（材料加工工程专业论文）旁路耦合电弧焊热物理过程研究.pdf

硕士学位论文 摘要 旁路耦合电弧焊作为一种新型的高效焊接方法，依靠其自身独特的焊接过程 不仅能够实现高速焊接而且还可以通过调节旁路电流来控制母材的热输入。因此 旁路耦合电弧焊在对焊接效率以及母材热输入有严格要求的场合具有广泛的应用 前景。本课题针对旁路耦合电弧焊过程中的热物理现象，主要进行了以下几个方 面的研究工作。 首先，针对旁路耦合电弧现象，研究其耦合机理，建立旁路耦合电弧的数学模型 以及有限元模型。使用全耦合法对模型进行求解，获得不同焊接参数下旁路耦合电弧内 部的温度场、流场以及电磁场分布情况，并比较旁路耦合电弧与普通t i g 电弧的区别， 分析焊接参数对旁路耦合电弧的影响规律。结果表明：a ) 在焊接总电流相同的前提下， 随着旁路电流的增加，旁路耦合电弧下半部分的能量随之减少，更多的热量消耗 在电弧上半部分和旁路电极上，因此电弧底面上的温度也随之降低。b ) 旁路耦合 电弧内部的高压区域主要分布在电极下方和电弧底面附近，其中电极下方具有最 大的电弧压力值和电弧压力梯度。电弧底面上的电弧压力随旁路电流的增加呈现 先减小后增大的趋势。c ) 在总电流相同的前提下，随着旁路电流的增加，越来越 多的电流被旁路电弧分流而并未流入母材，导致通过电弧底面的电流密度明显减 小。 其次，针对旁路耦合电弧焊的特点，在已有研究的基础上提出一种新的复合热源 模型。并使用该热源模型建立旁路耦合电弧焊工件的温度场模型，研究旁路耦合电弧焊 调节母材热输入的过程和机理，并通过试验验证所建立的模型的合理性。结果表明：a ) 在焊接总电流不变的基础上，焊缝的熔深以及母材的热输入会随着旁路电流的增加而降 低，并且越靠近焊缝母材热输入的降幅越大。b ) i 件背面三个特征点焊接热循环曲线的 模拟结果与试验结果基本一致，表明根据旁路耦合电弧焊特点所提出的热源模型能够正 确反映焊接参数与母材热输入之间的关系。 最后，利用上述所建立的旁路耦合电弧焊热源模型和工件的温度场模型，并进一步 结合铝钢界面原子扩散动力学模型建立焊接参数母材热输入铝钢界面处金属间化合物 层厚度的统一模型，使用该统一模型研究不同焊接参数下铝钢界面上的温度场以及金属 间化合物层的生长情况。并且分别对铝钢异种金属焊接温度场模型和铝钢界面原子扩散 模型进行了试验验证。结果表明：a ) 在焊接总电流相同的前提下，随着旁路电流的 增加，母材的热输入以及扩散反应区域的温度随之下降，铝钢界面扩散反应时间 也会随之缩短。对温度场模型的试验验证表明，工件背面b 点的焊接热循环曲线 的测量结果与相应点的模拟结果基本一致。b ) 当焊接总电流增大时，液态铝原子 旁路耦合电弧焊热物理过程研究 的扩散系数明显增大。而在焊接总电流不变的前提下增加旁路电流时，液态铝原 子的扩散系数随之减小；金属间化合物层的厚度随焊接参数的变化情况与液态铝 原子扩散系数的变化趋势一致，并且在扩散初期金属间化合物层厚度的增加率最 大，而随着金属间化合物层厚度的增加其厚度增加率随之减小。试验验证结果表 明金属间化合物层厚度随焊接参数变化趋势的计算结果与试验结测量结果一致 的，而在数值上计算结果基本处于试验测量结果的分布范围内。 关键词：旁路耦合电弧；复合热源模型；母材热输入；铝钢异种金属焊接；金属 间化合物 a b s t r a c t a san e wh i g h l ye f f i c i e n tw e l d i n gm e t h o d ，d e g m a w ，w i t hi t s o w nu n i q u e w e l d i n gp r o c e s s ，c a nn o to n l ya c h i e v eh i g h s p e e dw e l d i n gb u ta l s oc o n t r o lt h eh e a t i n p u to fb a s e 。m e t a lb ya d ju s t i n gt h eb y p a s sc u r r e n t t h e r e f o r e ，d e g m a wh a sa w l d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h eo c c a s i o n sw h i c hs t r i c t l yr e q u i r ew e l d i n g e f f i c i e n c ya s w e l la sb a s em e t a lh e a ti n p u t i nt h i s p a p e r ，s e v e r a li s s u e sr e l a t e dt h e r m a lp h y s i c a i p h e n o m e n o nd u r i n gb y p a s sc o u p l i n ga r cw e l d i n ga r ed i s c u s s e d f i r s to fa l l ，b a s e do nt h e c o u p l i n g a r c p h e n o m e n o no fd e g m a w a m a t h e m a t i c a lm o d e la n daf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc o u p l i n ga r eo fd e g m a w a r e e s t a b l i s h e d t h r o u g hs t u d y i n gt h e c o u p l i n gm e c h a n i s m f o rd i f f e r e n tw e l d i n g p a r a m e t e r s ，f u l l 。c o u p l i n g m e t h o di su s e dt o s o l v et h em o d e lt oa c h i e v e t h e d i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d ，f l o wf i e l da n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l dw i t h i nb y p a s s c o u p l i n ga r c ，a n dt h r o u g hc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e n c o u p l i n ga r ea n dt i ga r c w e l d i n gp a r a m e t e r se f f e c tl a wo nb y p a s sc o u p l i n ga r ci sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e d t h a t ：a ) i ft h et o t a lw e l d i n gc u r r e n ti sc o n s t a n t ，i ft h eb y p a s sc u r r e n ti n c r e a s e s t h e e n e r g yo fl o w e rp a r to ft h ec o u p l i n ga r ci sr e d u c e d ，m o r eh e a ti sc o n s u m e di nt h e u p p e rp a r to ft h ea r ca n di nt h ee l e c t r o d e ，a sar e s u l t ，t h e t e m p e r a t u r eo ft h e u n d e r s u r f a c eo ft h ea r cd e c r e a s e s b ) t h eh i g h p r e s s u r er e g i o nw i t h i nt h ec o u p l i n ga r c o fd e - g m a wa r em a i n l yd i s t r i b u t e di nt h eu n d e r p a r to ft h ee l e c t r o d ea n dt h ei nt h e u n d e r s u r f a c eo ft h e g r a d i e n te x i s ti nt h e a r c ，a n dt h em a x i m u ma r cp r e s s u r ev a l u ea n dt h ea r cp r e s s u r e u n d e rp a r to ft h ee l e c t r o d e t h eu n d e r s u r f a c ea r c p r e s s u r ef i r s t d e e r e a s e sa n dt h e ni n c r e a s e sw i t ht h ec o n t i n u o u s i n c r e a s eo ft h eb y p a s sc u r r e n t u n d e rt h es a m et o t a lc u r r e n ts i t u a t i o n ，a st h eb y p a s sc u r r e n ti n c r e a s e ，m o r ea n dm o r e c u r r e n ts h u n tt ot h eb y p a s sa r ci n s t e a do fb a s em e t a l ，w h i c h l e a dt oas i g n i f i c a n t d e c r e a s eo fc u r r e n td e n s i t yi nt h ea r cb o t t o m s e c o n d l y ，b a s e do nt h ee x i s t i n gr e s e a r c ha c h i e v e m e n t ，an e wh y b r i dh e a ts o u r c e m o d e ll sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ed e g m a w t h r o u g hw h i c h t h et e m p e r a t u r ef i e l dm o d e lo fd e g m a wi se s t a b l i s h e dt o s t u d yt h ep r o c e s sa n d m e c h a n i s mo ft h ee f f e c ts y s t e mo fb a s em e t a lh e a ti n p u t a n dt h e r a t i o n a l i t vo ft h e m o d e li sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：a ) i ft h et o t a l w e l d i n g c u r r e n tl s c o n s t a n t ，t h ew e l dp e n e t r a t i o na n dt h eh e a t i n p u to fb a s e m e t a lw i l l d e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h eb y p a s sc u r r e n t ，a n dt h ec l o s e rt ot h eb a s em e t a l t h e 1 1 1 旁路耦合电弧焊热物理过程研究 ii i_ g r e a t e rt h ed e c l i n er a t eo fh e a ti n p u tw i l lb e b ) t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ew e l d i n g t h e r m a lc y c l ec u r v eo ft h et h r e ef e a t u r ep o i n t so nt h eb a c ko ft h ew o r k p i e c ea r e b a s i c a l l yt h es a m ea st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w h i c hm a n i f e s tt h a tt h eh e a ts o u r c e m o d e lm e n t i o n e db e f o r ec o u l d c o r r e c t l y r e f l e c tt h er e l a t i o nb e t w e e nw e l d i n g p a r a m e t e r sa n dh e a ti n p u to f b a s em e t a l f i n a l l y ，o nt h eb a s i so ft h a th e a ts o u r c em o d e la n dt h et e m p e r a t u r ef i e l dm o d e l ， a sw e l la sa t o m i cd i f f u s i o nk i n e t i c sm o d e lo fa l u m i n u m s t e e li n t e r f a c e ，au n i f i e d m o d e lo fw e l d i n g p a r a m e t e r s - - h e a ti n p u to ft h eb a s e m e t a l t h et h i c k n e s so f i n t e r m e t a l l i ec o m p o u n dl a y e ra tt h ea l u m i n u ms t e e li n t e r f a c ei se s t a b l i s h e d b yu s i n g t h i sm o d e l ，t e m p e r a t u r ef i e l do fa l u m i n u m s t e e li n t e r f a c ea n dt h et h i c k n e s sg r o w t ho f t h ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n dl a y e ra r ed i s c u s s e db yc h a n g i n gw e l d i n gp a r a m e t e r s f u r t h e r m o r e ，t h ew e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l dm o d e lo fa l u m i n u ms t e e ld i s s i m i l a rm e t a l a n dt h ea l u m i n u ms t e e li n t e r f a c ea t o m i cd i f f u s i o nm o d e la r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：a ) u n d e rt h es a m et o t a lc u r r e n t ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e b y p a s sc u r r e n t ，t h eh e a ti n p u to fb a s em e t a ld e c r e a s e s ，a sw e l la st h et e m p e r a t u r eo f d i f f u s i o nr e a c t i o nz o n e ，a l s ot h ed i f f u s i o nr e a c t i o nd u r a t i o na m o n ga l u m i n u ms t e e l i n t e r f a c ei s s h o r t e n e d e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n o ft h et e m p e r a t u r ef i e l dm o d e l s h o w e dt h a tt h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t so fw e l d i n gt h e r m a lc y c l e c u r v eo fp o i n tbo nt h eb a c ko ft h ew o r k p i e c ei sb a s i c a l l yt h es a m e b ) w h e nt h e w e l d i n gc u r r e n ti n c r e a s e s ，t h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fl i q u i da l u m i n u ma t o m sw i l l i n c r e a s es i g n i f i c a n t l y h o w e v e r ，i fu n d e rt h es a m et o t a lc u r r e n t ，t h ei n c r e a s ei nt h e b y p a s sc u r r e n tw i l lc a u s et h ed e c r e a s eo ft h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n t t h et h i c k n e s so f i n t e r m e t a l l i cl a y e ri sc o n s i s t e n tw i t ht h ec h a n g eo fw e l d i n gp a r a m e t e r sa n dt h el i q u i d a l u m i n u ma t o m sd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ，e s p e c i a l l yi ni n i t i a ld i f f u s i o n ，t h ei n t e r m e t a l l i c l a y e rt h i c k n e s sh a st h em a x i m u mi n c r e a s i n gr a t ew h i c hl a t e rd i m i n i s h e sw i t ht h e i n c r e a s e so ft h et h i c k n e s so fi n t e r m e t a l l i cc o m p o u n dl a y e r t h et e s t s c a l c u l a t e dr e s u l t so fv a r i a t i o nt r e n do fi n t e r m e t a l l i cc o m p o u n dl a y e r s h o w e dt h a tt h e t h i c k n e s s u n d e r l d i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r sa r ec o n s i s t e n tw i t hm e a s u r e do n e s ，a n dt h ec a l c u l a t e d v a l u e sa r ei nt h er a n g eo fm e a s u r e m e n tr e s u l t k e yw o r d s ：t h ec o u p l i n ga r e ；t h eh y b r i dh e a t s o u r c em o d e l ；h e a ti n p u to f b a s e m e t a l ；d i s s i m i l a rm e t a lw e l d i n g ；i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d i v 旁路耦合电弧焊热物理过程研究 插图索引 图1 1 旁路耦合电弧焊原理图1 图1 2 双t i g 焊电弧模型示意图5 图1 3 双t i g 电弧模拟结果6 图1 4 平面高斯热源示意图7 图1 5 双椭球热源模型示意图8 图2 1c f d 数值模拟总体计算流程图19 图2 2c o m s o l m u l t i p h y s i e s 多场耦合示意图2 l 图2 3c o m s o lm u l t i p h y s i c s 软件界面2 1 图3 1 旁路耦合电弧多场耦合原理示意图2 4 图3 2 旁路耦合电弧几何模型2 6 图3 3 旁路耦合电弧模型网格划分2 7 图3 4 氩气的热物性参数2 8 图3 5 旁路耦合电弧形态对比2 9 图3 6 旁路耦合电弧三维温度等表面图3 0 图3 7 不同参数下旁路耦合电弧纵截面温度场31 图3 8 不同参数下电弧底面a b 线上温度分布3 3 图3 9 不同参数下旁路耦合电弧轴线温度分布3 4 图3 1 0 不同参数下耦合电弧内部三维速度场3 6 图3 1 l 不同参数下耦合电弧内部纵截面上等速线分布3 7 图3 1 2 不同参数下耦合电弧中心轴线上速度场3 8 图3 1 3 不同参数下耦合电弧内部纵截面上的等压线分布4 0 图3 1 4 不同参数下电弧底面a b 线上的电弧压力4 l 图3 1 5 不同参数下旁路耦合电弧内部磁场线分布一4 2 图3 1 6 旁路耦合电弧内部纵截面上电流流向4 4 图3 1 7 旁路耦合电弧底面a b 线上电流密度分布4 5 图3 18 旁路耦合电弧纵截面上电磁力方向4 6 图4 1 耦合电弧示意图4 9 i v 硕+ 学位论文 图4 2 工件及坐标系统示意图51 图4 3 工件温度场模型网格示意图5 2 图4 4q 2 3 5 低碳钢密度随温度的变化情况5 3 图4 5q 2 3 5 低碳钢热导率随温度的变化情况5 4 图4 6q 2 3 5 低碳钢比热容随温度的变化情况5 4 图4 7 不同时刻工件瞬态温度场分布5 6 图4 8 焊缝横截面图5 7 图4 9 焊缝熔深模拟结果5 7 图4 1 0 不同参数下焊缝熔深试验结果5 8 图4 1 1 母材内温度积随时间变化情况5 8 图4 1 2 工件背面特征点位置示意图5 9 图4 1 3 特征点焊接热循环曲线模拟结果及验证6 0 图5 1 扩散模型求解原理示意图6 3 图5 2 几何模型及网格划分一6 5 图5 3 铝钢异种金属旁路耦合电弧焊工件正反面温度场一6 6 图5 4 焊缝横截面上的温度场分布6 7 图5 5 总电流为5 4 a 时不同参数下温度场模拟结果及验证一6 8 图5 6 总电流为7 7 a 时不同参数下温度场模拟结果及验证7 0 图5 7 焊接总电流为5 4 a 时不同参数下a l 原子的扩散系数7 2 图5 8 焊接总电流为7 7 a 时不同参数下a l 原子的扩散系数7 4 图5 9 焊接总电流为5 4 a 时不同参数下金属间化合物层生长情况7 6 图5 1 0 焊接总电流为7 7 a 时不同参数下金属间化合物层生长情况7 7 图5 11 总电流为5 4 a 时不同参数下金属间化合物层厚度计算结果验证7 8 图5 1 2 总电流为7 7 a 时不同参数下金属问化合物层厚度计算结果验证7 9 v 旁路耦合电弧焊热物理过程研究 插表索引 表3 1 旁路耦合电弧模拟参数2 9 表4 1 综合散热系数取值5 l 表4 2 焊接工艺参数取值5 3 表4 3q 2 3 5 等效比热5 5 表5 1 焊接工艺参数6 6 v i 硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 作为先进制造技术的重要组成部分，焊接在国民经济的发展和国家建设中发 挥了重要的作用。焊接技术己经广泛应用于国民经济的各部门，如机械工程、桥 梁工程、建筑工程、压力容器、船舶工程、电子工程以及尖端的航天、航海和动 力工程等领域。所以焊接技术的研究和发展水平，标志着一个国家工业和科技的 现代化进程【lj 。 旁路耦合电弧焊是一种新型的高效焊接方法，由美国肯塔基大学张裕明教授 首先提出1 2 j ，工作原理如图1 1 所示。该方法是在传统g m a w 的基础上增加非熔 化极作为旁路电极，焊接过程中主路电弧和旁路电弧构成一个耦合电弧系统同时 工作。焊接总电流在流经焊丝后分为两部分，一部分是流入母材的电流称为母材 电流，另一部电流由于旁路电弧的分流作用并没有流入母材称为旁路电流。作用 于焊丝上的焊接电流数值较高，有利于提高焊丝的熔化速度，从而提高熔敷率。 而由于旁路电弧分流了一部分通过焊丝的焊接总电流，在保证熔敷率的同时，减 小了对于母材的热输入【3 4 】。因此旁路耦合电弧焊可以有效控制高速焊接中容易出 现的咬边、驼峰焊道等缺陷，实现高效焊接。 几氏 图1 1 旁路耦合电弧焊原理图 在旁路耦合电弧焊过程中，可以在焊接总电流不变的基础上通过调节旁路电 流来调节流经母材的电流。而流经母材的电流与母材的热输入密切相关，因此旁 路耦合电弧焊方法可以在焊接过程中实现对母材热输入的精确控制。这一特性使 得旁路耦合电弧焊可以适用于对热输入有严格要求的场合，如铝钢异种金属的焊 接。目前本课题组正在进行铝钢异种金属旁路耦合电弧焊方面的研究，并取得了 较好的成果。而且由于旁路耦合电弧焊本质上属于电弧焊的改进型，所以旁路耦 旁路耦合电弧焊热物理过程硼f 冗 合电弧焊相比于其他新型焊接方法具有成本上的优势。综上所述旁路耦合电弧焊 作为一种新型焊接工艺，依靠其自身独特的焊接过程，可以实现高效焊接以及对 母材热输入的精确控制，并且其成本较低，因而旁路耦合电弧焊具有广泛的应用 前景。 旁路耦合电弧焊之所以能够实现高效焊接以及对母材热输入的精确控制，主 要是因为焊接过程中通过旁路电弧的分流作用，使得熔化焊丝的电流与流入母材 的电流不相等，母材电流等于总电流减去旁路电流。母材电流的大小决定了作用 于母材上的电弧能量大小，而在焊接过程中母材的热输入与作用于母材的电弧能 量密切相关。因此研究耦合电弧的耦合机理以及内部各物理量的分布尤其是温度 场的分布对于旁路耦合电弧焊机理的研究具有重要的意义。要在旁路耦合电弧焊 过程中精确控制母材的热输入，首先要研究旁路耦合电弧焊控制母材热输入的机 理。因此建立旁路耦合电弧焊的热源模型，研究旁路耦合电弧焊调节母材热输入 的机理，可以为其焊接工艺参数的优化提供理论依据。在铝钢异种金属焊接方面， 旁路耦合电弧焊具有效率高成本低等优势，而在其焊接过程中，主要存在以下问 题：( 1 ) 由于铝和钢在热物性参数上的巨大差异，导致焊后存在很大的残余应力。 ( 2 ) 铝原子和铁原子在高温下极易生成脆性的金属问化合物，并且研究表明脆性金 属间化合物层的厚度会随着母材热输入的增加而变大。脆性金属间化合物层的存 在大大降低了焊接接头的力学性能【5 1 。为了解决上述问题获得高质量的焊接接头， 研究铝钢异种金属焊接过程中铝铁界面上原子扩散过程，建立焊接参数、母材热 输入、金属间化合物层厚度之间的关系对于铝钢异种金属旁路耦合电弧焊工艺参 数的优化具有十分重要的意义。 本课题针对旁路耦合电弧焊这种新型焊接方法，建立旁路耦合电弧的数学模 型以及有限元模型，研究耦合电弧内部各物理量的分布规律；研究旁路耦合电弧 焊控制母材热输入的机理，建立旁路耦合电弧焊热源模型及工件温度场模型；研 究铝钢异种金属旁路耦合电弧焊铝铁界面上的原子扩散行为，并在上述研究的基 础上建立焊接参数、母材热输入以及铝钢界面金属间化合物层厚度之间的定量关 系。综上所述本课题对于旁路耦合电弧焊机理的研究以及其焊接工艺参数的优化 都具有十分重要的意义。i 1 2 课题研究现状 本课题的研究对象为旁路耦合电弧焊过程中的热物理现象，而旁路耦合电弧 焊是一种新型的焊接方法，针对该方法所做的研究以及建立的模型都还很少。但 针对常规g t a w 和g m a w 过程的研究则有很多，并已经建立了较为完善的电弧 模型以及焊接热源模型。而充分学习和掌握这些已有的研究方法和数值模型是本 课题研究的基础。 2 硕士学位论文 1 2 1 电弧模型发展现状 焊接电弧是一个非常复杂的热物理过程，在其内部伴随有能量的转换、质量的传递、 电磁力的作用、金属的过渡以及电弧电源系统特性动态变化等一系列问题，人们对焊 接电弧的研究通常是基于理想的状况和在一系列假设条件下来建立电弧的数学模型并 进行数值求解的，再通过试验对理论结果进行验证。在一般情况下，试验结果与模拟结 果只能在局部条件下可以吻合得较好。由于t i g 焊使用非熔化极，因此在焊接过程中能 够保持恒定的电弧长度而且焊接过程稳定，影响电弧的因素较少，而且用氩气作为保护 气体，很容易获得高质量的焊缝，因此国内外大部分研究者所建立的电弧数值模型都是 从t i g 焊电弧开始的。 国外自从上世纪七、八十年代就开展了对焊接电弧完整体系的数值研究。k c h s u 等睁7 】对自由燃烧的高密度氩弧进行了研究。首先根据流体守恒控制方程组和麦克斯韦 方程组对整个自由电弧区域建立了二维数学模型，并综合考虑了电磁力、热量传递、等 离子体流动等之间的相互作用，但是在电磁场计算中没有考虑阴极形状的影响，并且将 阴极表面的电流密度分布假定为如下形式： 【，) = k e x p 【_ 6 r j ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中 煅和b 为常数，最大电流值 煅是利用电弧图像得到的，常数6 是根据电 流守恒计算得到的： ， 1 = 2 , ri k e x p 【- b r ，d r ( 1 2 ) 6 该模型采用有限差分方法对不同电流以及不同弧长下自由燃烧的电弧进行了数值 模拟，并且获得了电弧温度场、电弧轴线上的压力、等离子气流动速度、电压、电场强 度等众多物理量。所用模型计算分析得出的温度分布与试验值显示出很好的一致性，使 得对电弧行为的准确数学描述成为可能。 j m c k e l l i g e t 等【8 】对焊接电弧的热传递和流体流动做了认真的分析和研究。将阴极表 面假定为平面，并且假定通过阴极表面的电流密度是均匀不变的。文中采用有限差分法 计算了不同焊接电流下弧长为1 0m l n 时的电弧温度场、流场以及阳极表面电流密度的 分布情况，并且模拟结果与试验结果吻合较好。 m c t s a i 等【9 】为研究不同电极形状对电弧内部电磁场的影响，利用有限体积法对 尖端和平坦的电极分别做了模拟和研究，并在计算中考虑了保护气体的作用。计算结果 发现在电极锥角为6 0 。左右或者小于6 0 。时，电弧呈现通常所说的铃形，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。但是保护气体喷嘴的存 在对于电弧等离子体的速度和温度分布并没有太大的影响。 j j l o w k e 等【l o 】对自由燃烧的弧柱理论进行研究的同时考虑了阴极对电弧的影响。 先前的研究中大都是先假定阴极的状况，也就是说给定阴极电流密度，而j j l o w k e 等 3 旁路耦合电弧焊热物理过程研究 人采用的模型中阴极电流的密度是通过计算得来的。因此该模型可在任何给定电流、焊 接气体和电极形状下进行分析，并且该模型对流场和温度场的计算结果与试验结果基本 吻合。 g o i 吲e z 【1 1 】和z h a o 1 2 】采用数值模拟的方法研究了被蒸发的阳极材料蒸气进入等离 子体区域后对电弧的影响。因为金属蒸汽可以改变等离子体的热物理性质和电导率，从 而影响自由燃烧电弧自身的特性。为研究该问题，建立了有金属蒸气存在时自由燃烧电 弧的数学模型，并且假定电弧弧柱和阳极交界的界面为刚性表面，忽略了对阳极非平衡 鞘层区的考虑。数值模拟结果表明，阳极蒸发产生的金属蒸气由于受到等离子流的抑制， 集中在自由燃烧电弧的近阳极区和电弧的边缘区域。由于金属汽化需要吸收大量的热， 阳极金属蒸气对近阳极区电弧有冷却作用，而电弧阴极区和电弧核心区电流密度几乎不 受金属蒸气的影响。 p e i y u a n z h u 等【1 3 1 4 】计算了自由燃烧电弧的阳极表面温度，着重阐述了考虑阳极特 性的自由燃烧电弧模型。利用已有的统一的电弧电极体系处理方法，将电弧电极区划 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，又由于必须维持电弧电流，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。文中对于阴极和阴极鞘层区做 了特殊处理。对于阴极鞘层区的详细描述，r m o r r o w 等【l5 】给出了电弧阴极鞘层区的一 维理论，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。模拟结果 表明，阳极所在板材的厚度越小，则需要用来熔化阳极的电流门槛值越大，这与试验结 果是一致的。 m i n n e s o m 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试验 与理论研究【1 6 】，包括测定阳极压降和阳极传热量等。但阳极区的复杂物理现象尚不能被 很好的模拟。而阴极区有电子发射，场致电离，离子轰击阴极表面等复杂过程，但是至 今的研究还很不完善，j w m c k e l l i g e t 1 7 】建立了关于钨极氩弧焊热阴极的数学模型，模型 考虑了阴极内的热传导和焦耳产热、热电子发射、鞘层内的离子流以及阴极和电弧等离 子体之间的辐射传热作用。 r o b e t d u c h a r m e 等【l8 】在考虑了保护气体和阴极斑点的情况下建立了电弧数学模型。 当电弧长度为1 0i l l n l 时，电极尖端的阴极斑点是不稳定的，此时测量其稳态分布是很 困难的，而当电弧长度为5 m m 时，阴极斑点则相对稳定。阴极斑点的位置依赖于冷却 气体从电极周围进入电弧区域的速度，这种冷却气体的流动是影响阴极附近电弧半径的 另一重要因素。 s y l e e m s c 等1 1 9 】应用边界匹配坐标分析了t i g 焊焊接电弧，在考虑了电极形状和 电极表面电流密度分布的情况下分析焊接电弧。因为电极形状是曲线的，并且尺寸非常 小，用直角坐标很难表述电极轮廓，因此模型中采用了边界匹配坐标，即按照边界的形 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，从而精确描述电极表面。 4 硕士学位论文 国内学者对焊接电弧的研究起步相对比较晚，起步于8 0 年代初，近年来越来越多 的学者开始投入到这项研究中，并且取得了积极的进展。1 9 8 5 年樊丁建立了电弧传热模 型，随后樊丁又进一步计算了电弧的电流密度、电弧压力场和辐射场，建立了较为完善 的电弧模型【2 0 2 2 1 。 武传松等【2 3 】对t i g 焊电弧行为进行了研究。结果表明在阴极尖端附近等离子的速 度最高，因为阴极尖端附近存在一个梯度很大的电势梯度和电流密度。电弧温度分布曲 线、阳极的电流密度以及热流密度分布的模拟结果与试验结果吻合较好。 范红刚等1 2 4 j 对t i g 焊电弧压力进行了数值模拟。分析表明影响电弧压力的因素主 要有：焊接电流、电极锥角、电弧长度。并且焊接电流越大，电弧压力越大：电 极锥角越小，电弧压力越大。雷玉成等【2 5 】运用a n s y s 有限元分析软件对氮氩气 体保护的t i g 焊接电弧进行了数值模拟。得到了混合气体保护下焊接电弧的温度 场、流场的分布情况。分析了焊接电流以及电弧长度对阳极表面电流密度分布的 影响。结果表明，随着焊接电流的增大，阳极表面电流密度随之增大，而随着弧 长的增加，阳极表面电流密度减小。 以上研究都是针对单个电弧的，而针对耦合电弧的研究目前还较少。日本大阪大 学的yo g i n o 等【2 6 】建立了双t i g 焊的电弧数值模型，模型示意图如图1 2 中所示。 并且通过该模型研究了当两个电极距离不同时的温度场、流场以及电磁场的分布 情况。图1 3 为双t i g 电弧模拟结果。结果表明：当两电极距离很近时，作用于 工件表面的热流密度和电流密度符合高斯分布；当两电极相距6 8m m 时，电弧 底面的电弧压力出现最小值；而电弧对工件的热输入几乎不随两电极距离的变化 而改变。 图1 2 双t i g 焊电弧模型示意图 5 旁路耦合电弧焊热物理过程研究 【m m l f a ) e l e c t r o d e 【m m l b ) e l e c t r o d e 图1 3 双t i g 电弧模拟结果 虽然上述的双t i g 电弧也是由两个电弧耦合而成，但是双t i g 电弧与本课题 所研究的旁路耦合电弧是有本质的区别的。主要有以下几点：( 1 ) 双t i g 电弧的两 个电弧相距较远，耦合程度较小。( 2 ) 更为关键的是双t i g 电弧的电流是同向的， 在两个电弧不断靠近的过程中，它们之间的电磁力会使两个电弧自然而然的结合 在一起构成个耦合电弧。但是本课题中的旁路耦合电弧，其主路电弧和两个旁 6 硕士学位论文 路电弧的电流流向是相反的，因此主路电弧和旁路电弧之间的电磁力是相互排斥 的，因此旁路耦合电弧的建模及求解过程更加复杂。 1 2 2 热源模型及焊接温度场模拟现状 真正意义上的焊接热过程的数值分析开始于2 0 世纪7 0 年代，1 9 7 5 年加拿大 的z p a l e y 和h d h i b b e r t l 2 7 1 用有限差分法编制了可以分析非矩形截面以及常见 的单层、双层u ，v 型坡口的焊接热传导的计算机程序，考虑了材料物理性能与 温度的关系，并将熔化区内的单元作为加热的热源来处理，但忽略了工件在焊接 过程中向周围环境的散热损失，并假设工件为无限长。 美国m i t 的k m a s u b c h i 等人用有限元研究了水下焊接传热问题，美国的g w k r u t z y 于1 9 7 6 年的博士论文中也用有限元建立了二维焊接温度场的计算模 型，并考虑了相变潜热问题【2 引。该模型考虑了工件材料的热传导系数和比热随温 度的变化，边界条件中也考虑了工件与周围环境介质间的辐射和对流换热，但没 有说明焊接热源的处理方法，忽略了在电弧运动方向上的传热。 e a g a r 和t s a i 等1 2 9 j 将电弧范围内热流密度的分布近似地用高斯数学模型来描 述，提出了平面高斯热源模型，如图1 4 中所示。 图1 4 平面鬲斯热源示意图 该模型中工件表面上的热流密度分布可表示为： 气户 g ( ，) = e x p ( 一告) ( 1 3 ) 【 式( 1 3 ) 中g 朋为加热斑点中心最大热流密度，r 为电弧有效加热半径，为距离 电弧加热斑点中心的距离。平面高斯热源只考虑了电弧对工件表面的加热，而没 有考虑电弧的穿透作用。经过进一步发展出现了半球形高斯热源，半球形高斯热 源虽然考虑了电弧的穿透作用但仍有局限性，因为实