石 玗 郭朝博 黃健康 樊 丁

1)(蘭州理工大學(xué)，有色金屬合金及加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050)2)(蘭州理工大學(xué)，甘肅省有色金屬新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050)(2010年4月12日收到;2010年5月26日收到修改稿)

脈沖電流作用下TIG電弧的數(shù)值分析*

石 玗1)郭朝博2)黃健康2)樊 丁1)

1)(蘭州理工大學(xué)，有色金屬合金及加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050)2)(蘭州理工大學(xué)，甘肅省有色金屬新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050)(2010年4月12日收到;2010年5月26日收到修改稿)

建立了脈沖電流下自由燃燒的TIG電弧的二維軸對(duì)稱數(shù)學(xué)模型，利用FLUENT軟件，通過(guò)選擇合適的邊界條件和強(qiáng)烈耦合控制方程組對(duì)脈沖TIG電弧進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了在焊接電流周期性變化下電弧形態(tài)、電弧溫度場(chǎng)、電弧軸線方向上的溫度和速度及焊接工件表面電弧壓力的變化情況;針對(duì)電弧壓力，得到了不同峰值電流、占空比、脈沖頻率作用下的分布情況，并分析了它們?cè)诿}沖電流作用下的周期性變化規(guī)律.分析結(jié)果表明:當(dāng)脈沖電流發(fā)生突變時(shí)，它們的變化滯后于脈沖電流的變化，且從基值電流向峰值電流變化時(shí)的響應(yīng)速度更快，并最終達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài);在分析過(guò)程中電弧壓力隨峰值電流的增大而大幅度增大;隨占空比的增大，有緩慢增大的趨勢(shì);隨著脈沖頻率的增加，電弧壓力逐漸不能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且其最大電弧壓力有減小的趨勢(shì).

脈沖TIG焊，電弧，數(shù)值模擬，F(xiàn)LUENT

PACS:81.20.Vj，02.60.Cb，52.65.－y

1.引 言

脈沖TIG焊接是近年來(lái)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種焊接方法，與恒流TIG焊相比，脈沖TIG焊利用周期變化的電流進(jìn)行焊接，其電弧穩(wěn)定，熱輸入小，便于精確控制電弧能量分布，有利于獲得細(xì)化的晶粒組織，且可對(duì)薄板及可焊性較差的金屬進(jìn)行焊接.由于脈沖焊接的控制參數(shù)較多且其過(guò)程是非穩(wěn)態(tài)的，致使其流場(chǎng)與熱場(chǎng)遠(yuǎn)比恒流TIG焊復(fù)雜，因此對(duì)脈沖TIG焊的物理過(guò)程進(jìn)一步了解，能夠更好的控制和改進(jìn)其焊接過(guò)程.

對(duì)恒流電弧等離子體的數(shù)值建模與分析國(guó)內(nèi)外研究人員已進(jìn)行了大量的研究工作［1—10］，但對(duì)于脈沖 TIG電弧的相關(guān)研究還很欠缺.Fan等［11，12］對(duì)不同鎢極形狀、占空比、弧長(zhǎng)長(zhǎng)度的脈沖TIG電弧的電弧壓力進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了其變化規(guī)律，但沒有考慮焊接電弧形狀及溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等對(duì)焊接電弧的作用.

本文在已有恒流TIG焊數(shù)值分析的基礎(chǔ)上［7—10］，采用 FLUENT 軟 件，并 對(duì) 其 進(jìn) 行 UDF 二次開發(fā)，對(duì)脈沖電流作用下的非穩(wěn)態(tài)TIG電弧的流動(dòng)和傳熱過(guò)程建立了數(shù)學(xué)模型，得到了在脈沖電流作用下不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)以及工件表面的電弧壓力分布情況，進(jìn)一步對(duì)模型分析得到了不同峰值電流、占空比、頻率下電弧壓力的變化曲線，并在此基礎(chǔ)上分析了它們隨脈沖電流的變化規(guī)律.

2.數(shù)學(xué)模型

2.1.基本假設(shè)

電弧的數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示，在計(jì)算中對(duì)電弧作如下假設(shè):電弧等離子體處于局部熱平衡狀態(tài)，且關(guān)于其軸線對(duì)稱;電弧氣體是大氣壓力下的氬氣;電弧是光學(xué)薄的，并處于層流狀態(tài);不考慮熔池對(duì)電弧的影響;鎢極端部的電流密度是均勻分布的;不考慮陰極區(qū)與陽(yáng)極區(qū)的物理過(guò)程;由于黏性效應(yīng)導(dǎo)致的熱損失忽略不計(jì).

2.2.控制方程

1)磁流體動(dòng)力學(xué)方程質(zhì)量連續(xù)性方程

圖1 電弧的數(shù)值計(jì)算模型示意圖

動(dòng)量方程的徑向表達(dá)式

動(dòng)量方程的軸向表達(dá)式

能量方程

式中ρ是密度，μ是黏度，Cp是比熱容，k是導(dǎo)熱系數(shù)，P是壓力，T是溫度，F(xiàn)r和 Fz分別是體積力在 r和z方向上的分量.

2)麥克斯韋方程組

電流連續(xù)性方程

歐姆定律

安培環(huán)流定律

徑向及軸向的體積力分量

其中σ是電導(dǎo)率，φ電勢(shì)，J是電流密度，B是磁感應(yīng)強(qiáng)度.

2.3.邊界條件和源項(xiàng)

1)邊界條件

邊界AB有

邊界BC有

邊界CD有

邊界DE有

邊界EF有

邊界AF有

其中σ為電導(dǎo)率，φ電勢(shì)，ugiv為給定的軸向速度，rc為鎢極凸臺(tái)半徑.由于氬氣的電導(dǎo)率在溫度小于6000 K時(shí)非常小，為了保證氣體處于導(dǎo)電狀態(tài)，工件表面BC的溫度設(shè)置為6000 K.

2)能量方程源項(xiàng)

其中σ為電導(dǎo)率，kB為波爾茲曼常數(shù)，e為電子電量，SR是輻射損失.以上熱物性參數(shù)均選自文獻(xiàn)［13］.

2.4.網(wǎng)格劃分

采用FLUENT軟件對(duì)電弧模型進(jìn)行數(shù)值分析，利用前處理軟件Gambit建立弧長(zhǎng)為10 mm，鎢極直徑為3.2 mm，錐角為30°且其尖端帶有平頂?shù)臄?shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分.劃分的網(wǎng)格如圖2所示.

圖2 計(jì)算區(qū)域劃分的網(wǎng)格

3.模擬結(jié)果與分析

3.1.電弧溫度場(chǎng)的分布

基于上述模型，對(duì)TIG電弧進(jìn)行了數(shù)值分析.所采用的焊接規(guī)范參數(shù)為:焊接電流采用方波直流脈沖，Ip=120 A，Ib=40 A，脈沖峰值作用時(shí)間 tp與基值作用時(shí)間 tb相等，tp=tb=10 ms，頻率50 Hz，占空比為0.5，其輸入電流波形見圖3，保護(hù)氣體為氬氣，流量為10 L/min.采用FLUENT軟件模擬了在該脈沖電流一周期內(nèi)焊接電弧溫度場(chǎng).

圖3 電流波形

圖4表示了在一個(gè)周期內(nèi)隨脈沖電流變化的電弧形狀(由電弧溫度在10000 K的溫度曲線表示，其中前1 ms每?jī)蓷l曲線之間的時(shí)間間隔為0.1 ms，之后為1 ms)的變化情況.圖4(a)表示電弧形狀從峰值電流向基值電流的變化情況，由圖中可知，當(dāng)電流發(fā)生突變時(shí)，電弧形狀發(fā)生大幅度的收縮，且隨著時(shí)間的進(jìn)行，其變化幅度有所減小，并很快達(dá)到一個(gè)相對(duì)的穩(wěn)定值.圖4(b)表示電弧形狀從基值電流向峰值電流的變化情況，從圖中可知，當(dāng)電流發(fā)生突變時(shí)，電弧形狀同時(shí)發(fā)生大幅度的伸展(其幅度大于圖4(a))，且達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間更短.

圖4 電弧在一周期內(nèi)的溫度過(guò)渡情況 (a)峰值電流到基值電流;(b)基值電流到峰值電流

圖5表示分別在達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后的峰值電流和基值電流時(shí)溫度場(chǎng)的分布情況.圖5(a)為峰值電流時(shí)的溫度分布，從圖中可知，最高溫度出現(xiàn)在鎢極正下方約1 mm處，且最高溫度可達(dá)到21800 K，其電弧形狀呈現(xiàn)明顯的鐘罩形.圖5(b)為基值電流時(shí)的溫度分布，其最高溫度只能達(dá)到14000 K，且其電弧形狀不具備鐘罩形，只能起到維弧作用.

圖5 電弧溫度分布圖 (a)峰值電流;(b)基值電流

圖6表示一個(gè)脈沖電流作用下的電弧溫度在不同時(shí)刻沿軸線方向上的分布曲線(其中前1ms每?jī)蓷l曲線之間的時(shí)間間隔為0.1 ms，之后為1 ms).從圖4—6中可以看出在脈沖電流進(jìn)行躍變后的作用時(shí)間內(nèi)，電弧的溫度場(chǎng)并不是隨著脈沖電流的變化一步到位的，而是存在著一定的滯后性.圖7表示在距離鎢極分別為1，3，5，7和9 mm時(shí)的溫度曲線.從圖中可以看出，隨著鎢極距離的增大，電弧溫度的滯后性有所增大，這與圖6中溫度曲線在不同時(shí)刻的變化情況是一致的.

圖6 電弧溫度在軸線方向上的的分布圖 (a)峰值電流到基值電流;(b)基值電流到峰值電流

圖7 在鎢極下方不同點(diǎn)的溫度曲線

3.2.電弧等離子的速度分布

圖8 等離子速度在軸線方向上的的分布圖 (a)峰值電流到基值電流;(b)基值電流到峰值電流

圖8表示了電弧軸線方向上等離子速度場(chǎng)在一個(gè)周期內(nèi)的變化情況(其中前1 ms每?jī)蓷l曲線之間的時(shí)間間隔為0.1 ms，之后為1 ms).當(dāng)?shù)入x子速度達(dá)到一個(gè)相對(duì)的穩(wěn)定值后，其在距離陰極不遠(yuǎn)處達(dá)到最大值，隨著距陰極距離的增大，速度逐漸減小，到達(dá)陽(yáng)極時(shí)速度為零.電弧在基值作用時(shí)間內(nèi)(如圖8(a)所示)，電流較小，使得電弧的能量減小，溫度下降，導(dǎo)電率降低，從而電流密度降低，使得電磁力減小，導(dǎo)致等離子流速度降低，其最大速度只能達(dá)到40 m/s，且其變化趨勢(shì)與電弧溫度變化相符，隨著到鎢極的距離的增加，響應(yīng)速度逐漸降低.反之，在峰值作用時(shí)間內(nèi)，在鎢極端部不遠(yuǎn)處，等離子速度迅速增大，而在距離鎢極端部較遠(yuǎn)處，等離子速度增大的趨勢(shì)較小，最終達(dá)到穩(wěn)定值后，最大速度可達(dá)280 m/s.

3.3.電弧壓力分布

等離子體在電磁力作用下在軸向上由陰極向陽(yáng)極高速流動(dòng)，當(dāng)?shù)入x子流到達(dá)陽(yáng)極時(shí)，由于受到陽(yáng)極表面的阻礙，從而產(chǎn)生對(duì)陽(yáng)極表面的沖擊力即電弧壓力.由于不同的焊接電流影響等離子速度的大小，進(jìn)一步影響電弧壓力的大小.因此為了進(jìn)一步研究脈沖TIG焊對(duì)熔池的影響，分析了熔池表面的電弧壓力分布情況，圖9為圖1中電弧正下端點(diǎn)B處電弧壓力與脈沖電流之間的關(guān)系.由圖可見，電弧壓力的變化能夠跟隨電流的變化，但其變化滯后于電流的變化.這說(shuō)明在電流躍變過(guò)程中，電弧壓力的變化與等離子速度的變化相一致，符合慣性系統(tǒng)規(guī)律.在峰值電流時(shí)，由于電流密度較大，致使電弧壓力較大，最高可達(dá)166 Pa.在基值電流時(shí)，由于電流密度較小，致使電弧壓力很小，只能達(dá)到20 Pa.

圖9 電弧正下端B點(diǎn)電弧壓力與電流的變化關(guān)系

圖10中曲線a和c分別表示在脈沖電流下，工件上受到最大和最小壓力時(shí)的壓力分布.與在平均電流I=80 A作用時(shí)的穩(wěn)態(tài)電弧壓力(如圖10中曲線b)相比，其工件表面所受的最大電弧壓力約是恒流作用下的4倍，大幅度提高了焊接電弧對(duì)熔池的作用力.

圖10 工件表面電弧壓力分布

3.4.不同峰值電流作用下電弧壓力分布

為了進(jìn)一步研究焊接電流對(duì)電弧壓力的影響情況，又由于基值電流只起到維弧作用，因此對(duì)不同的峰值電流作用下的電弧進(jìn)行了數(shù)值分析.圖11為峰值電流分別為130和120 A，基值電流為40 A時(shí)電弧正下端B點(diǎn)處電弧壓力的分布情況.由于脈沖電流的變化直接影響電弧中電流密度的變化，進(jìn)而使電弧中的電磁力發(fā)生變化，最終影響到等離子體對(duì)工件表面的沖擊力，使電弧壓力發(fā)生變化.從圖11中可以看出，當(dāng)峰值電流較大時(shí)在工件表面表現(xiàn)出較大的電弧壓力分布，而且雖然峰值電流只有10 A的差距，然而電弧壓力卻相差近80 Pa，可見電弧壓力對(duì)變化電流的靈敏度較高，且焊接電流在很大程度上影響電弧壓力的變化.

圖11 不同峰值電流作用下B點(diǎn)處電弧壓力的分布曲線

3.5.不同占空比作用下電弧壓力分布

在脈沖電流作用下，通過(guò)周期性變化的電流使焊接電弧對(duì)工件表面進(jìn)行周期性作用，為了實(shí)現(xiàn)更精確的熱輸入，可以通過(guò)采用不同的占空比對(duì)其進(jìn)行控制.為了進(jìn)一步研究焊接電流對(duì)工件熱輸入的影響，對(duì)不同占空比作用下的電弧壓力進(jìn)行了數(shù)值分析.圖12為占空比分別為0.1和0.9時(shí)電弧壓力的分布情況.從圖9和圖12中可以看出，在占空比較小的情況下(如圖12(a)所示)，在峰值電流作用時(shí)電弧壓力并沒有達(dá)到穩(wěn)定值，其最大電弧壓力可達(dá)到163 Pa;當(dāng)占空比較大時(shí)(如圖12(b)所示)，由于焊接電流長(zhǎng)時(shí)間處于峰值電流，使電弧壓力達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定態(tài)，其最大電弧壓力可達(dá)170 Pa;然而在占空比為0.5時(shí)(如圖9所示)，最大電弧壓力可達(dá)166 Pa.可見隨著占空比的增大，電弧壓力有增大的趨勢(shì)，但其變化趨勢(shì)不太明顯.然而焊接電弧對(duì)工件的熱輸入又可以通過(guò)平均電流表示(圖12對(duì)應(yīng)的平均焊接電流分別為53.67 A和114.54 A).可見隨著占空比的增大，峰值電流作用時(shí)間不斷增長(zhǎng)，平均電流逐漸增大，導(dǎo)致焊接電弧作用在工件上的熱輸入不斷增大，因此對(duì)不同占空比作用下的電弧進(jìn)行數(shù)值分析，對(duì)選擇合適的熱輸入有一定的指導(dǎo)作用.

圖12 不同占空比作用下B點(diǎn)處電弧壓力的分布曲線 (a)占空比為0.1;(b)占空比為0.9

3.6.不同脈沖頻率對(duì)電弧壓力的影響

由于在熔池形成上，在每一個(gè)峰值電流作用時(shí)，在焊件上形成一個(gè)熔池，并迅速擴(kuò)大;而在每一個(gè)基值電流作用時(shí)，熔池迅速收縮凝固.因此為了加強(qiáng)對(duì)焊接熔池尺寸的了解，對(duì)不同頻率的脈沖電流作用下的電弧壓力進(jìn)行了數(shù)值分析.圖13為脈沖頻率分別為10 Hz和100 Hz時(shí)電弧壓力的分布曲線.從圖9和圖13中可以看出，在頻率較低時(shí)(如圖13(a)和圖9所示)，電弧壓力在脈沖電流作用下達(dá)到穩(wěn)定值，而且在一個(gè)周期內(nèi)峰值電流和基值電流作用時(shí)間較長(zhǎng)，能夠形成較深的熔池;在較高的焊接頻率時(shí)(如圖13(b)所示)，電弧壓力并沒有達(dá)到穩(wěn)定值，其最大電弧壓力值也略小一些，但由于熔池中熔化與凝固時(shí)間交替較快，將會(huì)導(dǎo)致較小的熔池尺寸.

圖13 不同脈沖頻率作用下B點(diǎn)處電弧壓力的分布曲線 (a)頻率為10 Hz;(b)頻率為100 Hz

4.結(jié) 論

本文建立了脈沖電流作用下的二維TIG電弧的數(shù)值分析模型，獲得了電弧的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)及電弧壓力在脈沖電流作用下的周期性變化情況.在低頻焊接中電弧形態(tài)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)及電弧壓力在峰值電流和基值電流作用期間都可以達(dá)到一個(gè)相對(duì)的穩(wěn)定狀態(tài)，但都滯后于脈沖電流的變化，且從峰值電流向基值電流變化時(shí)的滯后時(shí)間大于從基值電流向峰值電流變化的滯后時(shí)間，其中溫度場(chǎng)對(duì)脈沖電流的響應(yīng)速度最快.在一個(gè)脈沖電流中，在峰值電流作用下的電弧壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在平均電流作用下的電弧壓力，且最大電弧壓力隨峰值電流的增大而增大，隨占空比的增大，有緩慢增大的趨勢(shì)，對(duì)焊接熱輸入的控制有一定的指導(dǎo)作用.在進(jìn)行低頻焊接時(shí)，電弧壓力可以達(dá)到穩(wěn)定的焊接狀態(tài)，但隨著脈沖頻率的增加，電弧壓力逐漸不能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且其最大電弧壓力有減小的趨勢(shì).

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Numerical simulation of pulsed current tungesten inert gas(TIG)welding arc*

Shi Yu1)Guo Chao-Bo2)Huang Jian-Kang2)Fan Ding1)
1)(Key Laboratory of Non-ferrous Metal Alloys，The Ministry of Education，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)2)(State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)(Received 12 April 2010;revised manuscript received 26 May 2010)

A two-dimensional axisymmetric model of free burning tangsten inert gas(TIG)arc under the action of pulsed current is developed.Using the FLUENT software and choosing appropriate boundary conditions and strongly coupling control equations，a pulsed TIG arc is simulated.The variations of arc form，temperature field，temperature and velocity on the arc axis and surface pressure distribution of the workpiece are obtained and analyzed in the periodic current process;under the action of different values of peak current，duty ratio and pulse frequency，the arc pressure distributions are obtained and analyzed.The results show that they lag behind the variation of pulse current，the variation from base current to peak current is faster，then eventually reaches a relativly stable state;with the increase of peak current，the arc pressure increase greatly;with the increase of duty ratio，the arc pressure increases slowly;with the increase of pulse frequency，the arc pressure cannot reach a stable state gradually，and the max arc pressure tends to decrease.

pulsed current TIG welding，arc，numerical simulation，F(xiàn)LUENT

.E-mail:gcb1216@yahoo.cn

*國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):50805073)資助的課題.

.E-mail:gcb1216@yahoo.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.50805073).

PACS:81.20.Vj，02.60.Cb，52.65.－y