保護(hù)氣氣路結(jié)構(gòu)對TIG焊影響的數(shù)值仿真研究

黃自成 謝玉倫 袁欽 唐文俊 王宜飛

摘 要：基于區(qū)域熱平衡狀態(tài)假設(shè)和牛頓流體假設(shè)，建立TIG焊電弧三維數(shù)學(xué)模型，其中，焊槍保護(hù)氣氣路結(jié)構(gòu)建立了兩種數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)形式：不同氣篩孔數(shù)目及有噴嘴中無氣路隔板。通過質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程及麥克斯韋方程組的耦合求解，得到不同氣篩結(jié)構(gòu)和有無隔板下TIG焊數(shù)值仿真研究結(jié)果。

關(guān)鍵詞：氣路結(jié)構(gòu);TIG焊;仿真研究

1 引言

鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG焊）焊接過程穩(wěn)定，成型良好，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。目前對TIG焊的研究已經(jīng)有較為多的研究成果，但是TIG電弧屬于高溫等離子體，數(shù)學(xué)模型建立及實(shí)驗(yàn)研究都有很大的局限性。

本文針對TIG焊，采用CFD軟件FLUENT6.3，使用用戶自定義方程添加麥克斯韋方程組，使用用戶自定義函數(shù)添加源項(xiàng)和邊界條件，建立了考慮不同氣路結(jié)構(gòu)下，TIG焊電弧仿真三維數(shù)學(xué)模型。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 基本假設(shè)

為便于建立數(shù)學(xué)模型，作如下基本假設(shè)：（1）等離子體介質(zhì)為連續(xù)、層流的Newtonian流體，電弧等離子處于穩(wěn)態(tài)且滿足局部熱平衡假設(shè);（2）電弧等離子滿足光學(xué)薄性質(zhì);（3）不考慮陰極區(qū)和陽極區(qū)的復(fù)雜物理狀態(tài);（4）氣槍內(nèi)氣體為層流、不可壓縮Newton流體。

2.2 控制方程

根據(jù)上述基本假設(shè)，質(zhì)量、動量和能量方程的通用控制方程為：

式（1）中：ρ為密度，t為時(shí)間，Φ為通用變量，可代表速度、溫度等求解變量;v為速度矢量，Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);S為廣義源項(xiàng)，當(dāng)這幾個(gè)參數(shù)取不同的對應(yīng)變量，就可以得到相應(yīng)的守恒方程，方程的詳細(xì)敘述見文獻(xiàn)[1]，麥克斯韋方程組詳見文獻(xiàn)[2]。

2.3 邊界條件

在本文中，使用的模型及邊界條件，計(jì)算使用的等離子體的熱物性參數(shù)參見文獻(xiàn)[2]。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同氣篩數(shù)目下TIG焊保護(hù)氣流場計(jì)算

隨著氣篩中氣孔數(shù)目的增加，氣孔的流量變小，TIG焊槍中的氣體均勻性隨著氣孔數(shù)量的增加而更加均勻化，但是氣孔數(shù)量的增加必然會導(dǎo)致氣體流動狀態(tài)的變化，最終呈現(xiàn)紊流狀態(tài)。從而兼顧氣體的流動狀態(tài)和流體均勻性，最終模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣篩形式選擇12個(gè)氣孔時(shí)的流體狀態(tài)為層流流動且氣體的均勻性較好。

3.2 有無隔片下TIG焊保護(hù)氣流場計(jì)算

為了研究有無隔片對TIG焊的影響，在此是這樣處理的：氣體分為兩個(gè)入口進(jìn)入焊槍（入口MN和入口AB），對比研究兩入口下氣體在有無隔片的狀態(tài)下的仿真結(jié)果。如圖1所示，圖1（a）是氣路結(jié)構(gòu)中有隔片時(shí)的仿真結(jié)果，可以看出氣體分別在左右氣路中流動，流動基本成對稱結(jié)構(gòu)分布。氣體在鎢極噴嘴處沒有相互對流出現(xiàn)，流體的流動狀態(tài)穩(wěn)定，呈現(xiàn)層流流動。圖1（b）是無噴嘴內(nèi)隔片時(shí)的保護(hù)氣體流動形式，無隔片時(shí)兩路氣體從槍體內(nèi)開始相互混合，在鎢極噴嘴處呈現(xiàn)統(tǒng)一流動狀態(tài)向板材噴出。

3.3 在12個(gè)氣篩孔和無隔片下TIG焊仿真結(jié)果及分析

模擬計(jì)算時(shí)所用的參數(shù)包含有：焊接電流是150A，鎢極尖端夾角是60°，鎢極凸臺半徑是0.6mm，弧長是6mm，直流正接。

3.3.1 溫度場電勢分布

電弧等離子體的最為重要的參數(shù)是溫度。在陰極端部電弧取得溫度最大值，是由于在陰極端部的電流密度最大，產(chǎn)生的焦耳熱很多。電弧陰極區(qū)和陽極區(qū)的溫度梯度比較大，弧柱區(qū)的溫度分布比較均勻，溫度場截面半徑從陰極到陽極區(qū)漸漸擴(kuò)大，溫度漸漸降低，溫度變化梯度漸漸變小。在該焊接參數(shù)下，TIG焊電弧的最高溫度是15300K，電弧溫度場呈典型的鐘罩形分布模式。該結(jié)果與文獻(xiàn)[2]的趨勢是基本一致的。

3.3.2 電勢分布

當(dāng)鎢極氬弧焊使用直流反接的時(shí)候，鎢極是陽極，弧柱中的電子產(chǎn)生弧柱高溫，這些能量都用在加熱鎢極。分布是電弧電勢，在鎢極尖端處電勢變化比較明顯，靠近工件變化越平緩。中心電勢為11v，電勢場呈橢圓形，由里到外電勢增大。該結(jié)果與文獻(xiàn)[3]的趨勢是基本一致的。

4 結(jié)論

本章中對TIG模擬的特定焊接參數(shù)下的溫度場和流場的數(shù)據(jù)和圖形以及有無隔片TIG焊保護(hù)氣流場的計(jì)算結(jié)果和氣篩孔數(shù)量對氣體流動的影響的結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有無隔片時(shí)氣體經(jīng)過噴嘴口都是層流形式;在不同氣篩空數(shù)量的影響下，氣體流動的形式發(fā)生了變化;在該焊接參數(shù)下，TIG焊電弧的最高溫度是15300K，電弧溫度場呈典型的鐘罩形分布模式。中心電勢為11v，電勢場呈橢圓形，由里到外電勢增大。

參考文獻(xiàn)：

[1]樊丁，黃自成，黃健康等.活性元素氧對AA-TIG焊熔池傳輸行為影響的數(shù)值模擬[J].焊接學(xué)報(bào)，2016，37（03）：62-66.

[2]樊丁，黃自成，黃健康等.考慮金屬蒸汽的鎢極惰性氣體保護(hù)焊電弧與熔池交互作用三維數(shù)值分析[J].物理學(xué)報(bào)，2015（10）：108102-1-108102-11.

[3]肖磊，樊丁，黃自成等.考慮金屬蒸汽的定點(diǎn)活性鎢極惰性氣體保護(hù)焊電弧與熔池交互作用三維數(shù)值分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016，52（16）：93-99.