双电极TIG电弧热源特性数值分析

1、双电极TIG电弧热源特性的数值分析 荻野，平田与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

2、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

3、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

4、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

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

6、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(Am2)，为导电率(Sm1)，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(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(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

8、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

9、的物理性质，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

10、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

11、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

12、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6.电极间距对阳极板上磁通密度的影响及其原理解释。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

13、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

14、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

15、得的结论。4.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

16、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 1藤井H，佐藤T，卢乃木K 2008母校。 SCI。 ENG。495 296-3032 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。14 740-64时代T， Uezono IDE中， T与2009年平田科学。 TECHNOL 。焊接。14 493-95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

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