利用气体组成设计控制热等离子体的热源特性

1、利用气体组成设计控制热等离子体的热源特性热等离子体的热源特性强烈依赖于用于产生等离子体的气体的热力学传输 特性。例如，伴随离解的多原子分子如氢和氮具有高比热， 因此当用作气体时， 由 焦耳热产生的热量更容易保持在等离子体中， 并且容易产生高能量密度的等离子 体而成。 在本节中，我们将介绍最近通过气体组成设计模拟研究热等离子体热 源特性控制的工作，尤其是对于电弧焊。、八 、，前言钨惰性气体（ TIG ）焊接也称为气体钨极弧焊（ GTAW ），并在工业中广泛 使用。在TIG焊接中，通过电弧放电在钨阴极和成为基材的阳极之间产生热等 离子体，并且将基材熔融焊接 1 。 此时，为了保护形成在基材上的熔池

2、免受空 气侵害，密封气体从阴极周围的气体喷嘴引入。 由于该保护气体的物理性质， 电弧的热源特性发生很大变化， 因此根据电弧的成本和所需的热源特性来选择最 佳的气体类型。最常见的保护气体是惰性的并且相对便宜的氩气。 但是，该氩弧对基材的热 输入比较低， 例如在铝等导热率高的基材的情况下， 在形成于基材的熔池中不能 得到充分的深度。 因此，当需要向基材输入高热量时，可以使用氩气和氦气或 氢气的混合气体等来代替氩气 2。例如，单独使用氢等气体时，会在熔池中大 量吸收，产生气孔， 低温裂纹等焊接缺陷。 因此，在使用焊接保护气体的情况下， 在氩中添加比较少量的其他气体的情况很多。目前，基于主要通过实验获

3、得的发现来确定能够获得电弧的所需热源特性和 基材的渗透形状的保护气体组合物， 为了获得理想的热源特性， 必须通过数值模 拟来了解这些现象， 并优化保护气体成分。 在本章中， 我们描述了近期通过气体 组成设计模拟研究热等离子体热源特性控制的工作，尤其是对于电弧焊。 3.2 节 概述了本研究中使用的仿真模型。 随后，在 3.3 中，当单独使用各种气体作为 保护气体时，研究气体类型差异对电弧特性的影响。 3.4 讨论混合气体组成对混 合气体作为保护气体时的电弧特性的影响，最后总结为 3.5。仿真模型在本研究中，我们着重于电弧电流 150A ，电弧长度 5mm ，钨阴极直径 3.2mm ，作为焊接条件

4、的阴极尖角 60°，水冷铜作为基材（阳极），保护气体流 量 10 升/分钟，压力设定为大气压。这里，将简要描述仿真模型的要点，有关 该模型的详细信息，请参阅 3,4。计算区域是由阴极，电弧和阳极区域组成的二 维轴向对象（r，z）。主要控制方程由质量，动量，能量，电流守恒方程 3，由 Patankar 5 用 SIMPLE 方法求解。 通过以下内部边界条件考虑每个区域之间的 热量，动量等的传输。简要描述电弧和阳极之间的内部边界条件。 阳极表面上的热输入密度由以下每个术语代表通过热凝结，热传导和辐射冷却的热量输入。这里，je是电子电流密度，Owa是功函数，k是热导率，T是温度，sa是阳极

5、材料的发射率，a 是Stefan玻耳兹曼常数。而且，这里忽略了阳极压降的影响。虽然由于强烈的 电子扩散到阳极6,由于与已知电子冷凝引起的成分变化相比，对阳极热通量 的影响变小。在电弧焊接中，由于阳极的一部分熔化，所以在电弧与熔池之间需要与动量 有关的边界条件。 平行于熔池表面的成分由式（2）表示，垂直于熔池表面的分 量由公式（3）定义。表达式（2）中的第一项和第两项分别表示电弧和熔池的剪切力。电弧和熔 池的剪切力取决于平行于边界区域附近阳极表面的速度梯度和粘度系数，第三项是Marangoni力，它是由熔池表面温度梯度引起的，表示在表面张力丫的径向上, dY / dr = （dY / dT） x

6、 （dT / dr）。表面张力的温度依赖性 dy / dT对于许多纯 金属成为负值，但当在高浓度下存在氧和硫等杂质时，其为正值。方程（3 ）的前两项是电弧和熔池界面两侧的压力。 边界表面的曲率K由压力差和表面张力确定。熔池的形状强烈地依赖于熔池对流的热输送，除了上述剪切力和作用于熔池 表面的马兰戈尼力之外，电磁力（j X）和熔池中的浮力是主要驱动力3。在这 里，我们将考虑气体成分对电弧特性的影响。为了评估的简单性，我们假设一个 抗熔融的水冷铜阳极。在这项研究中，电弧和阳极之间的边界区域有四个主要特征，即，式（1）给出的热量输入密度，由式（2）中的一项给出的电弧引起的剪切力Ta （3）中的一项给

7、出的电弧的压力 Pa和阳极表面上的电流密度，另外，电流密度决定 成为熔池对流的驱动力的电磁力的大小，以及热输入密度的电子凝聚成分（式（1） 的1项）。还假设电弧处于局部热力学平衡（LTE）状态（有关LTE定义的详细信息， 请参阅第2章）。LTE是焊接电弧建模的标准假设。如果不使用 LTE假设，则 需要一种处理每种粒子类型等离子体的反应和运输的非常复杂的模型， 除了难以计算热力学和传输特性之外， 还存在难以确保计算精度的问题， 除了难以计算热力学和传输性质外，反应计算所需的数据还不够，确保计算的准确性相当困难。在这个小特刊 2和2006 年主要问题的小特征 7中详细解释了计算每种混合 气体的热力

8、学和输运性质的方法。 在本研究中， 利用 Murphy 等人的模型 8? 10 计算热力学和输运性质，并用 Cram 模型计算电弧辐射系数 11。另外，在氩 - 氦或氩 - 氢混合气体等各种粒子类型的质量等显着不同的情 况下，由于每个颗粒的扩散容易性不同， 颗粒组成可能在空间上不均匀分布， 但 在该计算中，为了简单起见，忽略该影响，假设均匀分布。最后，我们忽略了熔池产生的金属蒸气的影响。 在参考文献 12 中已经详 细研究了金属蒸气对电弧特性的影响， 所以在此省略说明。 在氩弧中产生的金属 蒸气的量最少，在 TIG 电弧中，在阴极附近产生以电磁力为驱动力的朝向阳极 的高速等离子体流， 这导致熔

9、池附近的金属蒸气流动， 由于这将熔池附近的金属 蒸气吹扫到周围空间中， 所以与通过熔化电极自身而焊接的金属惰性气体 （ MIG） 等的情况相比，对电弧特性的影响要小得多。3.3 气体种类差异对电弧特性的影响 在本节中，除氩气，氦气和氢气为保护气体外，保护气体流量不足，考虑当 电弧受外力等干扰时， 并且可能混合氮气后的电弧特性。 图 1 显示了比热，粘度， 热导率和电导率与温度的依赖性， 作为氩气， 氦气，氢气和氮气的热力学和传输 特性的例子。 氩气显示出最低的比热和导热率。在 3,500K 氢气和 7,000K 氮气 下发现的比热峰表示分解该分子所需的能量。在 15,000K 时发现的氩，氢和

10、氮 的峰对应原子电离必需的能量。 另一方面， 由于氦的电离电压高， 电离温度到接 近 20,000K 。还发现在热导率中也会出现由解离和电离引起的类似峰。 不含氦气 的每种气体具有几乎相同的电导率。 该电导率与电子密度密切相关， 并且如上所 述，由于氦气仅在比其它气体更高的温度下电离， 所以电导率变得非常低， 特别 是在低温下氩气和氮气具有相似的粘度。 可以看出，氦气在高温下表现出高粘度， 并且在所有温度区域中用氢气粘度最低。 粘度与原子质量的平方根成正比， 与碰 撞积分成反比。 氢的低粘度是由于小的原子质量。 氦原子碰撞过程中的碰撞积分 比其他气体中的碰撞积分要低，这被氦的小质量所抵消。图

11、2 显示了氩气，氦气，氢气和氮气中的温度分布和流速分布。 与氩弧相比， 使用其他气体的电弧温度， 流速，电压和阳极温度都很高。 其中，氢电弧特别大， 电弧电压为35.5V，电弧的最高温度和流量达到 27,000K和4332m / s。另外， 水冷铜阳极的表面温度为 2,500K ，其一部分熔化形成熔池。另一方面，对于氩 弧，它们分别为10.8V , 17,000K , 217m / s和600K。氦气和氮气的数值介于 氩气和氢气之间。 如图 1 所示，由于氦弧具有高导热率，所以热传导导致的热 传递的影响大， 并且弧具有圆形形状。 另一方面， 氢电弧受到后述的热收缩效应 的很大影响，电弧在中心轴

12、附近变紧。Jsxs-«f£,400000002. 1041.0 104Tomporaturo (K>I 2 )2 210(M/r) Sr 里go(s/ums) O8eo o OO1 1 110n- fone§ ©一巒102 10440000000 HO4 1.0 1042Tompo回uro (K)Fig. 1丿少厶，窒素及IX水素力'X熱力学輸送特性Raxi叫Fig. 2 7JUzf>. f Mb厶.d 3 4 A10Ri9lbI tthncarnffORl4al«*w«4»»Fi>素及水

13、素Y-<?tZ）温度流速分布图3 （a）显示了每个电弧中阳极的热输入密度分布和总热输入。由方程（1）获得的热量输入密度由于热传导和电子冷凝受气体组分支配，与这些相比，辐射冷却等部分小得可以忽略不计。可以知道的是，氩弧的热输入密度和总热输入量 低于其他气体的热输入密度和总热输入量。氦气和氮气电弧输入阳极的总热量与 氩弧相比是两倍，氢电弧相比是四倍。这可能是因为电弧电压高于氩弧， 并且传 输到阳极的热量增加。另一方面，考虑到总热量输入的变化，在中心轴上氦气和 氮气的热输入密度是氩气的约 3.5倍，氢气的约8倍，这表明热量集中在中心轴 附近。特别是在电离几乎不发生的低温范围内，氦气的电导率显着

14、低于氩气。因此, 在氦弧中，电流路径被限制在电导率高的高温区域， 并且认为随着电流密度在中 心轴线上增加，热密度增加。另一方面，氢和氮弧的热输入密度的增加被认为是 由热夹点效应引起的电弧收缩引起的14。在电弧中心轴附近存在从阴极到阳极 的等离子体流，由此产生的热流是质量密度 p与热量横截面上的焓h = / cpdT其 中Cp是等压比热）的乘积，它与面积值大致成比例。如图1所示，氢和氮的Cp比氩大，h大大增加，因此该通道截面变小，电弧变得更紧密，中心轴附近 的热输入密度增大。Fig. 3丿7厶，窒素及I；水素陽極表面疋入熱密度1±人断力分布图3（ b）显示阳极表面的剪切力。如图2所示，

15、等离子体流在弧的大部分区域几乎垂直于阳极表面，在离阳极表面仅 1毫米的范围内，它向外水平变化。 高剪切力表明方向改变之前的等离子体的流速在弧轴附近较大。可以理解的是， 在氦气情况下的剪切力小于其他保护气体的剪切力。其原因在于，在氦弧中由于高热导率的影响，阴极表面温度易于升高，热阴极发射出现在阴极表面较宽范围 内，电流密度降低，尽管原子质量相当小，但以电磁力作为驱动力很难获得等离 子体流的速度15。除此之外，氦的高粘度也被认为是影响因素。高粘度使流速 分布变宽并降低到阳极的轴向流速。其他气体表现出高剪切力，这主要是因为如 下所述的流速大小。如上所述，显示出由于用作保护气体的气体种类的不同，电弧特

16、性发生很大变化。当这些气体用作混合气体时，将描述组成差异对电弧特性的影响。3.4混合气体成分对电弧特性的影响在本节中，我们研究了混合气体成分对电弧特性的影响，主要是氩-氦和氩氢混合气体，它们通常用作保护气体。氩氦混合气体电弧图4显示了氩-氦混合气体的比热，热导率，电导率和粘度与温度的关系。 其中氩气和氦气的混合气体的电导率接近于纯氩气的电导率，可以看出，只有 纯氦气才明显减少。氦的电离电压是 24.6V，比氩的15.8V高大约1.5倍。因 此，在接近纯氦的条件下，特别是在低温范围内不易发生电离，导电性大幅降 低。另一方面，即使在少量的与氩混合的电弧中，也可以覆盖导电所需的电子 密度，从而保持接

17、近纯氩的导电性。而且，当氦的混合比为50 %或更低时，粘度降低并接近氩的粘度。100% Ar90% Ar. 10% Ha70% Ar, 30% He 5Q°A> Ar. 50% He50% Ar, 70% 再10% Arr 90% Ho 100% He5QOT 10WO 115000 POTOQ Z$O00厂 EEF一电GfUJ&oonD ISFig. 4厶混合力叉Tcrnp*rlt.rjj (KJ_曇曇50001 WK t SOWKOWDO.QTemperawe iKCD熱力学輸送特性图5显示了氩氦混合气体弧中的温度和流速分布。 与图2比较表明，将30% 氦气混入氩气

18、几乎不影响温度分布。即使在70%氦的情况下，与纯氦相比，温度分布接近纯氩。通过混合氦，电弧温度和流速的最大值增加。另外，随着粘度增加，远离中心的径向位置处的流速增加，并且阳极温度也略微增加。图6显示了每种混合比率下阳极表面上的热输入密度，电流密度，电弧压 力和剪切力的径向分布。中心轴上的热量输入密度由于氦气的混合而略微增加，但对于90%氦气而言仅为纯氩气的1.6倍。尽管电弧的紧缩程度由电流密 度分布表示，但即使在 90 %氦的情况下，中心处的电流密度也是纯氩的约1.3倍，事实证明，氦混合的影响很小。在与氩气混合均匀的电弧中，低温电导率 大大增加，电流路径变宽。纯氦气在阳极处的剪切力远低于纯氩气

19、中的剪切力。 可以理解，高达70%的氦气的混合几乎不影响剪切力， 并且仅在90%或更多的 混合比下剪切力大大降低。另外，在50%或更小的情况下，剪切力变得大于纯氩，认为是因为由于粘度降低，电弧中心轴附近的轴向流速增加。此外，轴向流速的这种增加也表现为电弧压力的增加。当在阴极附近加速的等离子体流到达阳极时，它被转换成径向向外的流动，由此增加剪切力。当 氦的混合比高时，在电弧的大部分温度范围内粘度显着增加。这促进了垂直于 流动的动量传递，并随着接近阳极而降低了中心轴附近的轴向流速，从而降低 了电弧压力。然后，平行于阳极表面的径向流速减小，导致剪切力下降。另一 方面，在纯氦的情况下，中心轴附近的电弧

20、压力比 70 %和90氦的电弧压力高, 这与纯氩相当。这是因为纯氦弧的电流密度变得非常高，并且通过阴极尖端附 近的电磁力使流速增加。nAsmiFig. 5厶混合芳n(D温度流速分布.EE M) Mwsp X3U SIS100% AradO% Ar. 10% He70% Ar. 30% He 50% Ar. 50% He30% Ar. 70% He10% Ar. 90% He100% He"V352Radius (mm)Fig. 6 7JU=f>-J2x混合陽極 表面-cox熱密度電流密度/u断力 n 圧力分 布Radius (mm)342氩氢混合气体电弧图7显示了氩氢混合气体的

21、比热，热导率，电导率和粘度与温度的关系。 即 使加入少量的氢气，比热和导热系数也会显着增加，但粘度和电导率的变化很 小。图8显示了氩-氢混合气体中的温度和流速分布。仅混合3%的氢气导致电弧收缩，使最高温度和最大轴向流速增加。 当添加9%的氢气到电弧中时，这 种收缩和轴向流量进一步增加。这种流量增加表明，热收缩效应导致电弧收缩，电流密度增加，加速等离子体流动的电磁力增加。如上所述，热通量通过的横 截面积与横截面上的ph的积分值成比例。另一方面，虽然随着向氩气中添加少 量的氢，h大大增加，但由于p的降低较小，因此认为热收缩效果强烈且电弧 收缩。这种流量增加表明，热收缩效应导致电弧收缩，电流密度增加

22、，加速等 离子体流动的电磁力增加。如上所述，热通量通过的横截面积与横截面上的ph的积分值成比例。另一方面，虽然随着向氩气中添加少量的氢，h大大增加，但由于p的降低较小，因此认为热收缩效果强烈且引起电弧收缩。图9显示了当加入1%至9%的氢气时，热输入密度，电流密度，电弧压力和阳 极剪切力的径向分布关系。通过混合 5%的氢，中心轴上的热输入密度增加近 50%。由于总热量输入增加约10 %，热输入密度的增加表明电弧在中心附近收 缩。由于少量氢气的混合，阳极表面上的剪切力也显着增加，这是由于轴向流 动速度的增加。当氢添加量从1 %增加到3%以及到9%时，最大轴向流速从 225m / s增加到308m

23、/ s，达到365m / s。轴向流速的这种增加也反映在电弧 压力和剪切力的变化中。12108 6500010000 15000 ?O(X>0 ?5000e.5.0.50.5.0.504.J.J.2.2.1.1.0.0.(ki M) mg 弓 paw .ewj 是一500010000 15000 20000 25COOTemporature (K)n7 r30.252015100500cio.a ao.o.a rs i 6)100% ArAr.97% Ar- %Ar93% Ar1%H23% H2 5% H?7% H3 9% H2500010000 15000 20000 25000Tem

24、perature IK)Fig. 7一水素混合力入熱力学輸送特性1SOA. 130 V27RaM aim. mm)E.Z rUMrre i D042020°Rt<M MtMce(HWn)Fig. 8 7Jb=l>-水素混合an (D温度速度分布100% Ar Ar. 1% Hs号了 3% H295% Aft5% H?53% Ar, 7% H?4 EE E AMSeCJp 5 1EQ 工4vQ.j SMe-lw如一|力-rEui<EaJJJnu5Radius (nwr>)Radui$ (mm)Fig. 9 7JU=i>一水素陽極表面KD入熱密度電流密度1&

25、#177;A/断力-7-圧力分布342混合气体成分对熔池形成的影响在本研究中，我们研究了当各种气体混入氩气时，阳极表面上的热输入密 度，电流密度，电弧压力，剪切力等对电弧特性的影响。接着研究这些性质对 熔体形成的影响。图io显示了阳极最高温度和电弧电压与混合气体组成的关系。可以看出，通过将其他气体与氩气混合阳极温度升高。特别是，比较与氦相同的混合比的条件， 它随氢和氮的增加而大大增加。为了获得与10 %氢气和25 %氮气相同的温度上 升，氦需要90 %的混合，这从图6和9中的热输入密度分布也是明显的。将其 他气体与氩气混合会增加电弧电压，因此输入功率也会增加。尽管这导致阳极 温度的增加，但由于

26、如上所述的电弧收缩和中心轴上的热输入密度的增加也有 助于阳极温度的增加。如图10所示，阳极温度以等于或高于氢混合电压的比率 快速上升。该计算假定水冷铜阳极，并且在使用混合气体的条件下不形成熔池。如3.2 中所述，熔池的深度取决于许多因素。特别是熔池对流的方向很重要。在许多情况下，最主要的因素是由熔池表面张力的温度梯度引起的 Marangoni力3。在一般条件下的温度梯度(dY / dT <0)的情况下，对流在熔池中心处向上流动 并在熔池表面上径向向外变化。结果，熔池具有浅而宽的形状。另一方面，由 于在熔融金属中存在高浓度的氧，硫等的情况下dY / dT> 0,因此对流在熔池的表面上沿径向向内指向并且在熔池中心处向下指向，熔池形状很深。Marangoni力的方向取决于熔融金属的成分，而不是电弧特性。然而，除了熔池表面上的 剪切力和电弧压力之外，它通过熔池中的电磁力促成熔池对流。关于电磁