Теорія та практика стійкого формування швів при електронно-променевому зварюванні металів великої товщини

РАЗДЕЛ 2. Исследование устойчивости гидродинамических процессов в сварочной ванне при ЭЛС изделий большой толщины
2.1. Движение жидкого металла в сварочной ванне большой глубины
Как свидетельствуют многочисленные экспериментальные данные [3], гидродинамическая стабильность расплавленного металла в парогазовом канале крайне важна для нормального протекания сварочного процесса и получения качественных сварных швов. И напротив, колебания поверхности расплава, возникающие на фоне общего движения жидкого металла в сварочной ванне, могут приводить к неоднородности сварных соединений и образованию дефектов типа ложного канала, корневых дефектов и раковин. Роль подобных колебаний поверхности расплава в формировании сварных швов возрастает с увеличением толщины свариваемых металлов от 80 мм и выше [4].
Ввиду того, что с ростом глубины проплавления увеличивается объем расплавленного металла, участвующего в процессе массопереноса в сварочной ванне, влияние гидродинамических процессов на стабильность парогазовых каналов большой глубины возрастает по сравнению со случаем каналов малой и средней глубины. Поскольку различного рода турбулентности, возникающие при течении расплава по стенкам парогазового канала, негативно сказываются на его гидродинамической устойчивости (и, как следствие, на качестве сварного соединения в целом), для обеспечения максимальной стабильности сварочного процесса необходимо, чтобы движение расплава внутри канала было ламинарным. При этом, ввиду малости коэффициента кинематической вязкости расплавленного металла при высоких температурах (??10?3?10?2 см2/с), движение основной массы жидкого металла вдоль стенок парогазового канала можно рассматривать как бездиссипативное течение несжимаемой жидкости, считая вязкость отличной от нуля лишь в тонком слое на передней стенке канал, а также на задней стенке сварочной ванны.
Как известно из практики [4,16], парогазовый канал большой глубины представляет собой капилляр, поскольку его диаметр сравним с капиллярной постоянной вещества, определяемой согласно следующей формуле
,
(2.1)
где ? и ? - плотность и коэффициент поверхностного натяжения жидкого металла, g - ускорение силы тяжести. Так, например, капиллярные постоянные для расплавов железа и алюминия равны примерно aFe?0.58 см и aAl?0.86 см. В обоих случаях величина капиллярной постоянной превосходит характерный размер (диаметр) парогазового канала, образующегося при ЭЛС этих материалов большой толщины: a?d?0.5 см.
Поскольку капиллярная постоянная, имеющая размерность длины, характеризует соотношение между гравитационным и капиллярным эффектами, видим, что для парогазовых каналов большой глубины эти два эффекта одного порядка. Поэтому при анализе движения расплавленного металла в парогазовых каналах большой глубины пренебрегать влиянием капиллярных сил нельзя.
Хотя радиус парогазового канала большой глубины может несколько меняться по глубине канала, расплавленный металл внутри вертикального парогазового канала под действием капиллярных сил образует поверхность, которая в первом приближении может рассматриваться как близкая к цилиндрической на протяжении большей части глубины канала.
Поскольку диаметр d парогазового канала, как правило, много меньше его глубины H (d< Из гидродинамики известно также [213,214], что при обтекании потоком жидкости тел различной формы большое влияние на характер движения жидкости играет безразмерный параметр, именуемый числом Рейнольдса и определяемый как
Re,
(2.2)
где U - скорость набегающего потока жидкости, L - характерный размер обтекаемого тела, ? - кинематическая вязкость жидкости. Так, например, в случае длинного цилиндрического тела в качестве характерного размера L в формуле (2.2) выступает диаметр цилиндра d.
Известно также [214], что при малых числах Рейнольдса (Re<4) движение жидкости при обтекании цилиндрического тела является безвихревым, или потенциальным (Рис.2.1,a). При больших числах Рейнольдса (4 Согласно [214] можно утверждать, что для достаточно широкого диапазона значений чисел Рейнольдса (Re?1000) движение установившегося потока жидкости вокруг передней части не только цилиндрического, но и любого другого тела обтекаемой формы будет носить безвихревой характер.
Рис.2.1. Различные режимы обтекания потоком жидкости цилиндрического тела.
Проведем оценку числа Re для движения расплавленного металла вдоль стенок парогазового канала при ЭЛС металлов большой толщины. Так, например, при ЭЛС стальных изделий скорость сварки обычно составляет U=1?5 мм/с, а диаметр парогазового канала имеет величину порядка d?5 мм. Следовательно, в этом случае согласно (2.2) число Рейнольдса будет находиться в следующих пределах ReFe=(0.1?0.5)?0.5/10?2?5?25. Таким образом, поскольку для парогазовых каналов большой глубины число Рейнольдса попадает в приведенный выше интервал значений (4 В гидродинамике безвихревым называется такое течение жидкости, при котором выполняется следующее условие [214]
.
(2.3)
Здесь ? - оператор Набла, определяемый как
,
(2.4)
где x, y и z - единичные векторы, направленные соответственно вдоль соответствующих координат. Операция ротора в формуле (2.3) пред