郭朝博,崔露露,李興霞,馬天鳳,周慧琳,吳金杰

(1.河南工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南省金屬材料改性技術(shù)工程技術(shù)研究中心,河南 新鄉(xiāng) 453003;3.河南工學(xué)院 圖書館,河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 序言

作為高質(zhì)量的連接方法,鎢極氬弧(TIG)焊在加工制造業(yè)中已得到廣泛的應(yīng)用。TIG焊電弧具有的復(fù)雜傳熱傳質(zhì)特性可直接影響熔池的形成,并決定焊接質(zhì)量。

TIG焊電弧由于不存在焊絲熔化、熔滴過渡等復(fù)雜的過程,對于焊接電弧機(jī)理的研究具有一定的優(yōu)勢。隨著計算機(jī)技術(shù)、數(shù)值分析方法的發(fā)展,研究人員通過建立大量的二維、三維數(shù)學(xué)模型對焊接電弧[1]、熔池[2]、加工過程[3]等進(jìn)行數(shù)值分析,在TIG焊電弧方面,對焊接電流[4]、保護(hù)氣[5]、鎢極形狀[6]、外加磁場[7]對電弧溫度場、速度場、電弧壓力、電流密度的影響進(jìn)行了研究。

在焊接過程中,工件尺寸的變化時常導(dǎo)致電弧弧長發(fā)生變化,進(jìn)而影響電弧形態(tài)。本文針對TIG焊電弧建立二維軸對稱數(shù)學(xué)模型,對不同焊接弧長作用下的電弧溫度場、速度場等進(jìn)行分析,探討弧長對電弧溫度、等離子速度、電弧壓力等的影響規(guī)律,為焊接參數(shù)的選擇、工藝的優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 基本假設(shè)

基于TIG焊穩(wěn)定燃燒時的電弧特性,建立二維軸對稱數(shù)學(xué)模型,其示意圖如圖1所示。

圖1 TIG焊電弧數(shù)學(xué)模型示意圖

為了簡化TIG焊電弧數(shù)學(xué)模型,對其做出以下假設(shè):

(1)電弧為連續(xù)的等離子流體,且處于層流狀態(tài);

(2)電弧處于局部熱平衡狀態(tài);

(3)電弧是光學(xué)薄的;

(4)由于粘性效應(yīng)導(dǎo)致的熱損失忽略不計。

1.2 控制方程

基于所建立的數(shù)學(xué)模型及基本假設(shè),采用如下控制方程:

1.2.1 磁流體動力學(xué)方程

質(zhì)量守恒方程為:

·(ρv)=0

(1)

動量守恒方程為:

·(ρvv)=F-P+·τ

(2)

能量守恒方程為:

·(ρcpvT)=·(κT)+Q

(3)

式中v是速度,ρ是密度,cp是定壓比熱容,κ是導(dǎo)熱率,P是壓力,T是溫度,F是電磁力,τ是粘度應(yīng)力張量,其表達(dá)式為:

(4)

式中μ是動力粘度,vi是xi方向上的速度分量。

1.2.2 麥克斯韋方程組

電流連續(xù)性方程為:

·(σeΦ)=0

(5)

歐姆定律為:

-σeΦ=σeE=J

(6)

泊松方程為:

2A=-μ0J

(7)

B=×A

(8)

式(5)—(8)中Φ是電勢,E是電場強度,σe是電導(dǎo)率,J是電流密度,A是磁矢勢,μ0是真空磁導(dǎo)率,B是磁通密度。

1.3 邊界條件和源項

1.3.1 邊界條件

在如圖1所示的數(shù)學(xué)模型中,區(qū)域ABCDE為鎢極,其中鎢極直徑為2.4 mm,錐角為60°且其尖端帶有平頂。該模型的邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件

1.3.2 控制方程源項

能量守恒方程源項為:

(9)

式中KB為波爾茲曼常數(shù),e為電子電量,SR是輻射損失。

動量守恒方程源項為:

F=J×B

(10)

2 模擬結(jié)果及分析

針對基本假設(shè),選擇合適的邊界條件,求解控制方程組,分別對弧長為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm和10 mm的TIG焊電弧進(jìn)行數(shù)值分析,在模型中所采用的焊接電流為150 A,保護(hù)氣體為氬氣,其熱物性參數(shù)選自文獻(xiàn)[8],氣體流量為10 L/min。電弧溫度場和等離子體速度場的數(shù)值模擬結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 電弧溫度場分布云圖

圖3 等離子體速度場分布云圖

2.1 電弧弧長對溫度場的影響分析

如圖2所示,在TIG焊電弧弧長較長時(如弧長為10 mm時),電弧明顯呈現(xiàn)出鐘罩型,隨著弧長變短,電弧形狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄綘畹溺娬中?如弧長為6 mm時),隨著弧長進(jìn)一步變短,電弧形狀呈現(xiàn)為倒置的杯型(如弧長為3 mm時)。在陰極區(qū)和陽極區(qū)附近的溫度梯度較大、弧柱區(qū)的溫度梯度較小,電弧的最高溫度均出現(xiàn)在鎢極下方約1 mm的地方,這與文獻(xiàn)[9]的結(jié)果一致。

不同弧長的電弧溫度在軸線上的分布如圖4所示。電弧弧長在6 mm和10 mm之間時,溫度的分布趨勢基本一致。隨著弧長的增長,最高溫度由18,951 K增高到21,990 K,且其增高趨勢是先快后慢的。電弧弧長在3 mm到6 mm變化時,由于弧長較短,電弧不能得到充分的伸展,電弧形態(tài)變化較大。隨著電弧長度的增長,最高電弧溫度變化不大,但其位置逐漸向鎢極移動。

圖4 電弧軸線溫度分布曲線

2.2 電弧弧長對速度場的影響分析

如圖3所示,在焊接電弧中,徑向電磁力指向電弧中心,軸向電磁力指向陽極。在電磁力作用下,弧柱區(qū)的等離子體呈逆時針方向運動。由于在鎢極尖端區(qū)域的電流密度較大,致使在此區(qū)域的電磁力較大。較大的電磁力推動等離子體向陽極運動,并在此區(qū)域形成較大的壓力梯度,使等離子體速度增大。當(dāng)?shù)入x子體到達(dá)陽極區(qū)域時,由于此區(qū)域的電流密度較小,致使電磁力對等離子體的作用降低,等離子體速度開始減小,并開始向四周運動。圖3顯示最大等離子體速度出現(xiàn)在鎢極下方區(qū)域,且隨著距離中心位置的增大,速度逐漸減小。

弧長在4 mm到10 mm范圍之內(nèi),等離子體的最高速度出現(xiàn)在鎢極下方的中心軸上,隨著電弧長度的增長,等離子體的最高速度逐漸增大。圖5為不同弧長作用下等離子體的最高速度變化曲線,從圖中可以看出,隨著弧長的增長,等離子體速度由98.7 m/s(弧長為4 mm時)增大到206.1 m/s(弧長為10 mm時),其增大的趨勢接近于線性。這是由于隨著弧長的增長,弧柱區(qū)的長度不斷增長,電磁場作用區(qū)域增大,較大的電磁力可以使等離子體增大速度,這也進(jìn)一步闡述了隨著弧長的增長,最大等離子速度距離鎢極尖端的距離逐漸增大的原因。在電弧弧長為3 mm時,由于弧長過短,陽極的阻礙作用增強,導(dǎo)致等離子體在鎢極區(qū)域的電磁力作用下無法提供有效的空間進(jìn)行加速,使得等離子體的最高速度出現(xiàn)在鎢極下方中心軸的附近。

圖5 等離子體最高速度隨弧長變化曲線

2.3 電弧弧長對電弧壓力的影響分析

受電磁力作用,等離子體對工件表面具有一定的沖擊性,陽極區(qū)域形成的較大壓降區(qū)使工件表面產(chǎn)生電弧壓力。圖6為不同弧長作用下陽極表面的電弧壓力分布曲線。從圖中可以看出,不同弧長的電弧壓力的分布規(guī)律是基本一致的,電弧中心處的電弧壓力最大,遠(yuǎn)離電弧中心處的電弧壓力逐漸降低,這與文獻(xiàn)[10]中的描述一致。

圖6 電弧壓力分布曲線

隨著電弧弧長的增長,最大電弧壓力由149 Pa(弧長為3 mm時)上升為373 Pa(弧長為10 mm時),呈先快后慢的增大趨勢。電弧弧長的增長使電弧形態(tài)充分伸展,增加了電弧對工件的作用面積。

由于電弧弧長的長短直接影響電弧壓力的分布,也相繼影響焊接熔池的形成,因此選擇合適的電弧弧長有利于焊接質(zhì)量的保障,通過對不同弧長的溫度場、速度場、電弧壓力等進(jìn)行分析,有利于TIG焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化。

3 結(jié)論

(1)針對不同電弧弧長建立了二維軸對稱TIG焊電弧數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值分析,得出不同弧長下電弧溫度場、速度場、電弧壓力的分布規(guī)律。

(2)隨著弧長的增長,電弧形態(tài)由倒置的杯型轉(zhuǎn)變?yōu)殓娬中??；￠L較短時,隨著弧長的增長,最高電弧溫度變化不大,但其位置逐漸向鎢極移動;弧長較長時,隨著弧長的增長,最高電弧溫度呈先快后慢的增高趨勢。

(3)弧長較長時,最大等離子速度出現(xiàn)在鎢極下方,并隨著弧長的增長基本呈線性增大。

(4)隨著弧長的增長,電弧壓力在數(shù)值和作用面積上均增大了。

(責(zé)任編輯 呂春紅)