жидкости: для чистой воды они больше, у ма­ шинного масла и особенно у глицерина гораздо меньше из-за иных физических свойств этих жидкостей. Добав­ ка в воду поверхностно-активных веществ мало влияет на интенсивность и амплитуду колебаний. Наличие на поверхности воды «шлака» (тонкие древесные опилки, перемешанные с машинным маслом) несколько сглажи­ вает амплитуду волн.

Применяя корытообразный сосуд меньшего размера, можно наблюдать за поведением жидкости при увеличе-

47

і і п н давления, когда глубина погружения струп превы­

шала толщину слоя воды. В этом случае струя газа раз­ деляла всю жидкость сосуда на две части н сдувала жидкость не только со дна, но п со стенок сосуда. Обра­ зующиеся две стенки жидкости сохраняли свое положе­ ние в течение всего периода подачи газа, находясь в большом колебании. Естественно предположить, что при определенных режимах сварки и наклоне электрода

Рис. 10. Схема разделения струп при встрече с твердой поверхностью

жидкий металл сварочной ванны может почти полно­ стью переместиться к задней стенке ванны. Это откры­ вает поверхность твердого металла внизу ванны, что обеспечивает максимально возможную при данном ре­ жиме сварки глубину проплавления.

При подаче газа к поверхности вертикальной или на­ клонной трубкой он оказывает давление па эту поверх­ ность. Если бы струя газа с площадью сечения F встре­ чалась с твердой поверхностью, расположенной к осп струп под углом а, то струя газа растекалась бы по по­ верхности, но неодинаково (рис. 10). Примяв F\ — пло­ щадь сечения основной части струи, которая направлена в сторону движения потока, F2— площадь сечения об­ ратной части струи, согласно теории импульсов [22], имеем

Fx = 0,5 (1 -г cos а) F, Е2 == 0,5(1 — cos а)F. (43)

Среднее значение давления, оказываемое струей газа на поверхность при наклоне струи, в соответствии с (36)

Так как при моделировании струя газа воздействует на жидкую поверхность, то совершается работа перемеще­ ния определенного объема жидкости — струя выдувает жидкость, удлиняя ванну. Форма ванны при этом не­ сколько своеобразна, что зависит от давления газа и диаметра газовой струн. При этом задняя стенка ванны

48

стремится расположиться перпендикулярно оси струи, что создает несимметричную форму ванны в продольном сечении ее вертикальной плоскостью (рис. 11). Если диа­ метр струи мал (меньше 3 мм) при большом давлении газа, то струя как бы врезается в жидкость (рис. 11), вследствие чего задняя стейка принимает почти верти­ кальное и даже наклонное вперед положение. Естествен­ но, что при этом ванна очень неспокойна, кромки ее все

Рис. 11. Действие струи газа на поверхность жидкости: а — при малом удельном давлении; б — при большом удельном давлении; в — схема

время колеблются, как и при дутье перпендикулярной струей.

Наблюдения и замер положения задней стенки ван­ ны при изменении угла наклона оси газовой струи (труб­ ки) показали, что средняя часть задней стенки ванны стремится занять определенное положение, почти пер­ пендикулярное к оси струп (рис. 11, в). Причем это справедливо в широком диапазоне угла наклона трубки.

Таким образом, меняя положение трубки, подводя­ щей газ, можно изменять положение задней стенки ван­ ны. Это заключение справедливо и для сварочной ван­ ны, когда, изменяя положение электрода, можно регули­ ровать положение ванны.

Б. И. Медовар [23], используя моделирование с мас­ ляной ванной, показал влияние угла наклона электрода на параметры сварного шва. В подтверждение этого был проведен следующий опыт. Посередине чугунной пласти­ ны размером 10X60X100 мм была прострогана У-образ- иая канавка глубиной 4 мм. Вдоль канавки па расстоя­ нии 20 мм друг от друга были просверлены отверстия диаметром 3 мм, в которые плотно вставлялись прутки нержавеющей хромоникелевой стали высотой 10 мм.

Затем канавка заваривалась стальными электродами: одна пластина — при наклоне электрода 60°, другая — 30° к горизонтальной поверхности. После заварки из пластин были сделаны продольные шлифы, на которых после травления очень хорошо заметно положение слоев нержавеющей стали: они имеют соответствующие на­ клоны, близкие к прямому углу по отношению к оси электродов, которыми производилась наплавка. Это про­ изошло потому, что при расплавлении металл прутков нержавеющей стали сдувался к задней стенке ванны и занимал положение, определяемое наклоном электрода.

Параметры кратера, образующегося при воздействии на жидкость струи газа, определяются давлением, ока­ зываемым газом на поверхность жидкости. При верти­ кальном расположении осп струи величина давления определяется уравнением (36). Наклон струи снижает давление па зеркало жидкости, что учитывается углом наклона (уравнение (44)). При этом общая величина давления не изменилась, а изменилось только направле­ ние действия сил. Для наклонной струп из треугольника сил (см. рис. 8) видно, что с увеличением угла наклона вертикальная составляющая силы снижается, а горизон­ тальная увеличивается. Это вызывает соответствующее уменьшение глубины проплавления и увеличение длины ванны, поскольку горизонтальная составляющая будет перемещать заднюю стенку ее. Изменение размеров ван­ ны будет определяться изменением соответствующих сил вертикальной и горизонтальной составляющих, что за­ висит от угла наклона струп газа. В таком случае соот­ ветствующие размеры ванны определяются по уравне­ ниям (39) и (42), но с учетом угла наклона:

Уравнение (40), определяющее диаметр кратера при вертикальной струе, можно применять и при наклонной струе. Однако в этом случае уравнение будет давать не длину ванны, а ширину ее, иными словами, это уравне­ ние пригодно и для определения ширины ванны (шири­ ны шва):

50

подкрашенных Капель в светлую воДу или светлых ка­ пель в подкрашенную ванну. В момент выбрасывания капли практически вся упавшая масса капли выходит из ванны, оставляя иногда лишь очень тонкий след на се поверхности в месте соприкасания.

Были произведены замеры глубины погружения па­ дающей капли и высоты последующего подъема воды для капель разлого размера (что определялось дпамег-

Рис. 13. Глубина погружения капли в воду Іі и высота подъема воды / для капель разного диаметра в зависимости от высоты падения капель Н

ром трубки, с торца которой отрывалась капля), а также капель, падающих с разной высоты. Результаты замеров приведены на рис. 13. Вследствие значительного колеба­ ния жидкости в момент взаимодействия капли и ванны наблюдаемые параметры было трудно измерять. Поэто­ му на рисунке указаны пределы измеряемых величии в виде площадей. При этом нижняя часть соответствующих площадей графиков больше относится к каплям меньше­ го диаметра, а верхняя — к каплям большего диаметра,

до 7—8 мм.

Анализ механического взаимодействия падающей капли и ванны позволяет перейти от модели к сварочной ванне. Эффект механического воздействия падающей

где М — масса капли; w — ее скорость.

52

Масса капли определяется размером трубки, на тор­ це которой образуется капля. Скорость, с которой капля подходит к поверхности ванны, падая с высоты Н, опре­ делим по уравнению свободного падения

Расчетные данные кинетической энергии для капель воды разной массы, падающих с различной высоты, при­ ведены в табл. 2.

Капли расплавляющегося стального прутка, падаю­ щие в сварочную ванну, также воздействуют на жидкий металл. Так как высота падения электродных капель, определяемая длиной дуги, невелика, то и скорость сво­ бодного падения капли не превышает 40 см/с. Однако электродная капля получает импульс при отрыве и увле­ кается попутным потоком плазмы столба дуги, омываю­ щим каплю с большой скоростью, и подвержена другим воздействиям сварочной дуги. Поэтому действительная скорость падения электродной капли намного больше скорости свободного падения. Как показало изучение кинокадров переходящих капель [7, 8], скорость их в за­ висимости от силы тока лежит в пределах от 120— 150 до 350—400 см/с. Естественно, что капли стали, движущие­ ся с такой скоростью, обладают большей кинетической энергией, чем соответствующие капли воды. Это видно из следующих расчетных данных (табл. 3).

При погружении в ванну падающая капля переме­ щает некоторый объем жидкости весом G па расстояние Л, совершая при этом работу

Исходя из закона постоянства энергии и пренебрегая неизбежными потерями, принимаем ЕК=А, т. е. вся ки­ нетическая энергия падающей капли (48) идет на рабо­ ту перемещения жидкости. Заменяя вес перемещаемой жидкости ванны произведением объема ее V и удельного веса у. получаем

Величину h, на которую перемещается жидкость ванны падающей каплей, можно принять за глубину погруже-

53