双电极TIG电弧热源特性的数值分析

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1、双电极TIG电弧热源特性的数值分析 荻野，平田和K野村日本大阪大学，工程研究生院，大阪吹田2-1 Yamadaoka ，电子邮件： oginomapse.eng.osaka-u.ac.jp2010年12月3日接收，2011年3月24日终稿2011年5月出版摘要 为确保高的生产效率，多种多电极焊接工艺应用于如造船、汽车制造和制管业等领域。然而，因为有许多运行参数而且焊接现象十分复杂，所以，很难获得特定产品的最佳焊接条件。目前的研究中，应用一个重点在控制两电极间距的三维（3D）电弧等离子体模型，来对双电极TIG焊电弧热源特性进行数值研究。电极间距不同，电弧等离子体形状会发生显著变化。因为电极间距发

2、生变化时，诸如热输入密度和电弧压力分布会发生显著改变。双电极TIG焊电弧的最大电弧压力比单电极的小得多。然而，双电极TIG焊电弧热源总的热输入却是独立于电极间距的一个常数。双电极TIG焊电弧热源的这种特性对控制低压下热输入分布是十分有用的。所以，这些结果表明了基于双电极TIG焊电弧的热源有低压下高热输入能力的可能性。1简介在制造业的各个领域，弧焊过程是一项不可缺少的技术，因为它有助于高质量高效率地完成任务。近年来，开发出了许多新的弧焊方法，包括AA-TIG焊（电弧辅助A-TIG焊）1，激光电弧复合焊接2，高频脉冲焊接3，控制桥传输（CBT）过程4，磁控制TIG电弧焊接5 和多电极焊接6。多种多

3、电极焊接工艺已经应用到像造船、汽车制造和制管业等领域。然而焊接现象十分复杂，而且多电极焊接中存在诸如电极间距、电极极性及电极蒸发等这些传统单电极焊接中不过分考虑的问题，所以，很难获得特定产品的最佳焊接条件。一些报道指出，对上述复杂现象已进行了试验研究7。然而，为了确保多电极TIG焊在实际生产中的接头质量，还需进行更多的试验。换言之我们对弧焊现象还不能充分的掌握，很难定量表达它们。所以要开发更多更先进的弧焊工艺，需要对焊接现象有更深入的理解和掌握，及理论上的研究。计算机技术的快速发展，通过采用数值分析方法，促进了对焊接电弧物理现象更深入的理解。对理解几种复杂焊接现象非常有用的一些数值模型已经建立

4、和公布了。大多数的模型是（2D）二维轴对称模型8-11，然而，许多实际工业焊接过程是是轴向不对称的，所以要求进行精确的三维（3D）模型仿真来更深入的理解。尽管对熔池建立了三维模型，几乎所有的热源被假定为是轴对称的，而且符合实验结果12-16。所以，就这些热源而言，建立三维电弧等离子体模型17-19来获得更为详细的信息是十分重要的。在目前的研究中，我们选择双电极TIG焊作为多电极焊接的一个实例，并且构建三维电弧等离子体模型来进行数值研究。在双电极焊接过程中，两电极的极性相同而相互排斥，所以电极间距是一个非常重要的参数。我们重点数值研究了电极间距对热输入密度，电弧压力及基金属总的热输入等电弧等离子

5、体热源属性的影响。2.数值模型在局部热力学近似平衡条件下，电弧等离子体可以看做是一个电磁粘性流体20。所以这个热的电磁流体可以用以下的方程表示：质量守恒方程： 动量守恒方程：其中能量守恒方程：其中式中是密度(kg m3)， v是速度矢量(ms1)，t为时间(s)，P是压力(Pa)，是粘性应力强度(Pa) ，g是重力加速度(ms2)，F是外力(Nm3)，是粘度(J kg1) (kgms1)，H是焓值(J kg1)，是产热(WmK1)。W是内热(Wm3)，Ra是辐射损失(Wm3)，cp是常压下的比热(J kg1K1)，u、v和w分别是速度沿x，y，z方向的分量。要产生TIG电弧，电磁力和焦耳热是必

6、不可少的，这个外力和内部产热可以分别用以下两个式子表示：和其中j为电流密度矢量(Am2)，为导电率(Sm1)，B是磁通密度矢量(T)，电流和磁通区域由以下的方程控制：其中V是电势（V），A是电磁势矢量(NA1)，µ0是自由区域的导磁率(Hm1)。目前的研究中TIG电弧带入基金属的热量被假定是由电子产热和电子运载提供的。当焊接过程中应用一个比较高的电流的电弧时，阳极压降几乎接近于零或者轻微偏负21,22，有报道指出。由于这个原因，计算中可以将其忽略不计。所以阳极热输入可以用以下的方程来计算：式中q是热通量(Wm2)，是阳极金属逸出功(eV)。应用这些控制方程，用我们自己定制开发的代码进

7、行数值分析，它是再SMAC方法23的基础上采用了数字计划，图1表示了TIG焊电弧三维数值模型边界条件和分析条件以及原理解释。为双钨电极气流密度，保护气体流入和阳极电势设图1.双钨极TIG电弧三维（3D）数值模型的边界条件和原理解释置计算域的边界条件。通过调整边界层的物理属性，阴极电极和阳极金属表面的电弧等离子体边界都可以顾及。对于汽相和固相边界电导率，采用相邻格点相互平均24的方法进行处理。这是一个非均匀的网格模型，可以表示为：B边界电导率， G和s是毗邻的网格点的导电率，LG和LS的网格点和边界层之间的距离。 G和S分别表示气态和固相指数。用薄膜温度来计算边界边界的产热率。电极直径和顶角分别

8、为3.2mm和60。就阳极而言，两个电极都是垂直排列的。每个电极提供100A的电流。两个电极尖端的距离定义为电极间距。同时建立单电极电弧数值分析作为比较。对每一个单电极提供100A或200A的电流。氩气流入量电极之间的区域，阳极基金属的厚度为5mm，电子逸出功为4.6eV。在实际焊接操作中，基金属产生的金属蒸气混入氩等离子体中，改变了电弧等离子体的物理属性25。为了避免目前模型中的这种复杂情况，假设阳极板是大幅降温而冷却的，不发生变形和融化。所以，当前模型中，忽略了金属蒸发的影响，而且计算中假设氩弧等离子体是纯净的。TIG焊枪固定。由于电弧等离子体有一个比较宽泛的温度范围，而且它依赖于保护气体

9、的物理性质，图2.电极间距对温度和速率区域的影响。左边的图片和右边的图片分别表示阳极基金属上xz平面和xy平面。所以是不能忽略的26。研究中氩气的物理性质来源于Murphy的一项研究27。模型中电弧阴极区和阳极区不予考虑，所以计算电弧压力仅仅是电弧等离子体弧柱区中的电势差。图3.电极间距对阳极表面热输入密度分布的影响。图4.电极间距对阳极表面电弧压力分布的影响。3.计算结果图2显示了电极间距分别为4.9和14mm时的电弧等离子体温度分布。图中xz平面为穿过两电极尖端的部分，xy平面只是基金属之上的部分等温线代表的温度为10000k，白色箭头代表流体矢量，圆圈表示电极位置每个电极产生的电弧等离子