Ar-Fe混合氣氛下電弧等離子體數值模擬

任思蒙，李志勇，薛銅輝，宋承勝

（中北大學材料科學與工程學院，山西太原030051）

Ar-Fe混合氣氛下電弧等離子體數值模擬

任思蒙，李志勇，薛銅輝，宋承勝

（中北大學材料科學與工程學院，山西太原030051）

采用傳統焊接方法，保護氣體中通常會混入金屬蒸汽進而影響焊接過程，應用ANSYS軟件對考慮鐵蒸汽氣氛下焊接電弧進行數值模擬。通過前處理、加載、求解、后處理模擬出Ar-Fe不同比例下電弧溫度場的分布。通過比較幾種不同比例下的焊接電弧溫度場發現，隨著鐵蒸汽的增大，電弧等離子體的溫度明顯下降；鐵蒸汽達到一定比例，電弧呈收縮態。相比純氬氣，考慮了鐵蒸汽的等離子體的熱力學參數和輸運參數等因素的不同是造成以上差異的主要原因。

數值模擬；溫度場；等離子體；鐵蒸汽

0 前言

近年來，焊接技術迅速發展，其過程也越來越復雜，在采用試驗手段研究焊接過程時，很難對其機理進行完整說明。隨著計算機模擬技術的發展和推廣，數值模擬已經成為一種科學研究手段，這種研究方法也為探究焊接物理過程提供了方便。

焊接過程中都會產生金屬蒸汽。金屬蒸汽可改變電弧等離子體的電導率等物性參數，進而改變熱量、電流和弧形的分布，影響焊接過程，目前國內對考慮金屬蒸汽氣氛的焊接電弧模擬研究還很少。A. B.Murphy[1]在考慮有金屬蒸汽的情況下，運用CFX流體軟件模擬出考慮金屬蒸汽下的電弧溫度場、金屬蒸汽的質量分布場以及等離子體的流速場。Iwao等人[2]建立二維TIG焊電弧的自洽模型，研究發現鐵蒸汽濃度分布受脈沖電流波形的影響。M.Schnick等人的[3]研究表明考慮金屬蒸汽下的GMAW焊接電弧溫度場要比不考慮金屬蒸汽時的溫度低一些。H.Terasaki等人[4]的研究表明電弧等離子體中出現的金屬蒸汽會影響電弧的熱力學性能，明顯降低等離子體中的電子溫度。

本研究利用大型有限元分析軟件ANSYS，在考慮鐵蒸汽氣氛下，得出焊接電弧溫度場的模擬結果，并對比分析不同比例Ar-Fe蒸汽混合氣氛下的電弧。

1 數值模擬

1.1 基本假設[5-6]

（1）電弧等離子體處于局部熱力學平衡狀態（LTE）；（2）電弧等離子體是光學薄的，即輻射的重吸收和總的輻射損失相比可以忽略不計；（3）電弧為穩定、連續和對稱的，電弧的流動處于層流狀態；（4）電弧等離子體的密度、比熱、粘性、導熱率和導電率等物理參數都僅為溫度的函數；（5）對于粘性效應產生的熱量損失忽略不計。

1.2 控制方程

在電弧等離子體計算過程中需要采用質量守恒方程、動量守恒方程及能量守恒方程三大守恒方程，同時還需要建立麥克斯韋電磁方程[7]聯立求解。

（1）質量守恒方程。

（2）動量守恒方程。

軸向動量方程

徑向動量方程

（3）能量守恒方程。

式中vz和vr為軸向和徑向速度；ρ為密度；P為壓力；μ為黏度；k為熱導率；cp為定壓比熱容；jz和jr分別為軸向和徑向的電流密度；Bθ為切向磁感應強度；e為電子電量；▽h為熱焓；Ur為輻射散熱。

（4）麥克斯韋方程組。

電流連續方程

式中Ф為電勢；μ0為真空磁導率；σ為導電率。

1.3 物性參數

純氬氣氛、90％氬與10％鐵蒸汽混合氣氛、50％氬與50％鐵蒸汽混合氣氛下等離子體的電導率和熱導率的曲線如圖1所示。假設在Ar-Fe蒸汽比例確定的前提下，電弧等離子體的熱力學參數僅由溫度決定[8-9]。

圖1 不同比例下Ar-Fe等離子體的電導率和熱導率Fig.1 Dependence of electrical conductivity and thermal conductivity on temperature

1.4 計算域和邊界條件

采用非熔化極氣體保護焊計算模型，電弧數值模擬的計算區域如圖2所示。GF和FE分別為進氣口和出氣口，進氣口的速度vgas為10 m/s。鎢極角度60°，焊接電流100 A。

圖2 電弧計算區域Fig.2 Computational domains for welding arc

基于以上電弧模型的設定，設置邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件Tab.1Boundary condition

1.5 求解思路

采用物理環境間接耦合法來處理電場、磁場和流場三場間問題。先給定電弧區域一個初始溫度，得出電流密度分布；將電場中的電流密度分布作為載荷耦合到磁場中，計算出電磁力和焦耳熱的分布；再將磁場分析出的電磁力和焦耳熱作為體積力和體積熱耦合到流場中，從而計算出流場的溫度分布；最后將流場模擬出的溫度分布耦合到電場中，再次計算電流密度分布，這樣就形成了電、磁、流場的耦合計算，將這一過程循環直至收斂。

2 鐵蒸汽氣氛下的模擬結果

根據等離子體的熱力學參數可知，當溫度較低時，電弧等離子體的電導率很小，為了保證電弧弧柱區的導電性，在初始化時，給定等離子的初始溫度為10 000 K。

2.1 不同組分鐵蒸汽對電弧溫度的影響

純氬氣和鐵蒸汽比例為10％和50％的電弧溫度場分布結果如圖3所示。經分析可知，焊接過程中，弧柱區的電弧等離子體會受到電磁力的作用，電流由陽極流向陰極，由左手定則可以判斷出電磁力是向下、向內的，所以等離子體的運動方向也是向下、向內。由于電磁力在陰極表面附近達到最大值，所以等離子體的流速在此處也有最大值，當等離子體受電磁力繼續向下運動到達陽極表面時，被陽極銅冷極冷卻，其流速迅速下降并受到銅冷極的阻礙作用，等離子體向外流動，這樣就形成了呈鐘罩型分布的溫度場，如圖3a所示。

圖3 不同Ar-Fe蒸汽混合氣氛的電弧溫度分布Fig.3 Temperature distribution of different argon-iron vapour mixtures

對比圖3可知，近陰極表面附近溫度最高，但隨著鐵蒸汽含量的增加，電弧等離子體的溫度明顯下降，當鐵蒸汽含量達到50％時，純氬氣下的陰極附近最高溫度由26 047 K下降到16 658 K。這是因為：一方面固態鐵發生相變需要大量能量，這些能量來源于周圍等離子體的熱量，導致弧柱區溫度降低；另一方面來自電極的焊絲、熔滴以及熔池中的鐵蒸汽溫度比等離子體的溫度低得多，當這些鐵蒸汽進入高溫等離子體時也會大量吸收附近等離子體的熱量，并隨著鐵蒸汽含量的增大，吸收熱量也越來越多，使得等離子體的溫度持續降低。

2.2 不同組分鐵蒸汽對電弧形態的影響

觀察圖3可以發現，電弧形態發生了很大變化，隨著鐵蒸汽的進入，電弧形態開始收縮，當鐵蒸汽含量達到50％時，電弧形態已經顯現出壓縮電弧的形態。這主要由兩方面因素引起：（1）隨著鐵蒸汽含量的增加，需要不斷吸收電弧的熱量，即電弧的熱損失越來越大，而由最小電壓原理可知，在電流和周圍條件一定的情況下，穩定燃燒的電弧將自動選擇一適當截面，以保證電弧的電場強度具有最小的數值，即在固定弧長上的電壓最小。在這種情況下，電弧會自動縮小其斷面積，以減小能量損耗。（2）考慮到鐵蒸汽下的等離子體和純氬氣下的等離子體的物性參數不同，由圖1可知，尤其在溫度超過5 000 K以后，熱導率和電導率都發生了改變，這也促使了電弧收縮。

圖4為實際拍攝到的考慮金屬蒸汽氣氛下的電弧形態[10]，可以看出電弧形態略有收縮，對比圖3c可知，模擬結果與實際拍攝照片的電弧形態一致，都呈壓縮電弧的形態，定性驗證了模擬結果的準確性。

圖4 考慮金屬蒸汽氣氛下的電弧形態[10]Fig.4 Shape of the arc taking into account metal vapour

3 結論

（1）利用有限元分析軟件ANSYS對考慮鐵蒸汽下的電弧等離子進行了數值模擬，結果發現電弧總體溫度下降，且隨著鐵蒸汽比例的增大，溫度下降更為明顯。

（2）電弧形態呈收縮態，與實際拍攝到的考慮金屬蒸汽氣氛下的電弧形態一致，定性驗證了模擬結果的準確性。

[1]Murphy A B.The effects of metal vapour in arc welding[J]. Journal of Physics D：Applied Physics，2010，43（43）：2460-2468.

[2]Iwao T，Mori Y，Okubo M，et al.Modelling of metal vapor in pulsed TIG including influence of self-absorption[J]. Journal of Physics D：Applied Physics，2010，43（43）：2460-2468.

[3]Schnick M，Fuessel U，Hertel M，et al.Modelling of gasmetal arc welding taking into account metal vapour[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2010，43（43）：434008.

[4]Terasaki H，Tanaka M，Ushio M.Effects of metal vapor on electron temperature in helium gas tungsten arcs[J].Metallurgical and Materials Transactions A，2002，33（4）：1183-1188.

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[6]WU C S，Ushio M，Tanaka M.Analysis of the GTAW welding arc havior[J].Computational Materials Science，1997，7（3）：308-314.

[7]Bini R，Monno M，Boulos M I.Effect of cathode nozzle geometry and process parameters on the energy distribution for an argon transferred arc[J].Plasma Chemistry and Plasma Processing，2007，27（4）：359-380.

[8]Murphy A B，Tanaka M，Yamamoto K，et al.Modelling of thermal plasmas for arc welding：the role of the shielding gas properties and of metal vapour[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2009，42（19）：194006.

[9]陳熙.熱等離子體傳熱與流動[M].北京：科學技術出版社，2009.

[10]Murphy A B.The effects of metal vapour in arc welding[J]. Journal of Physics D：Applied Physics，2010，43（43）：2460-2468.

Numerical analysis of arc plasma with mixed atmosphere of Ar-Fe

REN Simeng，LI Zhiyong，XUE Tonghui
（Department of Materials Science and Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

When using traditional welding methods，protective gas commonly mixed with metal vapor which affected the welding process.The software of ANSYS was used to simulate the welding arc of considering iron steam.By pre-processing，loading，solution，aftertreatment，the arc temperature fields with different proportions of iron steam was simulated.Through a comparative analysis mainly on temperature fields，it can find out that the arc plasma temperature decrease obviously with the increase of iron vapor，arc shape will become shrinking when the iron vapor reaches a certain proportion.The results are explained that the difference of the thermodynamic and transport properties of the plasma which consider the iron vapor.

numerical simulation；temperature fields；plasma；iron vapor

TG403

A

1001－2303（2016）12－0041-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.09

獻

任思蒙，李志勇，薛銅輝，等.Ar-Fe混合氣氛下電弧等離子體數值模擬[J].電焊機，2016，46（12）：41-44.

2016-06-16

山西省重點研發計劃工業項目（2016-2-1）；山西省自然科學基金（2012011021-1）；山西省回國留學人員科研基金資助項目（2013-07）

任思蒙（1991—），男，河北唐山人，碩士，主要從事焊接電弧數值模擬方面的研究工作。