楊曉鋒，周燦豐

（1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京100029；2.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，北京102617）

惰性氣體保護(hù)焊（tungsten inert gas，簡(jiǎn)稱TIG）因其較高的焊接質(zhì)量和穩(wěn)定的電弧長(zhǎng)度被廣泛應(yīng)用于焊接行業(yè)。焊接電弧物理特性可直接影響熔池表面的熱流分布，進(jìn)而影響到電弧與熔池之間的熱傳遞，對(duì)焊縫的成形和質(zhì)量具有決定性的作用。在實(shí)際焊接過程中，電弧具有很高的溫度以及強(qiáng)烈的弧光，電弧物理特性很難通過試驗(yàn)方法一一確定。采用模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)于焊接現(xiàn)象進(jìn)行研究是一種行之有效的方法，同時(shí)可以大幅度節(jié)約人力、物力和時(shí)間，降低工業(yè)成本。本文選用FLUENT軟件，采用數(shù)值模擬的方法為TIG焊接電弧特性進(jìn)行研究，為焊接過程控制和改進(jìn)提供了理論依據(jù)［1－2］。

1 數(shù)學(xué)模型

焊接過程中產(chǎn)生的等離子體屬于低溫等離子體，其溫度在2 000～25 000K，在研究TIG焊接等離子體的過程中，一般不考慮等離子體的波動(dòng)現(xiàn)象［3］。通常把其看成是由導(dǎo)電粒子所組成的流體，在仿真研究的過程中，作為磁流體來處理。數(shù)學(xué)模型如圖1所示，其中，HI為鎢極尖端，AB為鎢極半徑，DG為陽(yáng)極。

圖1 電弧數(shù)學(xué)模型

1.1 基本假設(shè)

在TIG焊接電弧的模擬過程中，對(duì)其做如下假設(shè)：焊接電弧為光學(xué)??；電弧處于局部熱平衡（LTE）狀態(tài)；忽略電弧等離子體的重力；等離子體流不可壓縮；流動(dòng)狀態(tài)為層流［4－5］。

1.2 控制方程組

1）磁流體方程組。電弧仿真過程中涉及到電磁學(xué)與流體動(dòng)力學(xué)2種理論［6］。

質(zhì)量連續(xù)方程為：

動(dòng)量方程的徑向表達(dá)式為：

動(dòng)量方程的軸向表達(dá)式為：

能量守恒方程為：

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；v是速度。

2）麥克斯韋方程組。

電流連續(xù)方程：

歐姆定律：

安培環(huán)流定律：

式中，Φ是電勢(shì)；σ是電導(dǎo)率；μ0＝4π×10－7，表示真空磁導(dǎo)率。

1.3 邊界條件

焊接電弧數(shù)學(xué)模型邊界條件見表1。

表1 邊界條件

氬元素在高溫狀態(tài)下才具有導(dǎo)電性，設(shè)置弧柱區(qū)的溫度賦值為10 000K。

1.4 Gambit前處理

使用前處理軟件Gambit對(duì)電弧建模并劃分網(wǎng)格，保護(hù)氣流量為20L／min，保護(hù)氣體為氬氣，鎢極半徑為2.4mm，尖端直徑為0.8mm，弧長(zhǎng)為10 mm。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

2 FLUENT計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 電弧溫度場(chǎng)分布

焊接電流恒定為200A，使用FLUENT軟件數(shù)值計(jì)算得到TIG焊接電弧溫度場(chǎng)分布如圖3所示。模擬結(jié)果表明，在靠近陰極區(qū)域，溫度達(dá)到最高值（22 000K左右），這與實(shí)際測(cè)量所得的溫度值基本相符，電弧溫度由鎢極向陽(yáng)極及徑向方向逐漸發(fā)散，溫度下降的速度呈梯度逐漸減小。溫度場(chǎng)中，高溫區(qū)域所顯示的形狀基本呈扇形，這與焊接時(shí)的電弧形狀基本相符。

圖3 TIG焊接電弧溫度場(chǎng)分布

2.2 電弧電勢(shì)場(chǎng)分布

TIG焊接過程中形成電弧的主要原因是存在著電勢(shì)差，在電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下，陰極和陽(yáng)極之間形成了電流，同時(shí)形成了電磁場(chǎng)。電勢(shì)場(chǎng)的分布如圖4所示，在陰極附近，電勢(shì)線密集，電勢(shì)差較大，電勢(shì)隨著離開陰極距離的增大而逐漸發(fā)散，這樣的電勢(shì)差分布導(dǎo)致陰極區(qū)域電流強(qiáng)度和電流密度較大。

圖4 電勢(shì)場(chǎng)分布

2.3 電弧等離子體速度場(chǎng)分布

在電磁場(chǎng)的作用下，電弧中的等離子體受到洛倫茲力的作用從陰極向陽(yáng)極高速運(yùn)動(dòng)，如圖5所示。電弧陰極附近具有較大的電勢(shì)差，陰極區(qū)域的等離子體流動(dòng)速度迅速增大，并在陰極附近達(dá)到最高速度，可達(dá)322m／s。當(dāng)電弧等離子體運(yùn)動(dòng)到陽(yáng)極時(shí)，對(duì)陽(yáng)極造成沖擊，形成電弧壓力，與此同時(shí)，由于陽(yáng)極阻力，電弧等離子體的速度迅速下降。在軸向方向上，偏離中心軸線越遠(yuǎn)，電磁力越弱，電弧等離子體的運(yùn)動(dòng)速度越小。

圖5 速度場(chǎng)分布

3 結(jié)語(yǔ)

本文以TIG焊接電弧為研究對(duì)象，建立了二維TIG焊電弧數(shù)學(xué)模型，并合理假設(shè)了鎢極形狀。采用有限元數(shù)值模擬的方法，利用FLUENT仿真軟件，得到了焊接電流為200A條件下TIG焊接電弧的溫度分布、電勢(shì)分布和等離子體速度場(chǎng)分布。從模擬結(jié)果可知，TIG焊接過程中陰極附近電弧溫度較高，電勢(shì)差較大，電弧等離子體在這個(gè)區(qū)域達(dá)到最高的運(yùn)動(dòng)速度，并逐漸向陽(yáng)極發(fā)散。

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