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基于多物理场耦合的TIG焊电弧数值模拟研究

汇报人：

2024-01-26

REPORTING

目录

引言

TIG焊电弧数值模拟基础理论

基于多物理场耦合的TIG焊电弧模型建立

TIG焊电弧数值模拟结果分析

TIG焊电弧数值模拟实验验证与讨论

结论与展望

PART

01

引言

REPORTING

电弧是TIG焊过程中的核心，其稳定性和形态对焊接质量具有重要影响。

多物理场耦合是TIG焊电弧数值模拟的关键，涉及电磁场、热场、流场等多个物理场的相互作用。

TIG焊作为一种重要的焊接方法，在航空航天、能源、交通等领域具有广泛应用。

国内研究主要集中在电弧数学模型、数值模拟方法和实验验证等方面，取得了一定成果，但多物理场耦合模拟仍处于起步阶段。

国外研究在电弧数值模拟方面较为成熟，已开发出多个商业软件，如SimufactWelding、Sysweld等，可实现多物理场耦合模拟。

未来发展趋势将更加注重多物理场耦合模拟的准确性和实时性，以及其在智能焊接、焊接过程优化等方面的应用。

研究目的：建立基于多物理场耦合的TIG焊电弧数值模型，揭示电弧形态和稳定性与多物理场之间的相互作用机制，为优化焊接工艺和提高焊接质量提供理论指导。

研究内容

建立包含电磁场、热场和流场的多物理场耦合数学模型。

开发高效、稳定的数值求解算法，实现多物理场耦合模拟。

通过实验验证数值模型的准确性和可靠性。

分析电弧形态和稳定性与多物理场之间的相互作用机制，探讨工艺参数对电弧行为的影响规律。

PART

02

TIG焊电弧数值模拟基础理论

REPORTING

电弧形态

TIG焊电弧形态受电流、电压、电极间距和气体成分等因素影响，呈现出不同的形状和尺寸。

电弧温度

电弧温度是TIG焊过程中的重要参数，直接影响焊接质量和效率。电弧温度分布不均匀，中心温度最高。

电弧压力

电弧压力作用于工件表面，影响焊缝成形和质量。电弧压力与电流密度、电极间距和气体成分等因素有关。

建立描述TIG焊电弧行为的控制方程，包括质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。

控制方程

确定电弧与周围环境相互作用的边界条件，如电极表面的电流密度分布、热流密度分布等。

边界条件

采用适当的数值方法求解控制方程，如有限差分法、有限元法或有限体积法等，以获得电弧的形态、温度和压力等参数。

数值求解

电场、磁场、热场和流场等多物理场在TIG焊电弧中同时存在并相互作用，形成一个复杂的综合效应，对焊接过程和质量产生重要影响。

多物理场综合效应

TIG焊电弧中同时存在电场和磁场，二者相互作用产生洛伦兹力，影响电弧的形态和稳定性。

电场与磁场的耦合

电弧产生高温使得周围气体膨胀并产生流动，同时气体的流动又会影响电弧的形态和温度分布。

热场与流场的耦合

PART

03

基于多物理场耦合的TIG焊电弧模型建立

REPORTING

02

03

04

01

电弧等离子体被视为连续介质，忽略粒子间的相互作用。

电弧处于局部热力学平衡状态，即电子温度和重粒子温度相等。

忽略电弧的自磁场效应，仅考虑外加磁场对电弧的影响。

假设焊接过程中工件的物理性质保持不变。

控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及麦克斯韦方程组。

01

边界条件包括电极边界条件、工件边界条件以及辐射边界条件。

02

电极边界条件考虑了电流密度分布以及电极表面的热损失。

03

工件边界条件考虑了工件表面的热输入以及熔化过程。

04

辐射边界条件考虑了电弧等离子体向周围环境的辐射热损失。

05

A

B

C

D

采用有限体积法对控制方程进行离散化，并运用SIMPLE算法求解离散化后的方程组。

采用结构化网格对计算区域进行离散化，网格尺寸根据计算精度和计算资源进行优化。

运用并行计算技术提高计算效率，缩短数值模拟时间。

对于非线性问题，采用牛顿迭代法进行求解，并结合线有哪些信誉好的足球投注网站和信任域策略加速收敛。

PART

04

TIG焊电弧数值模拟结果分析

REPORTING

TIG焊电弧形态呈现钟罩形，随着焊接电流的增大，电弧形态逐渐由钟罩形向圆锥形过渡。

温度分布

电弧温度分布呈现中心高温、边缘低温的特点。在电弧中心区域，温度可达6000K以上，而在电弧边缘区域，温度迅速降低至3000K以下。

温度梯度

由于电弧中心与边缘的温度差异，导致电弧内存在较大的温度梯度。这种温度梯度对焊接过程中的传热和流动行为具有重要影响。

电弧形态

电流密度分布

在TIG焊电弧中，电流密度分布呈现中心高、边缘低的特点。电流主要从电弧中心通过，而在电弧边缘区域，电流密度较低。

电磁力分布

由于电流的存在，TIG焊电弧中会产生电磁力。电磁力的大小与电流密度和磁场强度密切相关。在电弧中心区域，电磁力较大，而在电弧边缘区域，电磁力较小。

电磁搅拌作用

电磁力对焊接熔池具有搅拌作用，可以促进熔池内金属