Печать

2017 №08 (08) DOI of Article
10.15407/as2017.08.01 		2017 №08 (02)

Автоматическая сварка 2017 №08


Журнал «Автоматическая сварка», № 8, 2017, с. 3-14
 

Действующие значения электродинамических характеристик процесса сварки неплавящимся электродом с импульсной модуляцией тока дуги

В. Ф. Демченко, У. Бои, И. В. Кривцун, И. В. Шуба


ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины. 03680, г. Киев-150, ул. Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
 
Реферат
Статья посвящена анализу влияния импульсной модуляции сварочного тока на действующие (эффективные) значения электродинамических характеристик процесса сварки неплавящимся электродом. В первой части статьи анализируются возможности повышения действующего значения тока дуги за счет выбора оптимальных временных и токовых параметров импульсной модуляции. Рассматривается достаточно общий случай модуляции тока импульсами трапецеидальной формы (как частные случаи — прямоугольный и треугольный импульсы). Во второй части изучается распределение действующих значений электромагнитных и динамических характеристик модулированного тока в сварочной ванне, исходя из нестационарной модели дугового разряда и модели электромагнитных процессов в свариваемом металле. В качестве характерного примера рассматривается силовое воздействие модулированного тока на металл сварочной ванны при модуляции тока треугольными импульсами с паузами на частоте 10 кГц. Анализируется влияние динамических
эффектов в импульсной дуге на распределение в металле действующих значений электродинамических характеристик — центростремительной составляющей силы Лоренца и магнитного давления. Делается вывод о том, что при оптимальной форме импульсов тока динамические эффекты, возникающие в нестационарной дуге, способны существенно повысить его силовое воздействие на металл сварочной ванны при сварке неплавящимся электродом с высокочастотной модуляцией тока по сравнению со сваркой на постоянном токе, совпадающем по величине с действующим значением модулированного тока. Библиогр. 19, рис. 13.
 
Ключевые слова: сварка неплавящимся электродом, импульсная модуляция тока, электродинамические характеристики, действующие значения, металл сварочной ванны, математические модели
Поступила в редакцию 03.07.2017
Список литературы
  1. Leitner R. E., McElhinney G. H., Pruitt E. L.(1973) An investigation of pulsed GTA welding variables. Welding J., Res. Suppl., 9, 405–410.
  2. Omar A. A., Lundin C. D. (1979) Pulsed plasma – pulsed GTA arcs: A study of the process variables. Ibid, 4,97–105.
  3. Cook G.E., Eassa H. E.-D. E.H. (1985) The effect of highfrequency pulsing of a welding arc. IEEE Trans. Ind. Appl., 1A-21, 5, 1294–1299.
  4. Kolasa A., Matsunawa A., Arata Y. (1986) Dynamic characteristics of variable frequency pulsed TIG arc. Transaction of JWRI, 15, 2, 173–177.
  5. Saedi H. R., Unkel W. (1988) Arc and weld pool behavior for pulsed current GTAW. Welding J., Res. Suppl., 11, 247–255.
  6. Kim W. H., Na S. J. (1998) Heat and fluid flow in pulsed current GTA weld pool. Int. J. of Heat and Mass Transfer, 41, 21, 3213–3227.
  7. Wu C. S., Zheng W., Wu L. (1999) Modelling the transient behaviour of pulsed current tungsten-inert-gas weld pools. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., 7, 1, 15–23.
  8. Onuki J., Anazawa Y., Nihei M. et al. (2002) Development of a new high-frequency, high-peak current power source for high constricted arc formation. Jpn. J. Appl. Phys., 41, 5821–5826.
  9. Traidia A., Roger F., Guyot E. (2010) Optimal parameters for pulsed gas tungsten arc welding in partially and fully penetrated weld pools. Int. J. of Thermal Sciences, 49, 1197–1208.
  10. Traidia A., Roger F. (2011) Numerical and experimental study of arc and weld pool behaviour for pulsed current GTA welding. Int. J. of Heat and Mass Transfer, 54, 2163–2179.
  11. Qi B. J., Yang M. X., Cong B. Q. et al. ( 2013) The effect of arc behavior on weld geometry by high-frequency pulse GTAW process with 0Cr18Ni9Ti stainless steel. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 66, 1545–1553.
  12. Yang M., Yang Z., Cong B. et al. (2014) A study on the surface depression of the molten pool with pulsed welding. Welding J., Res. Suppl., 93, 8, 312–319.
  13. Сидорец В. Н., Кривцун И. В., Демченко В. Ф. и др. (2016) Расчетное и экспериментальное исследование статических и динамических вольт-амперных характеристик аргоновой дуги с тугоплавким катодом. Автоматическая сварка, 2, 7–13.
  14. Демченко В. Ф., Кривцун И. В., Крикент И. В. и др. (2017) Силовое взаимодействие тока дуги с собственным магнитным полем. Там же, 3, 20–29.
  15. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. (1982) Электродинамика сплошных сред. Т. VIII. Теоретическая физика. Москва, Наука.
  16. Кривцун И. В., Демченко В. Ф., Крикент И. В. (2010) Модель процессов тепло-, массо- и электропереноса в анодной области и столбе сварочной дуги с тугоплавким катодом. Автоматическая сварка, 6, 3–11.
  17. Кривцун И. В., Крикент И. В., Демченко В. Ф. (2013) Моделирование динамических характеристик импульсной дуги с тугоплавким катодом. Там же, 7, 14–25.
  18. Кривцун И. В., Крикент И. В., Демченко В. Ф. и др. (2015) Взаимодействие пучка излучения СО2-лазера с плазмой электричекой дуги при гибридной (лазер+ТИГ ) сварке. Т ам же, 3-4, 7–16.
  19. Соколов О. И., Г ладков Э. А. (1977) Динамические характеристики свободной и сжатой сварочных дуг постоянного тока с неплавящимся електродом. Сварочное производство, 4, 3–5.

Читати реферат українською
В. Ф. Демченко, У. Боі, І. В. Крівцун, І. В. Шуба
ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України. 03680, м. Київ-150, вул. Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
 
Діючі значення електродинамічних характеристик процесу зварювання неплавким електродом з імпульсною модуляцією струму дуги
 
Стаття присвячена аналізу впливу імпульсної модуляції зварювального струму на діючі (ефективні) значення електродинамічних характеристик процесу зварювання неплавким електродом. У першій частині статті аналізуються можливості підвищення діючого значення струму дуги за рахунок вибору оптимальних часових і струмових параметрів імпульсної модуляції. Розглядається досить загальний випадок модуляції струму імпульсами трапецеїдальної форми (як окремі випадки — прямокутний і трикутний імпульси). У другій частині вивчається розподіл діючих значень електромагнітних і динамічних характеристик модульованого струму в зварювальній ванні, виходячи з нестаціонарної моделі дугового розряду і моделі електромагнітних процесів в зварювальному металі. Як характерний приклад розглядається силовий вплив модульованого струму на метал зварювальної ванни при модуляції струму трикутними імпульсами з паузами на частоті 10 кГц. Аналізується вплив динамічних ефектів в імпульсній дузі на розподіл в металі діючих значень електродинамічних характеристик — доцентрової складової сили Лоренца та магнітного тиску. Робиться висновок про те, що при оптимальній формі імпульсів струму динамічні ефекти, що виникають в нестаціонарній дузі, здатні істотно підвищити його силовий вплив на метал зварювальної ванни при зварюванні неплавким електродом з високочастотною модуляцією струму в порівнянні зі зварюванням на постійному струмі, що збігається за величиною з діючим значенням модульованого струму. Бібліогр. 19, рис. 13.
 
Ключові слова: зварювання неплавким електродом, імпульсна модуляція струму, електродинамічні характеристики, діючі значення, метал зварювальної ванни, математичні моделі


Read abstract and references in English
V.F. Demchenko, U. Boi, I.V. Krivtsun, I.V. Shuba E.O. Paton Electric Welding Institute of NASU. 11 Kazimir Malevich str., 03680, Kiev. E-mail: office@paton.kiev.ua
 
EFFECTIVE VALUES OF ELECTRODYNAMIC CHARACTERISTICS OF THE PROCESS OF NONCONSUMABLE ELECTRODE WEDING WITH PULSE MODULATION OF ARC CURRENT
 
The paper is devoted to analysis of the influence of pulsed modulation of welding current on effective values of electrodynamic characteristics of the process of nonconsumable electrode welding. The first part of the paper provides analysis of the possibilities for increasing the effective value of arc current through selection of optimum time and current parameters of pulsed modulation. A quite general case of current modulation by pulses of trapezoidal shape is considered (rectangular and triangular pulses are treated as particular cases). In the second part distribution of effective values of electromagnetic and dynamic characteristics of modulated current in the weld pool is studied, proceeding from a nonstationary model of arc discharge and model of electromagnetic processes in the metal being welded. Force impact of modulated current on weld pool metal at current modulation by triangular pulses with pauses at 10 kHz frequency is considered as a characteristic example. Influence of dynamic effects in the pulsed arc on distribution of effective values of electromagnetic characteristics, namely centripetal component of Lorenz force and magnetic pressure, is analyzed. A conclusion is made that with optimum shape of current pulses dynamic effects arising in nonstationary arc are capable of essentially enhancing its force impact on weld pool metal in nonconsumable electrode welding with high-frequency current modulation, compared to welding by direct current coinciding in magnitude with effective value of modulated current. 19 References, 13 Figures.
 
Keywords: nonconsumable electrode welding, pulse current modulation, electrodynamic characteristics, effective value, weld pool metal, mathematical models
References
  1. Leitner, R.E., McElhinney, G.H., Pruitt, E.L. (1973) An investigation of pulsed GTA welding variables. Welding J., Res. Suppl., 9, 405-410.
  2. Omar, A.A., Lundin, C.D. (1979) Pulsed plasma-pulsed GTA arcs: A study of the process variables. Ibid, 4, 97-105.
  3. Cook, G.T., H.E.E.H. EASSA (1985) The effect of highfrequency pulsing of a welding arc. IEEE Trans. Ind. Appl., 1A-21, 5, 1294-1299.
  4. Kolasa, A., Matsunawa, A., Arata, Y. (1986) Dynamic characteristics of variable frequency pulsed TIG arc. Transact. of JWRI, 15(2), 173-177.
  5. Saedi, H.R.,Unkel, W. (1988) Arc and weld pool behavior for pulsed current GTAW. Welding J., Res. Suppl., 11, 247-255.
  6. Kim, W.H., Na, S.J. (1998) Heat and fluid flow in pulsed current GTA weld pool. Int. J. Heat and Mass Transfer, 41(21), 3213-3227.
  7. Wu, C.S., Zheng, W., Wu, L. (1999) Modelling the transient behaviour of pulsed current tungsten-inert-gas weld pools. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., 7(1), 15-23.
  8. Onuki, J., Anazawa, Y., Nihei, M. et al. (2002) Development of a new high-frequency, high-peak current power source for high constricted arc formation. Jpn. J. Appl. Phys., 41, 5821-5826.
  9. Traidia, A., Roger, F., Guyot, E. (2010) Optimal parameters for pulsed gas tungsten arc welding in partially and fully penetrated weld pools. Int. J. Therm. Sci., 49, 1197-1208.
  10. Traidia, A., Roger, F. (2011) Numerical and experimental study of arc and weld pool behaviour for pulsed current GTA welding. Int. J. Heat and Mass Transfer, 54, 2163-2179.
  11. Qi, B.J., Yang, M.X., Cong, B.Q. et al. (2013) The effect of arc behavior on weld geometry by high-frequency pulse GTAW process with 0Cr18Ni9Ti stainless steel. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 66, 1545-1553.
  12. Yang, M., Yang, Z., Cong, B. et al. (2014) A study on the surface depression of the molten pool with pulsed welding. Welding J., Res. Suppl., 93(8), 312-319.
  13. Sydorets, V.N., Krivtsun, I.V., Demchenko, V.F. et al. (2016) Calculation and experimental research of static and dynamic volt-ampere characteristics of argon arc with refractory cathode. The Paton Welding J., 2, 2-8.
  14. 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.
  15. Landau, L.D., Lifshits, E.M. (1982) Electrodynamics of continuums. Vol. 8. Teoreticheskaya Fizika, Moscow, Nauka.
  16. 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 J., 6, 2-9.
  17. Krivtsun, I.V., Krikent, I.V., Demchenko, V.F. (2013) Modelling of dynamic characteristics of a pulsed arc with refractory cathode. Ibid., 7, 13-23.
  18. Krivtsun, I.V., Krikent, I.V., Demchenko, V.F. 2015) Interaction of CO2-laser radiation beam with electric arc plasma in hybrid (laser + TIG) welding. Ibid., 3/4, 6-15.
  19. Sokolov, O.I., Gladkov, E.A. (1977) Dynamic characteristics of free and constricted alternating current welding arcs with non-consumable electrode. Svarochn. Proizvodstvo, 4, 3-5.