VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Для полной оценки влияния углекислого газа и аргона на физические процессы в сварочной дуге необходимо знать температурные зависимости термодинамических свойств и коэффициентов переноса этих газов.

В работе [1] проведен комплексный анализ известных теоретических данных о температурных зависимостях плотности , удельной теплоемкости с_р при постоянном давлении, энтальпии h, вязкости , теплопроводности , электропроводности  и излучательной способности  углекислого газа.

На рисунке 1 представлена зависимость плотности углекислого газа от температуры, построенная по результатам работ [2-4]. Для сравнения приводится также температурная зависимость  для аргона, заимствованная из работы [5]. При значения плотности СО₂ и аргона мало отличаются и подчиняются закону идеального газа. Отличия при более высоких температурах связаны с окончанием процесса диссоциации СО₂ и началом процессов ионизации.

На рисунке 2 представлена температурная зависимость удельной теплоемкости при постоянном давлении углекислого газа [2] и аргона [5]. Ход кривой с_р(Т) углекислого газа отмечен пиками, соответствующими затратам энергии вначале на диссоциацию СО₂, затем СО и далее – на однократную и двукратную ионизацию компонентов.

В основу зависимости (Т) (рис. 3) положены данные работы [6]. Как видно из рисунка вязкость СО₂ меньше вязкости аргона при и значительно больше – при . В связи с этим в СО₂ должны быть более интенсивными процессы перераспределения импульса вязким трением по сечению дуги, что существенно сказывается на радиальных распределениях скорости плазмы.

Рис. 1. Зависимость плотности углекислого газа и аргона от температуры	Рис. 2. Зависимость удельной теплоемкости углекислого газа и аргона при постоянном давлении от температуры

На рисунке 4 приведены температурные зависимости теплопроводности плазмы углекислого газа [6] и аргона [7]. Сложная форма кривой (Т) для СО₂ объясняется тем, что полная теплопроводность плазмы является суммой контактных теплопроводностей компонентов плазмы и диффузной теплопроводности, обусловленной переносом энергии диссоциации и ионизации в процессах диффузии составляющих плазмы из зоны высоких температур в низкотемпературную область, в которой происходит их ассоциации и рекомбинация.

Рис. 3. Зависимость вязкости углекислого газа и аргона от температуры	Рис. 4. Зависимость теплопроводности углекислого газа и аргона от температуры

Результаты расчета, проведенные в работе [1], показывают, что джоулев нагрев столба дуги в углекислом газе более интенсивен, чем в аргоне, и сосредоточен в меньшей области. Малые поперечные размеры области тепловыделения в СО₂ и, соответственно высокая напряженность электрического поля обусловлены более высокими значениями теплопроводности и теплоемкости углекислого газа. Изменение знака радиального потока тепла за счет теплопроводности q_ и радиального конвективного потока тепла q_v в СО₂ происходят на меньших расстояниях от оси, чем в аргоне. По этой же причине абсолютные значения локальных потерь энергии излучением q_ в Ar и СО₂ почти одинаковы, несмотря на то, что излучательная способность СО₂ выше, чем аргона. Радиальное охлаждение для дуги в СО₂ из-за малости отношения q_/q_ играет менее заметную роль, чем в аргоне. Разность энергии q_-q_ перераспределяется по объему дуги теплопроводностью q_, аксиальными q_u и радиальными q_v конвективными потоками тепла, вызванными течением плазмы [8].

Как видно, из рисунка 5, энергия из области максимального тепловыделения выносится на периферию дуги в первую очередь теплопроводностью q_. Таким образом, благодаря теплопроводности охлаждается центральная область дуги и нагревается периферийная область. Основная доля выделившегося в рассматриваемом сечении дуги тепла выносится аксиальным потоком q_u по направлению к изделию. Часть этой энергии затрачивается на нагрев газа в приосевых зонах дуги. На периферии имеют место конкурирующие процессы передачи энергии теплопроводностью и возврата энергии радиальным конвективным потоком q_v.

Рис. 5. Радиальные распределения локальных потоков энергии для дуги в СО2: 1 - q, K; 2 - q, K; 3 – qv, Kv; 4 - q; 5 – qu, Ku.

Механизм перераспределения тепла дуги в углекислом газе и в аргоне качественно одинаков, но относительная роль отдельных процессов различна. Так, в приосевой зоне дуги в СО₂ преобладающее значение имеет процесс переноса тепла теплопроводностью, а в дуге аргона он менее интенсивен, и его вклад сопоставим с процессом радиационного охлаждения. При этом нагрев периферии дуги в СО₂ за счет теплопроводности заметно повышает потери энергии через радиальный конвективный поток q_v, что делает дугу в СО₂ более контрагированным источником нагрева.

В принятой схеме единственной причиной ускорения газа являются собственные электромагнитные силы. Поскольку дуга в СО₂ более сжата, все процессы в ней значительно интенсивнее, чем в аргоне.

В целом, из-за своих меньших поперечных размеров дуга в СО₂ является более концентрированным источником энергии, чем дуга в аргоне, и оказывает силовое воздействие на изделие в более узкой области.

Устранить эти недостатки возможно, если избегать использование режимов, где происходит повышенное разбрызгивание. Однако, в этом случае сварку проводят или на малых токах, что снижает эффективность использования дуговой сварки, или на больших токах (более 400А), что может привести к перегреву основного металла, прожогам и увеличению зон термического влияния.

Также для уменьшения разбрызгивания и улучшения формирования сварного шва возможно воздействовать на теплофизические свойства газа. Например, применяя смесь углекислого газа с аргоном [10]. Уменьшение теплопроводности приведет к расширению столба дуги и изменению комплекса сил, действующих в столбе дуги. В работах [11-13] проведены исследования процесса с импульсной подачей защитного газа или чередования углекислого газа и аргона. Также такое воздействие не позволяет активно воздействовать на механизм переноса электродного металла.

Методика проведения эксперимента.

Исследование влияния состава защитной газовой среды выполняли путем наплавки слоя на поверхность трубы Ø 159 мм и толщиной 8 мм из стали 20 сварочной проволокой Св-08Г2С-0 Ø1,2 в стенде для сварки кольцевых швов и наплавки на базе сварочного полуавтомата ESAB Mig 500 tw. Подающий механизм полуавтомата имеет цифровую индикацию значений тока и напряжения. Режимы наплавки во всех случаях оставались неизменными. Длительность процесса составляла 12,0 мин. Расход защитной газовой смеси и углекислого газа, установленный редуктором TIGEX1 с поплавковым ротаметром, составлял 12,0 л/мин. В качестве защитной газовой среды использовали углекислый газ и газовые смеси аргона с углекислым газом в соотношениях 91:9; 80:20; 60:40; 40:60; 20:80, соответственно. Массу сварочной проволоки и массу наплавляемой трубы до и после наплавки определяли на электронных весах, обеспечивающих точность до 0,01 г.

Результаты эксперимента и их обсуждение.

Полученные экспериментальные и расчетные данные сведены в таблицу.

Показатели	Состав защитной газовой среды
	Соотношение газов по объему, % Ar СО2
	0/100	20/80	40/60	60/40	80/20	91/9
Масса сварочной проволоки (г), 12,0 мин расплавленной в течении: в пересчете на 1 час	798,9 3995	803,3 4017	822,4 4112	847,6 4238	866,8 4334	870,3 4352
Масса наплавленного металла (г), 12,0 мин в течение: в пересчете на 1 час	761,2 3806	775,8 3879	797,4 3987	826,2 4131	846,0 4230	850,0 4250
Коэффициент потерь электродного металла, %	4,72	3,42	3,04	2,52	2,40	2,33
Коэффициент расплавления, г/А ч	13,31	13,39	13,70	14,12	14,44	14,50
Коэффициент наплавки, г/А ч	12,68	12,93	13,29	13,77	14,10	14,17

На основе полученных данных построены графики зависимости коэффициентов расплавления, наплавки и потерь электродного металла (рис.1) и производительности процесса сварки (рис.2) от состава защитной газовой среды.

Рис. 1. Зависимость коэффициентов расплавления, наплавки и потерь электродного металла от состава защитной газовой среды. Сварочная проволока Св-08Г2С-0 Ø1,2; режимы сварки: Iсв=300А; Uд=31,5В; h=16мм

Рис. 2. Зависимость производительности процесса сварки по массе наплавленного металла от состава защитной газовой среды. Сварочная проволока Св-08Г2С-0 Ø1,2; режимы сварки: Iсв=300А; Uд=31,5В; h=16мм

Увеличение доли аргона до 80% в защитной газовой смеси приводит к снижению потерь электродного металла практически в 2 раза. Содержание аргона в смеси свыше 80% не оказывает большого влияния на этот показатель. Увеличение доли аргона в защитной газовой смеси сопровождается примерно равномерным ростом коэффициентов расплавления и наплавки, а также производительности процесса. При содержании аргона в смеси более 80% темпы роста этих показателей снижаются.

Список литературы.

1. Мечев В.С., Валеева А.А., Жайнаков А.Ж. и др. Теплофизические свойства углекислого газа и их влияние на процессы в сварочной дуге. // Автоматическая сварка. – 1982. №4. – С.30-34.

2. Авдуевский В.С., Глебов Г.А., Кошкин В.К. Расчет термодинамических и переносных свойств углекислого газа. // Теплофизика высоких температур. – 1973. №1. – С.51-58.

3. Raumond J.Z. Thermodynamic properties of carbon dioxide to 24000 K. – J.Chem. and Eng. Data. - 1962. 7, №2. - p.190-195.

4. Калиткин Н.Н., Кузьмина Л.В., Рогов В.С. Таблицы термодинамических функций и транспортных коэффициентов плазмы. – М.: Наука. - 1972. – 112с.

5. Drellischak K.S. Partition functions and thermodynamics properties of high temperature gases. – Arnold Eng.Develop. Centre Tech. Doc., 1964, № 10, Rep.-64-24. - p.148.

6. Thomas M. Transport properties of high temperature gases. – In: ARS IV biennial gas dynamics symp. Magnechydrodynam., 1961. - p.89-107.

7. Devoto R.S. Transport coefficients of ionized argon. – Phys. Fluids, 1973, 16, № 5. - p.616-623.

8. Мечев В.С., Жайнаков А.Ж., Слободянюк В.С. и др. Потоки плазмы в сварочных дугах // Автоматическая сварка. – 1981. №12. - С.13-16,24.

9. Потапьевский А.Г. Сварка в защитных газах плавящимся электродом. – М.: Машиностроение, 1974. – 240с.

10. Свецинский В.Г., Римский С.Т., Галинич В.И. Сварка сталей в защитных газовых смесях на основе аргона в промышленности Украины // Автоматическая сварка. – 1994. №4. – С.41-44.

11. Новиков О.М., Гудков А.В., Островский О.Е., Щербаков О.Б. Дуговая сварка с импульсной подачей газов // Сварочное производство. – 1992. №10. – С.9-10.

12. Островский О.Е., Новиков О.М. Новый метод дуговой сварки с импульсной подачей защитных газов // Сварочное производство. – 1994. №11. – С.10-12.

13. Шейко П.П., Жерносеков А.М., Шевчук С.А. Технологические особенности сварки плавящимся электродом низколегированных сталей с чередующейся подачей защитных газов // Автоматическая сварка. – 1997. №8. – С.32-36.

Код для цитирования: Скопировать