Fume emissions by electric arc during gas metal arc welding

Abstract

The influence of welding arc regime on the welding fumes formation is studied by numerical modeling via description of separate processes inside the space charge regions near electrodes in the welding arc with consumable electrode. The modeling comprises the calculation of temperature profiles for electrons and heavy component, calculation of space distribution of gas components’ number densities, of gas particles’ mean free pathes, of electric potential and field, calculation of the heat transfer from electrode wire (anode) to molten pool (cathode). The formation of high temperature metal vapor from molten pool to environment as a function of arc current is demonstrated. The nucleation in the plasma of welding fumes is considered with taken into account ionization of vapor atoms via their interaction with nucleus surface. The growth of nucleus droplets via vapor condensation and coalescence is calculated. The coagulation of solid primary particles for various values of welding current is calculated and inhalable particle size distribution is demonstrated.

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.