程葳蕤，唐方，楊成明，李湘文，沈亞仁

(1.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.長沙天一智能科技股份有限公司，湖南 長沙 412000；3.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，湖南 長沙 410007；4.湖南建筑高級技工學(xué)校，湖南 長沙 410015)

0 引言

氣體保護(hù)焊自出現(xiàn)以來，由于其效率高、節(jié)約能源、操作簡單、操作方便、易于機(jī)械化和自動(dòng)化，在實(shí)際和生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，成為手工電弧焊接的替代工藝[1-10]。把采用電磁控制下的電弧焊機(jī)制研究和高效的鎢極惰性氣體保護(hù)焊(tungsten inert-gas arc welding，TIG)技術(shù)相結(jié)合，通過添加外加磁場，控制TIG電弧行為，研究磁場控制下高效TIG的電弧行為，具有重要意義。

20世紀(jì)60年代初開始，國內(nèi)外學(xué)者對TIG接磁場與電弧的相互作用機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。20世紀(jì)90年代開始，磁控焊接技術(shù)的研究開始逐漸發(fā)展。李海剛[11]將間歇交變磁場引入TIG焊接過程。賈昌申[12]等人對不同磁場強(qiáng)度下的TIG電弧進(jìn)行了研究。吳豐順[13]對磁場作用中的帶電粒子進(jìn)行了分析，闡述了電弧的運(yùn)動(dòng)機(jī)制。Tsai[14]等人建立了電弧的數(shù)學(xué)模型，探究焊接電極錐角的角度對電弧形態(tài)的影響。

21世紀(jì)開始，將磁控技術(shù)運(yùn)用到焊接上的研究越來越豐富，采用的手段越來越現(xiàn)代化。羅鍵[15-16]等人分別測定了外加磁場作用下，TIG電弧溫度、電弧在水冷銅陽極板上的等離子流力和電流密度的分布。華愛兵[17]分析了外加磁場作用下的活性氣體保護(hù)電弧焊(metal active gas arc welding，MAG焊)噴射過渡中電弧和熔滴的運(yùn)動(dòng)特征。牛銳鋒[18]等人發(fā)現(xiàn)，外加縱向磁場能夠改變TIG電弧的形態(tài)。Prozorov[19]等人研究外加橫向和縱向非均勻磁場對真空電弧放電特性、等離子體結(jié)構(gòu)和陰極斑點(diǎn)排列的影響。王城[20]等人利用高速CCD觀察等離子體發(fā)生器中陰極的溫度分布。Varghese V.M.J.[21]等人建立了基于磁流體力學(xué)的軸對稱模型，研究了外加縱向磁場對鎢極氣體保護(hù)焊(GTAW)電弧特性的影響。R.M.Urusov和I.R.Urusova[22]對均勻軸向磁場下的直流TIG電弧進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

然而，在目前的技術(shù)研究領(lǐng)域中，磁場參數(shù)(包括磁場頻率、磁感應(yīng)強(qiáng)度等)和縱向磁場位形(包括磁場分布的位置和形狀)對焊接過程的影響在理論上還沒有建立一個(gè)完整的系統(tǒng)。

本文以TIG電弧為研究對象，在學(xué)者研究基礎(chǔ)上建立模型，通過COMSOL仿真，分析在施加直流縱向磁場條件下電弧內(nèi)溫度及電弧內(nèi)帶電粒子速度的分布，觀察溫度場和速度場的變化規(guī)律，從而對TIG電弧的形態(tài)進(jìn)行分析。最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 縱向磁控TIG電弧的仿真模擬

1.1 縱向磁控TIG電弧的模型建立

1.1.1 基本假設(shè)

基于外加縱向磁場TIG的特點(diǎn)，首先做如下假設(shè)[23]。

1)電弧等離子體為光學(xué)薄膜。

2)電弧是軸對稱的，氣體屏蔽環(huán)境是不可壓縮的純氬氣，填充整個(gè)空間。

3)電弧等離子體是層流，滿足局部熱力學(xué)平衡(LTE)條件。

4)電弧等離子體的密度、比熱容、傳熱系數(shù)、電導(dǎo)率等物理參數(shù)，僅與溫度相關(guān)，不會(huì)隨其他條件變化。

5)重力和黏性發(fā)生的熱擴(kuò)散可忽略不計(jì)。

1.1.2 幾何模型建立

本文采用的幾何模型如圖1所示。A、B、C、D、J代表TIG中的鎢極，陰極的錐角為60°；I、H、G、F代表工件(陽極)，材料為銅板，其厚度為2 mm；電弧的弧長(這里是垂直距離AI)是6 mm。A、B、C、D、E、F、I是電弧空間的計(jì)算區(qū)域，也是流動(dòng)區(qū)域和電磁區(qū)域。

圖1 縱向磁控TIG焊接電弧的幾何模型

1.2 模擬結(jié)果和分析

1.2.1 溫度場結(jié)果和分析

如圖2所示，根據(jù)TIG電弧的等溫線形狀可知，未施加直流縱向磁場的焊接電弧呈典型的實(shí)心鐘形；最高溫度垂直出現(xiàn)在陰極下方；最高溫度隨焊接電流的增大而增大，焊接電流越大溫度曲線在軸向上輕微舒展，靠近底部(陽極)的溫度越高。當(dāng)焊接電流為80 A時(shí)，最高溫度為13 500 K，而當(dāng)焊接電流為110 A時(shí)，最高溫度上升到14 900 K。

圖2 無磁場時(shí)不同焊接電流下TIG電弧的溫度場

外加直流縱向磁場TIG電弧在焊接電流為80A和110 A時(shí)的溫度場如圖3和圖4所示。

圖3 焊接電流為80 A時(shí)不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下外加 直流縱向磁場TIG電弧的溫度場

圖4 焊接電流為110 A時(shí)不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下外加 直流縱向磁場TIG電弧的溫度場

當(dāng)施加直流縱向磁場時(shí)，電弧的形狀發(fā)生了顯著變化:電弧的上部(靠近陰極)收縮，而底部(靠近陽極)軸向膨脹，導(dǎo)致空心鐘形電弧(如圖3和圖4所示)。隨著外加直流縱向磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，電弧等溫線形狀的變化更加明顯:對稱軸上的等溫線(靠近陽極)向上偏移(向陰極方向)，導(dǎo)致陰極下方(靠近陽極)出現(xiàn)較低的溫度區(qū)域。同時(shí)，隨著外加直流縱向磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，峰值溫度呈現(xiàn)一定程度的升高。圖3(d)中焊接電流80 A和磁感應(yīng)強(qiáng)度20 mT的最高溫度約為13 600 K。圖4(c)中焊接電流110 A和磁感應(yīng)強(qiáng)度15 mT的最高溫度約為14 800 K，圖4(d)中焊接電流110 A和磁感應(yīng)強(qiáng)度20 mT的最高溫度約為14 900 K。

1.2.2 速度場結(jié)果和分析

焊接電流為80 A和110 A時(shí)的速度等值線如圖5所示。當(dāng)焊接電流為80 A而沒有磁場時(shí)，焊接電弧等離子體的最高速度為49.3 m/s，發(fā)生在陰極正下方，方向向下，如圖5(a)所示。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為5 mT時(shí)，焊接電弧的速度場有明顯的擴(kuò)展，如圖5(b)所示，焊接電弧的最高速度依舊在陰極正下方，呈下降趨勢，速度減小到38.9 m/s。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為10 mT時(shí)，最高速度基本保持不變，但有下降的趨勢，如圖5(c)所示，最大速度向陰極右側(cè)發(fā)生微小偏移，而不是正下方，速度為49 m/s。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為15 mT和20 mT時(shí)，焊接電弧的速度場發(fā)生顯著變化，最大速度出現(xiàn)在對稱軸兩側(cè)，靠近陰極，如圖5(d)、圖5(e)所示，速度場峰值分別為62 m/s和72 m/s。最高速度區(qū)隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增大而遠(yuǎn)離陰極。

圖5 焊接電流為80 A時(shí)不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下外加 直流縱向磁場TIG電弧的速度場

焊接電流為110 A時(shí)速度等值如圖6所示。當(dāng)焊接電流為110 A而沒有磁場時(shí)，焊接電弧的最大速度為111 m/s，位于陰極正下方，方向向下，如圖6(a)所示。最高速度隨焊接電流的增大而增大，焊接電流越大，速度曲線在向上時(shí)壓縮明顯。當(dāng)外加直流磁感應(yīng)強(qiáng)度為5 mT時(shí)，速度場也表現(xiàn)出明顯的擴(kuò)張，最高速度也出現(xiàn)在陰極下方，減小到78 m/s，如圖6(b)所示。當(dāng)外加直流磁感應(yīng)強(qiáng)度為10 mT時(shí)，最大速度向陰極右側(cè)發(fā)生微小偏移，速度下降到83 m/s，如圖6(c)所示。當(dāng)外加直流磁感應(yīng)強(qiáng)度為15 mT時(shí)，最大速度向陰極的右側(cè)發(fā)生較大偏移，速度下降到98 m/s，如圖6(d)所示。當(dāng)外加直流磁感應(yīng)強(qiáng)度為20 mT時(shí)，最高速度區(qū)偏移陰極更遠(yuǎn)，最高速度為111 m/s，發(fā)生在陰極兩側(cè)，如圖6(e)所示。

圖6 焊接電流為110 A時(shí)不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下外加 直流縱向磁場TIG電弧的速度場

2 縱向磁控TIG電弧的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 TIG電弧形態(tài)實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行外加直流和交流縱向磁場作用下的TIG焊接實(shí)驗(yàn)，焊接電弧的弧長保持10 mm不變，如圖7所示。

圖7 TIG焊接電弧形態(tài)

采用不填絲的直流TIG焊進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，利用高速攝像采集系統(tǒng)拍攝記錄TIG電弧的形態(tài)，對采集到的TIG電弧形態(tài)進(jìn)行比較分析。比較電弧形態(tài)變化，在外加不同磁場作用、不同的焊接電流和不同的交流磁場頻率下，分析磁場對電弧形態(tài)的影響規(guī)律。無外加磁場時(shí)，電弧呈圓錐形。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

施加不同的縱向交流磁感應(yīng)強(qiáng)度、不同的縱向交流磁場頻率以及不同的縱向直流磁感應(yīng)強(qiáng)度來進(jìn)行探究。實(shí)驗(yàn)共有3個(gè)因素、5個(gè)水平，選擇正交表中L13(53)計(jì)劃表作為實(shí)驗(yàn)方案，共需進(jìn)行13組正交實(shí)驗(yàn)，大大減少了工作量。

首先在不加磁場的條件下，改變焊接電流的大小，選擇電弧挺度較好的110 A焊接電流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然后固定縱向交流磁場頻率，改變磁場強(qiáng)度大小，由于磁場強(qiáng)度每相隔1 mT差距較小，超過設(shè)備不允許5 mT，因此選擇磁場強(qiáng)度5 mT、3 mT、1 mT。最后改變磁場頻率，因?yàn)樵O(shè)備限制，1 Hz無法得到穩(wěn)定輸出信號，1 kHz、2 kHz頻率過高超出信號發(fā)生器能夠提供的最大電壓，無法實(shí)驗(yàn)，所以選擇磁場頻率100 Hz、10 Hz。具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 TIG電弧形態(tài)實(shí)驗(yàn)參數(shù)(交流磁場)

交流電源選擇正弦波形，其他固定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 TIG電弧形態(tài)實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.2.1 外加交流縱向磁場對電弧形態(tài)的影響

施加交流縱向磁場時(shí)，保持縱向交變磁場頻率為100 Hz，不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的TIG電弧形態(tài)如圖8所示。與無磁場時(shí)比較，電弧由圓錐形變?yōu)殓娬中?，電弧旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變，呈周期性的正反方向交替的螺旋旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖8 外加交流縱向磁場時(shí)不同磁場強(qiáng)度下的電弧形態(tài)

外加交流縱向磁場時(shí)，電弧輪廓明顯變小，電弧尾端有明顯地匯聚。隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，電弧旋轉(zhuǎn)速度加劇，且電弧形態(tài)輕微發(fā)散。

施加交流縱向磁場時(shí)，保持縱向交流磁感應(yīng)強(qiáng)度為3 mT，不同磁場頻率下的TIG電弧形態(tài)如圖9所示。

圖9 外加交流縱向磁場時(shí)不同磁場頻率下的電弧形態(tài)

當(dāng)外加交流縱向磁場頻率為1 Hz時(shí)，由于磁場頻率過低，難以形成約束，因而起弧困難，電弧發(fā)生劇烈擺動(dòng)，無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。磁場頻率由10 Hz變到100 Hz，電弧的擺動(dòng)幅度變小，且電弧形態(tài)輕微收縮，更加穩(wěn)定。

2.2.2 外加直流縱向磁場對電弧形態(tài)的影響

施加直流縱向磁場時(shí)，通入不同的直流磁場激勵(lì)電流，影響磁感應(yīng)強(qiáng)度變化后的TIG電弧形態(tài)如圖10所示。

圖10 外加直流縱向磁場時(shí)不同磁場激勵(lì)電流下的電弧形態(tài)

在施加直流縱向磁場的情況下，磁場激勵(lì)電流越大，即磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，電弧中帶電粒子所受到的洛倫茲力越大，電弧的旋轉(zhuǎn)半徑就越大，電弧形態(tài)越發(fā)散。然而，當(dāng)磁場激勵(lì)電流過大(I1=5 A)時(shí)，電弧開始變得不穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文主要研究在施加縱向磁場下，TIG電弧的運(yùn)動(dòng)軌跡。

1)施加直流縱向磁場時(shí)，TIG電弧的上部收縮、底部軸向膨脹，呈鐘罩形，磁場激勵(lì)電流越大，即磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，電弧的旋轉(zhuǎn)半徑就越大，電弧形態(tài)越發(fā)散。隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，對稱軸上的等溫線向上偏移，陰極下方出現(xiàn)較低的溫度區(qū)域。電弧內(nèi)的帶電粒子向陰極兩側(cè)發(fā)生偏移，最高速度區(qū)隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而遠(yuǎn)離陰極。然而，當(dāng)磁場激勵(lì)電流過大時(shí)，電弧開始變得不穩(wěn)定。

2)施加交流縱向磁場時(shí)，TIG電弧輪廓明顯變小，電弧尾端有明顯地匯聚，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，電弧旋轉(zhuǎn)速度加劇，且電弧形態(tài)輕微發(fā)散。當(dāng)交流縱向磁場處于低頻段時(shí)，隨著磁場頻率的增加，電弧的擺動(dòng)幅度變小，且電弧形態(tài)輕微收縮，更加穩(wěn)定。