Формування частинок у плазмі зварювального аерозолю: чисельне моделювання і експеримент
English
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe64.5.392Ключові слова:
gas metal arc welding, numerical modeling, particle size distribution, chemical compositionАнотація
Шляхом чисельного моделювання еволюцiї плазми дослiджується формування частинок у плазмi зварювального аерозолю, що утворюється при зварюваннi металiв у захисному газi. Модель еволюцiї плазми зварювального аерозолю включає такi процеси: емiсiю пари iз зони дуги та ї ї змiшування з захисним газом, утворення та зростання зародкiв за рахунок конденсацiї пари i коалесценцiї, отвердiння рiдких крапель з утворенням первинних частинок, коагуляцiю первинних частинок з утворенням iнгаляцiйних частинок зварювального аерозолю у зонi дихання зварникiв. Результати чисельного моделювання порiвнюються з експериментальними даними щодо питомої поверхнi, хiмiчного складу та залежностi розмiру iнгаляцiйних частинок вiд температури захисного газу.
Посилання
I.L. Semenov, I.V. Krivtsun, U. Reisgen. Numerical study of the anode boundary layer in atmospheric pressure arc discharges. J. Phys. D: Appl. Phys. 49, 105204 (2016). https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/10/105204
F. Yang, M. Rong, Y. Wu, H. Sun, R. Ma, C. Niu. Numerical simulation of the eddy current effects on the Arc splitting process. Plasma Sci. Technol. 14, 974 (2012). https://doi.org/10.1088/1009-0630/14/11/05
M. Islam, A. Buijk, M. Rais-Rohani, K. Motoyama. Simulation-based numerical optimization of arc welding process for reduced distortion in welded structures. Finite Elem. Anal. Design 84, 54 (2014). https://doi.org/10.1016/j.finel.2014.02.003
D.V. Kiran, S.-J. Na. Numerical studies on submerged arc welding process. J. Weld. Joining 32(4), 1 (2014). https://doi.org/10.5781/JWJ.2014.32.4.1
S. Tashiro, M. Tanaka. Modeling of fume formation process in Arc welding. Transact. Join. Weld. Res. Inst. 40(2), 21 (2011).
M. Boselli, V. Colombo, E. Ghedini, M. Gherardi, P. Sanibondi. Two-dimensional time-dependent modelling of fume formation in a pulsed gas metal arc welding process. J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 224006 (2013). https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/22/224006
M. Shigeta, T. Watanabe, H. Nishiyama. Numerical investigation for nano-particle synthesis in an RF inductively coupled plasma. Thin Solid Films 457, 192 (2004). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2003.12.020
S.L. Girshick, S.J. Warthesen. Nanoparticles and plasmas. Pure and Appl. Chem. 78, 1109 (2006). https://doi.org/10.1351/pac200678061109
I. Denysenko, N.A. Azarenkov. Formation of vertically aligned carbon nanostructures in plasmas: numerical modelling of growth and energy exchange. J. Phys. D: Appl. Phys. 44, 174031 (2011). https://doi.org/10.1088/0022-3727/44/17/174031
A.B. Murphy, M. Tanaka, K. Yamamoto, S. Tashiro, T. Sato, J.J. Lowke. Modelling of thermal plasmas for arc welding: the role of the shielding gas properties and of metal vapour. J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 194006 (2009). https://doi.org/10.1088/0022-3727/42/19/194006
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. J. Phys. D: Appl. Phys. 43, 434008 (2010). https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/43/434008
S. Tashiro, T. Zeniya, A.B. Murphy, M. Tanaka. Visualization of fume formation process in arc welding with numerical simulation. Surface Coat. Technol. 228, S301 (2013). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.05.114
P. Sanibondi. Numerical investigation of the effects of iron oxidation reactions on the fume formation mechanism in arc welding. J. Phys. D: Appl. Phys. 48, 345202 (2015). https://doi.org/10.1088/0022-3727/48/34/345202
K.R. Carpenter, B.J. Monaghan, J. Norrish. Influence of shielding gas on fume size morphology and particle composition for gas metal arc welding. Iron Steel Inst. of Japan Intern. 48, 1570 (2008). https://doi.org/10.2355/isijinternational.48.1570
A. Bogaerts, M. Eckert, M. Mao, E. Neyts. Computer modelling of the plasma chemistry and plasma-based growth mechanisms for nanostructured materials. J. Phys. D: Appl. Phys. 44, 174030 (2011). https://doi.org/10.1088/0022-3727/44/17/174030
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. J. Aerosol Sci. 124, 112 (2018). https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2018.07.006
M. Dreher, U. F?ussel and M. Schnik. In Mathematical Modelling of Weld Phenomena Vol. 9 (Technischen Univ. Graz, 2009), p. 127.
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, M.V. Oprya, O.I. Shvetz, A.A. Ennan. Nonequilibrium ionization of welding fume plasmas; Effect of potassium additional agent on the particle formation. J. Aerosol Sci. 113, 178 (2017). https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2017.08.004
A.F. Pal', A.N. Starostin, A.V. Filippov. Charging of dust grains in a nuclear-induced plasma at high pressures. Plasma Phys. Rep. 27(2), 143 (2001). https://doi.org/10.1134/1.1348492
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. J. Aerosol Sci. 114, 55 (2017). https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2017.09.010
J. Goree. Charging of particles in a plasma. Plasma Sources Sci. Technol. 3, 400 (1994). https://doi.org/10.1088/0963-0252/3/3/025
V.E. Fortov, A.G. Khrapak, S.A. Khrapak, V.I. Molotkov, O.F. Petrov. Dusty plasmas. Phys.-Usp. 47, 447 (2004). https://doi.org/10.1070/PU2004v047n05ABEH001689
V.I. Vishnyakov. Interaction of dust grains in strong collision plasmas: Diffusion pressure of nonequilibrium charge carriers. Phys. Plasmas 12, 103502 (2005). https://doi.org/10.1063/1.2062868
V.I. Vishnyakov. Electron and ion number densities in the space charge layer in thermal plasmas. Phys. Plasmas 13, 033507 (2006). https://doi.org/10.1063/1.2186528
B.M. Smirnov. Processes in plasma and gases involving clusters. Phys.-Usp. 40, 1117 (1997). https://doi.org/10.1070/PU1997v040n11ABEH000305
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, A.A. Ennan. Multicomponent condensation in the plasma of welding fumes. J. Aerosol Sci. 74, 1 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2014.04.003
V.I. Vishnyakov. Homogeneous nucleation in thermal dust-electron plasmas. Phys. Rev. E 78, 056406 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.78.056406
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, A.A. Ennan. Heterogeneous ion-induced nucleation in thermal dusty plasmas. J. Phys. D: Appl. Phys. 44, 215201 (2011). https://doi.org/10.1088/0022-3727/44/21/215201
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, A.A. Ennan. Formation of primary particles in welding fume. J. Aerosol Sci. 58, 9 (2013). https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2012.12.003
H. Green, W. Lane. Particulate Clouds: Dusts, Smokes and Mists 2nd ed. (Van Nostrand, 1964).
P.C. Reist. Introduction to Aerosol Science (Macmillan Publishing, 1984).
N.A. Fuchs. Evaporation and Droplet Growth in Gaseous Media, edited by R.S. Bradley (Pergamon Press, 1959).
A.T. Zimmer. The influence of metallurgy on the formation of welding aerosols. J. Environ. Monit. 4, 628 (2002). https://doi.org/10.1039/B202337G
M. Okuyama, J.T. Zung. Evaporation-condensation coefficient for small droplets. J. Chem. Phys. 46, 1580 (1967). https://doi.org/10.1063/1.1840906
V.I. Vishnyakov, G.S. Dragan. Thermodynamic reasons of agglomeration of dust particles in the thermal dusty plasma. Condensed Matter Phys. 6, 687 (2003). https://doi.org/10.5488/CMP.6.4.687
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, A.A. Ennan. Bimodal size distribution of primary particles in the plasma of welding fume: Coalescence of nuclei. J. Aerosol Sci. 67, 13 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2013.09.007
C. Seigneur, A.B.Hudischewskyj, J.H. Seinfeld, K.T.Whitby, E.R. Whitby, J.R. Brock, H.M. Barnes. Simulation of aerosol dynamics: A comparative review of mathematical models. Aerosol Sci. Technol. 5, 205 (1986). https://doi.org/10.1080/02786828608959088
E.R. Whitby, P.H. McMurry. Modal aerosol dynamics modeling. Aerosol Sci. Technol. 27, 673 (1997). https://doi.org/10.1080/02786829708965504
P.R. Estrada, J.N. Cuzzi. Solving the coagulation equation by the moments method. Astrophys. J. 682, 515 (2008). https://doi.org/10.1086/589685
T.L. Chan, Y.H. Liu, C.K. Chan. Direct quadrature method of moments for the exhaust particle formation and evolution in the wake of the studied ground vehicle. J. Aerosol Sci. 41, 553 (2010). https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2010.03.005
E.R. Cohen, E.U. Vaughan. Approximate solution of the equations for aerosol agglomeration. J. Colloid Interface Sci. 35, 612 (1971). https://doi.org/10.1016/0021-9797(71)90219-0
M. Yu, J. Lin, T. Chan. A new moment method for solving the coagulation equation for particles in Brownian motion. Aerosol Sci. Technol. 42, 705 (2008). https://doi.org/10.1080/02786820802232972
Q. Shu, Y. Yang, Y. Zhai, D.M. Sun, H.J. Xiang, X.G. Gong. Size-dependent melting behavior of iron nanoparticles by replica exchange molecular dynamics. Nanoscale 4, 6307 (2012). https://doi.org/10.1039/c2nr30853c
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, M.V. Oprya, O.D. Chursina, A.A. Ennan. Numerical and experimental study of the fume chemical composition in gas metal arc welding. Aerosol Sci. Engin. 2, 109 (2018). https://doi.org/10.1007/s41810-018-0028-2
M.K. Wu, S.K. Friedlander. Enhanced power law agglomerate growth in the free molecule regime. J. Aerosol Sci. 24, 273 (1992). https://doi.org/10.1016/0021-8502(93)90002-Q
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, M.V. Oprya, A.A. Ennan. Coagulation of charged particles in self-organizing thermal plasmas of welding fumes. J. Aerosol Sci. 76, 138 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2014.06.010
Ch. Hagwood, Yu. Sivathanu, G. Mulholland. The DMA transfer function with Brownian motion a trajectory/Monte-Carlo approach. Aerosol Sci. Technol. 30, 40 (1999). https://doi.org/10.1080/027868299304877
M.L. Eggersdorfer, S.E. Pratsinis. The structure of agglomerates consisting of polydisperse particles. Aerosol Sci. Technol. 46, 347 (2012). https://doi.org/10.1080/02786826.2011.631956
M. Miettinen, T. Torvela, J.T.T. Leskinen. Physicochemical characterization of aerosol generated in the gas tungsten arc welding of stainless steel. Ann. Occup. Hyg. 60, 960 (2016). https://doi.org/10.1093/annhyg/mew039
V.I. Vishnyakov, S.A. Kiro, M.V. Oprya, A.A. Ennan. Charge distribution of welding fume particles after charging by corona ionizer. J. Aerosol Sci. 94, 9 (2016). https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2015.12.003
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
