Виділення диму електричною дугою при газовому дуговому зварюванні
DOI:
https://doi.org/10.18524/0367-1631.2022.60.267071Ключові слова:
зварювальна дуга, плазма, пари металу, конденсація, коагуляціяАнотація
Методом чисельного моделювання досліджено вплив режиму зварювальної дуги на утворення зварювального диму шляхом опису окремих процесів в областях просторового заряду біля електродів у зварювальній дузі з плавким електродом. Моделювання включає в себе розрахунок температурних профілів для електронів і важкого компонента, розрахунок просторового розподілу густини газових компонентів, середнього вільного пробігу частинок газу, електричного потенціалу і поля, розрахунок тепловіддачі від електродного дроту (анода) до області розплаву (катода). Продемонстровано утворення високотемпературної металевої пари з ванни розплаву в навколишнє середовище як функцію струму дуги. Розглянуто зародження в плазмі зварювального диму з урахуванням іонізації атомів пари через їх взаємодію з поверхнею зародка. Розраховується зростання крапель ядра шляхом конденсації пари та коалесценції. Розраховано коагуляцію твердих первинних частинок для різних значень зварювального струму та продемонстровано вдихуваний розподіл частинок за розмірами.
Посилання
N.A. Almeida, M.S. Benilov, G.V. Naidis Unified modelling of nearcathode plasma layers in high-pressure arc discharge, Journal of Physics D: Applied Physics 41 (2008) 245201.
M. Baeva, M.S. Benilov, N.A. Almeida, D. Uhrlandt Novel non-equilibrium modelling of DC electric arc in argon, Journal of Physics D: Applied Physics 49 (2016) 245205.
M.S. Benilov Understanding and modelling plasma-electrode interaction in high-pressure arc discharge: a review, Journal of Physics D: Applied Physics 41 (2008) 144001.
V. Colombo, E. Ghedini, P. Sanibondi Two-temperature thermodynamic and transport properties of carbon-oxygen plasmas, Plasma Sources Science and Technology 20 (2011) 035003.
J. Haidar The dynamic effects of metal vapour in gas metal arc welding, Journal of Physics D: Applied Physics 43 (2010) 165204.
A. Khrabry, I. Kaganovich, V. Nemchinsky, A. Khodak Investigation of a short argon arc with hot anode. Part I: numerical simulations of nonequilibrium effects in the near-electrode region, Physics of Plasmas (2018) 013521.
I. Semenov, I. Krivtsun, V. Demchenko, A. Semenov, U. Reisgen, O.Mokrov, A. Zabirov Modelling of binary alloy (Al-Mg) anode evaporation in arc welding, Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 20 (2012) 055009.
M. Tanaka, M. Ushio, C.S. Wu One-dimensional analysis of the anode boundary layer in free-burning argon arcs, Journal of Physics D: Applied Physics 32 (1999) 605-611.
M. Schnick, U. Fuessel, M. Hertel, M. Haessler, A. Spille-Kohoff, A.B. Murphy Modelling of gas-metal arc welding taking into account metal vapour, Journal of Physics D: Applied Physics 43 (2010) 434008.
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, M.V. Oprya, O.I. Shvetz, A.A. Ennan Nonequilibrium ioniza-tion of welding fume plasmas; Effect of potassium additional agent on the particle for-mation, Journal of Aerosol Science 113 (2017) 178-188.
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, M.V. Oprya, A.A. Ennan Effects of shielding gas temperature and flow rate on the welding fume particle size distribution, Journal of Aerosol Science 114 (2017) 55-61.
I.V. Krivtsun Anode processes in welding arcs, The PatonWelding Journal 11-12 (2018) 91-104.
I. Langmuir The interaction of electron and positive ion space charges in cathode sheaths, Physical Review 33 (1929) 954-989.
C.J. Knight Theoretical modeling of rapid surface vaporization with back pressure, AIAA Journal 17 (1979) 519-523.
H.G. Fan, R. Kovacevic A unified model of transport phenomena in gas metal arc weld-ing including electrode, arc plasma and molten pool, Journal of Physics D: Applied Physics 37 (2004) 2531-2544.
J. Zhang, X. Luo, Z. Feng, F. Guo Effects of pin and wire electrodes on flow boiling heat transfer enhancement in a vertical minichannel heat sink, International Journal of Heat and Mass Transfer 136 (2019) 740-754.
A.B. Murphy The effects of metal vapour in arc welding, Journal of Physics D: Applied Physics 43 (2010) 434001.
U. H¨ogst¨orm Review of some basic characteristics of the atmospheric surface layer, Boundary-Layer Metrology 78 (1996) 215-246.
F. Valensi, S. Pellerin, A. Boutaghane, K. Dzierzega, S. Zelinska, N. Pellerin, F. Briand Plasma diagnostics in gas metal arc welding by optical emission spectroscopy, Journal of Physics D: Applied Physics 43 (2010) 434002.
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, A.A. Ennan Reducing of UV radiation, ozone concentration and fume formation in gas metal arc welding, Aerosol Science and Engineering 4 (2020) 192-199.
C. Kittel Thermal Physics, Wiley, New York, 1969.
A. Huczko, A. Szymanski Thermal decomposition of carbon dioxide in an argon plasma jet, Plasma Chemistry and Plasma Processing 4 (1984) 59-72.
M. Mitchner, C.H. Kruger Partially Ionized Gases, Wiley, New York, 1973.
B.M. Smirnov Kinetics of electrons in gases and condensed systems, Physics-Uspekhi 45 (2002) 1251-1286.
R.J. Goldston, P.H. Rutherford Introduction to Plasma Physics, IOP Publishing, Bristol, 1995.
V.I. Vishnyakov, G.S. Dragan Electrostatic interaction of charged planes in the thermal collision plasma: Detailed investigation and comparison with experiment, Physical Re-view E 71 (2005) 016411.
V.I. Vishnyakov, G.S. Dragan, V.M. Evtuhov Nonlinear Poisson-Boltzmann equation in spherical symmetry, Physical Review E 76 (2007) 036402.
A.G. Milnes, D.L. Feucht Heterojunctions and Metal-Semiconductor Junctions, Academ-ic Press, New York and London, 1972.
V.E. Fortov, A.G. Khrapak, S.A. Khrapak, V.I. Molotkov, O.F. Petrov Dusty plasmas, Physics-Uspekhi 47 (2004) 447-492.
K.-U. Riemann The Bohm criterion and sheath formation, Journal of Physics D: Applied Physics 24 (1991) 493-518.
R.F.Heile, D.C. Hill Particulate fume generation in arc welding processes, Welding Jour-nal 54 (1975) 201s-210s.
I. Pires, L. Quintino, R.M. Miranda, J.F.P. Gomes Fume emissions during gas metal arc welding, Toxicological and Environmental Chemistry 88 (2006) 385-394.
E.J. Soderstrom, P.F. Mendez Metal transfer during GMAW with thin electrodes and Ar-CO2 shielding gas mixture, Welding Journal 87 (2008) 124s-133s.
M. Dreher, U. F¨ussel, M. Schnik in: Mathematical Modelling of Weld Phenomena, v9, Verlag der Technischen Universit¨at Graz, Graz, 2009, pp. 127-138.
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, M.V. Oprya, O.D. Chursina, A.A. Ennan Formation of parti-cles in welding fume plasmas: Numerical modeling and experiment, Ukrainian Journal of Physics 64 (2019) 392-405.
V.I. Vishnyakov, S.V. Kozytskyi, A.A. Ennan Features of nucleation in welding fumes from gas metal arc welding, Journal of Aerosol Science 137 (2019) 105439.
V.I. Vishnyakov Homogeneous nucleation in thermal dust-electron plasmas, Phisycal Review E 78 (2008) 056406.
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, A.A. Ennan Heterogeneous ion-induced nucleation in thermal dusty plasmas, Journal of Physics D: Applied Physics 44 (2011) 215201.
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, A.A. Ennan Formation of primary particles in welding fume, Journal of Aerosol Science 58 (2013) 9-16.
M.J. Dresser The Saha-Langmuir equation and its application, Journal of Applied Phys-ics 39 (1968) 338-339.
V.I. Vishnyakov Ionization balance in low-temperature plasmas with nanosized dust, Ukrainian Journal of Physics 66 (2021) 303-309.
M. Okuyama, J.T. Zung Evaporation-condensation coefficient for small droplets, Journal of Chemistry Physics 46 (1967) 1580-1585.
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, A.A. Ennan Bimodal size distribution of primary particles in the plasma of welding fume: Coalescence of nuclei, Journal of Aerosol Science 67 (2014) 13-20.
Q. Shu, Y. Yang, Y.Zhai, D.M. Sun, H.J. Xiang, X.G. Gong Sizedependent melting behav-ior of iron nanoparticles by replica exchange molecular dynamics, Nanoscale 4 (2012) 6307-6311.
M.K. Wu, S.K. Friedlander Enhanced power low agglomerate growth in the free molecu-lar regime, Journal of Aerosol Science 24 (1992) 273-282.
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, M.V. Oprya, A.A. Ennan Coagulation of charged particles in self-organizing thermal plasmas of welding fumes, Journal of Aerosol Science 76 (2014) 138-147.
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, M.V. Oprya, A.A. Ennan Effect of shielding gas temperature on the welding fume particle formation: Theoretical model, Journal of Aerosol Science 124 (2018) 112-121.
Ch. Hagwood, Yu. Sivathanu, G. Mulholland The DMA transfer function with Brownian motion a trajectory/Monte-Carlo approach, Aerosol Sience and Technology 30 (1999) 40-61.
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, M.V. Oprya, O.D. Chursina, A.A. Ennan Numerical and ex-perimental study of the fume chemical composition in gas metal arc welding, Aerosol Science and Engineering 2 (2018) 109-117.
J. Takahashi, H. Nakashima, N. Fujii Fume particle size distribution and fume generation rate during arc welding of cast iron, Industrial Health 58 (2020) 325-334.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) роботи, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
