基于FLUENT的TIG焊接電弧數值模擬＊

楊曉鋒，周燦豐

（1.北京化工大學 機電工程學院，北京100029；2.北京石油化工學院 機械工程學院，北京102617）

惰性氣體保護焊（tungsten inert gas，簡稱TIG）因其較高的焊接質量和穩定的電弧長度被廣泛應用于焊接行業。焊接電弧物理特性可直接影響熔池表面的熱流分布，進而影響到電弧與熔池之間的熱傳遞，對焊縫的成形和質量具有決定性的作用。在實際焊接過程中，電弧具有很高的溫度以及強烈的弧光，電弧物理特性很難通過試驗方法一一確定。采用模擬軟件進行數值模擬對于焊接現象進行研究是一種行之有效的方法，同時可以大幅度節約人力、物力和時間，降低工業成本。本文選用FLUENT軟件，采用數值模擬的方法為TIG焊接電弧特性進行研究，為焊接過程控制和改進提供了理論依據［1－2］。

1 數學模型

焊接過程中產生的等離子體屬于低溫等離子體，其溫度在2 000～25 000K，在研究TIG焊接等離子體的過程中，一般不考慮等離子體的波動現象［3］。通常把其看成是由導電粒子所組成的流體，在仿真研究的過程中，作為磁流體來處理。數學模型如圖1所示，其中，HI為鎢極尖端，AB為鎢極半徑，DG為陽極。

圖1 電弧數學模型

1.1 基本假設

在TIG焊接電弧的模擬過程中，對其做如下假設：焊接電弧為光學薄；電弧處于局部熱平衡（LTE）狀態；忽略電弧等離子體的重力；等離子體流不可壓縮；流動狀態為層流［4－5］。

1.2 控制方程組

1）磁流體方程組。電弧仿真過程中涉及到電磁學與流體動力學2種理論［6］。

質量連續方程為：

動量方程的徑向表達式為：

動量方程的軸向表達式為：

能量守恒方程為：

式中，ρ是密度；μ是黏度；Cp是比熱容；k是導熱系數；P是壓力；T是溫度；v是速度。

2）麥克斯韋方程組。

電流連續方程：

歐姆定律：

安培環流定律：

式中，Φ是電勢；σ是電導率；μ0＝4π×10－7，表示真空磁導率。

1.3 邊界條件

焊接電弧數學模型邊界條件見表1。

表1 邊界條件

氬元素在高溫狀態下才具有導電性，設置弧柱區的溫度賦值為10 000K。

1.4 Gambit前處理

使用前處理軟件Gambit對電弧建模并劃分網格，保護氣流量為20L／min，保護氣體為氬氣，鎢極半徑為2.4mm，尖端直徑為0.8mm，弧長為10 mm。網格劃分如圖2所示。

圖2 網格劃分

2 FLUENT計算結果與分析

2.1 電弧溫度場分布

焊接電流恒定為200A，使用FLUENT軟件數值計算得到TIG焊接電弧溫度場分布如圖3所示。模擬結果表明，在靠近陰極區域，溫度達到最高值（22 000K左右），這與實際測量所得的溫度值基本相符，電弧溫度由鎢極向陽極及徑向方向逐漸發散，溫度下降的速度呈梯度逐漸減小。溫度場中，高溫區域所顯示的形狀基本呈扇形，這與焊接時的電弧形狀基本相符。

圖3 TIG焊接電弧溫度場分布

2.2 電弧電勢場分布

TIG焊接過程中形成電弧的主要原因是存在著電勢差，在電勢差的驅動下，陰極和陽極之間形成了電流，同時形成了電磁場。電勢場的分布如圖4所示，在陰極附近，電勢線密集，電勢差較大，電勢隨著離開陰極距離的增大而逐漸發散，這樣的電勢差分布導致陰極區域電流強度和電流密度較大。

圖4 電勢場分布

2.3 電弧等離子體速度場分布

在電磁場的作用下，電弧中的等離子體受到洛倫茲力的作用從陰極向陽極高速運動，如圖5所示。電弧陰極附近具有較大的電勢差，陰極區域的等離子體流動速度迅速增大，并在陰極附近達到最高速度，可達322m／s。當電弧等離子體運動到陽極時，對陽極造成沖擊，形成電弧壓力，與此同時，由于陽極阻力，電弧等離子體的速度迅速下降。在軸向方向上，偏離中心軸線越遠，電磁力越弱，電弧等離子體的運動速度越小。

圖5 速度場分布

3 結語

本文以TIG焊接電弧為研究對象，建立了二維TIG焊電弧數學模型，并合理假設了鎢極形狀。采用有限元數值模擬的方法，利用FLUENT仿真軟件，得到了焊接電流為200A條件下TIG焊接電弧的溫度分布、電勢分布和等離子體速度場分布。從模擬結果可知，TIG焊接過程中陰極附近電弧溫度較高，電勢差較大，電弧等離子體在這個區域達到最高的運動速度，并逐漸向陽極發散。

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