Автоматичне зварювання, 2022, №08



2022 №08 (07)

DOI of Article 10.37434/as2022.08.01

2022 №08 (02)

---

Журнал «Автоматичне зварювання», № 8, 2022, с. 3-13

Характеристики дуги з тугоплавким катодом при високочастотній імпульсній модуляції струму

I. Крівцун¹, В. Демченко¹, I. Крикент¹, U. Reisgen2, O. Мокров², R. Sharma²

¹ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України. 03150, м. Київ, вул. Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
²RWTH Аахенський університет, ISF – Інститут зварювання та з’єднання, Pontstr. 49, 52062 Аахен, Німеччина

Описано самоузгоджену математичну модель нестаціонарних процесів перенесення енергії, імпульсу, маси та заряду в плазмі стовпа та анодного шару електричної дуги з тугоплавким катодом, що горить в інертному газі атмосферного тиску при імпульсній модуляції струму. Виконано чисельне дослідження розподілених та інтегральних характеристик плазми аргонової дуги завдовжки 2 мм у випадку модуляції струму прямокутними імпульсами частотою 10 кГц з різними значеннями коефіцієнта заповнення (0,3, 0,5, 0,7) за умови, що величина середнього струму зберігається незмінною, рівною 140 А. Для обраних значень коефіцієнта заповнення наведено розрахункові залежності від часу температури, швидкості плазми та щільності струму в центрі стовпа дуги, а також осьових значень температури та тиску плазми поблизу поверхні анода, щільності струму на аноді та теплового потоку в анод. Розраховані радіальні розподіли усереднених за період модуляції струму значень теплового потоку, що вводиться дугою в анод, тиску і сили тертя потоку дугової плазми на його поверхні, які є визначальними для моделювання теплових і гідродинамічних процесів у зварюваному металі при TIG зварюванні з високочастотною імпульсною модуляцією струму. Результати моделювання характеристик нестаціонарної дуги співставлені з відповідними результатами для дуги постійного струму, за величиною, що дорівнює середньому значенню модульованого. Аналіз отриманих результатів дозволяє зробити висновок, що у випадку TIG зварювання з імпульсною модуляцією струму дуги на частоті 10 кГц зменшення коефіцієнта заповнення (збільшення струму в імпульсі) при постійному значенні середнього струму призводить до збільшення силового впливу такої дуги на метал зварювальної ванни і відповідно підвищення її проплавляючої здатності. Бібліогр. 20, табл. 2, рис. 6.
Ключові слова: електрична дуга, тугоплавкий катод, стовп дуги, анодний шар, TIG зварювання, імпульсна модуляція струму, частота, коефіцієнт заповнення, моделювання


Надійшла до редакції 3.04.2022

Список літератури

1. (2011) Welding fundamentals and processes. Ed. by T.J. Lienert, S.S. Babu et al. ASM Handbook, Ohio, USA. ASM Int.
2. Leither, R.E., McElhinney, G.H., Pruitt E.L. (1973) An investigation of pulsed GTA welding variables. Welding J., Res. Suppl., 9, 405s‒410s.
3. Omar, A.A., Lundin, C.D. (1979) Pulsed plasma-pulsed GTA arcs: A study of the process variables. Welding J., Res. Suppl., 4, 97s‒105s.
4. Saedi, H.R., Unkel, W. (1988) Arc and weld pool behavior for pulsed current GTAW. Welding J., Res. Suppl., 11, 247s‒255s.
5. 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. Japan J. Appl., Phys., 41, 5821‒5826.
6. Karunakaran, N., Balasubramanian, V. (2011) Effect of pulsed current on temperature distribution, weld bead profiles and characteristics of gas tungsten arc welded aluminum alloy joints. Transact. Nonferrous Met. Soc. China, 21, 278‒286.
7. Cunha, T.V.d., Louise-Voigt, A., Bohorquez, C.E.N. (2016) Analysis of mean and RMS current welding in the pulsed TIG process. J. of Materials Proc. Technology, 231, 449‒455.
8. Silva, D.C.C., Scotti, A. (2017) Using either mean and RMS values to represent current in modeling of arc welding bead geometries. J. of Materials Proc. Technology, 240, 382‒387.
9. Kim, W.H., Na, S.J. (1998) Heat and fluid flow in pulsed current GTA weld pool. Int. J. of Heat and Mass Transfer, Vol. 41(Issue 21), 3213‒3227.
10. Wu, C.S., Zheng, W., Wu, L. (1999) Modeling the transient behaviour of pulsed current tungsten-inert-gas weld pools. Modelling and Simul. Mater. Sci. Eng., 7(1), 15‒23.
11. 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 Sci., 49, 1197‒1208.
12. 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. In: Mathematical Modelling of Weld Phenomena 11. Techn. Universitat Graz, Graz, Austria, 837–874.
13. Krivtsun, I., Demchenko, V., Lesnoi, A. et al. (2010) Modelling of electromagnetic processes in system “welding arc– evaporating anode”. Pt 1: Model of anode region. Sci. and Technol. of Welding & Joining, 15(6), 457‒463.
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(10), 105204.
15. Demchenko, V.F., Boi, U., Krivtsun, I.V., Shuba, I.V. (2017) Effective values of electrodynamic characteristics of the process of nonconsumable electrode welding with pulse modulation of arc current. The Paton Welding J., 8, 2‒11. DOI: https://doi.org/10.15407/tpwj2017.08.01
16. 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.
17. Wendelstorf, J., Simon, G., Decker, I. et al. (1997) Investigation of cathode spot behavior of atmospheric argon arcs by mathematical modeling. In: Proc. of the 12th Int. Conf. on Gas Discharges and their Applications (Germany, Greifswald, 1997), Vol. 1, 62‒65.
18. Benilov, M.S., Marotta, A. (1995) A model of the cathode region of atmospheric pressure arcs. J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 28, 1869‒1882.
19. 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., Vol. 46, 415207.
20. Essoltani, A., Proulx, P., Boulos, M.I. et al. (1994) Volumetric emission of argon plasma in the presence of vapours of Fe, Si and Al. Plasma Chem. and Plasma Proc., 14(4), 437‒450.

---

Реклама в цьому номері:

---