保護氣氣路結構對TIG焊影響的數值仿真研究

黃自成 謝玉倫 袁欽 唐文俊 王宜飛

摘 要：基于區域熱平衡狀態假設和牛頓流體假設，建立TIG焊電弧三維數學模型，其中，焊槍保護氣氣路結構建立了兩種數學模型結構形式：不同氣篩孔數目及有噴嘴中無氣路隔板。通過質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程及麥克斯韋方程組的耦合求解，得到不同氣篩結構和有無隔板下TIG焊數值仿真研究結果。

關鍵詞：氣路結構;TIG焊;仿真研究

1 引言

鎢極惰性氣體保護焊（TIG焊）焊接過程穩定，成型良好，在工業生產中應用廣泛。目前對TIG焊的研究已經有較為多的研究成果，但是TIG電弧屬于高溫等離子體，數學模型建立及實驗研究都有很大的局限性。

本文針對TIG焊，采用CFD軟件FLUENT6.3，使用用戶自定義方程添加麥克斯韋方程組，使用用戶自定義函數添加源項和邊界條件，建立了考慮不同氣路結構下，TIG焊電弧仿真三維數學模型。

2 數學模型

2.1 基本假設

為便于建立數學模型，作如下基本假設：（1）等離子體介質為連續、層流的Newtonian流體，電弧等離子處于穩態且滿足局部熱平衡假設;（2）電弧等離子滿足光學薄性質;（3）不考慮陰極區和陽極區的復雜物理狀態;（4）氣槍內氣體為層流、不可壓縮Newton流體。

2.2 控制方程

根據上述基本假設，質量、動量和能量方程的通用控制方程為：

式（1）中：ρ為密度，t為時間，Φ為通用變量，可代表速度、溫度等求解變量;v為速度矢量，Γ為廣義擴散系數;S為廣義源項，當這幾個參數取不同的對應變量，就可以得到相應的守恒方程，方程的詳細敘述見文獻[1]，麥克斯韋方程組詳見文獻[2]。

2.3 邊界條件

在本文中，使用的模型及邊界條件，計算使用的等離子體的熱物性參數參見文獻[2]。

3 結果與分析

3.1 不同氣篩數目下TIG焊保護氣流場計算

隨著氣篩中氣孔數目的增加，氣孔的流量變小，TIG焊槍中的氣體均勻性隨著氣孔數量的增加而更加均勻化，但是氣孔數量的增加必然會導致氣體流動狀態的變化，最終呈現紊流狀態。從而兼顧氣體的流動狀態和流體均勻性，最終模擬結果發現，氣篩形式選擇12個氣孔時的流體狀態為層流流動且氣體的均勻性較好。

3.2 有無隔片下TIG焊保護氣流場計算

為了研究有無隔片對TIG焊的影響，在此是這樣處理的：氣體分為兩個入口進入焊槍（入口MN和入口AB），對比研究兩入口下氣體在有無隔片的狀態下的仿真結果。如圖1所示，圖1（a）是氣路結構中有隔片時的仿真結果，可以看出氣體分別在左右氣路中流動，流動基本成對稱結構分布。氣體在鎢極噴嘴處沒有相互對流出現，流體的流動狀態穩定，呈現層流流動。圖1（b）是無噴嘴內隔片時的保護氣體流動形式，無隔片時兩路氣體從槍體內開始相互混合，在鎢極噴嘴處呈現統一流動狀態向板材噴出。

3.3 在12個氣篩孔和無隔片下TIG焊仿真結果及分析

模擬計算時所用的參數包含有：焊接電流是150A，鎢極尖端夾角是60°，鎢極凸臺半徑是0.6mm，弧長是6mm，直流正接。

3.3.1 溫度場電勢分布

電弧等離子體的最為重要的參數是溫度。在陰極端部電弧取得溫度最大值，是由于在陰極端部的電流密度最大，產生的焦耳熱很多。電弧陰極區和陽極區的溫度梯度比較大，弧柱區的溫度分布比較均勻，溫度場截面半徑從陰極到陽極區漸漸擴大，溫度漸漸降低，溫度變化梯度漸漸變小。在該焊接參數下，TIG焊電弧的最高溫度是15300K，電弧溫度場呈典型的鐘罩形分布模式。該結果與文獻[2]的趨勢是基本一致的。

3.3.2 電勢分布

當鎢極氬弧焊使用直流反接的時候，鎢極是陽極，弧柱中的電子產生弧柱高溫，這些能量都用在加熱鎢極。分布是電弧電勢，在鎢極尖端處電勢變化比較明顯，靠近工件變化越平緩。中心電勢為11v，電勢場呈橢圓形，由里到外電勢增大。該結果與文獻[3]的趨勢是基本一致的。

4 結論

本章中對TIG模擬的特定焊接參數下的溫度場和流場的數據和圖形以及有無隔片TIG焊保護氣流場的計算結果和氣篩孔數量對氣體流動的影響的結果進行了詳細分析，結果發現有無隔片時氣體經過噴嘴口都是層流形式;在不同氣篩空數量的影響下，氣體流動的形式發生了變化;在該焊接參數下，TIG焊電弧的最高溫度是15300K，電弧溫度場呈典型的鐘罩形分布模式。中心電勢為11v，電勢場呈橢圓形，由里到外電勢增大。

參考文獻：

[1]樊丁，黃自成，黃健康等.活性元素氧對AA-TIG焊熔池傳輸行為影響的數值模擬[J].焊接學報，2016，37（03）：62-66.

[2]樊丁，黃自成，黃健康等.考慮金屬蒸汽的鎢極惰性氣體保護焊電弧與熔池交互作用三維數值分析[J].物理學報，2015（10）：108102-1-108102-11.

[3]肖磊，樊丁，黃自成等.考慮金屬蒸汽的定點活性鎢極惰性氣體保護焊電弧與熔池交互作用三維數值分析[J].機械工程學報，2016，52（16）：93-99.