（材料加工工程专业论文）氩氮保护tig焊电弧特性的模拟研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 氩氮混合气体保护的t i g 焊接电弧因为同时具有氩气电弧和氮气电弧的特性， 具有高的热特性，因此越来越受到关注。本文运用a n s y s 软件对氩氮保护直流 t i g 焊电弧进行数值模拟，同时对氩氮保护t i g 焊接电弧的电特性和热特性进行 了实验研究。 本文根据磁流体动力学理论，应用流体动力学方程和麦克斯韦方程，建立直 流氩氮气体保护t i g 焊电弧轴对称数学模型，并以之模拟焊接电弧的热过程和流 体流动。 模型中采用了符合实际的具有尖端的阴极形状，选取合理的边界条件，氨气 和氮气物性参数对温度高度非线性，计算电场时将阴极和弧柱结合起来，避免对 阴极电流密度分布的假设。在a n s y s 软件分析中采用模块化计算，分别建立温度 场、电磁场和流场的几何模型，相互调用计算结果迭代运算。 采用温升法测量了电弧的热功率和静特性。通过测试发现，随着氮气含量的 增大，电弧电压逐渐增大。对电弧热功率的计算表明，随着氮气含量的增加，不 仅总的电弧热功率增加，阳极热功率占整个电弧热功率的比例明显提高。验证了 氩氮电弧的高热特性。 直流氩氮保护t i g 焊电弧数值模拟的结果表明：随着氮气含量的增加，电弧 的温度、电流密度以及等离子体速度均增大，符合实验所测定的氩氮电弧的高热 特性。a n s y s 强大的矢量图示功能使得对电弧内部离子运动以及各种场的实际分 布非常直观。 对直流氩氮t i g 焊电弧的模拟为实现焊接过程的虚拟制造奠定了基础，为熔 池行为的研究提供了最重要的熔池表面电流密度分布和电弧压力分布的边界条 件。 关键词：氩氮保护、t i g 焊电弧、数值模拟、电弧磁流体动力学、 a n s y s 分析软件 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t n 2 一心p r o t e c t i n gt i gw e l d i n ga r ch a sb e e nt o o ki n t oa c c o u n t e df o ri t sp e c u l i a r i t y b o t hn 2p r o t e c t i n gt i gw e l d i n ga r ca n da rp r o t e c t i n gt i gw e l d i n ga r ca n dh i g h c a p a c i t yd e n s i t y i nt h i sa r t i c l ea n s y s s o f t w a r ea r eu s e dt on u m e r i c a la n a l y z eo f n 2 - 心 p r o t e c t i n gt i gw e l d i n ga r c ，a n de l e c t r i ca n dt h e r m a lp e c u l i a r i t i e so f a r ca r ep r o v e db y e x p e r i m e n t sa tt h es a m et i m e a na x i s y m m e t r i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo fn 2 mp r o t e c t i n gt i gw e l d i n ga r ci s d e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fm a g n e t i cf l u i dd y n a m i c sa n dt h ew e l d i n ga r cm a y b ed e f i n e db yf l u i dd y n a m i c se q u a t i o na n dm a x w e l le q u a t i o n h e a tt r a n s f e ra n df l u i d f l o wo f w e l d i n ga r ca r ea n a l y z e db a s i n go nm a t h e m a t i c a lm o d e l a c t u a ls h a r ps h a p eo fc a t h o d ea n dr e a s o n a b l eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dn o n l i n e a r c h a r a c t e ro f p h y s i c a lp a r a m e t e ro fa r g o ng a sa n dn i t r o g e ng a sa r ea d o p t e di nt h em o d e l i nt h em o d e lc a t h o d ea n da r cc o l u m na r ec o n d u c t e dt o g e t h e ri nc a l c u l a t i o no ne l e c t r i c f i e l d ，a n dt h ea s s u m p t i o nm e t h o do nc u r r e n td i s t r i b u t i o nd e n s i t yo nc a t h o d et i ph a sn o t b e e nu s e d g e o m e t r ym o d e l sa b o u te l e c t r i cf i e l d ，m a g n e t i cf i e l da n dp l a s m af l u i df i e l d a r ed e v e l o p e dr e s p e c t i v e l y m o d u l a r i z a t i o ni sa d o p t e di na n s y sa n a l y s i sa n dt h e a n a l y s i sr e s u l t sf r o mt h e s ef i e l d sa r er e p e a t e d l yc a l l e de a c ho t h e ru n t i ls a t i s f a c t o r yl e v e l e l e v a t e dt e m p e r a t u r em e t h o di su s e dt om e a s u r et h et h e r m a lp o w e ra n de l e c t r i c a l p r o p e r t i e so fw e l d i n ga r c t h er e s u l ts h o w st h a tt h ee l e c t r i cv o l t a g ei n c r e a s e dw i t ht h e e n h a n c e m e n to fn 2c o n t e n t ，a n dt h ec a l c u l a t i o no nt h e r m a lp o w e ri n d i c a t e dw i t ht h e e n h a n c e m e n to fn 2c o n t e n t ，n o to n l yt h et o t a lt h e r m a lp o w e ro fa r ci n c r e a s e d ，b u ta l s o t h er a t i oo fa n o d et h e r m a lp o w e rt ot o t a lt h e r m a lp o w e ri n c r e a s e d t h i sr e s u l tc e r t i f l e d t h a tn 2 - a rp r o t e c t i n gt i g w e l d i n ga r ch a sh i 曲t h e r m a lp o w e rp e c u l i a r i t y 肋es i m u l a t i o na n a l y s i sc a l c u l a t e dr e s u l ts h o w st h a t 衍曲t h ee n h a n c e m e n to fn 2 c o n t e n t ，t h et e m p e r a t u r eo fa r c 、t h ec u r r e n td e n s i t yo fa r ca n dt h ev e l o c i t yo fp l a s m a i n c r e a s e da l s o a n ds i m i l a rw i t he x p e r i m e n tr e s u l t s t h es p e c i a lv e c t o rf u n c t i o no f a n s y sm a k e st h em o t i o no fp a r t i c l ei n s i d ea r cp l a s m aa n dt h ep r a c t i c a ld i s t r i b u t i o no f m a n yk i n do f f i e l dv e r yv i s u a l a n a l y z eo nn 2 - 心p r o t e c t i n gt i gw e l d i n ga r cg i v e s ab a s e sf o u n d a t i o nf o r r e a l i z i n gv i r t u a lf a b r i c a t i o na n dp r o v i d e si m p o r t a n tb o u n d a r yc o n d i t i o n sa b o u tc u r r e n t d e n s i t yd i s t r i b u t i o na n da r cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nf o rs t u d y i n gw e l d i n gp o o lb e h a v i o r k e y w o r d s ：n 2 一a rp r o t e c t i n g t i gw e l d i n ga r c ，n u m e r i c a la n a l y z e ，m a g n e t i c f l u i dd y n a m i c sm o d e l ，a n s y ss o f t w a r e i i 学位论文版权使用授权书 y 9 7 5 1 9 5 本学位论文终者囊全了攥学拨苜关保警、缆角学位论文触规定，同 、 懑学校保留并向国家有关部门或机构送糍论文的复印件和电予版，允许 论文被奁藩褰傣露。本天搔挺莲蒸大学哥器鞲本学霞谂交熬全罄蠢餐凌 郄分内咎编入肖关数据库逃行检索，可以采用影印、蠛印或搦描等复制 手段保存和汇编本举位论文。 本学位论文属于 保辙口，牲年船密后适用本授权书。 不豫誉繇 学锰论文搀袭鉴名；孝彩珲 z 舯g 年占月，2 目 指导教师签燃：蒲玉蠛 冀”年g 月此日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：每貂样 日期：盘即多年月肜日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 先进制造技术是推动国家工业发展的高新技术之一，焊接技术作为制造业技 术的重要组成部分，正朝着高效率、高质量、高精度的方向不断发展“3 。焊接技术 本身已经从一种技艺发展为一门以现代科学的许多分支为依托的新型应用学科。 现代科学技术的发展给焊接技术提供了有力的支持，尤其是分析手段和理论的完 善与提高，使我们对焊接过程有了更多地了解，从而能进一步完善和改进焊接工 艺。 焊接过程是一个非常复杂的过程，国内对焊接过程的模拟与仿真主要围绕焊 接熔池中的流体流动和热过程，焊接金属凝固和焊接接头的相变过程及焊后焊件 变形的分析，而从事焊接电弧模拟的人很少，国内关于电弧模拟的资料更是少之 又少。同时氩气保护的t i g 焊由于其稳定的电弧长度和较高的焊接质量，是较为理 想的研究对象，因此国内外对焊接电弧的模拟研究一直集中在氩气保护的t i g 焊接 电弧，而对其他气体保护的t i g 焊接电弧的模拟研究还比较少见。 随着电弧焊方法更广泛的应用，焊接生产对电弧焊的质量、效率、成本及性 能等指标不断提出了更高、更新的要求。即在严格保证焊接质量的同时，提高生 产效率、改善劳动环境，这已成为国内外焊接工作者多年来的强烈愿望。除了不 断开发焊接新材料和研制弧焊新设备以外，采用合适的焊接保护气也是达到上述 目的的正确途径”“。 氮气是一种双原子的气体，在高温下会发生解离。在理论上分析，氮气作为 保护气体时，会因解离吸热而使得电弧收缩温度升高、电压升高，电弧形态特征 因此会发生相应的变化，因此，氮气保护的电弧是一种有发展潜力和应用前景的 热源口】。本文选取氩氮混合气体作为保护气体建立符合实际的电弧模型，完善国内 在焊接电弧模拟方面的不足，为氩氮气体保护的t i g 焊在生产中的工艺应用分析 提供理论依据。另一方面，也为焊接电弧和熔池动态的结合起来建立一个完整的 焊接过程进行模拟，实现焊接虚拟制造提供前提和奠定基础。 江苏大学硕士学位论文 1 2 国外对t i g 焊接电弧的研究 国外对焊接电弧研究开展的较早，自上个世纪七、八十年代就开展了对焊接 电弧完整体系的数值研究和模拟。k c h s u ”7 1 等首先对自由燃烧的高密度氩气保 护t i g 焊接电弧进行了研究。k c h s u 等指出，虽然这种高密度的自由燃烧电弧已 经被研究了很多年，但是由于电弧中复杂的电、磁、流体以及热效应的相互作用， 在计算电弧时的边界条件难于确定，使得模拟这种电弧受到了很大的阻碍。尤其 是在靠近阴极的区域，表现在阴极附近的电流密度值，作为一个关键的边界条件， 始终得不到准确的设定。相对于低强度的电弧来说，这种高强度的焊接电弧主要 受它自身引起的流体流动的制约，电弧电流和它自身的磁体的相互作用，在电弧 区变化的部分导致了等离子流的喷射。电弧的阴极区起到了电磁管道的作用，不 断地从周围环境中吸入气体以气流的形式喷射到阳极。阴极气流撞击到阳极，在 阳极表面形成一个停滞层，最终导致钟形的自由燃烧的高密度电弧。文中给出的 自由燃烧的电弧模型守恒方程包括了整个自由燃烧电弧的阴极和阳极压降区。近 阴极区的电流密度从测量融化阴极尖端的尺寸导出。因为等离子的速度比声速低 的多，忽略气体的压缩特性。3 ，给出了如下的假设条件： ( 1 ) 电弧处于局部热平衡( l t e ) 状态。 ( 2 ) 电弧是稳定的、轴对称的、光学薄的，流动处于层流状态的。所谓光学薄 的是指辐射热的重新吸收与总的辐射热损失相比较是可以忽略的；对于电弧稳定性的 理解是电弧在某一特定的条件下，长时间的、连续的保持其宏观状态和性能不变叫。 ( 3 ) 重力和粘性效应所导致的热损失忽略不计。 根据上面的假定条件，在柱坐标下( r ，x ，e ) 建立的电弧数值守恒方程为： 质量守恒方程：昙( 倒) + 昙( 胛) = o( 1 - 1 ) 质量守恒方程： 瓦( p 钳) + 7 石i p w ) 2 o ( 1 ) 这里p 一密度；u 、v 分别表示轴向和径向的速度分量。 轴向动量守恒方程为： 罢+ 雾- 罢+ z 昙( 瓦a u )积 钟 渤幽积， + 土昙f 罢 + 三吴f j r 妻 + 。岛 “。2 + 7 石l 石j + 了石l 瓦j r 岛 2 江苏大学硕士学位论文 径向动量守恒方程为 罢+ 害考+ 昙f 塞瓦+ 石。一季+ 瓦l 瓦j + 吾昙f ，妻 + 昙f 妻 一_ 2 # v 一 岛 “3 + 7 瓦l 7 石j + 瓦l 石j 一7 一 岛 这里p 一压力； 一粘度； 、 一径向、轴向的电流密度； 岛一磁感应强度。 能量守恒方程为： 罢石ah=芸毒警+；1毋0。(qkr务oh+pv 瓦 石2 瓦l 百瓦j + ；驯c 。务j 十华甘剐砖知圳 “4 这里h 为温度；c 。为等容热容；k 为热导率；s 为单位面积辐射能； 为波尔兹曼常数；e 为电子电量。 方程从左到右依次为两个对流项，两个传导项，电子迁移引起的电子传输焓 以及焦耳热和辐射热。对于氩弧单位面积辐射能的实验测量见文献1 0 。 麦克斯韦方程( 柱坐标) ： 芸( 盯芸) + ；1 加0 ( 。o r o 西f b l ，= 。电流连续方程， ， 瓦a l 号导( 谚) = o僦，咖 b 9 = 等沁d ，； ( 欧姆定律)( i - 6 ) ( 安培环流定律)( 卜7 ) 这里，为真空磁导率；盯为电导率；为电势 用于分析的计算区域见图卜1 计算u 、v 和h 的区域为面积a b c e f ，计算电势时为a b c d ，因为在线f a 上确 切的边界条件是未知的。计算用的边界条件如下表卜1 江苏大学硕士学位论文 图卜1 电弧计算区域 f i g l 一1 a r ca r r a n g e m e n ta n dc a l c u l a t i o nd o m a i n s 表卜1 边界条件 边界 w m s )u ( m s )h ( k ) o ( v ) a bo坐：o型：o丝：o 却加钟 b c o0 h = h 。 毋= c o n s t e c竺：c坐：o1 0 0 0型：o 凹0 r钟 e foa o u ：01 0 0 0 甜 f aoo3 0 0 0 d a ， j2j m 在这个模型中沿线d a 的电流密度分布是个关键的边界条件，因为测量阴极尖 端附近的等离子的温度和电场强度几乎是不可能实现的，所以要求有一个满足要 求的电流密度曲线。因此假定阴极表面电流的分布形式为： j ( r ) = 厶。e x p ( 一6 ，) f1 - 8 ) 这里 厶。和b 为常数。通过测量阴极尖端最热部分的尺寸，厶。的值近似为： 4 江苏大学硕士学位论文 ， 。“一2 z r 2 这里r 为阴极最热部分的半径，当电流为2 0 0 a 时，r 约为0 5 1 m m 。 k c h s u 等人用有限差分法计算了电流为i o o a 、2 0 0 a 、3 0 0 a ，弧长为l o m m 和 2 0 m m 的t i g 电弧。同时借助光谱仪对电弧的温度作了试验测定。用以上模型计算 的电弧温度与实验值显示了很好的一致性。 5 m c k e l l i g e t “”等人建立了和上面的k c h s u 相似的数学模型来研究焊接电 弧中的热传递和流体流动，其用于分析的模型区域见图i - 2 。由图可见， j m c k e l l i g e t 和k c h s u 模型的主要不同在于，j m c k e l l i g e t 的模型将阴极表面 假定为平表面。在对阴极区的处理上假定通过阴极表面的电流密度是恒定的。将 阳极表面温度假定为1 0 0 0 k 。 l 一一 l 百 、 z 广r 1 y e h f 幽卜2 电弧计算区域 f i g l 一2 a r ca r r a n g e m e n ta n dc a l c u l a t i o nd o m a i n s j m c k e l l i g e t 等采用有限差分法计算了电流为1 0 0 a 、2 0 0 a 弧长为l o m m 时的 电弧温度、等离子体速度以及阳极表面的电流密度值，其结果与实验值取得了很 好的一致。 r t c c h 0 0 “2 1 等设计了电弧与焊接熔池的统一模型用来计算钨极氩弧焊电弧 与熔池之间的热量传递，在前期他们首先计算了电弧模型部分( 图卜3 所示) 。在 江苏大学硕士学位论文 阴极表面电流密度的处理上与k c h s u 等的一致，并且他们与j m c k e l l i g e t 一样 假定了平的阴极表面。计算采用的边界条件如表卜2 所示。 图卜3 电弧计算区域 f i g l 一3 a r ca r r a n g e m e n ta n dc a l c u l a t i o nd o m a i n s 阴极压降耻盟2 e ( 1 9 ) q = 1 以l k ( 1 1 0 ) 其中 r e 。是阴极表面电子温度，其近似于弧柱靠近阴极表面的温度。大约是 4 3 v q 为弧柱等离子体在阴极表面的正能源，它接近于阴极表面层用来电离等离 子体的能量。 肚去“疋 j c = 0 ，r c 这里足为阴极斑点半径，假定屁在阴极斑点半径范围内保持不变。在对阳极 区的处理上，考虑到熔池表面流体的速度( 0 5 m s ) 远远低于其表面的等离子体 江苏大学硕士学位论文 的速度( 1 0 m s ) ，因此可以认为熔池表面相对于等离子气体的喷射是稳定的，忽 略了熔池中流体的速度。将阳极表面温度假定为1 0 0 0 k 。从等离子气流到阳极进行 的热传递有：对流热传递、电子流动热传递、辐射热传递，热损失是由阳极材料 的蒸发造成的，在文中忽略不计。 表1 - 2 边界条件 边界 uwho t = 3 0 0 0 k 如：三 a boo 万r ： q c = j y c b coot = 3 0 0 0 k丝：o 沈 c doot = 3 0 0 0 k丝：o 卯 d e0塑：ot = 1 0 0 0 k丝：o 亿 e f0 p u ：o竺：0 型：o 卯 凹钟 t = 1 0 0 0 k ( i n f l o 啪 f g0 p u ：o竺：o丝：o 丝：o 卯 凹卯卯 ( o u t f l o w 、 g h0ot = 1 0 0 0 k 西= c o n s t h a0o w ：0丝：o丝：o o r凹卯 文中计算了阳极表面的对流热、电子对阳极热流的贡献以及阳极的辐射热流 并用来计算阳极表面总的热流量。同时还对气体剪切应力作了分析，剪切应力可 表示为： = l 等伽叫 ，：， 从而为熔池的分析计算提供了边界条件。 r t c c h 0 0 等利用有限差分法对方程组进行了解析，计算出来的温度场分布、 电流密度分布以及热流密度分布与实验测得的值能很好的吻合。 江苏大学硕士学位论文 j j g o n z a l e z “”等研究了阳极金属蒸气影响下的自由燃烧t i g 电弧模型。当 自由燃烧的电弧的阳极在高热流的作用下蒸发时，蒸发出来的阳极材料的蒸气将 进入等离子体，从而改变等离子体的热物理性质和电导率，影响自由燃烧的电弧 的性质。j j g o n z a l e z 等在计算中采用了短的弧柱长度，以考虑金属蒸气对热动 态平衡电弧的影响。结果显示，在焊接电流较小时，阳极蒸发产生的金属蒸气由 于受到等离子流的抑制，集中存在于自由燃烧电弧的近阳极区和电弧的边缘区， 由于气化潜热的吸收，金属蒸气的存在降低了近阳极区域电弧的温度。而电弧阴 极区和核心区电流密度几乎不受铜蒸气的影响。相关的，e t m a d i “”用实验的方法 研究了氩气保护的自由燃烧t i g 焊接电弧中，从尖锥形钨极到熔化铜阳极表面之 间的铜蒸气对电弧近阳极区域的冷却作用 先前很多的研究一般都假定电极形状近似为楼梯式的或者为平坦的，电流通 过电极的圆锥表面进入电极的部分没有考虑计算。m c t s a i “”等构建了尖锥形和 平坦形两种不同电极形状的电弧的数学模型，并进行了比较计算。计算结果发现 当电极锥角为6 0 0 左右或者小于6 0 0 时，电弧呈现通常所形容的铃形，电弧的热传 递和流体流动对于电极尖端圆锥表面的电流分布是十分敏感的。文中同时分析了 保护气体喷嘴对电弧性质的影响，结果表明，保护气体喷嘴的存在对于电弧等离 子体的速度和温度分布影响不大。 j j l o w k e “采用了一个统一的电弧一电极处理系统对g t a w 焊接时电极的温 度进行了数值预测。该二维模型可在任何给定电流、焊接气体和电极形状下进行 分析。对钍钨极表面温度的预测与用光谱温度测量的结果十分吻合。 p e i y u a n z h u “73 等对自由燃烧电弧的阳极表面温度作了预测。分析基于前人所 建立的统一的电弧一电极数学模型，计算了阳极特性的自由燃烧电弧。同时用近似 的方法对阳极非平衡鞘层区作了分析见图i - 4 。文中将电弧一电极区划分为五个区 域：阴极区、阴极鞘层区、弧柱区、阳极鞘层区、阳极区。由于较冷的阴极和阳 极附近热边界层存在，而且必须要维持电弧电流，因此阴极与阳极区内气体必然 偏离热力学平衡状态，在等离子体鞘层内电中性条件也不存在了。文中对于阴极 和阳极鞘层区作了特殊处理。对于阴极鞘层区的详细描述r m o r r o w “8 等给出了电 弧阴极鞘层区的统一理论，p e i y u a n z h u 等给出了自由燃烧电弧阴极鞘层区和阴极 的统一理论。计算结果表明，阳极所在的板材的厚度越小，所需要用来熔化阳极 江苏大学硕士学位论文 的电流门槛值越小，这与实验结果一致。 目前阴极区和阳极区一般单独孤立出来进行研究。m i n n e s o t a 大学高温实验室 多年来对阳极传热“”及近阳极区的流动与传热进行了实验与理论研究，包括测定 阳极压降和阳极传热量。，在基于l t e 和双温度。“的阳极附近收缩区的条件下建 立数学模型等。但阳极区的复杂物理现象尚不能完美地加以模拟。阴极区有电子 发射、场致电离，离子轰击阴极表面等复杂过程，至今研究的还很不够。 图卜4 电弧一电极区划分的五个区域 f i g 1 4 t h ea r c e l e c t r o d ed o m a i ni sd i v i d e di n t or e g i o n s m u s h i o 等。”对气体保护下的钨极电弧的阳极边界层的物理性能和传热现象 进行了实验研究和数值分析。实验表明该物理性能受到电流的强烈影响。在低电 流的场合( 5 0 a ) ，阳极边界层的厚度约2 5 0 聊，该处的电极温度与重离子温度有相 当大的不同，边界层的位势对阳极来说较低。然而，随着电弧电流的增加，边界 层的厚度变狭窄，它的位势值升高( 1 5 0 a 的场合) 。并且采用了数值分析的方法对 上述实验结果进行了解释。该研究把阳极区分为三个子区：阳极边界层、覆盖层 和预覆盖层。采用r u n g e k u t t a 法求解以l t e 等离子体边界条件的控制方程。研 究中引入了o 和口两个参数。前者为自由降落端粒子的温度与电极表面温度的比 率；后者为电极进入阳极格子的百分比。数值分析表明，参数口是影响边界层局部 等离子体性能、边界层厚度以及覆盖层位势的一个重要因素。参数口则对覆盖层 9 江苏大学硕士学位论文 有显著影响，不同的口值，覆盖层的位势可以是负、零或正，而紧靠阳极前面的 阳极边乔层的压降几乎总是负的。 s y l e e ，m s e 等“”应用边界匹配坐标对t i g 焊接电弧进行了分析。文中所用的 电极形状是曲线的，尺寸非常小，因此用直角坐标很难表述电极轮廓，故而采用 了边界匹配坐标来精确描述电极表面。所谓边界匹配就是按照边界的形状对计算 区域进行网格划分，而后与直角坐标之间进行转换。见图卜5 。这种模型也为焊接 熔池模拟提供了数值分析手段。 i i i i i l 苜： ie l i l l ， 一 t 图1 - 5 几何转换和带节点的网格结构 f i g1 5 g e o m e t r i ct r a n s f o r m a t i o na n dg r i ds t r u c t u r ew i t h n o t a t i o n h g f a n 等”4 矧应用边界匹配坐标对脉冲t i g 焊电弧模型进行了数值分析。分 析结果表明，在脉冲和基值电流持续时间内，焊接电弧是稳定的。在脉冲电流持 续时间内电弧形态是典型的钟罩形，而在基值时间内，电弧形态并不呈现钟罩形 态。脉冲电流增大时，阳极中心峰值电流密度和电弧压力增大，基值电流增大时， 阳极中心基值电流密度和电弧压力增大。弧长增加时，阳极中心电弧压力几乎没 有受到影响。焊接电流波形发生跃变时，电弧等温线、阳极电流密度和电弧压力 的变化并不是一步到位的，存在着滞后性。c s w u ”等对t i g 焊接电弧行为的研 究中得出的结论是：在阴极尖端附近等离子的速度最高。因为在那存在一个梯度 较大的电势、电流密度的电磁场。得到的电弧温度分布曲线阳极电流和热流密度 分布与试验测得的十分相似。 以上所有的分析和研究都是针对氩气保护t i g 焊接电弧的行为研究。t i g 焊 应用广泛，焊接过程理论分析的影响因素相对较少。上述所有的研究得出的结论 是阳极电流和热流密度分布基本上服从高斯分布。 江苏大学硕士学位论文 国外学者对纯氩气保护条件下的t i g 焊接电弧模型的研究取得了很好的成果， 建立了符合一般情况下的电弧模型。但是所建立的大多数的模型都存在下面的不足： ( 1 ) 没有考虑尖锥形阴极形状。 ( 2 ) 假定了阴极斑点电流密度恒定。 ( 3 ) 假定了近阴极区的最高温度。 ( 4 ) 没有考虑阴极和阳极的微量元素的蒸发引起的影响 同时，关于氩氮混合气体保护下的t i g 焊接电弧数值分析的研究报道很少。 m u r p h y 。7 3 用实验的方法研究了混合气体保护的t i g 焊接电弧的温度，他对标准温 度法进行了拓展，使其能够进行混合气体电弧温度场测量，并利用该方法测量了 氩氮混合气体电弧，在考虑到电弧中气体分层的情况下，获得电弧中温度场和气 体成分的分布。该方法首先计算了不同气体成分下的氩和氮谱线的温度一发射系 数关系，对于某归一化的氩发射系数，在电弧总有无限多的浓度和温度可能与之 相对应。此时的氮谱线发射系数，也有无限多可能与之对应。 1 3 国内对焊接电弧的研究现状 国内学者对焊接电弧的研究起步相对比较晚，其中相当部分集中在对焊接电 弧的参数及电弧控制方面的研究o ”1 。另一部分是集中在对焊接电弧力场( 电磁力、 等离子流力和电弧压力) 的分析和实验研究0 4 蚓。对焊接电弧整体行为的研究和数 值分析是近几年才开始的。范红刚。7 3 踟对直流脉冲g t a w 焊接电弧进行了数值分析 和研究，建立了t i g 电弧模型，其数学模型与前面在国外焊接电弧模拟中的提到 的模型是近似的，但是对脉冲焊接电弧的研究却是与前面有所不同。樊丁等”1 对 t i g 电弧传热传质过程进行了数值分析，建立了完善的电弧传热传质数学模型， 与众不同的是文中用k - e 处理紊流问题。雷永平“”等建立了g t a w 焊接过程电弧与 熔池双向耦合统一数学模型，该模型考虑了熔池自由表面变化对电弧和熔池的影 响，并通过不断更新自由表面形状实现了电弧与熔池耦合。所建模型对t y p e 3 0 4 不锈钢材料的定点g t a w 焊接过程进行了数值分析，取得了良好的效果。 国内近几年的研究者“1 4 2 1 大多以近似k c h s u 所建立的模型为基础，同时针对 上面所提出的电弧模型的不足，采取了相应的解决措施，并利用通用的有限元软 件模拟出了针对2 0 0 a 以下直流t i g 焊接电弧等离子体温度场、速度场电弧阳极表 江苏大学硕士学位论文 面的电流密度分布以及电弧电磁力等的分布曲线，与实验所测得的电弧温度等值 线等能很好的吻合。 这充分说明了用数值分析的方法可以实现对焊接电弧行为的模拟研究。由此 推广开来，可以将这种方法应用于混合气体保护下直流t i g 焊接电弧行为的研究。 在混合气体保护下电弧兼有两种气体电弧的特点，电弧行为更加的复杂。国内对 氩一氮混合气体保护的t i g 焊接电弧的研究还停留在实验的阶段上。天津大学的 李桓等人用光谱诊断的方法研究了氩氮电弧的热特性，指出这种电弧所具有的高 热、高能量密度的特点，并分析了产生这种现象的机理。 1 4 本文的研究内容 目前，焊接电弧传热、传质过程的数值分析集中在直流t i g 焊接电弧，由于 阳极或阴极附近等离子体非中性及非l t e 的特点，多数研究过程中只考虑了弧柱 区，避开了阴极区和阳极区。同时各研究者的计算模型、数值方法、物性参数及 研究对象都不尽相同，因此所得结果也不完全一致，甚至背道而驰。此外由于诸 多因素的存在，尽管电弧焊的应用已经如此广泛，但对于混合气体保护电弧的物 理过程和基本性质的认识仍然相当有限，关于混合气体保护的t i g 电弧的数值分 析还没见有公开的报道。 由于焊接电弧的数值模拟仍然受诸多因素的制约，从公开发表的文献来看， 还有以下的不足： ( 1 ) 在电弧数值模拟中，假设平的阴极尖端形状，没有考虑阴极几何形状对 电弧本身以及焊缝成形的影响。而实际的情况表明，阴极尖端的几何形状对电弧 本身以及焊缝成形均有着较大的影响。4 。 ( 2 ) 阴极附近电流密度分布对数值模拟计算结果影响重大，而多数文献中通 过假定近阴极区的电流密度分布形式进行电弧建模，存在较大的随机性。 ( 3 ) 由于电弧近极区物理现象尚不清楚，目前还缺少一种计算区域包括阴极、 阳极、弧柱区的统一数学模型 ( 4 ) 由于混合气体电弧的复杂性，对氩氮混合气体保护的t i g 焊接电弧还只 在实验方面进行了研究，还没有关于氩氮混合气体保护电弧数值分析方面的研究 报道。 由于电弧等离子体极端的温度条件，电弧参量的实验测量极其困难，而数值 江苏大学硕士学位论丈 模拟则可在一定模型下提供完整的流场、热场及物理参数信息。实验研究是数值 模拟可靠性的保证，数值模拟是实验研究必要的补充。本文采用数值模拟与实验 研究相结合的方法，研究氩氮气体保护的直流t i g 焊接电弧电场和流场分布。研 究工作具体内容如下： ( 1 ) 氩氮保护直流t i g 焊接电弧电特性和热特性的实验测量。 用实验的方法测定不同配比的氩氮混合气体电弧的静特性，揭示氮气含量的 不同电弧静特性所呈现的变化规律。说明氮气对电弧电压和电弧能量的提高作用。 当采用正极性焊接时，阳极热输入包括电子到达阳极后放出的位能，电子通 过阳极区所获得的动能及从弧柱对流和辐射带来的能量，它直接影响焊接生产率 和电弧效率。本研究对氩氮混合电弧热功率的进行实验测量，进而说明氩氮混合 气体电弧的高热特性。 ( 2 ) 建立直流t i g 焊接电弧的数学模型及其数值解法 电弧等离子体是一种导电的流体，可以通过流体力学和电磁学相结合的方法 对它进行研究。与非电离气体的情况不同，描述等离子体流动和传热的磁流体动 力学方程组中的物性参数是随温度变化的变量，以及动量方程中洛仑兹力，能量 方程中焦尔热，电流引起的能量输送，单位面积辐射功等源项的出现使方程高度 非线性，而且这些方程要与麦克斯韦方程的求解同时进行，增加了求解的难度。 本文研究任务是建立数学模型，求解电弧地数理方程，具体内容如下：a ，根据磁 流体动力学理论，建立直流氩氮混合气体保护t i g 焊接电弧的轴对称稳态数学模 型；b ，确定电弧温度场、速度场计算模型的边界，温度、速度场计算区域不包括 固体阴极区，而电场的计算区域包括固体阴极区；c ，采用有限元方法求解偏微分 方程，计算区域采用统一的映射网格离散。 ( 3 ) 焊接电弧的a n s y s 有限元分析模拟 本文采用a n s y s 有限元分析软件来研究直流氩氮保护的t i g 稳态电弧模型的 温度场和速度场的分布规律，分析焊接规范参数对普遍关注的电弧阳极行为的影 响。同时比较不同氮气比例的电弧在温度、速度和电弧压力方面的不同。具体内 容如下：a ，计算数学模型，分析焊接电流和弧长对阳极表面电流密度分布的影响； b ，电弧等离子体流速矢量分布分析，以及阳极电弧压力产生机制的直观描述；c ， 考察不同的电流、弧长对阳极表面电弧压力分布和轴向等离子速度分布的影响；d ， 分析不同氮气含量对电弧温度、电弧电流密度以及等离子体速度的影响。 江苏大学硕士学位论文 第二章焊接电弧数值模拟的理论基础 2 1 等离子体物理 等离子体又被称为物质的第四态“”，它是大量的带电粒子组成的非束缚态的 宏观体系。等离子体物理是研究等离子体的性质及其和外界相互作用的学科。今 日的等离子体物理研究主要集中在以下的几个相对独立的领域：热核聚变能源研 究( 高温等离子体) ，空间等离子体无力( 无碰撞等离子体) 和天体等离子体无力 ( 各种极端参数条件下的等离子体) ，气体放电和电弧的工业应用( 低温等离子体 及其与物质相互作用) 以及涉及强流带电粒子束的现代高科技应用。 低温等离子体物理研究温度范围为2 0 0 0 - - - 5 0 0 0 0 k 的热等离子体的性质和运 动。低温等离子体物理与高温等离子体物理有不同的地方，它较少涉及“等离子 体中的波动现象”、“磁流体力学不稳定性”等问题，但是，却需要着重讨论各种 放电的原理、弧柱的性质、等离子体射流理论等等方面。按物理性质，低温等离 子体主要分为三类：局部热平衡的热等离子体；热力学非平衡的冷等离子体和燃 烧等离子体。热等离子体与冷等离子体因为在工业上的广泛应用有时又合称为工 业等离子体。 热等离子体主要由高强度直流电弧放电与高频感应耦合放电方法产生。热等 离子体的特点是放电的电场强度低( 一1 v m m ) ，同时与气体压强的比值较低，因此 热电离是主要的电离机制，粒子碰撞过程起支配作用，电子温度接近于重离子( 原 子、离子) 温度。热等离子体已广泛应用于机械加工( 焊接、切割、喷涂等) 、冶 金( 金属的熔化与重熔、保温、新冶炼过程等) 、化工、宇航、材料、电光源等众 多工业部门以及实验室中。 焊接电弧属于低温等离子体，在对电弧的宏观运动的研究中，常常把它作为 一种流体处理。与简单的流体不同，这种流体是导电粒子组成的，是一种高速运 动的磁流体。 焊接电弧是所有电弧焊方法的热源，但电弧并不是一般的燃烧现象。实质上， 电弧是在一定条件下带电粒子通过两电极间气体空间的一种导电过程”1 ，如图2 - 1 所示，或者说是一种气体放电现象。借助这种特殊的气体放电过程，电能转换为 江苏大学硕士学位论文 热能、机械能和光能。 阴极 2 2 焊接电弧 图2 一l 电弧示意图 阳极 1 8 0 1 年迪威发现了电弧放电现象，这是近代焊接一接合技术的起点。1 9 世纪 中叶人们提出了利用电弧熔化金属并进行材料连接的思想“，许多年后真正出现 了达到实用程度的电弧焊接方法。俄国人在1 8 9 1 年提出以金属电极取代碳电极的 金属极焊接法，电弧焊开始在工业领域内真正应用。到目前为止，电弧焊在焊接 领域仍占据着主要的地位。 对电弧机理的研究“1 能够促进电弧焊技术的发展。电弧产生机理、电弧特性 是各种电弧焊方法应用与发展的基础。当阳极和阴极之间存在电场并施加高频高 压电脉冲、电火花或者短路热击穿时就能形成电弧。电弧中被电离的气体或等离 子体有比正常状态下的气体高得多的电导率，因此可以传导电流。电弧在弧长方 向上分为三个不同的区域：阴极区、弧柱区和阳极区。阴极区是非常接近阴极的 非常小的区域，尺寸非常小，只有1 0 l 一1 0 。6 c m 数量级。在这个区域内一般正离子 过剩，与阴极形成强电场。弧柱区位于阴极和阳极之间，其长度基本上等于弧长， 弧柱中异种带电粒子形成的空间电荷密度大体相等，呈现电中性，是电弧导电的 等离子区域。阳极区位于非常接近于阳极表面的区域。尺寸比阴极区稍大，相当 于电子的平均自由行程。长度约为1 0 一1 0 3 c m 。在这个区域电子过剩，故呈现负 电性。 江苏大学硕士学位论文 2 21 焊接电弧各区域导电特点 在电弧的弧柱区，从宏观上看是电流焦尔热在发挥作用，质量小、容易运动 的电子流占全部电流的9 9 以上。在阴极与弧柱的临界区之间形成的阴极压降区， 因电极材料的不同，电子发射能力存在差异，比如f e 、a l 材料作为阴极时，离子 电流可能占有一定的比例，离子通过碰撞阴极使阴极加热，并使之从阴极发射出 热电子。此外，弧柱区过来的正离子，提高了阴极前面的空间电场，受到此高电 场的作用，亦能使电极发射出电子。在阳极压降区，受电弧电流数值的影响，电 流成分会有些变化，但几乎1 0 0 是电子流。 阴极区的任务是向弧柱区提供所需的电子流，接受由弧柱来的正离子流，以 满足电弧导电的需要。阴极区的导电机构有三种形式：热发射型、电场发射型和 等离子型。当阴极是高熔点的w 、c 材料，且电流较大时，由于阴极区可达到很 高温度，弧柱所需要的电子流主要依靠阴极热发射来提供。由于阴极表面温度受 沸点的限制不能升得很高，当靠阴极热发射不能提供足够数量的电子时，则在靠 近阴极的表面区域正负电荷的平衡关系将受到破坏，电子数量不足必然产生正离 子的堆积，这样一来在阴极表面必然形成局部正电场即造成所谓阴极压降区，通 过场致发射电子来弥补阴极热发射电子的不足。 电弧中的气体粒子，处于5 1 0 3 3 x 1 0 4 k 的高温下，产生强烈的弧光，与常 温下的气体不同，电弧中的气体粒子有一部分会被电离成正离子和电子，即是处 于所谓的等离子体状态。在弧柱中，正负带电粒子的数量几乎相同，使得电弧整 体上呈现电中性状态。作为电流主体的电子，在较小的电位梯度下亦可以产生移 动，从而能够传导大电流。使弧柱成为极好的导电体。此外，由于电子与正离子 相比重量极轻，即使在很小的电场下就可以高速向阳极移动，移动途中与正离子、 中性粒子产生碰撞，把其动能传给对方，从而也产生高速不规则运动。由此原因， 使得电弧等离子体中的粒子动能整体增大，处于高温状态。同时高温粒子又相互 碰撞，引发热电离，连续产生新的带电粒子。另一方面，高温粒子也向弧柱周边 区域扩散造成热量损失，该部分热量损失由外部电源向弧柱提供能量予以补充， 从而达到一种热量平衡。换言之，弧柱既是维持电弧持续放电所必需的电子和正 离子的产生源，同时也是把