双电极TIG电弧热源特性的数值分析.docx

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： ogino@mapse.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ρ是密度(kgm?3)， v是速度矢量(ms?1)，t为时间(s)，P是压力(Pa)，τ是粘性应力强度(Pa)， g是重力加速度(ms?2)， F是外力(Nm?3)，η是粘度(J kg?1) (kgms?1)，H是焓值(J kg?1)，κ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?1K?1)，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(Am?2)，σ为导电率(Sm?1)，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(NA?1)，μ0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(Wm?2)，φ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