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      基于FLUENT的TIG焊接電弧數(shù)值模擬*

      2015-11-08 03:57:28楊曉鋒周燦豐
      新技術(shù)新工藝 2015年1期
      關(guān)鍵詞:電勢(shì)差電勢(shì)電弧

      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(lái)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)?。浑娀√幱诰植繜崞胶猓↙TE)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。

      [1]賈海棠.K-TIG焊接電弧特性的數(shù)值分析[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2011.

      [2]Hsu K C,Etemadi K,Pfender E.Study of the freeburning high-intensity argon arc[J].Journal of Applied Physics,1983,54(3):1293-1301.

      [3]喬慧娟.磁場(chǎng)作用下TIG焊接電弧模擬研究[D].北京:北京石油大學(xué),2007.

      [4]Freton P,Gonzalez J J,Gleizes A.Comparison between a two-and a three-dimensional arc plasma configuration[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2000,33(19):2442.

      [5]范紅剛,陸家榆,史耀武.直流TIG焊接電弧的數(shù)值分析[J].海軍工程學(xué)院學(xué)報(bào),1996(3):32.

      [6]Schmidt H P,Speckhofer G.Experimental and theoretical investigation of high-pressure arcs.I.the cylindrical arc column (two-dimensional modeling)[J].Plasma Science,IEEE Transactions on,1996,24(4):1229-1238.

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