Математическое моделирование химического состава сварочного аэрозоля при ручной дуговой сварке высоколегированными электродами

С целью прогнозирования химического состава аэрозолей, образующихся при ручной дуговой сварке, предложена математическая модель конвективного испарения металла с поверхности расплава. Выполнен численный анализ характеристик потока многокомпонентного металлического пара при сварке высоколегированными...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2017
Hauptverfasser:	Левченко, О.Г., Безушко, О.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2017
Schriftenreihe:	Автоматическая сварка
Schlagworte:	Научно-технический раздел
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147904
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Математическое моделирование химического состава сварочного аэрозоля при ручной дуговой сварке высоколегированными электродами / О.Г. Левченко, О.Н. Безушко // Автоматическая сварка. — 2017. — № 1 (760). — С. 35-38. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-147904
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1479042025-02-09T16:56:46Z Математическое моделирование химического состава сварочного аэрозоля при ручной дуговой сварке высоколегированными электродами Математичне моделювання хімічного складу зварювального аерозолю при ручному дуговому зварюванні високолегованими електродами Mathematical modeling of chemical composition of welding fumes in manual arc welding with high-alloyed electrodes Левченко, О.Г. Безушко, О.Н. Научно-технический раздел С целью прогнозирования химического состава аэрозолей, образующихся при ручной дуговой сварке, предложена математическая модель конвективного испарения металла с поверхности расплава. Выполнен численный анализ характеристик потока многокомпонентного металлического пара при сварке высоколегированными хромоникелевыми электродами. Определены скорости испарения компонентов сварочных аэрозолей при применении электродов для сварки высоколегированных сталей. Полученная математическая модель дает возможность рассчитывать не только относительную массовую долю токсичного компонента в аэрозоле, как это было возможно до настоящего времени, но и конвективные потоки компонентов сварочных аэрозолей. З метою прогнозування хімічного складу аерозолів, що утворюються при ручному дуговому зварюванні, запропонована математична модель конвективного випаровування металу з поверхні розплаву. Виконано чисельний аналіз характеристик потоку багатокомпонентної металевої пари при зварюванні високолегованими хромонікелевими електродами. Визначено швидкості випаровування компонентів зварювальних аерозолів при застосуванні електродів для зварювання високолегованих сталей. Отримана математична модель дає можливість розраховувати не тільки відносну масову частку токсичного компонента в аерозолі, як це було можливо до теперішнього часу, але і конвективні потоки компонентів зварювальних аерозолів. A mathematical model of convective evaporation of metal from the melt surface was proposed for prediction of the composition of fumes formed in manual arc welding. Numerical analysis of the characteristics of the flow of multicomponent metal vapour in welding with high-alloyed chromium-nickel electrodes was performed. Rates of evaporation of welding fume components at application of electrodes for high-alloyed steel welding were established. Obtained mathematical model enables calculation of not only the relative mass fraction of toxic component in the fume, as it was possible up to now, but also of convective flows of welding fume components. 2017 Article Математическое моделирование химического состава сварочного аэрозоля при ручной дуговой сварке высоколегированными электродами / О.Г. Левченко, О.Н. Безушко // Автоматическая сварка. — 2017. — № 1 (760). — С. 35-38. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0005-111X DOI: https://doi.org/10.15407/as2017.01.04 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147904 621.791:614.8 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Левченко, О.Г. Безушко, О.Н. Математическое моделирование химического состава сварочного аэрозоля при ручной дуговой сварке высоколегированными электродами Автоматическая сварка
description	С целью прогнозирования химического состава аэрозолей, образующихся при ручной дуговой сварке, предложена математическая модель конвективного испарения металла с поверхности расплава. Выполнен численный анализ характеристик потока многокомпонентного металлического пара при сварке высоколегированными хромоникелевыми электродами. Определены скорости испарения компонентов сварочных аэрозолей при применении электродов для сварки высоколегированных сталей. Полученная математическая модель дает возможность рассчитывать не только относительную массовую долю токсичного компонента в аэрозоле, как это было возможно до настоящего времени, но и конвективные потоки компонентов сварочных аэрозолей.
format	Article
author	Левченко, О.Г. Безушко, О.Н.
author_facet	Левченко, О.Г. Безушко, О.Н.
author_sort	Левченко, О.Г.
title	Математическое моделирование химического состава сварочного аэрозоля при ручной дуговой сварке высоколегированными электродами
title_short	Математическое моделирование химического состава сварочного аэрозоля при ручной дуговой сварке высоколегированными электродами
title_full	Математическое моделирование химического состава сварочного аэрозоля при ручной дуговой сварке высоколегированными электродами
title_fullStr	Математическое моделирование химического состава сварочного аэрозоля при ручной дуговой сварке высоколегированными электродами
title_full_unstemmed	Математическое моделирование химического состава сварочного аэрозоля при ручной дуговой сварке высоколегированными электродами
title_sort	математическое моделирование химического состава сварочного аэрозоля при ручной дуговой сварке высоколегированными электродами
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147904
citation_txt	Математическое моделирование химического состава сварочного аэрозоля при ручной дуговой сварке высоколегированными электродами / О.Г. Левченко, О.Н. Безушко // Автоматическая сварка. — 2017. — № 1 (760). — С. 35-38. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT levčenkoog matematičeskoemodelirovaniehimičeskogosostavasvaročnogoaérozolâpriručnojdugovojsvarkevysokolegirovannymiélektrodami AT bezuškoon matematičeskoemodelirovaniehimičeskogosostavasvaročnogoaérozolâpriručnojdugovojsvarkevysokolegirovannymiélektrodami AT levčenkoog matematičnemodelûvannâhímíčnogoskladuzvarûvalʹnogoaerozolûpriručnomudugovomuzvarûvannívisokolegovanimielektrodami AT bezuškoon matematičnemodelûvannâhímíčnogoskladuzvarûvalʹnogoaerozolûpriručnomudugovomuzvarûvannívisokolegovanimielektrodami AT levčenkoog mathematicalmodelingofchemicalcompositionofweldingfumesinmanualarcweldingwithhighalloyedelectrodes AT bezuškoon mathematicalmodelingofchemicalcompositionofweldingfumesinmanualarcweldingwithhighalloyedelectrodes
first_indexed	2025-11-28T05:20:32Z
last_indexed	2025-11-28T05:20:32Z
_version_	1850010231424155648
fulltext	С Р 35 С С Р УДК 621.791:614.8 МатеМатичесКое МоДелироВание хиМичесКого состаВа сВарочного аэрозоля при рУчной ДУгоВой сВарКе ВысоКолегироВанныМи элеКтроДаМи О. Г. ЛЕВЧЕНКО1, О. Н. БЕЗУШКО2 1нтУУ «Кпи им. игоря сикорского». 03056, г. Киев, пр-т победы, 37. 2иэс им. е. о. патона нан Украины. 03680, Киев-150, ул. Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua с целью прогнозирования химического состава аэрозолей, образующихся при ручной дуговой сварке, предложена математическая модель конвективного испарения металла с поверхности расплава. Выполнен численный анализ ха- рактеристик потока многокомпонентного металлического пара при сварке высоколегированными хромоникелевыми электродами. определены скорости испарения компонентов сварочных аэрозолей при применении электродов для сварки высоколегированных сталей. полученная математическая модель дает возможность рассчитывать не только относительную массовую долю токсичного компонента в аэрозоле, как это было возможно до настоящего времени, но и конвективные потоки компонентов сварочных аэрозолей. Библиогр. 12, табл. 2, рис. 4. К л ю ч е в ы е с л о в а : электродуговая сварка, покрытые электроды, сварочные аэрозоли, химический состав, интен- сивность испарения, математическое моделирование ручная дуговая сварка характеризуется высоки- ми значениями температуры в дуговом проме- жутке. значительная часть поверхности металла электродных капель и сварочной ванны находит- ся в кипящем состоянии и выделяет в зону дуги большое количество паров металла, из которых в результате их конденсации и окисления в воздухе рабочей зоны образуются вредные для организма сварщиков аэрозоли. Цель данной работы — математическое моде- лирование химического состава сварочных аэро- золей (са), образующихся при ручной дуговой сварке высоколегированными хромоникелевы- ми электродами на основе физико-химических свойств компонентов сварочной ванны. с повышением температуры давление паров различных веществ растет. при достижении зна- чения давления пара, равного атмосферному дав- лению (101325 па), вещество кипит [1]. зави- симость давления насыщенного пара рі вблизи поверхности расплавленного металла от ее темпе- ратуры может быть определена с помощью урав- нения Клапейрона–Клаузиуса [2] 0 1 1exp ( ) , í ê ï p p k T T  λ= ⋅ −    (1) где рн — давление насыщенного пара над поверх- ностью металла; р0 — атмосферное давление; Тк — температура кипения металла (температура, при которой давление насыщенного пара данного металла равно атмосферному); Тп — температура поверхности, λ — работа выхода атома из распла- ва, k — постоянная Больцмана. Данное уравнение выполняется при условии, что пар подлежит зако- ну идеального газа, а мольный объем жидкости Vж намного меньше мольного объема пара Vп. построенные графические зависимости давле- ния насыщенного пара отдельных токсичных эле- ментов, входящих в состав сварочных электродов (хрома, марганца, никеля и железа), от температу- ры поверхности испаряющегося сплава согласно уравнению (1) при Тп = 1500…3300 К приведены на рис. 1. анализ приведенных данных показыва- ет, что в процессе сварки открытой дугой в пер- вую очередь наиболее интенсивно будет испарять- ся марганец, потом хром, железо и никель. при проведении расчетов использованы значе- ния работы выхода атома λ и температуры кипе- ния Тк, при которой давление соответствующего © о. г. левченко, о. н. Безушко, 2017 рис.1. зависимость давления насыщенных паров хрома, ни- келя, марганца и железа от температуры С Р 36 С С Р насыщенного пара элемента равно атмосферному [3, 4] (см. табл. 1). оценим результирующее давление насыщен- ных паров над поверхностью сплава, находящего- ся в жидком состоянии [5]. Будем считать такой сплав слабым раствором хрома, марганца и нике- ля в железе. результирующее давление pп опреде- лим как сумму давлений насыщенного пара над і-тым компонентом piн сплава с учетом активно- сти i-того компонента в растворе αi . ï íi i i p p= α∑ (2) Для определения активности железа можно воспользоваться законом рауля [2, 5] , Fe Fe Xα = (3) где XFe — мольная (атомарная) доля Fe в соответ- ствующем сплаве. здесь следует отметить, что за- кон рауля практически применим только для сла- бых растворов, насыщенный пар которых ведет себя как идеальный газ, то есть выполняется тем лучше, чем ниже давление пара. при определении активности пара растворен- ных веществ Cr, Mn, Ni будем использовать закон генри [2, 5]. представим активности примесей в следующем виде: , Cr,Mn,Ni Cr,Mn,Nii Xα = γ (4) где γi — коэффициент активности і-го элемента; XCr,Mn,Ni — мольная (атомарная) доля соответ- ствующего растворенного элемента, то есть его концентрация в сплаве. из-за отсутствия данных предположим, что все коэффициенты активности равны единице. таким образом, учитывая соотношение (3) и предполагая, что αCr, Mn, Ni = XCr, Mn, Ni, с помощью формул (1) и (2) можно оценить давление насы- щенного пара над поверхностью сплава, нахо- дящегося в расплавленном состоянии, в зависи- мости от Tп. Мольная доля элемента в расплаве рассчитывается по отношению: : , : ip i ip ip i C M X C M = ∑ (5) где Mі — атомная масса; Cip — массовая доля i-то- го элемента в сплаве. исследуем особенности испарения многоком- понентного сплава на примере высоколегирован- ных электродов типа э-08х20н9г2Б (20 % Cr, 2 % Mn, 9 % Ni). Давление многокомпонентного насыщенного пара над расплавом для Cr, Mn, Ni, Fe приведены на рис. 2. Для определения количественных характери- стик процесса испарения (плотности, температу- ры и скорости оттока пара) воспользуемся моде- лью найта [6], основанной на предположении, что поток пара одномерный и стационарный. Данная модель активно применяется для проведения чис- ленного анализа тепловых и газодинамических характеристик потока пара при лазерной сварке [6–9]. информация о применении ее для ручной дуговой сварки отсутствует. согласно этой модели, вблизи поверхности испаряемого металла существует кнудсеновский слой толщиной порядка нескольких длин свобод- ного пробега частиц пара, за пределами которого (в газодинамической области течения) устанавли- вается термодинамическое равновесие. В работе [6–9] были предложены следующие соотношения, связывающие плотность ρν и температуру Tν пара на границе кнудсеновского слоя с плотностью на- сыщенного пара ρп и температурой испаряющейся поверхности Tп 2 2 641 (1 1 ),32 ï T m T m ν π= + − + π (6) 2 1 (1 ),2 2 2ï ï ï 1 erfc( ) 2 erfc( ) m m T mm e mT T me mT ν ν ν ρ   = + − +  ρ   π  + − π (7) где erfc(m) — интеграл вероятности. Величина m рассчитывается по формуле Т а б л и ц а 1 . Физические свойства компонентов рас- плавленного металла Физические свойства химический элемент Cr Mn Ni Fе работа выхода атома из расплава, λ, эрг×10–12 5,79 3,73 6,31 5,65 температура кипения металла, Тк, К 2840 2424 3173 3008 рис 2. температурная зависимость давления насыщенного пара над поверхностью расплава металла электродов типа э-08х20н9г2Б (XCr = 0,213; XMn = 0,02; XNi = 0,085; XFe = = 0,683) С Р 37 С С Р 1 2 2 ,2 vM u m kT ν   =     (8) где u — среднемассовая скорость оттока с поверх- ности металла. среднемассовую скорость оттока от поверхно- сти металла рассчитывали по формуле 0 0 0 0 0 0 0 0 1 , 1 1 12 m m p s p u p p   −    =  γ + γ + − γ   (9) где р0 — атмосферное давление; γ0 = 1,4 — посто- янная адиабаты воздуха; s0 = 331,5 м/с — скорость звука в воздухе; 0 mp — давление пара на границе кнудсеновского слоя. расчет конвективного потока пара осущест- влялся по формуле , ,í ï i p i i p v Mp J jp M= α (10) где pп — результирующее давление рассчитыва- ется по формуле (2); pi — давление насыщенного пара над і-тым компонентом из формулы (1); αі — активность i-того компонента рассчитывается по формулам (3, 4); Mν — средняя масса атома много- компонентного пара 1 ,í ï n i i i p M M pν = α = ∑ jр — полный поток испарения jρ = ρνMs ≈ ρνu. полученные графические зависимости конвек- тивных потоков Ji хрома, марганца, никеля и же- леза от температуры поверхности капли приведе- ны на рис. 3. Как видно из рис. 3, в диапазоне температур от 2900 до 3400 К наиболее высокий поток испаре- ния характерен для хрома и железа. Для опреде- ления интенсивности испарения этих элементов предположим, что площадь испарения капли такая же, как площадь сферы с диаметром равным диа- метру электрода. Диаметр электродов, которыми выполняли экспериментальную сварку, составлял 4 мм. тогда площадь сферической сварочной кап- ли рассчитывается по формуле Sкапли= πd2 и равна 5,0265·10–5 м2. поток испарения i-го элемента запишем в виде Jі = Vі/Sкапли. (11) отсюда Vі = JіSкапли. экспериментальные данные [10] интенсивно- сти образования (выделения) хрома, марганца, ни- келя и железа при сварке покрытыми электродами типа э-08х20н9г2Б приведены в табл. 2. по экспериментальным данным построены ди- аграммы интенсивности образования компонен- тов са. Как видно из полученных результатов, суммар- ное значение интенсивности образования соеди- нений хрома преобладает над значениями других вредных компонентов, что подтверждают расчетные данные интенсивности испарения хрома (рис. 4). используя предложенную математическую мо- дель, можно прогнозировать интенсивность об- разования указанных компонентов са при сварке высоколегированными хромоникелевыми элек- тродами. при этом следует учитывать, что обра- зующийся из капли расплавленного металла пар переносится в сварочную ванну, где частично конденсируется, а остаток рассеивается за преде- лы дуги, образуя в результате конденсации пара в воздухе аэрозоль. таким образом, результаты экс- периментальных определений количества выде- ленного са показывают лишь ту часть пара ме- талла, из которой образуется аэрозоль. поэтому для уточнения реально прогнозируемого значения интенсивности выделения компонентов са будем пользоваться коэффициентом соотношения Кvi Т а б л и ц а 2 . Интенсивность образования компонентов СА при сварке покрытыми электродами типа Э-08Х20Н9Г2Б тип электродов — э-08х20н9г2Б (марка – анВ-65у) интенсивность образования Vа×10–5, кг/с CrO3 Cr2O3 Mn Ni 0,018337 0,025005 0,020004 0,003334 рис. 3. зависимости конвективных потоков паров хрома (1), железа (2), марганца (3) и никеля (4) от температуры поверх- ности капли рис. 4. интенсивность образования токсичных компонентов са при сварке электродами типа э-08х20н9г2Б С Р 38 С С Р экспериментального значения интенсивности вы- деления і-того элемента Vі екс к его расчетной ин- тенсивности испарения Vі рас Kvi = Vі екс/Vі рас. расчетное значение интенсивности испарения Vі рас использовали при температуре Tп = 3000 К. поскольку экспериментальные значения интен- сивности испарения хрома представлены для тре- хвалентного и шестивалентного хрома, просум- мируем их для сравнения с расчетными данными. полученные значения коэффициентов интенсив- ности испарения і-того элемента Кvi для хрома, марганца и никеля, соответственно, при сварке электродами типа 08х20н9г2Б с основным по- крытием с раскислением-легированием металла через электродный стержень следующие: KνCr = = 6,08·10–4; KνMn = 9,09·10–4; KvNi = 4,54·10–4. проверка точности математической модели показала, что относительная ошибка соотноше- ний компонентов в составах пара и са не превы- шает 30 %, что обусловлено допущениями, при- нятыми в процессе создания данной системы моделирования. Выводы таким образом, предложенная математическая мо- дель дает возможность рассчитывать не только отно- сительную массовую долю токсичного компонента в процентах, как это было возможно до настоящего времени [11], но и рассчитывать конвективные пото- ки компонентов са, что позволяет без эксперимен- тальных исследований прогнозировать основной гигиенический показатель сварочных материалов — интенсивность образования компонентов са [12] и на его основе определять степень риска вредного воздействия процесса сварки данными материалами на организм сварщика. 1. потапов н. н. сварочные материалы для дуговой сварки. том 1 защитные газы и сварочные флюсы. справочное пособие / н. н. потапов. – М.: Машиностроение, 1989. – 544 с. 2. ландау л. Д. теоретическая физика / л. Д. ландау, е. М. лифшиц. – М.: наука, 1976. – т. V. статическая физика, ч.1. – 584 с. 3. несмеянов а. н. Давление пара химических элементов / а. н. несмеянов. – М.: ан ссср, 1961. – 396 с. 4. таблицы физических величин: справочник; под ред. и. К. Кикоина. – М.: атомиздат, 1976. – 1006 с. 5. Курс физической химии. т.1.; под ред. я. и. герасимова. – М.: химия, 1969. – 592 с. 6. C. J. Knight // AIAA J., vol. 17, P. 519–523. 7. Моделирование процессов испарения металла и газоди- намики металлического пара в парогазовом канале при лазерной сварке / и. В. Кривцун, с. Б. сухорукое, В. н. сидорец [и др.] // автоматическая сварка. – 2008. – № 10. – с. 19–26. 8. Zhao H. Weld metal composition change during Conduction mode laser welding of aluminum alloy 5182 / H. Zhao, T. De- broy. // Metallurgical and materials transactions B. – 2001. – V 32 B. – P. 163–172. 9. Mundra K. Calculation of weld metal composition change in high-power conduction mode carbon dioxide laser-welded stainless steels / K. Mundra, T. Debroy // Metall. Trans B. – 1993. – 24B. – P. 145–155. 10. санитарно-гигиенические характеристики покрытых электродов для сварки высоколегированных сталей / К. а. ющенко, о. г. левченко, а. В. Булат [и др.] // автома- тическая сварка. – 2007. – № 12. – с. 44–47. 11. подгаецкий В. В. о механизме образования сварочного аэрозоля и прогнозировании его состава / В. В. подгаец- кий, а. п. головатюк, о. г. левченко // автоматическая сварка. – 1989. – № 8. – с. 9–12. 12. ДстУ ISO 15011-4:2008. охорона здоров’я та безпека у зварюванні та споріднених процесах. лабораторний ме- тод відбирання аерозолів і газів. ч. 4. Форма для запису даних про аерозолі / [чинний від 2008-08-15]. − К.: Держ- споживстандарт України, 2011. – 20 с. о. г. левченко1, о. М. Безушко2 1нтУУ «КпІ ім. Ігоря сікорського». 03056, м. Київ, пр-т перемоги, 37. 2Іез ім. Є. о. патона нан України. 03680, Київ-150, вул. Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua МатеМатичне МоДелюВання хІМІчного сКлаДУ зВарюВального аерозолю при рУчноМУ ДУгоВоМУ зВарюВаннІ ВисоКолегоВаниМи елеКтроДаМи з метою прогнозування хімічного складу аерозолів, що утво- рюються при ручному дуговому зварюванні, запропонована математична модель конвективного випаровування металу з поверхні розплаву. Виконано чисельний аналіз характеристик потоку багатокомпонентної металевої пари при зварюванні високолегованими хромонікелевими електродами. Визначено швидкості випаровування компонентів зварювальних аерозо- лів при застосуванні електродів для зварювання високолего- ваних сталей. отримана математична модель дає можливість розраховувати не тільки відносну масову частку токсичного компонента в аерозолі, як це було можливо до теперішнього часу, але і конвективні потоки компонентів зварювальних ае- розолів. Бібліогр. 12, табл. 2, рис. 4. Ключові слова: електродугове зварювання, покриті електро- ди, зварювальні аерозолі, хімічний склад, інтенсивність ви- паровування, математичне моделювання поступила в редакцию 17.11.2016

Математическое моделирование химического состава сварочного аэрозоля при ручной дуговой сварке высоколегированными электродами

Institution

Ähnliche Einträge