鄭世達(dá) 克里夫出·益戈里 韓善果 蔡得濤

(廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院),廣州 510650)

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反極性等離子切割的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

鄭世達(dá) 克里夫出·益戈里 韓善果 蔡得濤

(廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院),廣州 510650)

通過(guò)建立反極性等離子切割的數(shù)值模型，模擬了不同參數(shù)下的等離子體熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征。結(jié)果表明，等離子體在槍體內(nèi)被加熱加速并在壓縮孔道內(nèi)達(dá)到峰值，而在擴(kuò)散區(qū)域和工件切割腔內(nèi)等離子體的溫度和速度基本保持恒定；等離子槍體的幾何尺寸(噴嘴直徑和壓縮孔道長(zhǎng)度)和工藝參數(shù)(電流、離子氣流量和噴嘴高度)對(duì)等離子體的溫度和速度具有重要的影響。

反極性等離子切割 槍體幾何尺寸 等離子體溫度 等離子體速度

0 序 言

相對(duì)于正極性等離子切割，反極性等離子切割的優(yōu)勢(shì)在于：在同樣的能量參數(shù)下，弧長(zhǎng)增加；在工件上形成更多的陰極斑點(diǎn)，可以減少切口寬度10%～15%；等離子體能量流分配更加均勻，有利于提高切割邊緣垂直度；切割厚度增加，切割效率提高15%～20%[1-3]。等離子切割槍是等離子切割設(shè)備的關(guān)鍵部件，其可靠性、耐久性和切割性能的提高不僅需要高效的冷卻系統(tǒng)，還需要槍體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化，因?yàn)闃岓w孔道尺寸、噴嘴直徑與離子氣流量、溫度和壓力差密切相關(guān)[4]。但關(guān)于反極性等離子切割槍的文獻(xiàn)極少，文中研究目的是利用數(shù)值模擬的方法，模擬槍體結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對(duì)熱場(chǎng)、流場(chǎng)的影響。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h2>

反極性等離子切割槍示意圖如圖1所示。反極性等離子切割設(shè)備上的工件接負(fù)極、焊槍接正極,槍體內(nèi)的陽(yáng)極為中空銅電極，通過(guò)絕緣旋流器與噴嘴分開(kāi)，電極和噴嘴內(nèi)部均有水冷孔道。工作時(shí)，等離子弧在中空銅電極和工件間燃燒，離子氣通過(guò)旋流器切向孔供給到加熱腔中。渦流離子氣在加熱腔內(nèi)產(chǎn)生氣旋，使得等離子根部沿著陽(yáng)極的內(nèi)表面快速移動(dòng)，從而避免局部過(guò)熱熔化。此外，形成的氣旋在等離子弧與中空銅電極、噴嘴之間形成了有效的熱絕緣，并確?；≈谧畹挽o態(tài)壓力區(qū)域仍能保持沿加熱腔軸線的穩(wěn)定。

圖1 反極性等離子切割槍

為了描述反極性等離子槍的熱過(guò)程和氣體動(dòng)力學(xué)過(guò)程，在邊界層可使用簡(jiǎn)化的磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)系統(tǒng)[5]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

圖2為空心陽(yáng)極反極性等離子切割槍設(shè)計(jì)圖，其中RA為中空電極的內(nèi)半徑，其長(zhǎng)度一直延伸到Z1；等離子弧陽(yáng)極點(diǎn)的位置為ZA，一般由試驗(yàn)獲得；離子氣G通過(guò)螺旋形孔道Z1≤z≤Z2進(jìn)入等離子槍內(nèi)；離子氣被電弧加熱后，經(jīng)噴嘴導(dǎo)流后(Z3≤z≤Z4)進(jìn)入壓縮孔道，壓縮孔道直徑為Re，長(zhǎng)度為Z4；等離子穿過(guò)空氣后，便在待割金屬上形成直徑為Rc的切割孔洞，Rc值由試驗(yàn)獲得。由上可知，等離子弧在等離子槍體、切割腔和空氣三個(gè)部分中燃燒。

圖2 反極性等離子切割槍設(shè)計(jì)方案

對(duì)于對(duì)稱軸，邊界條件應(yīng)滿足：

而對(duì)于特殊對(duì)稱軸(0≤z≤Zc1)，邊界條件應(yīng)滿足：

在等離子槍體內(nèi)(r=Rc(z)，z≤0)，當(dāng)

Rc(z)=RA；z

Rc(z)=RA;z

離子氣通過(guò)等離子槍的切向螺旋孔道形成渦流，其流量公式為：

(7)

其等離子槍孔道的初始化條件為z=Z1;相應(yīng)的離子氣輸入通道的外橫截面：

(8)

w(r,Z0)=w0(r),T(r,Z0)=T0(r)

(9)

根據(jù)給定的Z0=Z1橫截面上等離子分布，可以確定等離子弧槍的工作孔道(Z1≤z≤0)、開(kāi)放區(qū)域(0≤z≤Zc1)、切割孔(Zc1≤z≤Zc2)以及空心陽(yáng)極(ZA≤z≤Z1)等離子體流的參數(shù)。

反極性等離子切割槍體的實(shí)際尺寸Re=2 mm，Z4=-8 mm，Z3=-13 mm，Z2= -17 mm，Z1=-18.5 mm，ZA= -58.5 mm，RA=7 mm。槍頭距離切割工件距離為9 mm，切割工件的厚度為Zc2-Zc1=70 mm，電源負(fù)極Zc位于切割工件背部,即Zc=Zc2,且切割腔Zc2≤z≤Zc1。一個(gè)半徑為RC的圓柱體，切割槍頭工作參數(shù)為：電流I=350 A，離子氣流量G=6.42 m3/ h。為了研究不同工藝參數(shù)對(duì)等離子切割的影響以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的優(yōu)化，在計(jì)算模型中，工作電流變化范圍為200～400 A，離子氣流速變化范圍為5～8 m3/h，壓縮孔道半徑R2變化范圍1.5～3 mm，它的長(zhǎng)度變化范圍為7～10 mm，工件到切割頭距離變化范圍為8～10 mm，被切割工件厚度變化范圍為15～70 mm。

2 模擬結(jié)果分析與討論

圖3為反極性等離子切割時(shí)等離子體沿軸向的溫度、速度分布模擬計(jì)算結(jié)果。由圖可知，等離子體在等離子槍、擴(kuò)散區(qū)、切割腔內(nèi)的規(guī)律如下：低溫的等離子體在孔道Z1≤z≤Z2處匯聚，并在狹窄導(dǎo)電區(qū)域(ZA)被加熱電離，等離子體溫度高達(dá)15～24 kK，但速度較低，同時(shí)在環(huán)形通道壁的冷卻作用下，加熱區(qū)域的等離子體保持著壓縮狀態(tài)。在Z3≤z≤Z4區(qū)間，等離子體逐漸被壓縮，等離子體的速度和溫度大幅度增加，速度達(dá)1 500～3 000 m/s，溫度達(dá)18～22 kK。在壓縮孔道Z4≤z≤0，速度急劇增加，而溫度降低，速度達(dá)3 000～7 000 m/s，溫度為16～18 kK。在0≤z≤Zc1范圍內(nèi)等離子體開(kāi)始擴(kuò)散，但等離子槍噴嘴和被切割表面距離較短，等離子體沒(méi)有足夠時(shí)間擴(kuò)展，其溫度和速度只是略微下降。在電磁場(chǎng)作用下，等離子體進(jìn)入工件切割腔(Zc1≤z≤Zc2)，受周?chē)诘淖饔锰幱趬嚎s狀態(tài)，速度較為均一，隨著電弧逐漸填滿切割腔，等離子體重新分布，導(dǎo)致等離子體的溫度小幅度下降而速度小幅度增加。

圖4和圖5分別為等離子槍噴嘴出口和被切割工件表面的等離子體徑向速度和溫度分布，由圖可知，在流量相同的條件下，噴嘴直徑越大，即等離子體接觸到被切割工件時(shí)其接觸直徑相應(yīng)增加，其對(duì)應(yīng)的等離子體速度急劇下降。在工件表面，隨著距軸線距離的增加，等離子體溫度和速度逐漸降低。

圖6～7為等離子槍頭噴嘴出口(z=0)、被切割產(chǎn)品表面(z=Zc1)的軸向速度、等離子體溫度隨電流、離子氣流量變化圖。由圖中可知，擴(kuò)散區(qū)(0≤z≤Zc1)的等離子體軸向速度隨著電流、離子氣流量的增加而增加；等離子體溫度隨電流的增加而增加，而隨離子氣流量的變化不大，這主要是因?yàn)榈入x子體邊緣溫度場(chǎng)的擴(kuò)張以及等離子電導(dǎo)率的降低，其焦耳熱相應(yīng)的增加，電弧擴(kuò)散部分的等離子體溫度變化不是很顯著。

圖3 沿軸線的等離子體軸向速度和溫度分布(1，4，5：I=350 А，G=6.42 m3/h; 2：I=200 А,G=6.42 m3/h; 3：I=350 А，G=8 m3/h;1，2，3：Re=2 mm，Zc1=9 mm; 4：Re=3 mm,Zc1 =9 mm; 5：Re=2 mm，Zc1=12 mm)

圖4 槍頭噴嘴出口(z=0)的徑向速度和溫度分布(1,4：I=350 А，G=6.42 m3/h; 2：I=200 А，G=6.42 m3/h;3：I=350 А，G=8 m3/h;1，2，3：Re=2 mm，Zc1=9 mm;4：Re=3 mm，Zc1=9 mm)

圖5 被切割工件表面(z=Zc1)的徑向速度和溫度分布(1，4，5： I=350 А，G=6.42 m3/h; 2：I=200 А，G=6.42 m3/h;3：I=350 А，G=8 m3/h;1，2，3：Re=2 mm，Zc1=9 mm;4：Re=3 mm，Zc1=9 mm; 5：Re=2 mm，Zc1=12 mm)

圖6 電流對(duì)等離子體軸向速度、溫度的影響曲線(1：等離子槍噴嘴出口(z=0);2：被切割產(chǎn)品表面(z=Zc1))

圖7 離子氣流量對(duì)等離子體軸向速度、溫度的影響曲線(1：等離子槍頭噴嘴出口(z=0);2：被切割產(chǎn)品表面(z=Zc1))

等離子槍噴嘴幾何尺寸對(duì)等離子體氣體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性影響如圖8～9所示，由圖可知，當(dāng)噴嘴直徑為某一值時(shí)，軸向速度達(dá)到峰值，但隨著等離子體擴(kuò)散范圍的增加而急劇下降。隨著壓縮孔道長(zhǎng)度增加，電弧在等離子壓縮孔道內(nèi)的時(shí)間增加，等離子槍噴嘴出口的等離子體溫度和速度相應(yīng)增加。

圖10為噴嘴高度對(duì)等離子體的氣體動(dòng)力學(xué)特性和熱力學(xué)特性影響曲線圖，由圖可知，工件表面的等離子體速度和溫度隨噴嘴高度的增加而直線減少。

圖8 噴嘴直徑對(duì)等離子體軸向速度、溫度的影響曲線(1：等離子槍頭噴嘴出口(z=0);2：被切割產(chǎn)品表面(z=Zc1))

圖9 壓縮孔道長(zhǎng)度對(duì)等離子體軸向速度、溫度的影響曲線(1：等離子槍頭噴嘴出口(z =0);2：被切割產(chǎn)品表面(z=Zc1))

圖10 噴嘴高度對(duì)等離子體軸向速度、溫度的影響曲線(1：等離子槍頭噴嘴出口(z=0);2：被切割產(chǎn)品表面(z=Zc1))

3 結(jié) 論

(1)以簡(jiǎn)化磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)方程為基礎(chǔ)，結(jié)合反極性等離子切割槍的幾何結(jié)構(gòu)，建立了氣體熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬模型。

(2)模擬了不同條件下反極性等離子切割時(shí)等離子體沿軸向的溫度、速度分布模擬計(jì)算結(jié)果，可知離子體在槍體內(nèi)被加熱加速，且在壓縮孔道內(nèi)達(dá)到峰值，而在擴(kuò)散區(qū)域和工件切割腔內(nèi)等離子的溫度和速度基本保持恒定。

(3)模擬了不同條件下反極性等離子切割時(shí)等離子體在噴嘴出口和工件表面的徑向溫度、速度分布模擬計(jì)算結(jié)果，在流量相同的條件下，噴嘴直徑越大，其對(duì)應(yīng)的等離子體速度急劇下降；在工件表面，隨著距軸線距離的增加，等離子體溫度和速度逐漸降低。

(4)模擬了等離子槍噴嘴幾何參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)等離子體在噴嘴出口和工件表面軸向溫度和速度的分布規(guī)律，擴(kuò)散區(qū)(0≤z≤Zc1)的等離子體軸向速度隨著電流、離子氣流量的增加而增加；等離子體溫度隨電流的增加而增加，而隨離子氣流量的變化不大；當(dāng)噴嘴直徑為某一值時(shí)，軸向速度達(dá)到峰值，但隨著等離子體擴(kuò)散范圍的增加而急劇下降。隨著壓縮孔道長(zhǎng)度增加，電弧在等離子壓縮孔道內(nèi)的時(shí)間增加，等離子槍噴嘴出口的等離子體溫度和速度相應(yīng)增加；工件表面的等離子體速度和溫度隨噴嘴高度的增加而減少。

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2017-02-20

高端鋁制船體等離子-MIG復(fù)合焊接技術(shù)(2015B050502007)；激光與等離子先進(jìn)制造技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(201101C0104901263);第三批“外專千人計(jì)劃”(WQ20124400119)資助項(xiàng)目。

TG407

鄭世達(dá)，1961年出生，學(xué)士，高級(jí)工程師。主要從事焊接技術(shù)研究，已發(fā)表論文20篇。