2019 №05 (05)

DOI of Article 10.15407/as2019.05.01

2019 №05 (02)

---

«Автоматичне зварювання», № 5, 2019, с.6-17
 

Вплив струму та довжини дуги на характеристики дугового розряду при зварюванні неплавким електродом

І.В. Крівцун, В.Ф. Демченко, І.В. Крикент, Д.В. Коваленко, І.В. Коваленко

ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України. 03150, м. Київ, вул. Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua

Методом математичного моделювання вивчено вплив сили струму та довжини аргонової дуги атмосферного тиску з тугоплавким (вольфрамовим) катодом на теплові, електромагнітні та газодинамічні характеристики дугової плазми, включаючи характеристики її теплового, електричного і динамічного (силового) впливу на поверхню анода. Приведено короткий огляд математичних моделей, що залучаються для цієї мети. Температурні поля і картини протікання струму в стовпі дуги ілюструються відповідними изотермами та струмовими лініями. Для аналізу силового впливу струму дуги на плазму її стовпа використовуються розрахункові дані про розподіл магнітного тиску в дуговій плазмі і відповідної магнітної сили, що діє на плазму. Аналізуються також особливості розподілу повного тиску і швидкості руху плазми в стовпі дуги. Наведено розрахункові дані про розподіли щільності електричного струму і теплового потоку на поверхні водоохолоджуваного аноду та аноду, що випарюється, а також про розподіл потенціалу плазми уздовж кордону анодного шару в залежності від сили струму і довжини дуги. Введено поняття ефективних значень анодного і катодного падінь потенціалу. Виходячи з розрахункової величини теплового потоку в анод і експериментальної ват-амперної характеристики аргонової дуги з тугоплавким катодом, отримані дані про величину ефективного ККД такої дуги в діапазоні струмів 50 ... 300 А для дуг довжиною 1,5; 2 і 3 мм. Встановлено залежність розмірів струмового каналу і зони теплового впливу дуги на анод від струму і довжини дуги. Бібліогр. 26, рис. 22.
Ключові слова: дуга з тугоплавким катодом, ток дуги, довжина дуги, дугова плазма, стовп дуги, анодний шар, щільність струму на аноді, тепловий потік в анод, математичне моделювання
 
Надійшла до редакції 15.03.2019
Підписано до друку 04.04.2019
 

Список літератури

1. Hsu K.C., Etemadi K., Pfender E. (1983) Study of the free-burning high-intensity argon arc. J. of Appl. Phys., 54, 3, 1293–1301.
2. Hsu K.C., Pfender E. (1983) Two-temperature modeling of the free-burning high-intensity arc. Ibid, 54, 8, 4359–4366.
3. Lowke J.J., Morrow R., Haidar J. (1997) A simplified unified theory of arcs and their electrodes. J. Phys. D: Appl. Phys., 30, 2033–2042.
4. Haidar J. (1999) Non-equilibrium modeling of transferred arcs. Ibid, 32, 263–272.
5. Sansonnets L., Haidar J., Lowke J.J. (2000) Prediction of properties of free burning arcs including effects of ambipolar diffusion. Ibid, 33, 148–157.
6. 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. Ibid, 40, 432–446.
7. Tanaka M., Yamamoto K., Tashiro S. et al. (2008) Metal vapour behaviour in gas tungsten arc thermal plasma during welding. Welding in the World, 52, 11/12, 82–88.
8. Dinulescu H.A., Pfender E. (1980) Analysis of the anode boundary layer of high intensity arcs. J. of Appl. Phys, 51, 3149–3157.
9. Дюжев Г.А., Немчинский В.А., Школьник С.М. и др. (1983) Анодные процессы в сильноточном дуговом разряде. Химия плазмы, 10, 169–209.
10. Nazarenko I.P., Panevin I.G. (1989) Analysis of the near-anode processes character in argon arc discharge of high pressure. Contrib. Plasma Phys., 29, 251–261.
11. 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.
12. Amakawa T., Jenista J., Heberlein J. et al. (1998) Anode-boundary-layer behavior in a transferred, high intensity arc. J. Phys. D: Appl. Phys., 31, 2826–2834.
13. 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.
14. 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.
15. Krikent I.V., Krivtsun I.V., Demchenko V.F. (2014) Simulation of electric arc with refractory cathode and evaporating anode. Ibid, 9, 17–24.
16. 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.
17. Yushchenko K.A., Kovalenko D.V., Krivtsun I.V. et al. (2009) Experimental studies and mathematical modelling of penetration in TIG and A-TIG stationary arc welding of stainless steel. Welding in the World, 53, 9/10, 253–263.
18. Krivtsun I.V., Krikent I.V., Demchenko V.F. et al. (2015) Interaction of CO2-laser beam with electric arc plasma in hybrid (laser-arc) welding. The Paton Welding Journal, 3-4, 6–15.
19. Yushchenko K.A., Kovalenko D.V., Kovalenko I.V. (2005) Peculiarities of A-TIG welding of stainless steel. Proc. of the 7th International Conference on Trends in Welding Research – Pine Mountain, Georgia, USA, pp. 367–376.
20. 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.
21. Tanaka M., Ushio M. (1999) Observations of the anode boundary layer in free-burning arcs. J. Phys. D: Appl. Phys., 32, 906–912.
22. Sanders N.A., Pfender E. (1984) Measurement of anode falls and anode heat transfer in atmospheric pressure high intensity arcs. J. of Appl. Phys., 55, 714–722.
23. 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 Journal, 2, 2–8.
24. Lancaster J.F. (1986) The physics of welding, 2nd Ed. Pergamon Press.
25. Uhrlandt D., Baeva M., Kozakov, R. et al. (2013) Cathode fall voltage of TIG arcs from a non-equilibrium arc model. IIW Essen, 2013, Group 212 – Physics of Welding.
26. Nestor O.H. (1962) Heat intensity and current density distributions at the anode of high current, inert gas arcs. J. of Appl. Phys., 33, 5, 1638–1648.