Anode processes in welding arcs
Анодные процессы в сварочных дугах

I.V. Krivtsun, E.O. Paton Electric Welding Institute, NASU
2018 Avtomatičeskaâ svarka (Kiev)  
Описаны подходы к теоретическому исследованию и математические модели физических процессов, протекающих в анодном слое сильноточных ( 10 2 А) электрических дуг, горящих в инертном газе атмосферного давления. Проведены численные исследования анодных процессов в электрических дугах с неиспаряющимся (водоохлаждаемым) анодом, а также в сварочных дугах (дугах с испаряющимся анодом). Показано, что анодное падение потенциала в рассматриваемых дугах является отрицательным, имеющим существенно
more » ... ое распределение в области анодной привязки дуги. Последнее обстоятельство во многом определяет картину протекания электрического тока и переноса энергии между дуговой плазмой и анодом (контрагирование дуги на аноде либо распределенный по поверхности анода разряд). С учетом указанного изменения анодного падения потенциала вдоль поверхности анода предложена методика расчета эффективного анодного падения в электрических дугах. Библиогр. 32, табл. 1, рис. 15. К л ю ч е в ы е с л о в а : сварочная дуга, дуговая плазма, столб дуги, анодный слой, анодное падение потенциала, тепловой поток в анод, испарение, математическое моделирование Одним из основных технологических процессов получения нераз емных соединений металлических материалов сегодня является дуговая сварка плавлением. В промышленном производстве наиболее широко используются такие способы дуговой сварки, как сварка плавящимся электродом в инертных и активных газах или их смесях (МИГ/МАГ), а также сварка неплавящимся электродом в инертных газах (ТИГ), применяемая при изготовлении ответственных конструкций. Здесь можно упомянуть и плазменную сварку как разновидность сварки неплавящимся электродом, которая за счет использования сжатой дуги позволяет существенно повысить глубину проплавления и, соответственно, толщину свариваемого металла. Для эффективного использования электрической дуги в качестве сварочного источника тепла необходимо располагать достоверной информацией о ее тепловом, электрическом и динамическом воздействии на электроды. В частности, при реализации указанных выше способов сварки весьма важную роль играют анодные процессы, а именно: процессы взаимодействия дуговой плазмы с каплей электродного металла, являющейся анодом дуги в случае МИГ/МАГ сварки, и с металлом сварочной ванны, являющимся анодом в случае ТИГ и плазменной сварки. В первом случае указанные процессы определяют плавление проволоки, формирование и перенос капель электродного металла, а во втором -проплавление свариваемого метала и формирование сварного шва. Поскольку экспериментальное определение таких, важных с технологической точки зрения, характеристик сварочной дуги как плотность электрического тока и тепловой поток на поверхности капли и сварочной ванны затруднено вследствие высоких значений температуры дуговой плазмы и температуры поверхности расплавленного металла, малости геометрических размеров области привязки дуги и ряда других факторов, весьма актуальным представляется теоретическое исследование анодных процессов, в том числе путем математического моделирования. Существует множество подходов и моделей для численного исследования анодных процессов в свободногорящих и сжатых (плазменных) дугах (см., например, [1-8]), однако в большинстве из них дуговая плазма предполагается однокомпонентной, т. е. содержащей атомы и ионы защитного или плазмообразующего газа, чаще всего, инертного. Плазма реальных сварочных дуг, как правило, многокомпонентна, поскольку, наряду с частицами газа, содержит атомы и ионы испаренного материала электродов, в первую очередь анода [9] . Таким образом, при построении адекватной математической модели анодных процессов в сварочных дугах необходим учет многокомпонентности дуговой плазмы. Еще одной важной характеристикой такой модели должна быть возможность учитывать взаимосвязь физических процессов, протекающих в теле анода, на его поверхности и в анодном слое, с процессами в столбе дуги. Необходимо отметить, что в большинстве работ по комплексному моделированию электрической, в том числе сварочной дуги используются весьма упрощенные модели анодной области [10] [11] [12] [13] [14] [15] , тогда как в работах, специально посвященных исследованию приэлектродных явлений (см., например, обзор [16] и цитируемую там литературу) недостаточное внимание уделяется процессам, происходящим в столбе дуги.
doi:10.15407/as2018.12.10 fatcat:s2pszbke4bdorldukmmjid2oh4