張瑞華 ，栗海霞 ，李 明 ，王 榮 ，冷小冰

（1.蘭州理工大學甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；2.蘇州工業(yè)園區(qū)華焊科技有限公司，江蘇 蘇州 215021；3.中山職業(yè)技術(shù)學院，廣東 中山 528404）

0 前言

近年來在國外興起了一種新型高效的焊接技術(shù)——K-TIG焊接法，所謂的K-TIG（Keyhole TIG Welding）焊接法就是在傳統(tǒng)TIG焊接的基礎(chǔ)上，通過大電流（大于300 A）形成的較大電弧壓力與熔池液態(tài)金屬的表面張力實現(xiàn)相對的平衡，形成小孔實現(xiàn)深熔焊接[1]。最大單道焊接厚度可以達到16 mm，不需要開破口，焊接速度達到300～1000 mm/min，焊縫的微觀組織和力學性能優(yōu)于TIG焊[2-4]。目前對K-TIG焊的電弧行為特征研究還很少，數(shù)值模擬的研究更是未見報道。國內(nèi)除了蘇州工業(yè)園區(qū)華焊科技有限公司外，還未見其他機構(gòu)研究該焊接技術(shù)。K-TIG焊接電弧行為特性（包括電弧壓力、電流密度和溫度等）會直接影響到焊縫的組織和性能。由于實際焊接時高溫、高電流密度和強烈的弧光干擾，很難通過實驗直接觀測到電弧的行為特性[5]。在此采用數(shù)值模擬的方法研究了K-TIG焊大電流時的電弧特性，對于焊槍設(shè)計、焊接過程控制和焊縫質(zhì)量評價都具有理論指導意義。

1 數(shù)值模型

1.1 基本假設(shè)

對K-TIG焊接電弧數(shù)學模型中進行了假設(shè)：電弧等離子體處于局部熱平衡狀態(tài)；電弧等離子體具有光學薄層特性；浮力和粘性熱耗散忽略不計；電弧處于不可壓縮狀態(tài)的。

1.2 控制方程組

焊接電弧是一種帶電的流體，可用流體動力學和電磁學相結(jié)合的方法來分析研究，控制方程組如下[6-7]：

質(zhì)量連續(xù)方程

式中 u、v、w 分別為 x、y、z方向的速度；ρ為氣體密度；κ為熱傳導率；μ為粘度；P為氣體壓力；T為溫度；Cp為定壓比熱容；Sx、Sy、Sz分別代表動量方程在x、y、z方向的源項；SH為能量方程的源項。

電流連續(xù)方程

麥克斯韋方程

式中 φ為電勢；F為電磁力；σ為電導率；μ0為真空磁導率，μ0=4π×10-7。

1.3 邊界條件

依據(jù)蘇州華焊科技有限公司提供的焊槍（見圖1）建立物理模型。由于對稱僅給出一半模型進行計算（見圖2），該模型包括焊槍內(nèi)部保護氣體流動區(qū)域、鎢極區(qū)和電弧區(qū)三個部分。其邊界條件如表1所示。

圖1 K-TIG焊槍Fig.1 K-TIG welding torch

圖2 計算模型Fig.2 The geometry model

對稱面為絕熱邊界條件，其他面的溫度為1000 K，整個計算模型區(qū)域內(nèi)溫度賦值為1000 K，弧柱區(qū)的溫度賦值為10000 K。

表1 計算模型邊界條件Tab.1 Boundary conditions of the geometry model

2 模擬方法

用前處理軟件Gambit對焊槍和電弧建模并劃分網(wǎng)格。取鎢極尖端錐角為60°，直徑為10 mm，鎢極頂端半徑1 mm，弧長9 mm，保護氣體流量40 L/min。保護氣體為氬氣，其熱物理性質(zhì)參數(shù)是隨溫度變化而改變的[8]。

由于焊接電弧溫度場和流場分布不均勻，為了保證計算結(jié)果的精度，在陰極端部和電弧中心等較為敏感的部位網(wǎng)格劃分較密，采用將非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和適應(yīng)性網(wǎng)格相結(jié)合構(gòu)成的混合型網(wǎng)格來劃分幾何模型。使用局部網(wǎng)格自適應(yīng)功能對Gambit導入的網(wǎng)格進行局部二次精細化，從而提高了建立網(wǎng)格的效率，如圖3所示。

圖3 有限元模型的網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation employed in the geometry model

3 模擬結(jié)果和分析

焊接電流為800 A時的K-TIG焊接電弧溫度場分布如圖4所示。800 A時鎢電極前沿溫度最高可達32000 K，陰極和陽極前沿溫度梯度較大，電弧中心軸線上的溫度分布較為均勻，溫度場從陽極到陰極區(qū)逐步擴大，溫度逐漸降低，溫度變化梯度減小。電弧高溫部分（T＞10000 K）分布呈圓錐形。不同焊接電流條件下電弧溫度沿電弧軸向的分布情況如圖5所示。由圖可知，隨著電流的增大，軸線上電弧溫度升高，但二者增加的關(guān)系不是線性關(guān)系。電流增加時，弧柱半徑增大較快。

圖4 I=800 A時電弧溫度場分布Fig.4 Distributions of the temperature while I=800 A

圖5 軸線上電弧溫度分布Fig.5 Axial distributions of the temperature

電弧電勢分布如圖6所示。本研究采用直流反接，焊接電流800 A，工件接地為0 V，電極電勢14.3 V。焊接電流為 500 A、800 A、1000 A 時在靠近電極附近都存在較大的電極壓降，1000 A時電勢的變化最為明顯，隨后電勢變化趨于平緩，如圖7所示。

焊接電流為800 A時電弧等離子體速度場分布如圖8所示。等離子體首先沿鎢極尖端斜面向內(nèi)、向下運動，在電磁力作用下形成高速等離子流，最高速度達到730 m/s，當?shù)入x子體流到達工件時，受到阻滯作用，氣流沿徑向向外運動。高速運動的粒子將其動能傳遞給工件，對工件表面產(chǎn)生沖擊力，即電弧壓力。隨著焊接電流的增大，軸向上的等離子體流速度增大，如圖9所示。

圖6 I=800 A時電弧電勢分布Fig.6 Distributions of the potential

圖7 軸線上電弧電勢分布Fig.7 Axial distributions of the potential

圖8 電弧等離子體速度場分布Fig.8 Distributions of the plasma velocity

圖9 軸線上等離子體速度分布Fig.9 Axial distributions of the plasma velocity

電弧壓力等壓線如圖10所示，電弧的陽極區(qū)和陰極區(qū)分別呈現(xiàn)較高的壓力，而遠離這兩個區(qū)域，壓力相應(yīng)減少。圖11與圖12a是焊接電流對電弧壓力的影響。在弧長不變的情況下，隨著焊接電流的增大，工件表面的電弧壓力峰值增大?；￠L為9 mm，當焊接電流從500 A增加到1000 A時，工件表面的電弧壓力峰值從290 Pa升高到2060 Pa?？梢奒-TIG大電流焊接的一個顯著特點就是工件表面的電弧壓力較大，其主要是由電磁力和等離子流對工件表面的沖擊引起的。K-TIG焊適合應(yīng)用于焊接低密度或較低傳導率的金屬，其純金屬在熔點下的表面張力γ＜2500 Pa。焊接過程中，較高的電弧溫度可迅速將焊件的焊縫處金屬加熱到熔化狀態(tài)，高速等離子流形成的較大電弧壓力把熔融的金屬壓向四周，形成一個小孔，當電弧壓力與液態(tài)金屬的表面張力實現(xiàn)相對的平衡，小孔穩(wěn)定。因此，電弧壓力是小孔形成和保持穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。圖12b說明在焊接電流不變的情況下，工件表面的電弧壓力隨弧長的縮短而增大，且峰值半徑減小。

圖10 電弧壓力分布Fig.10 Distributions of the arc pressure

4 結(jié)論

圖11 軸線上電弧壓力分布Fig.11 Axial distributions of the arc pressure

圖12 工件上表面的電弧壓力分布Fig.12 The calculated results of the arc pressure on weldment surface

（1）以K-TIG焊槍為研究對象，根據(jù)磁流體動力學理論構(gòu)建了計算模型，該模型包括焊槍內(nèi)部保護氣體流動區(qū)域和電弧區(qū)。

（2）利用FLUENT軟件，采用有限元數(shù)值模擬方法，考慮紊流，得到了焊接電流為500 A、800 A、1000 A時的溫度分布、電勢分布，壓力分布及等離子體速度場分布狀態(tài)，反映了K-TIG焊接電弧的特性。

（3）大電流形成的較大電弧壓力是小孔形成的關(guān)鍵因素。

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