Автоматическая сварка, 2014, №10



2014 №10 (10)

2014 №10 (02)

---

Журнал «Автоматическая сварка» № 10/2014, с. 3-12

 

МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ И ПЕРЕНОСА КАПЕЛЬ ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ (Обзор)

А. П. СЕМЕНОВ

ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
 
Реферат
Процессы нагрева и плавления сварочной проволоки, формирования и переноса капель электродного металла при сварке плавящимся электродом во многом определяют производительность и качество сварки. В свою очередь характер плавления и переноса металла при данном способе сварки определяется большим количеством таких физических явлений, как например, тепло- и массоперенос, газо(гидро)динамика, электромагнитные процессы, протекающих в дуговой плазме, на поверхности и в объеме расплавленного металла электрода-капли. В настоящей работе проведен обзор существующих методов теоретического исследования и математического моделирования указанных процессов, позволяющих прогнозировать такие характеристики переноса электродного металла, как объем и форма капель, их тепловое и гидродинамическое состояние, частоту отрыва и др. Проанализированы преимущества и недостатки рассмотренных моделей, а также сформулированы основные направления их дальнейшего развития. Библиогр. 37, табл. 1, рис. 11.
 
Ключевые слова: сварка плавящимся электродом, математическое моделирование, формирование капли электродного металла
 
Поступила в редакцию 04.06.2014
Подписано в печать 25.09.2014
 
1. Amson J. C., Salter G. R. An analysis of the gas-shielded consumable metal arc welding system // Brit. Welding J. – 1962. – 41, № 4. – P. 232–249.
2. Greene W. J. An analysis of transfer in gas-shielded welding arcs. Pt 2 // AIEE. – 1960. – 79, № 3. – P. 194–203.
3. Waszink J. H., Graat L. H. Experimental investigation of the forces acting on a drop of weld metal // Welding J. – 1983. – 62, № 4. – P. 109–116.
4. Allum C. J. Metal transfer in arc welding as a varicose instability. I. Varicose instabilities in a current-carrying liquid cylinder with surface charge // J. Phys. D: Appl. Phys. – 1985. – 18, № 7. – P. 1431.
5. Allum C. J. Metal transfer in arc welding as a varicose instability. II. Development of model for arc welding // Ibid. – 1985. – 18, №. 7. – P. 1447.
6. Park A. Y., Kim S. R., Hammad M. A. Modification of pinch instability theory for analysis of spray mode in GMAW // Ibid. – 2009. – 42, № 22. – С. 225503.
7. Choi J. H., Lee J., Yoo C. D. Dynamic force balance model for metal transfer analysis in arc welding // Ibid. – 2001. – 34, № 17. – P. 2658–2664.
8. Jones L. A., Eagar T. W., Lang J. H. A dynamic model of drops detaching from a gas metal arc welding electrode // Ibid. – 1998. – 31, № 1. – P. 107–123.
9. Воропай Н. М., Колесниченко А. Ф. Моделирование формы капель электродного металла при сварке в защитных газах // Автомат. сварка. – 1979. – № 9. – С. 27–32.
10. Nemchinsky V. A. Size and shape of the liquid droplet at the molten tip of an arc electrode // J. Phys. D: Appl. Phys. – 1994. – 27, № 7. – P. 1433–1442.
11. Моделирование процесса формирования капли электродного металла / А. Семенов, В. Демченко, И. Кривцун и др. // Сб. трудов V Междунар. конф. «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах», 25–28 мая 2010, Кацивели, Крым, Украина / Под ред. В. И. Махненко. – Киев: ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины, 2010. – С. 183–192.
12. A dynamic model of droplet formation in GMA welding / O. Semenov, V. Demchenko, I. Krivtsun et al. // Modelling and simulation in materials science and engineering. – 2012. – 20, № 4. – P. 045003.
13. Крівцун І. В., Семенов О. П., Демченко В. Ф. До теорії формування крапель електродного металу при дуговому зварюванні плавким електродом // Доп. НАНУ. – 2011. – №. 6. – С. 90–96.
14. Modelling of the droplet formation proсess in GMA welding / O. Semenov, V. Demchenko, I. Krivtsun et al. // Proc. of the 10th Intern. seminar «Numerical analysis of weldability», Austria, Seggau, 2012. – P. 83–94.
15. Haidar J., Lowke J. J. Predictions of metal droplet formation in arc welding // J. Phys. D: Appl. Phys. – 1996. – 29, № 12. – P. 2951–2960.
16. Choi S. K., Yoo C. D., Kim Y. S. Dynamic simulation of metal transfer in GMAW. Pt 1: Globular and spray transfer modes // Welding J. – 1998. – 77, № 1. – P. 38–44.
17. Choi S. K., Yoo C. D., Kim Y. S. Dynamic simulation of metal transfer in GMAW. Pt 2: Short-circuit transer mode // Ibid. – 1998. – 77, № 1. – P. 45–51.
18. Fan H. G., Kovacevic R. A unified model of transport phenomena in gas metal arc welding including electrode, arc plasma and molten pool // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2004. – 37. – P. 2531–2544.
19. Wang F., Hou W. K., Hu S. J. Modelling and analysis of metal transfer in gas metal arc welding // Ibid. – 2003. – 36. – P. 1143–1152.
20. Hu J., Tsai H. L. Heat and mass transfer in gas metal arc welding. Pt I: The metal // Intern. J. Heat and Mass Transfer. – 2007. – 50. – P. 808–820.
21. Amson J. C. Lorentz force in the molten tip of an arc electrode // Brit. J. Appl. Phys. – 1965. – 16, № 8. – P. 1169–1179.
22. Kim Y. S., Eagar T. W. Analysis of metal transfer in gas metal arc welding // Welding J. – 1993. – 72. – P. 269–278.
23. Финн Р. Равновесные капиллярные поверхности: математическая теория. – М.: Мир, 1989. – 310 с.
24. Hartland S., Hartley R. W. Axisymmetric fluid-liquid interfaces: tables giving the shape of sessile and pendant drops and external menisci, with examples of their use. – Elsevier Sci. publ. Co., 1976. – 782 p.
25. Rhee S., Kannatey-Asibu E. Observation of metal transfer during gas metal arc welding // Welding J. – 1992. – 71. – P. 381–386.
26. Eggers J., Dupont T. F. Drop formation in a one-dimensional approximation of the Navier–Stokes equation // J. Fluid Mech. – 1994. – 262. – P. 205–221.
27. Nemchinsky V. A. Heat transfer in a liquid droplet hanging at the tip of an electrode during arc welding // J. Phys. D: Appl. Phys. – 1997. – 30, № 7. – P. 1120–1124.
28. Evaporation phenomena of magnesium from droplet at welding wire tip in pulsed MIG arc welding of aluminium alloys / J. B. Wang, H. Nishimura, S. Katayma, M. Mizutani // Sci. and Technol. of Welding and Joining. – 2011. – 16, № 5. – P. 418–425.
29. Kou S., Sun D. K. Fluid flow and weld penetration in stationary arc welds // Metall. Trans A. – 1985. – 16. – P. 203–13.
30. Hirt C. W., Nichols B. D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries // J. Comp. Phys. – 1981. – 39, № 1. – P. 201–225.
31. Brackbill J. U., Kothe D. B., Zemach C. A continuum method for modeling surface tension // Ibid. – 1992. – 100, № 2. – P. 335–354.
32. Nichols B. D., Hirt C. W., Hotchkiss R. S. SOLA-VOF. A solution algorithm for transient fluid flow with multiple free boundaries // NASA STI/Recon Technical Report. – 1980. – N 81. – 14281.
33. Wilkes E. D., Philips S. D., Basaran O. A. Computational and experimental analysis of dynamics of drop formation // Phys. of Fluids. – 1999. – 11, № 12. – P. 3577–3598.
34. Degroote J., Bruggeman P., Vierendeels J. A coupling algorithm for partitioned solvers applied to bubble and droplet dynamics // Computers & Fluids. – 2009. – 38, № 3. – P. 613–624.
35. Nemchinsky V. A droplet in the inter-electrode gap during gas metal arc welding // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2011. – 44, № 44. –P. 445203.
36. Spatial structure of the arc in a pulsed GMAW process / R. Kozakov, G. Gott, H. Schopp et al. // Ibid. – 2013. – 46, № 22. – P. 224001.
37. Energy balance in MIG arcs / M. Schnick, M. Hertel, U. Fuessel, D. Uhrlandt // Ibid. – 2013. – 46, № 22. – P. 224002.