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1、ResearchPaper试验研究焊接等离子焊接电弧流场数值分析江苏大学材料科学与工程学院(镇江市212013)王健雷玉成朱彬摘要以直流正极性等离子焊接电弧为对象,依据磁流体动力学理论构建电弧的数学模型,运用有限元分析软件ANSYS对二维稳态下轴对称等离子焊接电弧进行了数值分析,得到了焊接电弧的温度场、速度场的形态分布特征。从等离子弧电流密度及离子气流场角度揭示了等离子电弧高热特性的原因。分析了等离子电弧的电场特性、离子气和保护气的流场特性以及不同焊接电流、离子气流量对电弧特性的影响。分析结果表明,
2、离子气流量与电弧力成线性关系,保护气流量的选择导致的涡流大小影响电弧稳定性。关键词:等离子弧焊电弧数值分析中图分类号:TG444(3)电弧是光学薄的,流动处于层流状态。0前言(4)由于粘性效应导致的热损失忽略不计。等离子弧焊(PAW)是在钨极氩弧焊基础上发展起来的一种重要的高能密度焊接方法。它是借助水冷喷嘴的外部拘束,使电弧的弧柱区横截面受到限制,使电弧的温度、能量密度、电离度和它的流速都显著增大。等离子电弧具有能量集中、温度高、焰流速度大、刚直性好等特点,广泛用于高质量、高精密设备的焊接。由于PAW电弧等
3、离子体极端的温度条件,电弧参量的试验测定极其困难,而数值分析则可在一定的数学模型下提供完整的流场、热场及热物理参数信息。因此,数值分析是一种分析等离子电弧各项参数的重要工具。随着近年来不断地发展,ANSYS作为主要的数值模拟软件,具备了多种物理场的耦合计算功能。文中通过图1电弧数值计算模型应用ANSYS软件,对氩气保护的等离子焊接电弧进行系统的研究,并分析其流场特性,以及电流与离子气流1.2控制方程量对等离子电弧的影响。该研究有助于理解等离子电焊接电弧是一种带电的流体,因此,用磁流体动力弧流场特性,为以后的研究打下基
4、础。学的理论来分析和研究。在轴对称的情况下,电弧数学模型的方程组如下所示:1电弧的数学模型及边界条件(1)磁流体动力学方程1.1基本假设质量连续方程:电弧的数值计算模型如图1所示,其中在计算中1(xv)(xu)+=0(1)对焊接电弧所作的一些假定条件为:xxz式中,u,v分别是等离子体的轴向和径向速度;为气(1)假定电弧处于局部热动态平衡(LTE)状态,即体密度;x、z为径向和轴向距原点的距离。电子和重粒子的温度基本相等。(2)电弧是稳定的、连续的和对称的。动量守恒方程的轴向表达式:uuFu
5、v+u=-+2+收稿日期:2007-07-11xzzzz基金项目:国家自然基金项目(50475126)2008年第2期27焊接试验研究ResearchPaper1u1v表面。计算所得离子气和保护气流动的马赫数小于x+x+jxB!+g(2)xxxxxx0.3,因此在分析时作层流处理[4]。式中,为粘度;B!为磁感应强度:jx为径向的电流密1.4网格划分与数值计算度;g为重力加速度;F为气体压力。采用ANSYS有限元分析软件对电弧模型进行计动量守恒方程的径向表达式:算分析。分析中所采用的
6、钨极直径均为3.2mm,阴极vv+uu=-F+21xv尖端锥角为60!,阴极内缩量为2mm,离子气流量为10xzzxxxL/min,保护气流量为15L/min。为提高计算精度,并vuv++-22-jzB!(3)考虑到阴极的几何形状、计算精度以及ANSYS对流场zzxx运算的特殊要求,在ANSYS中采用映射网格划法。而式中,jz为轴向的电流密度。采用映射法划分网格要满足划分区域是四边形或三边能量守恒方程:形。图2为计算区域划分成三边与四边形后的效果TT1TTCpv+u=xk
7、+k图。其中A为钨极,C、D、E、H为电弧区,B为离子气,Ixzxxxzz22为保护气,F、G为喷嘴。5kbTTjx+jz+jx+jz+-S(4)2exz∀式中,T为温度;S为单位面积辐射能;Cp为等压热容;e为电子电量;k为热导率;kb为波尔兹曼常数;∀为电导率。(2)电流连续方程:1##x∀+∀=0(5)xxxzz式中,#为电势。1.3边界条件焊接电弧模拟区的边界条件见表1。由于在温度小于5000K时气体的电导率非常小,因此在第一次计图2计算区域分区图算电场时,为了保证气体处于
8、导电状态,给弧柱区的温度赋初始值为10000K,阳极表面温度为6000K。在由于电弧区温度、速度、电流等物理量变化较大,整个电弧区域中温度的大小范围很大,气体在不同温为了得到较精确的计算结果,增大了该区域的网格密度下的各种物理性质参数高度非线性,各种数据的选度。图3为映射网格划分后的效果图。取见文献[1~3]。对IJ
