Ar-Fe混合氣氛下電弧等離子體數(shù)值模擬

任思蒙，李志勇，薛銅輝，宋承勝

（中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030051）

Ar-Fe混合氣氛下電弧等離子體數(shù)值模擬

任思蒙，李志勇，薛銅輝，宋承勝

（中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030051）

采用傳統(tǒng)焊接方法，保護(hù)氣體中通常會(huì)混入金屬蒸汽進(jìn)而影響焊接過程，應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)考慮鐵蒸汽氣氛下焊接電弧進(jìn)行數(shù)值模擬。通過前處理、加載、求解、后處理模擬出Ar-Fe不同比例下電弧溫度場(chǎng)的分布。通過比較幾種不同比例下的焊接電弧溫度場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，隨著鐵蒸汽的增大，電弧等離子體的溫度明顯下降；鐵蒸汽達(dá)到一定比例，電弧呈收縮態(tài)。相比純氬氣，考慮了鐵蒸汽的等離子體的熱力學(xué)參數(shù)和輸運(yùn)參數(shù)等因素的不同是造成以上差異的主要原因。

數(shù)值模擬；溫度場(chǎng)；等離子體；鐵蒸汽

0 前言

近年來，焊接技術(shù)迅速發(fā)展，其過程也越來越復(fù)雜，在采用試驗(yàn)手段研究焊接過程時(shí)，很難對(duì)其機(jī)理進(jìn)行完整說明。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展和推廣，數(shù)值模擬已經(jīng)成為一種科學(xué)研究手段，這種研究方法也為探究焊接物理過程提供了方便。

焊接過程中都會(huì)產(chǎn)生金屬蒸汽。金屬蒸汽可改變電弧等離子體的電導(dǎo)率等物性參數(shù)，進(jìn)而改變熱量、電流和弧形的分布，影響焊接過程，目前國(guó)內(nèi)對(duì)考慮金屬蒸汽氣氛的焊接電弧模擬研究還很少。A. B.Murphy[1]在考慮有金屬蒸汽的情況下，運(yùn)用CFX流體軟件模擬出考慮金屬蒸汽下的電弧溫度場(chǎng)、金屬蒸汽的質(zhì)量分布場(chǎng)以及等離子體的流速場(chǎng)。Iwao等人[2]建立二維TIG焊電弧的自洽模型，研究發(fā)現(xiàn)鐵蒸汽濃度分布受脈沖電流波形的影響。M.Schnick等人的[3]研究表明考慮金屬蒸汽下的GMAW焊接電弧溫度場(chǎng)要比不考慮金屬蒸汽時(shí)的溫度低一些。H.Terasaki等人[4]的研究表明電弧等離子體中出現(xiàn)的金屬蒸汽會(huì)影響電弧的熱力學(xué)性能，明顯降低等離子體中的電子溫度。

本研究利用大型有限元分析軟件ANSYS，在考慮鐵蒸汽氣氛下，得出焊接電弧溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果，并對(duì)比分析不同比例Ar-Fe蒸汽混合氣氛下的電弧。

1 數(shù)值模擬

1.1 基本假設(shè)[5-6]

（1）電弧等離子體處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)（LTE）；（2）電弧等離子體是光學(xué)薄的，即輻射的重吸收和總的輻射損失相比可以忽略不計(jì)；（3）電弧為穩(wěn)定、連續(xù)和對(duì)稱的，電弧的流動(dòng)處于層流狀態(tài)；（4）電弧等離子體的密度、比熱、粘性、導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率等物理參數(shù)都僅為溫度的函數(shù)；（5）對(duì)于粘性效應(yīng)產(chǎn)生的熱量損失忽略不計(jì)。

1.2 控制方程

在電弧等離子體計(jì)算過程中需要采用質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程及能量守恒方程三大守恒方程，同時(shí)還需要建立麥克斯韋電磁方程[7]聯(lián)立求解。

（1）質(zhì)量守恒方程。

（2）動(dòng)量守恒方程。

軸向動(dòng)量方程

徑向動(dòng)量方程

（3）能量守恒方程。

式中vz和vr為軸向和徑向速度；ρ為密度；P為壓力；μ為黏度；k為熱導(dǎo)率；cp為定壓比熱容；jz和jr分別為軸向和徑向的電流密度；Bθ為切向磁感應(yīng)強(qiáng)度；e為電子電量；▽h為熱焓；Ur為輻射散熱。

（4）麥克斯韋方程組。

電流連續(xù)方程

式中Ф為電勢(shì)；μ0為真空磁導(dǎo)率；σ為導(dǎo)電率。

1.3 物性參數(shù)

純氬氣氛、90％氬與10％鐵蒸汽混合氣氛、50％氬與50％鐵蒸汽混合氣氛下等離子體的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的曲線如圖1所示。假設(shè)在Ar-Fe蒸汽比例確定的前提下，電弧等離子體的熱力學(xué)參數(shù)僅由溫度決定[8-9]。

圖1 不同比例下Ar-Fe等離子體的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率Fig.1 Dependence of electrical conductivity and thermal conductivity on temperature

1.4 計(jì)算域和邊界條件

采用非熔化極氣體保護(hù)焊計(jì)算模型，電弧數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域如圖2所示。GF和FE分別為進(jìn)氣口和出氣口，進(jìn)氣口的速度vgas為10 m/s。鎢極角度60°，焊接電流100 A。

圖2 電弧計(jì)算區(qū)域Fig.2 Computational domains for welding arc

基于以上電弧模型的設(shè)定，設(shè)置邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件Tab.1Boundary condition

1.5 求解思路

采用物理環(huán)境間接耦合法來處理電場(chǎng)、磁場(chǎng)和流場(chǎng)三場(chǎng)間問題。先給定電弧區(qū)域一個(gè)初始溫度，得出電流密度分布；將電場(chǎng)中的電流密度分布作為載荷耦合到磁場(chǎng)中，計(jì)算出電磁力和焦耳熱的分布；再將磁場(chǎng)分析出的電磁力和焦耳熱作為體積力和體積熱耦合到流場(chǎng)中，從而計(jì)算出流場(chǎng)的溫度分布；最后將流場(chǎng)模擬出的溫度分布耦合到電場(chǎng)中，再次計(jì)算電流密度分布，這樣就形成了電、磁、流場(chǎng)的耦合計(jì)算，將這一過程循環(huán)直至收斂。

2 鐵蒸汽氣氛下的模擬結(jié)果

根據(jù)等離子體的熱力學(xué)參數(shù)可知，當(dāng)溫度較低時(shí)，電弧等離子體的電導(dǎo)率很小，為了保證電弧弧柱區(qū)的導(dǎo)電性，在初始化時(shí)，給定等離子的初始溫度為10 000 K。

2.1 不同組分鐵蒸汽對(duì)電弧溫度的影響

純氬氣和鐵蒸汽比例為10％和50％的電弧溫度場(chǎng)分布結(jié)果如圖3所示。經(jīng)分析可知，焊接過程中，弧柱區(qū)的電弧等離子體會(huì)受到電磁力的作用，電流由陽極流向陰極，由左手定則可以判斷出電磁力是向下、向內(nèi)的，所以等離子體的運(yùn)動(dòng)方向也是向下、向內(nèi)。由于電磁力在陰極表面附近達(dá)到最大值，所以等離子體的流速在此處也有最大值，當(dāng)?shù)入x子體受電磁力繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)陽極表面時(shí)，被陽極銅冷極冷卻，其流速迅速下降并受到銅冷極的阻礙作用，等離子體向外流動(dòng)，這樣就形成了呈鐘罩型分布的溫度場(chǎng)，如圖3a所示。

圖3 不同Ar-Fe蒸汽混合氣氛的電弧溫度分布Fig.3 Temperature distribution of different argon-iron vapour mixtures

對(duì)比圖3可知，近陰極表面附近溫度最高，但隨著鐵蒸汽含量的增加，電弧等離子體的溫度明顯下降，當(dāng)鐵蒸汽含量達(dá)到50％時(shí)，純氬氣下的陰極附近最高溫度由26 047 K下降到16 658 K。這是因?yàn)椋阂环矫婀虘B(tài)鐵發(fā)生相變需要大量能量，這些能量來源于周圍等離子體的熱量，導(dǎo)致弧柱區(qū)溫度降低；另一方面來自電極的焊絲、熔滴以及熔池中的鐵蒸汽溫度比等離子體的溫度低得多，當(dāng)這些鐵蒸汽進(jìn)入高溫等離子體時(shí)也會(huì)大量吸收附近等離子體的熱量，并隨著鐵蒸汽含量的增大，吸收熱量也越來越多，使得等離子體的溫度持續(xù)降低。

2.2 不同組分鐵蒸汽對(duì)電弧形態(tài)的影響

觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，電弧形態(tài)發(fā)生了很大變化，隨著鐵蒸汽的進(jìn)入，電弧形態(tài)開始收縮，當(dāng)鐵蒸汽含量達(dá)到50％時(shí)，電弧形態(tài)已經(jīng)顯現(xiàn)出壓縮電弧的形態(tài)。這主要由兩方面因素引起：（1）隨著鐵蒸汽含量的增加，需要不斷吸收電弧的熱量，即電弧的熱損失越來越大，而由最小電壓原理可知，在電流和周圍條件一定的情況下，穩(wěn)定燃燒的電弧將自動(dòng)選擇一適當(dāng)截面，以保證電弧的電場(chǎng)強(qiáng)度具有最小的數(shù)值，即在固定弧長(zhǎng)上的電壓最小。在這種情況下，電弧會(huì)自動(dòng)縮小其斷面積，以減小能量損耗。（2）考慮到鐵蒸汽下的等離子體和純氬氣下的等離子體的物性參數(shù)不同，由圖1可知，尤其在溫度超過5 000 K以后，熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率都發(fā)生了改變，這也促使了電弧收縮。

圖4為實(shí)際拍攝到的考慮金屬蒸汽氣氛下的電弧形態(tài)[10]，可以看出電弧形態(tài)略有收縮，對(duì)比圖3c可知，模擬結(jié)果與實(shí)際拍攝照片的電弧形態(tài)一致，都呈壓縮電弧的形態(tài)，定性驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 考慮金屬蒸汽氣氛下的電弧形態(tài)[10]Fig.4 Shape of the arc taking into account metal vapour

3 結(jié)論

（1）利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)考慮鐵蒸汽下的電弧等離子進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電弧總體溫度下降，且隨著鐵蒸汽比例的增大，溫度下降更為明顯。

（2）電弧形態(tài)呈收縮態(tài)，與實(shí)際拍攝到的考慮金屬蒸汽氣氛下的電弧形態(tài)一致，定性驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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[3]Schnick M，F(xiàn)uessel U，Hertel M，et al.Modelling of gasmetal arc welding taking into account metal vapour[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2010，43（43）：434008.

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[10]Murphy A B.The effects of metal vapour in arc welding[J]. Journal of Physics D：Applied Physics，2010，43（43）：2460-2468.

Numerical analysis of arc plasma with mixed atmosphere of Ar-Fe

REN Simeng，LI Zhiyong，XUE Tonghui
（Department of Materials Science and Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

When using traditional welding methods，protective gas commonly mixed with metal vapor which affected the welding process.The software of ANSYS was used to simulate the welding arc of considering iron steam.By pre-processing，loading，solution，aftertreatment，the arc temperature fields with different proportions of iron steam was simulated.Through a comparative analysis mainly on temperature fields，it can find out that the arc plasma temperature decrease obviously with the increase of iron vapor，arc shape will become shrinking when the iron vapor reaches a certain proportion.The results are explained that the difference of the thermodynamic and transport properties of the plasma which consider the iron vapor.

numerical simulation；temperature fields；plasma；iron vapor

TG403

A

1001－2303（2016）12－0041-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.09

獻(xiàn)

任思蒙，李志勇，薛銅輝，等.Ar-Fe混合氣氛下電弧等離子體數(shù)值模擬[J].電焊機(jī)，2016，46（12）：41-44.

2016-06-16

山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃工業(yè)項(xiàng)目（2016-2-1）；山西省自然科學(xué)基金（2012011021-1）；山西省回國(guó)留學(xué)人員科研基金資助項(xiàng)目（2013-07）

任思蒙（1991—），男，河北唐山人，碩士，主要從事焊接電弧數(shù)值模擬方面的研究工作。