Автоматическая сварка, 2018, №12



2018 №12 (09)

DOI of Article 10.15407/as2018.12.10

2018 №12 (11)

---

Автоматическая сварка № 11-12, 2018, с. 103-117

Анодные процессы в сварочных дугах

И. В. Кривцун

ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины. 03150, г. Киев, ул. Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua

Описаны подходы к теоретическому исследованию и математические модели физических процессов, протекающих в анодном слое сильноточных (~ 10² А) электрических дуг, горящих в инертном газе атмосферного давления. Проведены численные исследования анодных процессов в электрических дугах с неиспаряющимся (водоохлаждаемым) анодом, а также в сварочных дугах (дугах с испаряющимся анодом). Показано, что анодное падение потенциала в рассматриваемых дугах является отрицательным, имеющим существенно неоднородное распределение в области анодной привязки дуги. Последнее обстоятельство во многом определяет картину протекания электрического тока и переноса энергии между дуговой плазмой и анодом (контрагирование дуги на аноде либо распределенный по поверхности анода разряд). С учетом указанного изменения анодного падения потенциала вдоль поверхности анода предложена методика расчета эффективного анодного падения в электрических дугах. Библиогр. 32, табл. 1, рис. 15.
Ключевые слова: сварочная дуга, дуговая плазма, столб дуги, анодный слой, анодное падение потенциала, тепловой поток в анод, испарение, математическое моделирование

Поступила в редакцию 10.09.2018
Подписано в печать 06.11.2018

Список литературы/References

1. Немчинский В. А., Перетц Л. Н. (1977) Прианодный слой сильноточной дуги высокого давления. ЖТФ, 47, 1868–1875.
2. Dinulescu H. A., Pfender E. (1980) Analysis of the anode boundary layer of high intensity arcs. of Appl. Phys., 51, 3149–315.
3. Дюжев Г. А., Немчинский В. А., Школьник С. М. и др. (1983) Анодные процессы в сильноточном дуговом разряде. Химия плазмы, 10, 169–209.
4. Nazarenko I. P., Panevin I. G. (1989) Analysis of the near-anode processes character in argon arc discharge of high pressure. Plasma Phys., 29, 251–261.
5. Nemchinsky V. A. (1994) Size and shape of the liquid droplet at the molten tip of an arc electrode. Phys. D: Appl. Phys., 27, 1433–1442.
6. Jenista J., Heberlein J. V. R., Pfender E. (1997) Numerical model of the anode region of high-current electric arcs. IEEE Trans. on Plasma Science, 25, 883–890.
7. Amakawa T., Jenista J., Heberlein J. et al. (1998) Anode-boundary-layer behavior in a transferred, high intensity arc. Phys. D: Appl. Phys., 31, 2826–2834.
8. Tanaka M., Ushio M., Wu C. S. (1999) One-dimensional analysis of the anode boundary layer in free-burning argon arcs. Ibid, 32, 605–611.
9. Murphy A. B.( 2010) The effects of metal vapour in arc welding. Ibid, 43, 434001 (31 pp).
10. Zhu P., Lowke J. J., Morrow R. et al. (1995) Prediction of anode temperatures of free burning arcs. Ibid, 28, 1369–1376.
11. Lowke J. J., Morrow R., Haidar J. (1997) A simplified unified theory of arcs and their electrodes. Ibid, 30, 2033–2042.
12. Fan H. G., Kovacevic R. (2004) A unified model of transport phenomena in gas metal arc welding including electrode, arc plasma and molten pool. Ibid, 37, 2531–2544.
13. Nishiyama H., Sawada T., Takana H. et al. (2006) Computational simulation of arc melting process with complex interactions. ISIJ International, 46, 705–711.
14. J., Tsai H. L. (2007) Heat and mass transfer in gas metal arc welding. Part I: The arc. Int. J. of Heat and Mass Transfer, 50, 833–846.
15. Masquere M., Freton P., Gonzalez J. J. (2007) Theoretical study in two dimensions of the energy transfer between an electric arc and an anode material. Phys. D: Appl. Phys., 40, 432–446.
16. Benilov M. S. (2008) Understanding and modelling plasma-electrode interaction in high-pressure arc discharges: a review. Ibid, 41, 144001 (30 pp).
17. Lancaster J. F. (1986) The physics of welding, 2nd Edition. Pergamon Press.
18. Sanders N. A., Pfender E. (1984) Measurement of anode falls and anode heat transfer in atmospheric pressure high intensity arcs. of Appl. Phys., 55, 714–722.
19. Tanaka M., Ushio M. (1999) Observations of the anode boundary layer in free-burning arcs. Phys. D: Appl. Phys., 32, 906–912.
20. Krivtsun I., Demchenko V., Lesnoi A. et al. (2010) Modelling of electromagnetic processes in system «welding arc evaporating anode»: Part 1 Model of anode region. Science and Technology of Welding and Joining, 10, 457–462.
21. Krivtsun I., Demchenko V., Krikent I. et al. (2015) Distributed and integrated characteristics of the near-anode plasma of the welding arc in TIG and Hybrid (TIG + CO₂ Laser) welding. Mathematical Modelling of Weld Phenomena 11 Techn. Universität Graz, Graz, Austria, pp. 837–874.
22. Semenov I. L., Krivtsun I. V., Reisgen U. (2016) Numerical study of the anode boundary layer in atmospheric pressure arc discharges. Phys. D: Appl. Phys., 49, 105204 (12 pp).
23. Almeida N. A., Benilov M. S., Naidis G. V. (2008) Unified modelling of near-cathode plasma layers in high-pressure arc discharges. Ibid, 41, 245201 (26 pp).
24. Zhdanov V. M. (2002) Transport processes in multicomponent plasma. London, Taylor&Francis.
25. Krivtsun I. V. (2001) Model of evaporation of metal in arc, laser and laser-arc welding. The Paton Welding Journal, 3, 2–9.
26. Бакшт Ф. Г., Дюжев Г. А., Митрофанов Н. К. и др. (1973) Зондовые измерения в низкотемпературной плотной плазме при высоких степенях ионизации. ЖТФ, 43, 12, 2574–2583.
27. Chen, F. (1967) Electrical probes. In: Plasma disgnostics. Ed. by R.Huddleston et al. Moscow, Mir, 94–164 [in Russian].
28. Griem H. R. (1962) High-density correction in plasma spectroscopy. Rev., 128, 997–1001.
29. Krivtsun I. V., Demchenko V. F., Krikent I. V. (2010) Model of the processes of heat, mass and charge transfer in the anode region and column of the welding arc with refractory cathode. The Paton Welding Journal, 6, 2–9.
30. Krikent I. V., Krivtsun I. V., Demchenko V. F. (2014) Simulation of electric arc with refractory cathode and evaporating anode. Ibid, 9, 17–24.
31. Demchenko V. F., Krivtsun I. V., Krikent I. V., et al. (2017) Force interaction of arc current with self magnetic field. Ibid, 3, 15–24.
32. Semenov O., Demchenko V., Krivtsun I. et al. (2012) A dynamic model of droplet formation in GMA welding. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 20, 045003 (14 pp).