基于計(jì)算機(jī)仿真的雙鎢極間接氣體保護(hù)焊接電弧參數(shù)分布

段小斌

（廣西工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530003）

基于計(jì)算機(jī)仿真的雙鎢極間接氣體保護(hù)焊接電弧參數(shù)分布

段小斌

（廣西工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530003）

采用計(jì)算機(jī)仿真方法、針對(duì)間接電弧的參數(shù)分布特點(diǎn)對(duì)雙鎢極間接氣體保護(hù)焊進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。該焊接方法節(jié)能、高效且焊接工件的變形小，但熱輸入?yún)s很低。為了分析其熱輸入較低的原因，首先利用有限元軟件建立了間接電弧的有限元模型，并計(jì)算電弧的一系列特征參數(shù)，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：雙鎢極間接電弧具有面對(duì)稱特征，且電弧偏向陽極方向，呈倒鐘罩形態(tài)。陰極區(qū)電弧參數(shù)均小于陽極區(qū)。與等離子弧焊和鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）相比，在該焊接方法中被焊工件并不與電極相連，主要靠弧柱區(qū)端部加熱，該區(qū)域較低的電弧壓力、熱流密度和等離子體流速使得工件的熱輸入低，且熔深淺。

雙鎢極間接電弧焊接；電??；有限元法；數(shù)值模擬

0　前言

雙絲間接電弧氣體保護(hù)焊是一種新興的焊接方法。在焊接過程中，電源正負(fù)兩極分別接于兩根焊絲上，兩焊絲端部之間形成間接電弧。間接電弧產(chǎn)生大量熱量，但母材很少被熔化，熱量主要用于熔化焊絲，故電能的利用率以及焊絲的熔敷系數(shù)較高。而且焊接時(shí)電流幾乎不流經(jīng)母材，這使得該焊接方法具有較小的熔合比，工件上會(huì)產(chǎn)生較小的焊接應(yīng)力，工件變形也小，因此該方法是一種高效的焊接工藝，應(yīng)用前景廣闊[1-2]。

電弧等離子體是一種粒子流的平衡體，這些粒子在熱、電、力、磁、光、聲等的共同作用下相互影響、相互制約?，F(xiàn)階段，對(duì)于電弧的認(rèn)知和理解還不全面，因此許多學(xué)者對(duì)電弧過程進(jìn)行了全面、詳細(xì)研究[3-4]。在此采用鎢絲作為焊絲研究了雙絲間接氣體保護(hù)焊的電弧特征形態(tài)和電弧參數(shù)。由于焊接過程的特殊性以及電弧的高溫特征，僅采用試驗(yàn)方法很難研究電弧特性。因此采用計(jì)算機(jī)仿真方法對(duì)雙鎢極間接電弧進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，采用六面體網(wǎng)格劃分，分析電弧形貌和電弧參數(shù)，這對(duì)了解電弧本質(zhì)以及電弧理論有著十分重要的意義。

1　數(shù)學(xué)模型

間接電弧一般以面對(duì)稱的形式存在，而電弧可以被認(rèn)為是一種牛頓黏性流體。因?yàn)殡娀〕署ば?，又由于固體界面的存在，因此在黏性力的作用下流體微元會(huì)進(jìn)行有旋運(yùn)動(dòng)。本研究在真實(shí)反映實(shí)際焊接過程的基礎(chǔ)上，為了得到更為精確的計(jì)算結(jié)果并縮短計(jì)算時(shí)間，建立了三維模型，選取模型的1/2進(jìn)行模擬計(jì)算，并提出了以下假設(shè)：

（1）電弧輻射過程中的重新吸收量與總的損失相比可忽略不計(jì)，即電弧被認(rèn)為是光學(xué)薄的。

（2）電弧被認(rèn)為一直處于局部的熱動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

（3）焊接時(shí)采用純氬氣進(jìn)行保護(hù)，電弧區(qū)域忽略熔滴過渡；電弧被認(rèn)為是不可壓縮的層流狀態(tài)。

（4）電弧與雙鎢極的中心軸線所在平面對(duì)稱；電極表面是平面。

電弧區(qū)域的模型及對(duì)應(yīng)尺寸如圖1所示。圖1中IBCJ為陽極，MFEL為陰極，兩者夾角30°，且均為鎢極。圖中HPRN所在的矩形區(qū)域?yàn)殡姶艌龅挠?jì)算區(qū)域，將陰極、陽極去除后則是流場計(jì)算區(qū)域。

圖1　電弧區(qū)域模型及尺寸

1.1控制方程

質(zhì)量連續(xù)性方程

動(dòng)量守恒方程

能量守恒方程

式中ρ為等離子體的密度；t為時(shí)間；V為速度矢量；H為焓值；p為壓力；κ為熱導(dǎo)率；cp為定壓比熱容；Φ為耗散功率；SR為輻射流的密度；J為電流密度；σ為電導(dǎo)率；μ為黏性系數(shù)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

1.2麥克斯韋方程

歐姆定律

電流連續(xù)方程

安培環(huán)流定律

1.3邊界條件

雙鎢極之間產(chǎn)生的間接電弧并非以軸對(duì)稱的形式存在，因此需要給出各計(jì)算區(qū)域處的邊界條件。

（1）電場。電場包括陽極區(qū)域和陰極區(qū)域，其中陽極上表面IJ施加零電壓，陰極上表面LM施加電流，其余表面電壓、電流不做規(guī)定。

（2）磁場。對(duì)稱面HPRN施加垂直磁力線，外圍表面施加零磁力線，EF表面施加平行磁力線，PR面的磁力線為零。

（3）流場。外圍表面的速度、相對(duì)壓力設(shè)置為零，PR、HN面相對(duì)壓力也設(shè)為零。HPRN面在垂直方向施加零速度分量，陰陽極表面速度為零，兩極表面溫度設(shè)為2500K。電弧區(qū)域的氬氣溫度設(shè)為10000K，以保證電弧區(qū)導(dǎo)電。

2　求解過程及其試驗(yàn)驗(yàn)證

電弧的有限元模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。電弧區(qū)域采用六面體映射網(wǎng)格劃分，這有利于使計(jì)算收斂并提高計(jì)算精度。在陰極和陽極中心軸線附近區(qū)域溫度會(huì)有較大變化，因此該位置的網(wǎng)格密度較大。

電弧中等離子體的溫度分布可以通過流體守恒方程求解得到。在焊接過程中，氬氣電導(dǎo)率會(huì)隨著溫度變化而變化，氬氣電導(dǎo)率的變化會(huì)直接影響電流、洛侖茲力和焦耳熱分布，而后兩者又將會(huì)對(duì)電弧等離子體的溫度產(chǎn)生影響。由此可見，在模擬焊接過程中需要對(duì)電弧模型進(jìn)行流場和電磁場的耦合計(jì)算。在處理物理特性隨溫度變化的氬氣時(shí)，則需要將電磁場、流場和電場三者進(jìn)行物理環(huán)境的間接耦合。首先計(jì)算模型電流密度分布，并將結(jié)果導(dǎo)進(jìn)磁場計(jì)算中，得到焦耳熱、電磁力分布后，將二者轉(zhuǎn)換為體積生熱和體積力代入流場，通過一系列耦合后得到溫度和速度的分布，再將溫度分布導(dǎo)入電場中得到電流分布。需要注意的是，在計(jì)算時(shí)要考慮電弧等離子體的黏性生熱項(xiàng)。將上述過程進(jìn)行反復(fù)計(jì)算直至收斂。在計(jì)算過程中，求解難點(diǎn)是計(jì)算流體時(shí)會(huì)發(fā)生不收斂現(xiàn)象，此時(shí)需要對(duì)壓力、動(dòng)力松弛因子、慣性松弛因子、溫度、迭代次數(shù)和壓力求解器進(jìn)行合理控制，以利于計(jì)算收斂。

圖2　電弧有限元模型及網(wǎng)格劃分

為了驗(yàn)證模型的有效性和準(zhǔn)確性，需要將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。本研究采用速度60幀/s的高速攝像機(jī)拍攝焊接時(shí)的電弧形貌，高速攝像機(jī)型號(hào)為Fast cam Super-10KC。

3　模擬結(jié)果和分析

在有限元模型中，雙鎢極的直徑均為2.0 mm，且兩鎢極夾角30°、中心點(diǎn)相距6.2 mm。模擬中，選取50 A的焊接電流，計(jì)算并分析電弧溫度、電弧中等離子體的流速、電弧壓力和電弧的熱流密度分布。

3.1電弧溫度

模擬計(jì)算后得到的電弧溫度分布云圖如圖3所示。電弧在陰陽兩極區(qū)域的溫度最高，均在15 000K以上。從圖3中還能發(fā)現(xiàn)電弧向陽極方向偏轉(zhuǎn)，這與電場對(duì)電弧區(qū)的電子進(jìn)行加速以及洛倫茲力的影響有關(guān)。與傳統(tǒng)電弧相比，間接電弧形態(tài)產(chǎn)生了明顯的變化。一般情況下，傳統(tǒng)電弧呈現(xiàn)鐘罩型，下部直徑大，上部直徑較小，并與電弧軸線所在的橫截面垂直。焊接時(shí)采用直流正接，即陽極區(qū)加熱工件，往往溫度較高，工件受熱面積較大，并產(chǎn)生較大的焊接熱輸入。間接電弧則相反，其電弧形態(tài)為倒鐘罩形，上大下小，工件加熱溫度低，受熱面積小，而且產(chǎn)生的焊接熱輸入較小。

圖3　電弧溫度場分布云圖

高速攝像機(jī)拍攝的間接電弧形態(tài)如圖4所示。拍攝得到的電弧形態(tài)與圖3中模擬計(jì)算結(jié)果吻合性較好。圖4中的電弧也偏向于陽極一端，且7000 K以上電弧發(fā)光區(qū)域與拍攝得到的輪廓較為接近，因此可以認(rèn)為模擬結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。

圖4　電弧高速攝像圖片

3.2電弧壓力

模擬后得到的電弧壓力分布云圖如圖5所示。焊接時(shí)在陰陽兩極表面均形成一個(gè)高壓區(qū)，該區(qū)域較小，近似呈圓形，面積小于1 mm2，其中壓力為700～1 550 Pa。計(jì)算區(qū)域的電弧壓力最大值處于陽極區(qū)為1 550 Pa，外圍電弧壓力則直接降到100 Pa以下。當(dāng)與兩極表面距離超過2 mm時(shí)，電弧壓力快速降低，直至出現(xiàn)負(fù)值。通過雙鎢極間接電弧對(duì)工件進(jìn)行焊接時(shí)產(chǎn)生電弧壓力只有相同條件下等離子弧焊和TIG焊的幾分之一，因此采用間接電弧進(jìn)行焊接時(shí)，焊接熔深淺。

圖5　電弧壓力場分布云圖

3.3等離子體流速

電弧等離子體流速矢量分布如圖6所示。由圖6可知，最大流速位于陽極區(qū)，為463.129 m/s。陽極區(qū)電弧等離子體的最大流速略高于陰極區(qū)，但兩者均大于350 m/s。陰極表面有電子流出，且與陰極垂直，并偏轉(zhuǎn)向陽極位置。電子中絕大部分在兩極間流動(dòng)，有很少一部分通過工件區(qū)域，這就導(dǎo)致了工件處的焊接熱輸入小、焊接熔深淺。

圖6　電弧等離子體流速分布

在與陰陽兩極垂直方向上的兩側(cè)分別取10個(gè)點(diǎn)，間距為0.5 mm。將模擬計(jì)算得到的電弧等離子體流速提取出來繪制出流速分布曲線，如圖7所示。

圖7　垂直電極表面方向等離子體流速分布

由圖7可知，陰極去的等離子體流速小于陽極區(qū)，這與前文溫度、電弧壓力計(jì)算結(jié)果相符合。當(dāng)遠(yuǎn)離電極表面時(shí)，等離子體的流速均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，尤其在0～2 mm范圍時(shí)流速數(shù)值下降最快，隨后下降趨勢(shì)逐漸放緩，數(shù)值低于100 m/s。此時(shí)電弧等離子體流速相比TIG焊的陽極區(qū)明顯偏小，因此熔深淺。

3.4電弧熱流密度

電弧的熱流密度分布云圖如圖8所示。在兩極區(qū)域附近，電弧的熱流密度較大，而弧柱區(qū)熱流密度則較小。

圖8　電弧熱流密度分布云圖

按照?qǐng)D7方式取點(diǎn)，得到如圖9所示的電弧熱流密度分布曲線。由圖9可知，陽極區(qū)熱流密度最大值為0.172×109W/m2，陰極區(qū)則為0.151×109W/m2。當(dāng)遠(yuǎn)離兩極表面時(shí)，熱流密度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)距兩極表面距離為1.5 mm時(shí)，數(shù)值僅為最大值的1/10，隨后呈現(xiàn)平緩的下降趨勢(shì)。陰極區(qū)熱流密度小于陽極區(qū)，因此陽極區(qū)溫度高，電弧偏向陽極。弧柱區(qū)的熱流密度很小，尤其端部更小，較小的熱流密度使得被焊工件的熱輸入降低。

圖9　垂直電極表面方向熱流密度分布

3.5不可壓縮流體的假設(shè)以驗(yàn)證

馬赫數(shù)可以用來判斷氣體的壓縮性。當(dāng)馬赫數(shù)小于0.3時(shí)，認(rèn)為氣體是不可壓縮的。馬赫數(shù)表示為

式中v為氣體流速；c為當(dāng)?shù)芈曀佟?/p>

計(jì)算得到的電弧區(qū)域氣體馬赫數(shù)最大值為0.180 584，小于0.3，因此氣體認(rèn)為是不可壓縮的，這也就對(duì)假設(shè)進(jìn)行了驗(yàn)證，認(rèn)為這種假設(shè)是可信的。

3.6討論

在本研究涉及的焊接方法中，兩極電流僅在雙鎢極之間流動(dòng)，工件在焊接時(shí)不接入電極，并遠(yuǎn)離熱量較高的兩極區(qū)域以及高溫弧柱區(qū)，僅由端部的弧柱區(qū)進(jìn)行加熱。而傳統(tǒng)的焊接方法則是通過電極斑點(diǎn)對(duì)工件進(jìn)行加熱，因此本研究方法造成了焊接時(shí)較低的熱輸入以及較淺的熔深。

通過對(duì)所建模型的模擬計(jì)算可知，間接電弧在陽極產(chǎn)生最高溫度，數(shù)值為17 307 K，而且陽極溫度明顯高于陰極區(qū)。這是因?yàn)殛帢O表面在發(fā)射電子后，電子在洛倫茲力、黏性阻力和電場力的作用下，在陰極表面的微小區(qū)域形成較大的電流，導(dǎo)致電場強(qiáng)度大，生成較多的磁場熱量。同時(shí)，又由于黏性阻力小于電場力，電子速度在陰極明顯被加速，動(dòng)能較高，其宏觀表現(xiàn)就是溫度，因此等離子體在陰極附近速度大，電弧溫度高。在弧柱區(qū)內(nèi)，由于較低的電場強(qiáng)度、電流密度和磁場生熱，同時(shí)電子受到的黏性阻力大于電場力，因此電子速度、動(dòng)能降低，最終導(dǎo)致等離子體流速小，電弧溫度較低。當(dāng)電子進(jìn)入陽極區(qū)域時(shí)，較小的作用面積導(dǎo)致較大的電流，較高的電場強(qiáng)度和電磁生熱，又由于等離子體被重新加速，使得其動(dòng)能增加；當(dāng)電子對(duì)陽極進(jìn)行轟擊時(shí)，其動(dòng)能被傳遞到陽極區(qū)，這就導(dǎo)致陽極區(qū)域等離子體流速快、溫度高、熱流密度大。

洛倫茲力能夠使得從陰極流出的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，沿弧線流向陽極。本研究的焊接方法與等離子弧焊、TIG焊相比，其等離子體流速、最大電弧壓力以及熱流密度等參數(shù)的數(shù)值相當(dāng)，但間接電弧所對(duì)應(yīng)的上述參數(shù)最大值均在電極區(qū)出現(xiàn)。陰極區(qū)各參數(shù)均小于陽極區(qū)，且在電極附近位置（0～2 mm）下降明顯，此過程數(shù)值降到約最大值的1/10，隨后降低過程逐漸緩慢。間接電弧對(duì)應(yīng)的弧柱端部的等離子體流速、熱流密度和電弧壓力均小于等離子弧焊和TIG焊，工件的焊接熱輸入較小。

4　結(jié)論

被焊工件依靠弧柱區(qū)端部進(jìn)行加熱，這是造成較低熱輸入、較淺熔深的根本原因。雙鎢極間接電弧面對(duì)稱，并偏向陽極區(qū)，呈倒鐘罩形態(tài)。陽極表面的各項(xiàng)參數(shù)均大于陰極，最大值也出現(xiàn)在陽極附近。等離子體沿弧線在兩極流動(dòng)，極少經(jīng)過被焊工件，與等離子弧焊和TIG焊所對(duì)應(yīng)的同類參數(shù)相比，雙鎢極間接氣體保護(hù)焊接時(shí)，電弧對(duì)焊接熔池的沖擊力較小，流經(jīng)陰陽兩極表面的熱流密度更小，因此這種焊接方法的熱輸入較低。

[1]張順善，吳東亭，鄒增大，等.磁場對(duì)雙絲間接電弧形態(tài)的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2010，31（7）：87-90.

[2]曹梅青，鄒增大，張順善，等.雙絲電弧焊研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27（2）：88-92.

[3]王燕.藥芯焊絲電弧焊熔滴過渡與焊接飛濺[J].電焊機(jī)，2013，43（4）：96-99.

[4]白巖，高洪明，吳林.等離子—熔化極氣體保護(hù)焊電弧特性研究現(xiàn)狀[J].電焊機(jī)，2007，37（9）：17-19.

Research on arc parameters distribution of twin-tungsten indirect gas shielded welding based on the computer simulation

DUAN Xiaobin
（Guangxi Career Technical College，Nanning530003，China）

According to parameters distribution of indirect arc，numerical simulation method was adopted to study the twin-tungsten indirect gas shielded welding.This welding method saves energy with high efficiency，and the welding deformation is small，but the heat input is very low.In order to analyze the cause of the relatively low heat input，the finite element model of indirect arc is first established by the finite element software，and a series of characteristic parameters are calculated and compared with the measured results.The Results show that the twin-tungsten indirect gas shielded welding shows the plane symmetry feature.The arc turns to the anode area with the inverted bell shape.Arc parameters values of the cathode area are less than that of the anode area.Compared with plasma arc welding and tungsten inert gas welding(TIG)，the workpieces are not connected to the electrode during welding，and heated mainly by arc column area with low pressure，heat flux density and plasma arc velocity，which lead to low heat input and melting depth of the workpieces.

twin-tungsten indirect arc welding；electric arc；finite element method；numerical simulation

TG444+.72

A

1001－2303（2015）11－0112-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.23

2014-09-03；

2014-11-28

2013年度廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（2013YB338）

段小斌（1982—），男，山西臨汾人，講師，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的研究。