縱向磁控鎢極惰性氣體保護焊電弧運動軌跡行為研究

程葳蕤，唐方，楊成明，李湘文，沈亞仁

(1.湘潭大學機械工程學院，湖南 湘潭 411105；2.長沙天一智能科技股份有限公司，湖南 長沙 412000；3.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，湖南 長沙 410007；4.湖南建筑高級技工學校，湖南 長沙 410015)

0 引言

氣體保護焊自出現(xiàn)以來，由于其效率高、節(jié)約能源、操作簡單、操作方便、易于機械化和自動化，在實際和生產(chǎn)中得到了廣泛的應用，成為手工電弧焊接的替代工藝[1-10]。把采用電磁控制下的電弧焊機制研究和高效的鎢極惰性氣體保護焊(tungsten inert-gas arc welding，TIG)技術相結合，通過添加外加磁場，控制TIG電弧行為，研究磁場控制下高效TIG的電弧行為，具有重要意義。

20世紀60年代初開始，國內(nèi)外學者對TIG接磁場與電弧的相互作用機理進行了深入的研究。20世紀90年代開始，磁控焊接技術的研究開始逐漸發(fā)展。李海剛[11]將間歇交變磁場引入TIG焊接過程。賈昌申[12]等人對不同磁場強度下的TIG電弧進行了研究。吳豐順[13]對磁場作用中的帶電粒子進行了分析，闡述了電弧的運動機制。Tsai[14]等人建立了電弧的數(shù)學模型，探究焊接電極錐角的角度對電弧形態(tài)的影響。

21世紀開始，將磁控技術運用到焊接上的研究越來越豐富，采用的手段越來越現(xiàn)代化。羅鍵[15-16]等人分別測定了外加磁場作用下，TIG電弧溫度、電弧在水冷銅陽極板上的等離子流力和電流密度的分布。華愛兵[17]分析了外加磁場作用下的活性氣體保護電弧焊(metal active gas arc welding，MAG焊)噴射過渡中電弧和熔滴的運動特征。牛銳鋒[18]等人發(fā)現(xiàn)，外加縱向磁場能夠改變TIG電弧的形態(tài)。Prozorov[19]等人研究外加橫向和縱向非均勻磁場對真空電弧放電特性、等離子體結構和陰極斑點排列的影響。王城[20]等人利用高速CCD觀察等離子體發(fā)生器中陰極的溫度分布。Varghese V.M.J.[21]等人建立了基于磁流體力學的軸對稱模型，研究了外加縱向磁場對鎢極氣體保護焊(GTAW)電弧特性的影響。R.M.Urusov和I.R.Urusova[22]對均勻軸向磁場下的直流TIG電弧進行了數(shù)值模擬分析。

然而，在目前的技術研究領域中，磁場參數(shù)(包括磁場頻率、磁感應強度等)和縱向磁場位形(包括磁場分布的位置和形狀)對焊接過程的影響在理論上還沒有建立一個完整的系統(tǒng)。

本文以TIG電弧為研究對象，在學者研究基礎上建立模型，通過COMSOL仿真，分析在施加直流縱向磁場條件下電弧內(nèi)溫度及電弧內(nèi)帶電粒子速度的分布，觀察溫度場和速度場的變化規(guī)律，從而對TIG電弧的形態(tài)進行分析。最后進行實驗操作，對模擬結果進行驗證。

1 縱向磁控TIG電弧的仿真模擬

1.1 縱向磁控TIG電弧的模型建立

1.1.1 基本假設

基于外加縱向磁場TIG的特點，首先做如下假設[23]。

1)電弧等離子體為光學薄膜。

2)電弧是軸對稱的，氣體屏蔽環(huán)境是不可壓縮的純氬氣，填充整個空間。

3)電弧等離子體是層流，滿足局部熱力學平衡(LTE)條件。

4)電弧等離子體的密度、比熱容、傳熱系數(shù)、電導率等物理參數(shù)，僅與溫度相關，不會隨其他條件變化。

5)重力和黏性發(fā)生的熱擴散可忽略不計。

1.1.2 幾何模型建立

本文采用的幾何模型如圖1所示。A、B、C、D、J代表TIG中的鎢極，陰極的錐角為60°；I、H、G、F代表工件(陽極)，材料為銅板，其厚度為2 mm；電弧的弧長(這里是垂直距離AI)是6 mm。A、B、C、D、E、F、I是電弧空間的計算區(qū)域，也是流動區(qū)域和電磁區(qū)域。

圖1 縱向磁控TIG焊接電弧的幾何模型

1.2 模擬結果和分析

1.2.1 溫度場結果和分析

如圖2所示，根據(jù)TIG電弧的等溫線形狀可知，未施加直流縱向磁場的焊接電弧呈典型的實心鐘形；最高溫度垂直出現(xiàn)在陰極下方；最高溫度隨焊接電流的增大而增大，焊接電流越大溫度曲線在軸向上輕微舒展，靠近底部(陽極)的溫度越高。當焊接電流為80 A時，最高溫度為13 500 K，而當焊接電流為110 A時，最高溫度上升到14 900 K。

圖2 無磁場時不同焊接電流下TIG電弧的溫度場

外加直流縱向磁場TIG電弧在焊接電流為80A和110 A時的溫度場如圖3和圖4所示。

圖3 焊接電流為80 A時不同磁感應強度下外加 直流縱向磁場TIG電弧的溫度場

圖4 焊接電流為110 A時不同磁感應強度下外加 直流縱向磁場TIG電弧的溫度場

當施加直流縱向磁場時，電弧的形狀發(fā)生了顯著變化:電弧的上部(靠近陰極)收縮，而底部(靠近陽極)軸向膨脹，導致空心鐘形電弧(如圖3和圖4所示)。隨著外加直流縱向磁感應強度的增加，電弧等溫線形狀的變化更加明顯:對稱軸上的等溫線(靠近陽極)向上偏移(向陰極方向)，導致陰極下方(靠近陽極)出現(xiàn)較低的溫度區(qū)域。同時，隨著外加直流縱向磁感應強度的增加，峰值溫度呈現(xiàn)一定程度的升高。圖3(d)中焊接電流80 A和磁感應強度20 mT的最高溫度約為13 600 K。圖4(c)中焊接電流110 A和磁感應強度15 mT的最高溫度約為14 800 K，圖4(d)中焊接電流110 A和磁感應強度20 mT的最高溫度約為14 900 K。

1.2.2 速度場結果和分析

焊接電流為80 A和110 A時的速度等值線如圖5所示。當焊接電流為80 A而沒有磁場時，焊接電弧等離子體的最高速度為49.3 m/s，發(fā)生在陰極正下方，方向向下，如圖5(a)所示。當磁感應強度為5 mT時，焊接電弧的速度場有明顯的擴展，如圖5(b)所示，焊接電弧的最高速度依舊在陰極正下方，呈下降趨勢，速度減小到38.9 m/s。當磁感應強度為10 mT時，最高速度基本保持不變，但有下降的趨勢，如圖5(c)所示，最大速度向陰極右側(cè)發(fā)生微小偏移，而不是正下方，速度為49 m/s。當磁感應強度為15 mT和20 mT時，焊接電弧的速度場發(fā)生顯著變化，最大速度出現(xiàn)在對稱軸兩側(cè)，靠近陰極，如圖5(d)、圖5(e)所示，速度場峰值分別為62 m/s和72 m/s。最高速度區(qū)隨著磁感應強度增大而遠離陰極。

圖5 焊接電流為80 A時不同磁感應強度下外加 直流縱向磁場TIG電弧的速度場

焊接電流為110 A時速度等值如圖6所示。當焊接電流為110 A而沒有磁場時，焊接電弧的最大速度為111 m/s，位于陰極正下方，方向向下，如圖6(a)所示。最高速度隨焊接電流的增大而增大，焊接電流越大，速度曲線在向上時壓縮明顯。當外加直流磁感應強度為5 mT時，速度場也表現(xiàn)出明顯的擴張，最高速度也出現(xiàn)在陰極下方，減小到78 m/s，如圖6(b)所示。當外加直流磁感應強度為10 mT時，最大速度向陰極右側(cè)發(fā)生微小偏移，速度下降到83 m/s，如圖6(c)所示。當外加直流磁感應強度為15 mT時，最大速度向陰極的右側(cè)發(fā)生較大偏移，速度下降到98 m/s，如圖6(d)所示。當外加直流磁感應強度為20 mT時，最高速度區(qū)偏移陰極更遠，最高速度為111 m/s，發(fā)生在陰極兩側(cè)，如圖6(e)所示。

圖6 焊接電流為110 A時不同磁感應強度下外加 直流縱向磁場TIG電弧的速度場

2 縱向磁控TIG電弧的實驗研究

2.1 實驗設計

2.1.1 TIG電弧形態(tài)實驗

進行外加直流和交流縱向磁場作用下的TIG焊接實驗，焊接電弧的弧長保持10 mm不變，如圖7所示。

圖7 TIG焊接電弧形態(tài)

采用不填絲的直流TIG焊進行焊接實驗，利用高速攝像采集系統(tǒng)拍攝記錄TIG電弧的形態(tài)，對采集到的TIG電弧形態(tài)進行比較分析。比較電弧形態(tài)變化，在外加不同磁場作用、不同的焊接電流和不同的交流磁場頻率下，分析磁場對電弧形態(tài)的影響規(guī)律。無外加磁場時，電弧呈圓錐形。

2.1.2 實驗參數(shù)

施加不同的縱向交流磁感應強度、不同的縱向交流磁場頻率以及不同的縱向直流磁感應強度來進行探究。實驗共有3個因素、5個水平，選擇正交表中L13(53)計劃表作為實驗方案，共需進行13組正交實驗，大大減少了工作量。

首先在不加磁場的條件下，改變焊接電流的大小，選擇電弧挺度較好的110 A焊接電流進行實驗。然后固定縱向交流磁場頻率，改變磁場強度大小，由于磁場強度每相隔1 mT差距較小，超過設備不允許5 mT，因此選擇磁場強度5 mT、3 mT、1 mT。最后改變磁場頻率，因為設備限制，1 Hz無法得到穩(wěn)定輸出信號，1 kHz、2 kHz頻率過高超出信號發(fā)生器能夠提供的最大電壓，無法實驗，所以選擇磁場頻率100 Hz、10 Hz。具體的實驗參數(shù)見表1。

表1 TIG電弧形態(tài)實驗參數(shù)(交流磁場)

交流電源選擇正弦波形，其他固定的實驗參數(shù)見表2。

表2 TIG電弧形態(tài)實驗參數(shù)

2.2 實驗結果和分析

2.2.1 外加交流縱向磁場對電弧形態(tài)的影響

施加交流縱向磁場時，保持縱向交變磁場頻率為100 Hz，不同磁感應強度下的TIG電弧形態(tài)如圖8所示。與無磁場時比較，電弧由圓錐形變?yōu)殓娬中?，電弧旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變，呈周期性的正反方向交替的螺旋旋轉(zhuǎn)運動。

圖8 外加交流縱向磁場時不同磁場強度下的電弧形態(tài)

外加交流縱向磁場時，電弧輪廓明顯變小，電弧尾端有明顯地匯聚。隨著磁感應強度的增加，電弧旋轉(zhuǎn)速度加劇，且電弧形態(tài)輕微發(fā)散。

施加交流縱向磁場時，保持縱向交流磁感應強度為3 mT，不同磁場頻率下的TIG電弧形態(tài)如圖9所示。

圖9 外加交流縱向磁場時不同磁場頻率下的電弧形態(tài)

當外加交流縱向磁場頻率為1 Hz時，由于磁場頻率過低，難以形成約束，因而起弧困難，電弧發(fā)生劇烈擺動，無法進行實驗。磁場頻率由10 Hz變到100 Hz，電弧的擺動幅度變小，且電弧形態(tài)輕微收縮，更加穩(wěn)定。

2.2.2 外加直流縱向磁場對電弧形態(tài)的影響

施加直流縱向磁場時，通入不同的直流磁場激勵電流，影響磁感應強度變化后的TIG電弧形態(tài)如圖10所示。

圖10 外加直流縱向磁場時不同磁場激勵電流下的電弧形態(tài)

在施加直流縱向磁場的情況下，磁場激勵電流越大，即磁感應強度越大，電弧中帶電粒子所受到的洛倫茲力越大，電弧的旋轉(zhuǎn)半徑就越大，電弧形態(tài)越發(fā)散。然而，當磁場激勵電流過大(I1=5 A)時，電弧開始變得不穩(wěn)定。

3 結論

本文主要研究在施加縱向磁場下，TIG電弧的運動軌跡。

1)施加直流縱向磁場時，TIG電弧的上部收縮、底部軸向膨脹，呈鐘罩形，磁場激勵電流越大，即磁感應強度越大，電弧的旋轉(zhuǎn)半徑就越大，電弧形態(tài)越發(fā)散。隨著磁感應強度的增加，對稱軸上的等溫線向上偏移，陰極下方出現(xiàn)較低的溫度區(qū)域。電弧內(nèi)的帶電粒子向陰極兩側(cè)發(fā)生偏移，最高速度區(qū)隨著磁感應強度的增大而遠離陰極。然而，當磁場激勵電流過大時，電弧開始變得不穩(wěn)定。

2)施加交流縱向磁場時，TIG電弧輪廓明顯變小，電弧尾端有明顯地匯聚，隨著磁感應強度的增加，電弧旋轉(zhuǎn)速度加劇，且電弧形態(tài)輕微發(fā)散。當交流縱向磁場處于低頻段時，隨著磁場頻率的增加，電弧的擺動幅度變小，且電弧形態(tài)輕微收縮，更加穩(wěn)定。