对于直流tig焊接电弧阳极电流密度的数值计算

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第31卷第4期西安交通大学学报v0l_31N941997年4月JOURNALOFXI'ANJIAOTONGUNIVERSITYApr．199777-犯72——直流TIG焊接电弧阳极电流密度的数值计算范红刚杨军史耀武雷永平(西安交通大学，710049，西安)摘要以直流钨极氩弧焊电弧为研究对象，建立了轴对称两维数值模型．模型中考虑7阴极几何形状·电流密度计算包括了阴极区和弧柱区．模型对一蛆磁流体动力学方程蛆的求解，采用7SIMPLE算法，所得的电弧弧柱温度分布与实验吻合良好．在此基础上，运用所建立的电弧模型，详细分析了焊接电流

2、、钨极端头锥角及弧长对电弧似P凰岛唧屯沌密度．数值“、口．定压比热径向、轴向长度P密度导电率0真空导磁率压力电子电量玻尔兹曼常数H焓粘度R单位体积辐射功率电势五导热系数磁感强度切向分量焊接电流钨棒半径●^、^径向、轴向电流密度钨极端头锥角l弧长实验数据ref参考值钨极氩弧焊(TIG)使用广泛，目前焊接电弧的数值模拟大多数是以TtG电弧作为研究对象的“-其中Choo等人。认为目前的电弧模型有三方面不足：①计算时阴极形状是圆柱体．前端没有锥角，不符合实际情况I②模型中电流密度计算没有包括阴极．假定阴极斑点电流密度在一定电流范围内为常数}③模型中没有考虑从阴极和阳极中蒸发出金

3、属蒸气对电弧参量收到日期；1995‘0627-范红刚男，1970年4月生，机械工程学院焊接研究所．博士生维普资讯http://www.cqvip.com西安交通大学学报第3l卷分布的影响．但是]~armer的研究表明，金属蒸气主要出观在电弧的阳极区，对电弧并没有太大的影响．本文计算模型采用符合实际的具有尖端的阴极形状，电流密度分布考虑了阴极和弧柱区，由已知的电流大小和阴极形状计算而得．计算中没有考虑金属蒸气的影响．本文从TIG焊电弧较完整的的数学模型出发，给出了不同焊接电流、弧长和阴极几何形状对阳极电流密度分布影响的计算结果．计算结果与实验结果吻合较好．不同焊接参数下的

4、预测结果对焊接工艺的制定具有指导意义．1电弧的计算模型1．1基本假设(1)弧柱等离子体处于局部热平衡状态，即电子和重粒子温度基本相等．(2)电弧是轴对称的，因此电弧模型可以简化为两维形式．(3)电弧是定常的，因此控制方程组中不含非稳态项．(4)电弧处于层流状态；等离子体是光学薄的．(5)不考虑重力．压力功及粘性耗散产生的能量可以忽略不计．1．2控制方程组TIG焊接电弧满足一组磁流体力学方程组．在轴对称的情况下，方程组如下所示：连续方程(质量方程)a(pu)+0(1)径向动量方程a(puv)+1a(rovv)—一=号昙(搴)一箬一警+壶[(耋+摹)]一B(2)轴向动量方程

5、a(pu——u)+_}—a(rpvu)=2耋(妻)一警+1[(塞+詈)]+工B一(3)能量方程8(puH)+,9(rpvH)————一旦f生型)+rOrc10(r了告警)+(曼軎一十喾(丘击OH1)}十^}‘4(4)在上述动量方程中含有洛仑兹力项，能量方程中含有焦耳热项以及由电子(电流的主要载体)运动引起的能量输送，因而它们的求解要求同时解相应的电磁场方程式．由欧姆定律有工=一萼；^一^一一罢(5)因此，用电势表示的电流连续方程·J0在圆柱轴对称坐标下可以写作标准分享网www.bzfxw.com免费下载维普资讯http://www.cqvip.com第4期范红刚等：直流

6、T1G焊接电弧阳极电流密度的数值计算(詈)+(r)一0(6)最后，动量方程洛仑兹力项中的岛由安培环路定律可以表示为岛一譬，(7)能量方程中焓的定义为H—T打(8)、方程中等离子体热物理和电物理性质．包括密度、比热、粘度、电导率、热导率、单位体积辐射功率与温度密切相关，其数据来源于文献[2]．图1TIG焊接电弧模型的计算区域1．．．计算区域和边界条件图1中，电弧电势分布的计算区域是AFGHA，包括阴极；其他电弧参量的计算区域是BCDEFGHB，不包括阴极．其边界条件列于表1．表lTIG焊接电弧模型计算的边界条件www.bzfxw.com注：(1)其中-=：，墨为钨捧横截半

7、径．(2)在焊接过程中，由于烧损，钨棒顶螭不可噩免地出现平头，其半径BC取作0．5m卟BC边界强度取作20000K是为丁避开讨论物理现象尚不清楚的阴极鞘层．其物理意义与阴极斑点相对应．(3)阳极GH的温度曲界条件取作5000K是基于以下考虑，文献[6]在阳极以上0．5mm处温度测量证明．阳授区温度下降梯度极大(从o·5rnm处的lo∞OK以上到阳极表面的1000K左右)，因此．可以认为等离子体滤速在8kK以下．由于足够靠近阳极表面表面滞点·速度为零t阳极速度边界因此可以从阳授表面上穆到温度低于8000K的区域．为了选择阳极垃界的合适位置·