Автоматическая сварка, 2019, №05



2019 №05 (05)

DOI of Article 10.15407/as2019.05.01

2019 №05 (02)

---

Журнал «Автоматическая сварка», № 5, 2019, с.6-17
 

Влияние тока и длины дуги на характеристики дугового разряда при сварке неплавящимся электродом

И.В. Кривцун, В.Ф. Демченко, И.В. Крикент, Д.В. Коваленко, И.В. Коваленко

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

Методом математического моделирования изучено влияние силы тока и длины аргоновой дуги атмосферного давления с тугоплавким (вольфрамовым) катодом на тепловые, электромагнитные и газодинамические характеристики дуговой плазмы, включая характеристики ее теплового, электрического и динамического (силового) воздействия на поверхность анода. Дан краткий обзор математических моделей, привлекаемых для этой цели. Температурные поля и картины протекания тока в столбе дуги иллюстрируются соответствующими изотермами и токовыми линиями. Для анализа силового воздействия тока дуги на плазму ее столба используются расчетные данные о распределении магнитного давления в дуговой плазме и соответствующей магнитной силе, действующей на плазму. Анализируются также особенности распределения полного давления и скорости движения плазмы в столбе дуги. Приведены расчетные данные о распределениях плотности электрического тока и теплового потока на поверхности водоохлаждаемого и испаряющегося анода, а также о распределении потенциала плазмы вдоль границы анодного слоя в зависимости от силы тока и длины дуги. Введены понятия эффективных значений анодного и катодного падений потенциала. Исходя из расчетной величины теплового потока в анод и экспериментальной ватт-амперной характеристики аргоновой дуги с тугоплавким катодом, получены данные о величине эффективного КПД такой дуги в диапазоне токов 50…300 А для дуг длиной 1,5; 2 и 3 мм. Установлена зависимость размеров токового канала и зоны теплового воздействия дуги на анод от тока и длины дуги. Библиогр. 26, рис. 22.
Ключевые слова: дуга с тугоплавким катодом, ток дуги, длина дуги, дуговая плазма, столб дуги, анодный слой, плотность тока на аноде, тепловой поток в анод, математическое моделирование
 
Поступила в редакцию 15.03.2019
Подписано в печать 04.04.2019

Список литературы

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.