基于計算機仿真的雙鎢極間接氣體保護焊接電弧參數分布

段小斌

（廣西工商職業技術學院，廣西南寧530003）

基于計算機仿真的雙鎢極間接氣體保護焊接電弧參數分布

段小斌

（廣西工商職業技術學院，廣西南寧530003）

采用計算機仿真方法、針對間接電弧的參數分布特點對雙鎢極間接氣體保護焊進行了數值模擬研究。該焊接方法節能、高效且焊接工件的變形小，但熱輸入卻很低。為了分析其熱輸入較低的原因，首先利用有限元軟件建立了間接電弧的有限元模型，并計算電弧的一系列特征參數，并與實測結果進行對比。結果表明：雙鎢極間接電弧具有面對稱特征，且電弧偏向陽極方向，呈倒鐘罩形態。陰極區電弧參數均小于陽極區。與等離子弧焊和鎢極惰性氣體保護焊（TIG）相比，在該焊接方法中被焊工件并不與電極相連，主要靠弧柱區端部加熱，該區域較低的電弧壓力、熱流密度和等離子體流速使得工件的熱輸入低，且熔深淺。

雙鎢極間接電弧焊接；電?。挥邢拊ǎ粩抵的M

0　前言

雙絲間接電弧氣體保護焊是一種新興的焊接方法。在焊接過程中，電源正負兩極分別接于兩根焊絲上，兩焊絲端部之間形成間接電弧。間接電弧產生大量熱量，但母材很少被熔化，熱量主要用于熔化焊絲，故電能的利用率以及焊絲的熔敷系數較高。而且焊接時電流幾乎不流經母材，這使得該焊接方法具有較小的熔合比，工件上會產生較小的焊接應力，工件變形也小，因此該方法是一種高效的焊接工藝，應用前景廣闊[1-2]。

電弧等離子體是一種粒子流的平衡體，這些粒子在熱、電、力、磁、光、聲等的共同作用下相互影響、相互制約?，F階段，對于電弧的認知和理解還不全面，因此許多學者對電弧過程進行了全面、詳細研究[3-4]。在此采用鎢絲作為焊絲研究了雙絲間接氣體保護焊的電弧特征形態和電弧參數。由于焊接過程的特殊性以及電弧的高溫特征，僅采用試驗方法很難研究電弧特性。因此采用計算機仿真方法對雙鎢極間接電弧進行了有限元數值模擬，采用六面體網格劃分，分析電弧形貌和電弧參數，這對了解電弧本質以及電弧理論有著十分重要的意義。

1　數學模型

間接電弧一般以面對稱的形式存在，而電弧可以被認為是一種牛頓黏性流體。因為電弧呈黏性，又由于固體界面的存在，因此在黏性力的作用下流體微元會進行有旋運動。本研究在真實反映實際焊接過程的基礎上，為了得到更為精確的計算結果并縮短計算時間，建立了三維模型，選取模型的1/2進行模擬計算，并提出了以下假設：

（1）電弧輻射過程中的重新吸收量與總的損失相比可忽略不計，即電弧被認為是光學薄的。

（2）電弧被認為一直處于局部的熱動態平衡狀態。

（3）焊接時采用純氬氣進行保護，電弧區域忽略熔滴過渡；電弧被認為是不可壓縮的層流狀態。

（4）電弧與雙鎢極的中心軸線所在平面對稱；電極表面是平面。

電弧區域的模型及對應尺寸如圖1所示。圖1中IBCJ為陽極，MFEL為陰極，兩者夾角30°，且均為鎢極。圖中HPRN所在的矩形區域為電磁場的計算區域，將陰極、陽極去除后則是流場計算區域。

圖1　電弧區域模型及尺寸

1.1控制方程

質量連續性方程

動量守恒方程

能量守恒方程

式中ρ為等離子體的密度；t為時間；V為速度矢量；H為焓值；p為壓力；κ為熱導率；cp為定壓比熱容；Φ為耗散功率；SR為輻射流的密度；J為電流密度；σ為電導率；μ為黏性系數；B為磁感應強度。

1.2麥克斯韋方程

歐姆定律

電流連續方程

安培環流定律

1.3邊界條件

雙鎢極之間產生的間接電弧并非以軸對稱的形式存在，因此需要給出各計算區域處的邊界條件。

（1）電場。電場包括陽極區域和陰極區域，其中陽極上表面IJ施加零電壓，陰極上表面LM施加電流，其余表面電壓、電流不做規定。

（2）磁場。對稱面HPRN施加垂直磁力線，外圍表面施加零磁力線，EF表面施加平行磁力線，PR面的磁力線為零。

（3）流場。外圍表面的速度、相對壓力設置為零，PR、HN面相對壓力也設為零。HPRN面在垂直方向施加零速度分量，陰陽極表面速度為零，兩極表面溫度設為2500K。電弧區域的氬氣溫度設為10000K，以保證電弧區導電。

2　求解過程及其試驗驗證

電弧的有限元模型及網格劃分結果如圖2所示。電弧區域采用六面體映射網格劃分，這有利于使計算收斂并提高計算精度。在陰極和陽極中心軸線附近區域溫度會有較大變化，因此該位置的網格密度較大。

電弧中等離子體的溫度分布可以通過流體守恒方程求解得到。在焊接過程中，氬氣電導率會隨著溫度變化而變化，氬氣電導率的變化會直接影響電流、洛侖茲力和焦耳熱分布，而后兩者又將會對電弧等離子體的溫度產生影響。由此可見，在模擬焊接過程中需要對電弧模型進行流場和電磁場的耦合計算。在處理物理特性隨溫度變化的氬氣時，則需要將電磁場、流場和電場三者進行物理環境的間接耦合。首先計算模型電流密度分布，并將結果導進磁場計算中，得到焦耳熱、電磁力分布后，將二者轉換為體積生熱和體積力代入流場，通過一系列耦合后得到溫度和速度的分布，再將溫度分布導入電場中得到電流分布。需要注意的是，在計算時要考慮電弧等離子體的黏性生熱項。將上述過程進行反復計算直至收斂。在計算過程中，求解難點是計算流體時會發生不收斂現象，此時需要對壓力、動力松弛因子、慣性松弛因子、溫度、迭代次數和壓力求解器進行合理控制，以利于計算收斂。

圖2　電弧有限元模型及網格劃分

為了驗證模型的有效性和準確性，需要將計算結果與實測結果進行對比。本研究采用速度60幀/s的高速攝像機拍攝焊接時的電弧形貌，高速攝像機型號為Fast cam Super-10KC。

3　模擬結果和分析

在有限元模型中，雙鎢極的直徑均為2.0 mm，且兩鎢極夾角30°、中心點相距6.2 mm。模擬中，選取50 A的焊接電流，計算并分析電弧溫度、電弧中等離子體的流速、電弧壓力和電弧的熱流密度分布。

3.1電弧溫度

模擬計算后得到的電弧溫度分布云圖如圖3所示。電弧在陰陽兩極區域的溫度最高，均在15 000K以上。從圖3中還能發現電弧向陽極方向偏轉，這與電場對電弧區的電子進行加速以及洛倫茲力的影響有關。與傳統電弧相比，間接電弧形態產生了明顯的變化。一般情況下，傳統電弧呈現鐘罩型，下部直徑大，上部直徑較小，并與電弧軸線所在的橫截面垂直。焊接時采用直流正接，即陽極區加熱工件，往往溫度較高，工件受熱面積較大，并產生較大的焊接熱輸入。間接電弧則相反，其電弧形態為倒鐘罩形，上大下小，工件加熱溫度低，受熱面積小，而且產生的焊接熱輸入較小。

圖3　電弧溫度場分布云圖

高速攝像機拍攝的間接電弧形態如圖4所示。拍攝得到的電弧形態與圖3中模擬計算結果吻合性較好。圖4中的電弧也偏向于陽極一端，且7000 K以上電弧發光區域與拍攝得到的輪廓較為接近，因此可以認為模擬結果相對準確。

圖4　電弧高速攝像圖片

3.2電弧壓力

模擬后得到的電弧壓力分布云圖如圖5所示。焊接時在陰陽兩極表面均形成一個高壓區，該區域較小，近似呈圓形，面積小于1 mm2，其中壓力為700～1 550 Pa。計算區域的電弧壓力最大值處于陽極區為1 550 Pa，外圍電弧壓力則直接降到100 Pa以下。當與兩極表面距離超過2 mm時，電弧壓力快速降低，直至出現負值。通過雙鎢極間接電弧對工件進行焊接時產生電弧壓力只有相同條件下等離子弧焊和TIG焊的幾分之一，因此采用間接電弧進行焊接時，焊接熔深淺。

圖5　電弧壓力場分布云圖

3.3等離子體流速

電弧等離子體流速矢量分布如圖6所示。由圖6可知，最大流速位于陽極區，為463.129 m/s。陽極區電弧等離子體的最大流速略高于陰極區，但兩者均大于350 m/s。陰極表面有電子流出，且與陰極垂直，并偏轉向陽極位置。電子中絕大部分在兩極間流動，有很少一部分通過工件區域，這就導致了工件處的焊接熱輸入小、焊接熔深淺。

圖6　電弧等離子體流速分布

在與陰陽兩極垂直方向上的兩側分別取10個點，間距為0.5 mm。將模擬計算得到的電弧等離子體流速提取出來繪制出流速分布曲線，如圖7所示。

圖7　垂直電極表面方向等離子體流速分布

由圖7可知，陰極去的等離子體流速小于陽極區，這與前文溫度、電弧壓力計算結果相符合。當遠離電極表面時，等離子體的流速均呈現明顯的下降趨勢，尤其在0～2 mm范圍時流速數值下降最快，隨后下降趨勢逐漸放緩，數值低于100 m/s。此時電弧等離子體流速相比TIG焊的陽極區明顯偏小，因此熔深淺。

3.4電弧熱流密度

電弧的熱流密度分布云圖如圖8所示。在兩極區域附近，電弧的熱流密度較大，而弧柱區熱流密度則較小。

圖8　電弧熱流密度分布云圖

按照圖7方式取點，得到如圖9所示的電弧熱流密度分布曲線。由圖9可知，陽極區熱流密度最大值為0.172×109W/m2，陰極區則為0.151×109W/m2。當遠離兩極表面時，熱流密度呈現明顯的下降趨勢。當距兩極表面距離為1.5 mm時，數值僅為最大值的1/10，隨后呈現平緩的下降趨勢。陰極區熱流密度小于陽極區，因此陽極區溫度高，電弧偏向陽極。弧柱區的熱流密度很小，尤其端部更小，較小的熱流密度使得被焊工件的熱輸入降低。

圖9　垂直電極表面方向熱流密度分布

3.5不可壓縮流體的假設以驗證

馬赫數可以用來判斷氣體的壓縮性。當馬赫數小于0.3時，認為氣體是不可壓縮的。馬赫數表示為

式中v為氣體流速；c為當地聲速。

計算得到的電弧區域氣體馬赫數最大值為0.180 584，小于0.3，因此氣體認為是不可壓縮的，這也就對假設進行了驗證，認為這種假設是可信的。

3.6討論

在本研究涉及的焊接方法中，兩極電流僅在雙鎢極之間流動，工件在焊接時不接入電極，并遠離熱量較高的兩極區域以及高溫弧柱區，僅由端部的弧柱區進行加熱。而傳統的焊接方法則是通過電極斑點對工件進行加熱，因此本研究方法造成了焊接時較低的熱輸入以及較淺的熔深。

通過對所建模型的模擬計算可知，間接電弧在陽極產生最高溫度，數值為17 307 K，而且陽極溫度明顯高于陰極區。這是因為陰極表面在發射電子后，電子在洛倫茲力、黏性阻力和電場力的作用下，在陰極表面的微小區域形成較大的電流，導致電場強度大，生成較多的磁場熱量。同時，又由于黏性阻力小于電場力，電子速度在陰極明顯被加速，動能較高，其宏觀表現就是溫度，因此等離子體在陰極附近速度大，電弧溫度高。在弧柱區內，由于較低的電場強度、電流密度和磁場生熱，同時電子受到的黏性阻力大于電場力，因此電子速度、動能降低，最終導致等離子體流速小，電弧溫度較低。當電子進入陽極區域時，較小的作用面積導致較大的電流，較高的電場強度和電磁生熱，又由于等離子體被重新加速，使得其動能增加；當電子對陽極進行轟擊時，其動能被傳遞到陽極區，這就導致陽極區域等離子體流速快、溫度高、熱流密度大。

洛倫茲力能夠使得從陰極流出的電子發生偏轉，沿弧線流向陽極。本研究的焊接方法與等離子弧焊、TIG焊相比，其等離子體流速、最大電弧壓力以及熱流密度等參數的數值相當，但間接電弧所對應的上述參數最大值均在電極區出現。陰極區各參數均小于陽極區，且在電極附近位置（0～2 mm）下降明顯，此過程數值降到約最大值的1/10，隨后降低過程逐漸緩慢。間接電弧對應的弧柱端部的等離子體流速、熱流密度和電弧壓力均小于等離子弧焊和TIG焊，工件的焊接熱輸入較小。

4　結論

被焊工件依靠弧柱區端部進行加熱，這是造成較低熱輸入、較淺熔深的根本原因。雙鎢極間接電弧面對稱，并偏向陽極區，呈倒鐘罩形態。陽極表面的各項參數均大于陰極，最大值也出現在陽極附近。等離子體沿弧線在兩極流動，極少經過被焊工件，與等離子弧焊和TIG焊所對應的同類參數相比，雙鎢極間接氣體保護焊接時，電弧對焊接熔池的沖擊力較小，流經陰陽兩極表面的熱流密度更小，因此這種焊接方法的熱輸入較低。

[1]張順善，吳東亭，鄒增大，等.磁場對雙絲間接電弧形態的影響[J].焊接學報，2010，31（7）：87-90.

[2]曹梅青，鄒增大，張順善，等.雙絲電弧焊研究現狀及進展[J].山東科技大學學報，2008，27（2）：88-92.

[3]王燕.藥芯焊絲電弧焊熔滴過渡與焊接飛濺[J].電焊機，2013，43（4）：96-99.

[4]白巖，高洪明，吳林.等離子—熔化極氣體保護焊電弧特性研究現狀[J].電焊機，2007，37（9）：17-19.

Research on arc parameters distribution of twin-tungsten indirect gas shielded welding based on the computer simulation

DUAN Xiaobin
（Guangxi Career Technical College，Nanning530003，China）

According to parameters distribution of indirect arc，numerical simulation method was adopted to study the twin-tungsten indirect gas shielded welding.This welding method saves energy with high efficiency，and the welding deformation is small，but the heat input is very low.In order to analyze the cause of the relatively low heat input，the finite element model of indirect arc is first established by the finite element software，and a series of characteristic parameters are calculated and compared with the measured results.The Results show that the twin-tungsten indirect gas shielded welding shows the plane symmetry feature.The arc turns to the anode area with the inverted bell shape.Arc parameters values of the cathode area are less than that of the anode area.Compared with plasma arc welding and tungsten inert gas welding(TIG)，the workpieces are not connected to the electrode during welding，and heated mainly by arc column area with low pressure，heat flux density and plasma arc velocity，which lead to low heat input and melting depth of the workpieces.

twin-tungsten indirect arc welding；electric arc；finite element method；numerical simulation

TG444+.72

A

1001－2303（2015）11－0112-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.23

2014-09-03；

2014-11-28

2013年度廣西高?？茖W技術研究項目（2013YB338）

段小斌（1982—），男，山西臨汾人，講師，碩士，主要從事計算機應用技術的研究。