Автоматичне зварювання, 2023, №08



2023 №08 (08)

DOI of Article 10.37434/as2023.08.01

2023 №08 (02)

---

Журнал «Автоматичне зварювання», № 8, 2023, с. 3-8

Вплив прогину поверхні зварювальної ванни на умови горіння дуги з тугоплавким катодом

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

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

Описано результати математичного моделювання аргонової дуги з тугоплавким катодом за наявності деформованої поверхні зварювальної ванни (анода дуги). Вважається, що на поверхні анода існує заглиблення (лунка), форма і розміри якого є заданими; дугова плазма має осьову симетрію і знаходиться у стаціонарному стані; випаровуванням металу з поверхні анода нехтується. Стисло описано математичну модель процесів перенесення енергії, імпульсу, маси і заряду в плазмі стовпа та анодної області дуги. Проведено чисельне дослідження теплових, електромагнітних і газодинамічних процесів у стовпі дуги з викривленою поверхнею анода, а також умов електричної, теплової та силової взаємодії дуги з анодною поверхнею залежно від глибини лунки. Результати обчислювальних експериментів ілюструються полями ізотерм, ізобар і струмових ліній в дузі з викривленою поверхнею анода, які порівнюються з аналогічними полями у випадку анода з плоскою поверхнею. Описано методику розрахунку нормальних компонентів векторів щільності електричного струму та питомого теплового потоку в анод, що має викривлену поверхню, а також наведено результати розрахунку радіальних розподілів цих характеристик залежно від глибини лунки на поверхні анода. Ці результати доповнюються чисельними дослідженнями впливу глибини лунки на розподіл тиску дуги на поверхні анода. Зроблено висновок, що прогин поверхні зварювальної ванни в умовах ТІГ зварювання може істотно змінювати умови електричної та теплової взаємодії дуги зі зварюваним металом, а саме впливати на теплові та гідродинамічні процеси у рідкому металі, які визначають проплавляючу здатність дуги з тугоплавким катодом. Бібліогр. 29, рис. 8.
Ключові слова: ТІГ зварювання, стовп дуги, анодна область, поверхня зварювальної ванни, анод, щільність електричного струму, питомий тепловий потік в анод, математичне моделювання


Надійшла до редакції 24.06.2023

Список літератури

1. Nestor, O.H. (1962) Heat intensity and current density distributions at the anode of high current, inert gas arcs. J. Appl. Phys., 33(5), 1638–1648. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1728803
2. Dinulescu, H.A., Pfender, E. (1980) Analysis of the anode boundary layer of high intensity arcs. J. Appl. Phys., 51(6), 3149–3157. DOI: https://doi.org/10.1063/1.328063
3. Hsu, K.C., Etemadi, K., Pfender, E. (1983) Study of the free-burning high-intensity argon arc. J. Appl. Phys., 54(3), 1293–1301. DOI: https://doi.org/10.1063/1.332195
4. Hsu, K.C., Pfender, E. (1983) Two-temperature modeling of the free-burning high-intensity arc. J. Appl. Phys., 54(8), 4359–4366. DOI: https://doi.org/10.1063/1.332672
5. Sanders, N.A., Pfender, E. (1984) Measurement of anode falls and anode heat transfer in atmospheric pressure high intensity arcs. J. Appl. Phys., 55(3), 714–722. DOI: https://doi. org/10.1063/1.333129
6. Tsai, N.S., Eagar, T.W. (1985) Distribution of the heat and current fluxes in gas tungsten arcs. Metall. Trans. B, 16, 841– 846. DOI: https://doi.org/10.1007/BF02667521
7. Schmidt, H.P., Speckhofer, G. (1996) Experimental and theoretical investigation of high-pressure arcs: Part I. The cylindrical arc column (two-dimensional modelling). IEEE Trans. Plasma Sci., 24(4), 1229–1238. DOI: https://doi. org/10.1109/27.536570
8. Jenista, J., Heberlein, J.V.R. Pfender, E. (1997) Numerical model of the anode region of high-current electric arcs. IEEE Trans. Plasma Sci., 25(5), 883–890. DOI: https://doi. org/10.1109/27.649585
9. Goodarzi, M., Choo, R., Toguri, J.M. (1997) The effect of the cathode tip angle on the GTAW arc and weld pool: I. Mathematical model of the arc. J. Phys. D: Appl. Phys., 30, 2744– 2756. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/30/19/013
10. Füssel, U., Schnick, M., Munoz, J.E.F., Zschеtsche, J., Siewert, E. (2007) Experimentelle möglichkeiten der WSG-lichtbogenanalyse. Schweiβen und Schneiden, 59(7–8), 396–403.
11. Krivtsun, I., Demchenko, V., Lesnoi, A., Krikent, I., Mokrov, O., Reisgen, U., Zabirov, A., Pavlyk, V. (2009) Model of heat, mass- and charge-transfer in welding arc column and anode region. Proc. of the 9th Int. Seminar «Numerical Analysis of Weldability», Graz-Seggau, Austria, 2009.
12. 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. Автомат. сварка, 6, 3–11.
13. Кривцун И.В, Крикент И.В., Демченко В.Ф. (2012) Моделирование процессов тепло-, массо- и электропереноса Автомат. сварка, 3, 7–11.
14. Semenov, I.L., Krivtsun, I.V., Reisgen, U. (2016) Numerical study of the anode boundary layer in atmospheric pressure arc discharges. J. Phys. D: Appl. Phys., 49, 105204 (12 pp). DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/10/105204
15. Lago, F., Gonzalez, J.J., Freton, P., Gleizes, A. (2004) A numerical modelling of an electric arc and its interaction with the anode: Part I. The two-dimensional model. J. Phys. D: Appl. Phys., 37, 883–897. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/37/6/013
16. Yamamoto, K., Tanaka, M., Tashiro, S., Nakata, K., Yamazaki, K., Yamamoto, E., Suzuki, K., Murphy, A.B. (2008) Metal vapour behaviour in gas tungsten arc thermal plasma during welding. Sci. Technol. of Weld. Joining, 13(6), 566–572. DOI: https://doi.org/10.1179/174329308X319235
17. Murphy, A.B., Tanaka, M., Yamamoto, K., Tashiro, S., Sato, T., Lowke, J.J. (2009) Modelling of thermal plasmas for arc welding: the role of the shielding gas properties and of metal vapour. J. Phys. D: Appl. Phys., 42, 194006 (20 pp). DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/42/19/194006
18. Murphy, A.B. (2010) The effect of metal vapour in arc welding. J. Phys. D: Appl. Phys., 43, 434001 (31 pp). DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/43/434001
19. Mougenot, J., Gonzalez, J.J., Freton, P., Masquere, M. (2013) Plasma-weld pool interaction in tungsten inert-gas configuration. J. Phys. D: Appl. Phys., 46, 135206 (14 pp). DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/13/135206
20. Крикент И.В., Кривцун И.В., Демченко В.Ф. (2014) Моделирование электрической дуги с тугоплавким катодом и испаряющимся анодом. Автомат. сварка, 9, 19–26.
21. Кривцун И.В, Демченко В.Ф., Крикент И.В., Коваленко Д.В., Коваленко И.В. (2019) Влияние тока и длины дуги на характеристики дугового разряда при сварке неплавящимся электродом. Автомат. зварювання, 5, 6–17. DOI: https://doi.org/10.15407/as2019.05.01
22. Jian, X., Wu, C.S. (2015) Numerical analysis of the coupled arc-weld pool-keyhole behaviors in stationary plasma welding. Int. J. Heat Mass Transfer., 84, 839–847. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.01.069
23. Wang, X., Luo, Y., Fan, D. (2019) Investigation of heat and fluid flow in high current GTA welding by a unified model. Int. J. Therm. Sci., 142, 20–29. DOI: https://doi.org/10.1016/j. ijthermalsci.2019.04.005
24. Li, Y., Su, Ch., Wang, L., Wu Ch. (2020) A convenient unified model to display the mobile keyhole-mode arc welding process. Appl. Sci., 10, 7955 (17 pp). DOI: https://doi. org/10.3390/app10227955
25. Lowke, J.J., Tanaka, M. (2006) «LTE-diffusion approximation» for arc calculations. J. Phys. D: Appl. Phys., 39, 3634–3643. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/39/16/017
26. Демченко В.Ф., Лесной А.Б. (2000) Лагранжево-эйлеровий метод численного решения многомерных задач конвективной диффузии. Доп. НАН України, 11, 71–75.
27. Cressault, Y., Murphy, A.B., Teulet, Ph. et al. (2013) Thermal plasma properties for Ar-Cu, Ar-Fe and Ar-Al mixtures used in welding plasma processes: II. Transport coefficients at atmospheric pressure. J. Phys. D: Appl. Phys., 46, 415207 (27 pp). DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/41/415207
28. Essoltani, A., Proulx, P., Boulos, M.I. et al. (1994) Volumetric emission of argon plasmas in the presence of vapours of Fe, Si and Al. Plasma Chem. and Plasma Proc., 14(4), 437–450. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01570206
29. Демченко В.Ф., Кривцун И.В., Крикент И.В., Шуба И.В. (2017) Силовое взаимодействие тока дуги с собственным магнитным полем. Автомат. сварка, 3, 20–30. DOI: https:// doi.org/10.15407/as2017.03.03

---

Реклама в цьому номері:

---