Розподіл потенціалу в дузі при зварюванні електродом, який плавиться, в захисному газі

Анотація

Запропонована одномірна модель електричної дуги в захисному газі, використовуваної для МИГ/МАГ зварювання. У цьому випадку встановлюється дуга зворотної полярності, коли електродний дріт знаходиться під позитивним потенціалом, тобто є анодом. Відповідно, зварювана поверхня (зварювальний ванна) є катодом, який забезпечує струм дуги за рахунок емісії електронів. В результаті плавлення електродного дроту утворюються краплі металу, потік яких, спрямований до зварювальної ванні, забезпечує процес зварювання.

У розглянутій моделі прийняті наступні значення температури: температура анода 3000К, температура стовпа дуги 15000К і температура катода 2000К. Випаровування анода ініціює потік атомів заліза (домішки не розглядаються), який змішується з потоком захисного газу. Ця суміш заповнює стовп дуги і за рахунок іонізації додає вільні електрони, додатково до емітованими катодом, що збільшує провідність стовпа дуги.

Стовп дуги розглядається в наближенні локальної термодинамічної рівноваги. Іонізаційна рівновага плазми в стовпі дуги розраховується в рамках моделі Саха. У поверхні анода і катода формується шар нерівноважної плазми за рахунок градієнта температури. З огляду на різниці в довжині вільного пробігу електронів та іонів зміна їх температури в приелектродному шарі різна - важка компонента (іони і атоми) остигає швидше, ніж електронний газ. Тому в цьому шарі слід розрізняти температуру важкої компоненти і температуру електронів.

Довжина вільного пробігу носіїв заряду визначає шар беззіткненої плазми на поверхні електродів, де теплообмін між електродом і плазмою описується передачею тепла зарядженими частинками крізь беззіткнений шар. У поверхні електродів формується область просторового заряду, розмір якої менше довжини вільного пробігу носіїв заряду, тобто основне падіння напруги відбувається в беззіткненії плазмі і описується відповідними рівняннями.

У статті наведено розраховані просторові розподілу уздовж осі дуги температури електронів та іонів, концентрацій атомів заліза і захисного газу, необуреній концентрації носіїв заряду, довжини вільного пробігу електронів та іонів, рівноважного потенціалу і поля для області плазми у поверхні анода. Побудовано розподілу потенціалу вздовж осі дуги для різних значень струму дуги.