Automatic Welding, 2015, №04



2015 №04 (11)

2015 №04 (02)

---

Автоматическая сварка, № 3-4, 2015, с. 7-16
 

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПУЧКА ИЗЛУЧЕНИЯ СО₂-ЛАЗЕРА С ПЛАЗМОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ПРИ ГИБРИДНОЙ (ЛАЗЕР + ТИГ) СВАРКЕ

И.В. Кривцун¹, И.В. Крикент¹, В.Ф. Демченко¹, У. Райсген², А.Ф. Забиров², О.А. Мокров²

¹ ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
² Ин-т сварки и соединения, Аахенский ун-т. Аахен, Pontstrasse 49, Германия. E-mail: reisgen@isf.rwth-aachen.de
 
Реферат
Предложена самосогласованная математическая модель процессов энерго-, массо- и электропереноса в плазме столба и анодной области электрической дуги с тугоплавким катодом, горящей в инертном газе, на которую воздействует сфокусированный пучок излучения CO2-лазера, распространяющийся вдоль столба дуги. Для математического описания процессов, протекающих в такой системе, используется однотемпературная модель дуговой плазмы, учитывающая дополнительный нагрев плазмы за счет поглощения лазерного излучения, а также ее многокомпонентность, связанную с испарением металла с поверхности анода. Проанализировано влияние мощности лазерного пучка и температуры поверхности анода на тепловые и электромагнитные характеристики столба и анодной области аргоновой дуги с тугоплавким катодом. Показано, что в результате дополнительного локального нагрева дуговой плазмы лазерным излучением ее температура в приосевой зоне столба дуги может возрастать на 5 000…10 000 K по сравнению с соответствующей дугой при ТИГ сварке. Это приводит к существенной перестройке пространственных распределений электрического потенциала и плотности электрического тока в прианодной зоне столба дуги, а также плотности теплового потока, вводимого дугой в анод, изменяя тем самым распределенные и интегральные характеристики ее теплового и динамического воздействия на свариваемый металл. Установлено, что в результате воздействия сфокусированного лазерного пучка на дуговую плазму возникает эффект контрагирования электрического тока в центре области анодной привязки дуги и соответствующего повышения плотности теплового потока, вводимого дугой в анод, при гибридной (СО₂-лазер + ТИГ) сварке. Это способствует увеличению доли вкладываемой в металл энергии, идущей на его плавление, а следовательно, повышению проплавляющей способности лазерно-дугового источника тепла. Показано, что испарение металла анода приводит к некоторому ослаблению эффекта контрагирования электрического тока в прианодной области дуги, находящейся под воздействием сфокусированного лазерного пучка. Исследовано влияние поглощения и рефракции лазерного излучения в дуговой плазме на характеристики взаимодействующего с ней лазерного пучка и его тепловое воздействие на поверхность свариваемого металла в условиях гибридной (СО₂-лазер + ТИГ) сварки. Показано, что поглощение лазерного пучка в дуговой плазме приводит к некоторому уменьшению мощности излучения, доходящей до поверхности анода, при этом размер пятна фокусировки пучка на указанной поверхности практически не изменяется, т.е. рефракция пучка в дуговой плазме оказывается малосущественной. Библиогр. 11, табл. 1, рис. 14.
 
Ключевые слова: гибридная (СО₂-лазер+ТИГ) сварка, электрическая дуга, тугоплавкий катод, столб дуги, анодная область, испаряющийся анод, дуговая плазма, лазерный пучок, моделирование
 
Поступила в редакцию 19.01.2015
Подписано в печать 08.04.2015
 
1. Seyffarth P., Krivtsun I. V. Laser-arc processes and their applications in welding and material treatment. – London: Taylor and Francis Books, 2002. – Vol. 1. – 200 p. – (Welding and Allied Processes).
2. Dilthey U. Laser arc hybrid welding – an оverview // Arc welding processes and production systems. – (Intern. Inst. of Welding; Doc. XII–1710). – Copenhagen, 2002. – Р. 243 – 248.
3. Крикент И. В., Кривцун И. В., Демченко В. Ф. Моделирование процессов тепло-, массо- и электропереноса в столбе и анодной области дуги с тугоплавким катодом // Автомат. сварка. – 2012. – № 3. – С. 7–11.
4. Крикент И. В., Кривцун И. В., Демченко В. Ф. Моделирование электрической дуги с тугоплавким катодом и испаряющимся анодом // Там же. – 2014. – № 9. – С. 19–26.
5. Boulos M. I., Fauchais P., Pfender E. Thermal plasmas: Fundamentals and applications. – New York, London: Plenum рress, 1997. – Vol. 1. – 454 p.
6. On the application of the theory of Lorentzian plasma to calculation of transport properties of multicomponent arc plasmas / I. V. Krivtsun, P. Porytsky, V. Demchenko et al. // Eur. Phys. J. D. – 2010. – 57. – P. 77–85.
7. Investigation of cathode spot behaviour of atmospheric argon arcs by mathematical modeling / J. Wendelstorf, G. Simon, I. Decker, et al. // Proc. of the 12th Int. conf. on gas discharges and their applications, Germany, Greifswald, 1997. – Vol. 1. – P. 62–65.
8. Кривцун И. В., Демченко В. Ф., Крикент И. В. Модель процессов тепло-, массо- и электропереноса в анодной области и столбе сварочной дуги с тугоплавким катодом // Автомат. сварка. – 2010. – № 6. – С. 3–11.
9. Ляшко И. И., Демченко В. Ф., Вакуленко С. А. Вариант метода расщепления уравнений динамики вязкой несжимаемой жидкости на лагранжево-эйлеровых сетках // Докл. АН УССР. Сер. А. – 1981. – № 7. – С. 43–47.
10. Демченко В. Ф., Лесной А. Б. Лагранжево-эйлеровый метод численного решения многомерных задач конвективной диффузии // Доп. НАНУ. – 2000. – № 11. – С. 71–75.
11. Gladush G.G., Smurov I. Physics of laser materials processing: Theory and Experiment. – Berlin Heidelberg: Springer-Verl., 2011. – 534 p.