外加變位磁場(chǎng)作用GTAW 焊接電弧的數(shù)值模擬

周祥曼 劉 練 陳永清 袁有錄 田啟華 杜義賢 何青松 付君健

（1.三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院, 湖北 宜昌 443002；2.水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（三峽大學(xué)）, 湖北 宜昌 443002）

鎢極惰性氣體保護(hù)焊(gas tungsten arc welding,GTAW)是指在惰性氣體保護(hù)下,利用陰極(鎢極)和陽(yáng)極(工件)之間產(chǎn)生的電弧熔化填充焊絲和母材的一種焊接方法.GTAW 的電弧穩(wěn)定、焊縫美觀且質(zhì)量高,因此在航空航天、國(guó)防軍工、軌道交通等領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用[1-2].

外加磁場(chǎng)作用作為焊接過(guò)程中一種非常重要的輔助手段,可以改變焊接電弧與熔池的傳熱傳質(zhì)過(guò)程,進(jìn)而改善焊縫的質(zhì)量.為此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)外加磁場(chǎng)調(diào)控焊接電弧行為開(kāi)展了大量的研究工作.Ando等[3]探索了外加橫向磁場(chǎng)改善TIG 焊縫成形的機(jī)理,研究結(jié)果表明,外加橫向磁場(chǎng)能夠使焊接電弧向前傾斜,加強(qiáng)了熔池內(nèi)液態(tài)金屬向前流動(dòng)的趨勢(shì),從而達(dá)到改善焊縫質(zhì)量的目的.周祥曼等[4]建立了基于GMAW 電弧增材成形過(guò)程中電弧和熔池的弱耦合模型,并揭示了外加橫向磁場(chǎng)對(duì)電弧增材成形過(guò)程中電弧和熔池傳熱傳質(zhì)以及成形件微觀組織影響的內(nèi)在機(jī)理.劉海華等[5]建立了微束等離子電弧三維模型,并分析了外加橫向穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)作用下電弧特性與電弧對(duì)工件熱、力輸入的變化規(guī)律.盧振洋等[6]揭示了外加交變橫向磁場(chǎng)作用下TIG 焊接電弧的運(yùn)動(dòng)機(jī)制,結(jié)果表明,外加橫向交變磁場(chǎng)能使TIG 焊接電弧做有規(guī)律的交替進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和偏移運(yùn)動(dòng).Melnikova T S和Prokalov V V[7]采用參數(shù)法和測(cè)量法研究了外加縱向磁場(chǎng)作用持續(xù)增壓的非對(duì)稱非穩(wěn)態(tài)電弧等離子體溫度場(chǎng)的局部參數(shù),研究結(jié)果表明,電弧溫度等值線的形狀取決于電弧燃燒區(qū)域中心軸線的位移值.劉政軍等[8]建立了基于磁流體動(dòng)力學(xué)的二維軸對(duì)稱的數(shù)學(xué)模型,分析了外加縱向磁場(chǎng)作用下的焊接電弧傳熱與流動(dòng)特性.肖磊等[9]建立了外加高頻縱向磁場(chǎng)作用下GTAW 焊接電弧的三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型,并解釋了外加高頻縱向磁場(chǎng)作用下的電弧收縮現(xiàn)象.常云龍等[10]通過(guò)研究外加縱向磁場(chǎng)對(duì)CO2焊接過(guò)程產(chǎn)生的影響,對(duì)比分析了不同磁場(chǎng)參數(shù)作用下的焊接電弧形態(tài).

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)外加磁場(chǎng)作用焊接電弧的研究較多,但大多局限于外加橫向磁場(chǎng)和縱向磁場(chǎng)對(duì)焊接電弧的影響.基于此,本文提出一種兼具縱向和橫向分量的外加變位磁場(chǎng)作用于焊接電弧,并利用FLUENT 軟件建立純氬保護(hù)的GTAW 電弧熔積過(guò)程的電弧模型,系統(tǒng)分析外加變位磁場(chǎng)作用下GTAW 焊接電弧的形態(tài)以及傳熱傳質(zhì)規(guī)律,為今后磁控焊接及磁控電弧增材技術(shù)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 基本假設(shè)

1)焊接電弧滿足局域熱平衡假設(shè)和光學(xué)薄的假設(shè)[11]；

2)忽略金屬蒸汽對(duì)電弧的影響[12],電弧的流動(dòng)狀態(tài)為層流[13]；

3)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,保護(hù)氣體(純氬氣)的密度、比熱、熱導(dǎo)率、黏度、電導(dǎo)率僅為溫度的函數(shù)[9].

1.2 控制方程

本文描述電弧等離子體的控制方程為磁流體動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型,該模型已經(jīng)在作者前期的研究工作[11,14]中做了詳細(xì)的解釋說(shuō)明,故不再詳細(xì)敘述.

1.3 物理模型和邊界條件

本文建立的物理模型如圖1所示.

圖1 電弧的物理模型

圖中:陽(yáng)極(基板)厚度為6 mm；陰極(鎢極)直徑為1.4 mm；下底面C直徑為0.6 mm,尖角為60°；鎢極的整體高度h1為3 mm,鎢極固定不移動(dòng)；電弧計(jì)算區(qū)域高度h2為3 mm；保護(hù)氣入口F直徑為15 mm；焊接電流為170 A；保護(hù)氣為純氬氣,其流量為15 L/min,純氬氣的物性參數(shù)參考文獻(xiàn)[14]；陰極的材料為鎢,陽(yáng)極的材料為SUS304 不銹鋼,鎢和SUS304不銹鋼的物性參數(shù)參考文獻(xiàn)[15].

表1為本文電弧模型的邊界條件.

表1 電弧模型邊界條件

其中,在鎢極的上頂面A處設(shè)置焊接電流密度邊界條件,基板底部E處設(shè)置為零電勢(shì)邊界條件,F處為氬氣入口邊界.焊接電流擊穿G區(qū)域氬氣,在陰陽(yáng)兩極之間氣相區(qū)域放電產(chǎn)生電弧.保護(hù)氣入口F的速度與氣流量以及保護(hù)氣噴嘴內(nèi)徑有關(guān)[11],相關(guān)公式見(jiàn)式(1):

式中:hconv為金屬與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)；Tamb為環(huán)境溫度；α為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)；ε為輻射發(fā)射率[14].

2 外加變位磁場(chǎng)的施加方式

外加變位磁場(chǎng)是一種偏離豎直方向一定角度的磁場(chǎng),即具有橫向和縱向磁場(chǎng)分量的一種磁場(chǎng).本文施加變位磁場(chǎng)的強(qiáng)度為0.005 T,外加變位磁場(chǎng)的施加方式以及對(duì)電弧整體作用力分析示意圖如圖2所示.其中B表示本文所施加變位磁場(chǎng)的磁通密度的大小和方向；BZ表示磁通密度B的Z向分量；BY表示磁通密度B的Y向分量；β表示變位角度；J表示電弧區(qū)域中電弧的電流密度；J1為電流密度矢量J的Z向分量；J2為電流密度矢量J的徑向分量；Fm1表示磁通密度B的橫向分量BY所產(chǎn)生的電磁力,即Fm1＝J1×BY,該電磁力會(huì)使電弧整體偏向一側(cè)；Fm2表示磁通密度B的縱向分量BZ所產(chǎn)生的電磁力,即Fm2＝J2×BZ,該電磁力會(huì)使電弧整體受到沿順時(shí)針?lè)较虻闹芟螂姶帕ψ饔?

圖2 外加變位磁場(chǎng)的施加及電弧受力分析示意圖

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 無(wú)外加磁場(chǎng)作用下的電弧云圖

圖3為無(wú)外加磁場(chǎng)作用下的Z＝7.5 mm 截面的電弧電磁力矢量分布圖,可以看到電磁力矢量分布呈現(xiàn)對(duì)稱并且有向電弧中心聚集的趨勢(shì).

圖3 無(wú)外加磁場(chǎng)作用下Z＝7.5 mm截面電弧電磁力矢量分布

圖4為無(wú)外加磁場(chǎng)作用下電弧溫度為10 000 K的等值曲面圖.可以發(fā)現(xiàn)電弧呈現(xiàn)周向完全對(duì)稱,這是由于在平面基板情況下,電弧空間、邊界條件均對(duì)稱,電流密度和電磁力分布對(duì)稱.

圖4 無(wú)外加磁場(chǎng)作用時(shí)電弧溫度10 000 K 等值曲面圖

圖5和圖6分別為無(wú)外加磁場(chǎng)作用下XZ(Y＝0)截面的電弧壓強(qiáng)分布和電弧溫度場(chǎng)分布.可以看到電弧壓強(qiáng)云圖呈現(xiàn)對(duì)稱且形似“秤砣”狀分布,電弧溫度云圖呈現(xiàn)對(duì)稱且形似“鍋蓋”狀分布,電弧溫度和壓強(qiáng)最大值均出現(xiàn)在鎢極下方,這是由于電弧的電流在此處聚集,電流密度最大,電磁力最大且向中心擠壓形成的.圖7所示為在相同弧長(zhǎng)與電流的條件下,電弧模擬所得的等溫線分布與參考文獻(xiàn)[16]的實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的等溫線結(jié)果對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)總體契合,從而驗(yàn)證了本文模型的有效性.

圖5 無(wú)外加磁場(chǎng)作用時(shí)電弧壓強(qiáng)分布云圖

圖6 無(wú)外加磁場(chǎng)作用時(shí)電弧溫度場(chǎng)云圖

圖7 電弧的等溫線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[16]對(duì)比(單位:1 000 K)

3.2 外加變位磁場(chǎng)作用下的電弧模擬結(jié)果對(duì)比分析

圖8為外加變位磁場(chǎng)作用下的Z＝7.5 mm 截面的電弧電磁力矢量分布圖.可以看到,在外加變位磁場(chǎng)作用下,電弧電磁力矢量不再呈現(xiàn)對(duì)稱分布,四周的電磁力不再指向中心.此外隨著變位角度的增加,電磁力指向的位置偏離中心越來(lái)越遠(yuǎn),電磁力偏轉(zhuǎn)的角度越來(lái)越大.這是由于隨著變位角度的增加,外加變位磁場(chǎng)的橫向分量BY逐漸增大,縱向分量BZ逐漸減小,橫向分量BY產(chǎn)生的指向—X方向的電磁力分量逐漸增大,縱向分量BZ產(chǎn)生的沿順時(shí)針?lè)较虻闹芟螂姶帕Ψ至恐饾u減小,電弧同時(shí)受到指向—X方向的電磁“推力”作用和沿順時(shí)針?lè)较虻摹爸芟驍嚢琛彪姶帕ψ饔?形成了如圖8所示的指向—X方向和周向電磁力合力的分布效果,且隨著變位角度的增加,電弧中心逐漸偏離軸中心,且往“第二象限”內(nèi)偏轉(zhuǎn).

圖8 外加變位磁場(chǎng)作用下Z＝7.5 mm 截面的電弧電磁力矢量分布圖

如圖9所示,外加變位磁場(chǎng)作用下的電弧溫度為10 000 K 等值面不再呈現(xiàn)對(duì)稱分布,隨著變位角度的增加,電弧偏向—X方向越明顯,并且電弧溫度等值面在Y方向上收縮的趨勢(shì)變得愈加明顯.這是由于外加變位磁場(chǎng)的橫向分量產(chǎn)生的指向—X方向電磁推力導(dǎo)致溫度等值曲面向—X方向偏轉(zhuǎn),外加變位磁場(chǎng)的縱向分量產(chǎn)生的外加“攪拌”電磁力以及橫向磁場(chǎng)產(chǎn)生的指向—X方向外加電磁“推力”使電弧所受的電磁力合力方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)并且電磁力合力在Y方向上的分量也逐漸增大,這與圖8所示XY截面(Z＝7.5 mm 截面)的電磁力分布相印證.

圖9 外加變位磁場(chǎng)作用下的電弧溫度為10 000 K 等值面圖

圖10和圖11分別為外加變位磁場(chǎng)作用下的電弧壓強(qiáng)分布云圖和電弧溫度分布云圖.可以看到在外加變位磁場(chǎng)的作用下,電弧壓強(qiáng)云圖和電弧溫度云圖不再呈現(xiàn)對(duì)稱分布,都偏向—X一側(cè),并且隨著變位角度的增加,電弧壓強(qiáng)分布和電弧溫度分布偏向—X方向越明顯.這是由于隨著變位角度的增加,電磁力的分布呈現(xiàn)如圖8分布的態(tài)勢(shì),即指向—X方向的電磁力逐漸增大,而周向電磁力逐漸減小,電磁力的綜合作用使電弧等離子體逐漸向—X方向偏轉(zhuǎn).

圖10 外加變位磁場(chǎng)作用下電弧壓強(qiáng)分布云圖

圖11 外加變位磁場(chǎng)作用下電弧溫度場(chǎng)云圖

4 路徑分析

為了定量對(duì)比分析電弧各個(gè)參量的分布,本文在模擬空間取如圖12所示的路徑Path1(X方向,高度方向位于陰陽(yáng)兩極之間的正中間,P1(—10 mm,0 mm,7.5 mm),P2(10 mm,0 mm,7.5 mm)).Path1上的電弧參量分布如圖13所示.

圖12 路徑選取示意圖

如圖13(a)、(b)所示,外加變位磁場(chǎng)作用下的電流密度和電弧溫度均向—X方向偏移,電流密度和電弧溫度峰值均小于無(wú)外加磁場(chǎng)作用時(shí)的情況且變化規(guī)律一致.這是由于電弧熱由焦耳熱主導(dǎo),隨著變位角度的增加,磁通密度在Y方向上的分量逐漸增大,Z方向上的分量逐漸減小,指向—X方向上的“電磁推力”逐漸增大,沿順時(shí)針?lè)较虻摹皵嚢桦姶帕Α敝饾u減小,電弧逐漸向—X方向偏轉(zhuǎn).隨著變位角度的增加,電弧弧柱向—X方向偏轉(zhuǎn)程度越來(lái)越大,在Path1上電弧溫度和電流的密度峰值也會(huì)逐漸降低.

如圖13(c)所示,外加變位磁場(chǎng)作用下X方向電磁力分量的“波峰”逐漸上移,右邊的“波谷”逐漸下移,且“拐點(diǎn)”位置逐漸向—X方向移動(dòng).這是由于隨著變位角度的增加,“電磁推力”逐漸增大,指向—X方向的電磁力逐漸增大,指向+X方向的電磁力逐漸減小.如圖13(d)所示,外加變位磁場(chǎng)作用下,Path1上的Y方向電磁力分量隨著變位角度的增加逐漸從0變?yōu)殡p峰分布,再變?yōu)閱畏宸植?且左邊的“波峰”峰值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),這是由于沿順時(shí)針?lè)较虻摹半姶艛嚢枇Α弊饔?指向+X方向的電磁力向+Y方向偏轉(zhuǎn),指向—X方向的電磁力向—Y方向偏轉(zhuǎn),隨著變位角度的增加,“電磁攪拌力”減弱、指向—X方向“電磁推力”增強(qiáng)使得指向+X方向電磁力向+Y方向偏轉(zhuǎn)的角度增大,指向—X方向電磁力向—Y方向偏轉(zhuǎn)的角度減小,即在Path1上指向+X方向的電磁力的Y向分量逐漸增大,指向—X方向的電磁力的Y向分量逐漸減小到0.

如圖13(e)所示,在外加變位磁場(chǎng)作用下電弧壓強(qiáng)逐漸向—X方向偏移,且峰值小于無(wú)外加磁場(chǎng)作用下的情況.這是由于無(wú)外加磁場(chǎng)作用下,電磁力呈現(xiàn)對(duì)稱且具有向軸中心聚集的趨勢(shì),電弧等離子體在軸中心處所受擠壓力最大,壓強(qiáng)峰值最大,而在外加變位磁場(chǎng)作用時(shí),在Path1上指向—X方向的電磁力大于指向+X方向電磁力,且電磁力向Y方向偏轉(zhuǎn),故電弧等離子體之間的碰撞減弱,壓強(qiáng)峰值降低.

如圖13(f)所示,外加變位磁場(chǎng)作用下,Path1上的X方向速度分量逐漸從類似余弦函數(shù)分布變?yōu)椤皢畏濉狈植?且“波谷”位置逐漸下移.這是由于隨著變位角度的增加,Path1上指向—X方向的電磁力逐漸增大,指向+X方向的電磁力逐漸減小,從而導(dǎo)致指向+X方向的電弧速度X方向分量逐漸減小到0,指向—X方向的電弧速度X方向分量逐漸增大.如圖13(g)所示,在外加變位磁場(chǎng)作用下,Path1上的電弧Y方向速度分量逐漸從0變?yōu)轭愃普液瘮?shù)分布,且“波峰”逐漸下移,“波谷”逐漸上移.這是由于無(wú)外加磁場(chǎng)作用時(shí),電弧速度在Path1上呈現(xiàn)左右對(duì)稱且具有從電弧中心向外發(fā)散的趨勢(shì),Y方向的速度分量為0.而隨著變位角度的增加,沿順時(shí)針?lè)较虻摹半姶艛嚢枇Α睖p弱,指向—X方向的“電磁推力”逐漸增強(qiáng),導(dǎo)致在Path1指向—X方向的電弧速度向+Y方向,指向+X方向的電弧速度向—Y方向偏轉(zhuǎn)的角度均減小,即指向—X方向的電弧速度在+Y方向速度分量、指向+X方向的電弧速度在—Y方向的速度分量均降低.

圖13 Path1上的電弧各個(gè)參量對(duì)比

5 結(jié) 論

1)外加變位磁場(chǎng)產(chǎn)生的沿順時(shí)針?lè)较虻摹皵嚢桦姶帕Α弊饔煤椭赶颉猉方向的“電磁推力”使得電弧形態(tài)不再呈現(xiàn)對(duì)稱分布.

2)外加變位磁場(chǎng)作用焊接電弧使得Path1上的X方向電磁力分量“波峰”上移、“波谷”下移；電弧Y方向電磁力分量由0變?yōu)椤半p峰分布”,再變?yōu)椤皢畏宸植肌?且“波峰”上移；電弧X方向速度分量由類似余弦函數(shù)分布逐漸變?yōu)椤皢畏濉狈植?且“波谷”下移；電弧Y方向速度分量由0逐漸變?yōu)轭愃普液瘮?shù)分布,且“波峰”下移,“波谷”上移.