双电极TIG电弧热源特性数值分析

双电极双电极 TIG 电弧热源特性的数值分析电弧热源特性的数值分析 荻野 平田与荻野 平田与 K 野村野村 日本大阪大学 工程研究生院 大阪吹田 2 1 Yamadaoka 电子邮件 ogino mapse eng osaka u ac jp 2010 年 12 月 3 日接收 2011 年 3 月 24 日终稿 2011 年 5 月出版 摘要摘要 为确保高的生产效率 多种多电极焊接工艺应用于如造船 汽车制造与制管 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 因为电极间距发生变 化时 诸如热输入密度与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 与多电极焊接 6 多种多电 极焊接工艺已经应用到像造船 汽车制造与制管业等领域 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与掌握 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 立与公布了 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体 热源属性的影响 2 数值模型数值模型 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 m 3 v 是速度矢量 ms 1 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 ms 2 F 是外力 Nm 3 是粘 度 J kg 1 kgms 1 H 是焓值 J kg 1 是产热 WmK 1 W 是内热 Wm 3 Ra 是辐射损失 Wm 3 cp 是常压下的比热 J kg 1 K 1 u v 与 w 分别是速度沿 x y z 方向的分量 要产生 TIG 电弧 电磁力与焦耳热是必不可少的 这个外力与内部产热可 以分别用以下两个式子表示 与 其中j为电流密度矢量 Am 2 为导电率 Sm 1 B 是磁通密度矢量 T 电流与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 NA 1 0 是自由区域的导磁率 Hm 1 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与电子运载 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 Wm 2 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 型边界条件与分析条件以及原理解释 为双钨电极气流密度 保护气体流入与 阳极电势设 图图 1 双钨极 TIG 电弧三维 3D 数值模型的边界条件与原理解释 置计算域的边界条件 通过调整边界层的物理属性 阴极电极与阳极金属表面 的电弧等离子体边界都可以顾及 对于汽相与固相边界电导率 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 与 s 是毗邻的网格点的导电率 LG 与 LS 的网格点 与边界层之间的距离 G 与 S 分别表示气态与固相指数 用薄膜温度来计算边 界边界的产热率 电极直径与顶角分别为 3 2mm 与 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 不发生变形与融化 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 体的物理性质 图图 2 电极间距对温度与速率区域的影响 左边的图片与右边的图片分别表示阳 极基金属上 xz 平面与 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 模型中电弧阴极区与阳极区不予考虑 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 图图 3 电极间距对阳极表面热输入密度分布的影响 图图 4 电极间距对阳极表面电弧压力分布的影响 3 计算结果计算结果 图 2 显示了电极间距分别为 4 9 与 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 的电弧等离子体受到电磁力的作用而相互吸引 电弧形状很大程度上取决于电 极间距 但是最高温度保持相对常数 图 2 a 显示 当电极间距相距非常近 的时候 集成等离子体在阳极表面上形成一个单一的高温区域 另一方面 当 电极间距增加时 每个电极下面各自形成一个高温区域 分别如图 2 b 与图 2 c 所示 图 3 与图 4 分别显示了图 2 中沿 x 轴右侧点的热输入密度分布与电弧压力 分布 电弧间距较近时 电弧压力呈高斯状分布 而电极间距增大时 在电极 附近出现两个热输入密度峰值与电弧压力峰值 当电极间距为 4mm 时 热输 入密度有两个微小的峰值 但是电弧压力任然呈高斯状分布 图图 5 电极间距对电弧压力峰值的影响 尽管热输入密度的峰值看起来独立于电极间距的大小 但是电弧压力的峰 值却受到电极间距改变的影响 图 5 表明了电极间距与电弧压力峰值之间的关 系 我们对一个 200A 与两个 100A 的单电极 TIG 焊电弧作为比较进行分析 一 方面 当电极间距减小 理想为零 可以认为是一个 200A 的单电极 TIG 电弧 另一方面 当电极间距增大 二者之间不再相互影响 如图所示 当电极间距 增大 每一个电极的电弧压力峰值接近 100A 单电极 TIG 焊电弧压力的峰值 而且比一个 200A 单电极电弧压力的峰值小得多 此外 双电极 TIG 焊电弧的 电弧压力有一最小值 这种现象的原因可能如下 图 6 显示了电极间距分别为 6 8 与 10mm 时基 金属之上的磁通密度分布 下面的图片表明了电极间距对磁场的影响的原理解 释 每个电极产生的电弧等离子体形成各自的磁场区域 由右手定则可知 电 弧等离 图图 6 电极间距对阳极板上磁通密度的影响及其原理解释 图图 7 电极间距对阳极板上电磁力的影响 子体的电子流动使磁场相互吸引 当电极间距为 6mm 时 两个电弧等离子体 发生耦合 两个电极各自产生的圆形磁场区域相互吸引形成交差 如图 6 a 所示 在图 6 6 中 电极间距为 8mm 时 每个电极中心的磁场消失 两电 极之间形成一个椭圆形的磁场区域 当电极间距进一步增大 磁场中呈两个旋 涡状 这表明两个电弧等离子体之间几乎没有影响 自感磁场成为主要磁场 所以 由 图图 8 电极间距对阳极板上热输入总量的影响 图可知 改变两电极间距磁场将随之变化 磁场区域分布的不同导致电磁力发生变化 图 7 显示了电极间距分别为 6 8 与 10mm 时两电极间的的电磁力 图 7 a 中 当电极间距为 6mm 时在 计算域中心附近产生了一个电磁力 图 7 b 中 电极间距为 8mm 在每个 电极下方附近的电磁力最强 而电极中心的却比较弱 当电极间距进一步增大 如图 7 c 所示 电磁力集中在每个电极下面 所以电极间距较大时 电弧等 离子体出现了两个相互分离的峰值 如图 5 所示 阳极表面上电磁力的不同改 变了电弧等离子体分布的变化 图 8 显示了电极间距与热输入总量之间的关系 总的热输入定义为 从电 弧等离子体输入到阳极板的热输入密度总与 对于间距较大的两个 100A 电极 的双电极 TIG 焊电弧 总的热输入是一个 100A 单电极 TIG 电弧的两倍 而且 总的热输入不受电极间距的影响 接近一个常数 除此之外 每个电极电流为 100A 而且间距不同的双电极电弧与与一个电流为 200A 的单电极电弧 他们的 总的热输入相差无几 双电极 TIG 焊中 热输入密度与电弧压力都随着电极间距的变化而发生显 著地改变 而且它的电弧压力比单电极 TIG 焊的要小的多 然而 总的热输入 却是独立于电极间距的大小 近似一个常数 这些双电极 TIG 焊电弧的热源特 性对在低弧压下控制热输入分布是十分有用的 所以 这些计算结果表明了用 一个双电极 TIG 焊电弧作为热源能够在低压下进行高的热输入的可能性 目前 的数值分析结果符合定性实验所得的结论 4 结论结论 用一个三维 3D TIG 焊电弧模型来数值研究双电极 TIG 电弧的热源特性 得到的结果归纳如下 1 在双电极 TIG 焊电弧中 热输入密度与电弧压力的分布很大程度上 受电极间距的影响 而且 电极间距很小时 呈高斯状分布 2 电极间距变化时 双电极 TIG 焊电弧的电弧压力有一最小值 具体 来说 相对于用一个电流为 200A 的单电极电弧产生 480Pa 的峰值 压力 用两个电流为 100A 相距 6 8mm 的电极时 电弧压力峰值 会减小 80Pa 3 双电极 TIG 焊电弧总的热输入独立于电极间距近似于一个常数 用一个间距合适的双电极 TIG 焊电弧作为热源 能够实现实现低压情况下有高 的热输入 所以 应用双电极 TIG 焊能够防止高压下焊接时产生的驼峰 凸起 烧穿等缺陷 参考文献参考文献 1 藤井 H 佐藤 T 卢乃木 K 2008 母校 SCI ENG 495 296 303 2 蔡 HB 金红 金 CH 与 2008 年李承晚小号 PROC 机械 研究所 1315 年至 1324 年 3 Tokihiko 钾 Rinsei 浩一 Y 与 Yoshinovi H 2009 科学 TECHNOL 焊接 14 740 6 4 时代 T Uezono IDE 中 T 与 2009 年平田 科学 TECHNOL 焊接 14 493 9 5 野村钾 森崎 K 与平田 2009 焊接 世界 53181 7 6 上山 T Uezono T 时代 T 田中中号与 2009 年中田英 寿 K SCI TECHNOL 焊接 加入 14 305 14 7 岭 张 G 与吴大号 2006 年研究物理学 D 物理学 39 1120 6 8 Kovitya P 与 Lowke J J 1985 年研究物理学 D 物理学 18 53 70 9 田中男 田代 S 与 Lowke J J 2007 科学 TECHNOL 焊 接 加入 12 2 9 10 卢女 2006 年于唐 X H 与姚明小号 Comput 母校 SCI 35 458 65 11 范 H G 与 Kovaceivic 2004 年研究物理学 D 物理 学 37 2531 44 12 胡军 郭 H 与蔡 H L 2008 诠释 J 热传质 51 2537 52 13 胡军 蔡 H L 2008 年研究物理学 D 物理学 41 14 董文杰 卢 李 D 与 Y 李 2009 研究母校 ENG 执行 19 942 50 15 饶华 周杰 廖 SM 与蔡 HL 2010 研究与应用 物理学 107 16