窄間隙擺動電弧數(shù)值模擬

徐 剛， 張?zhí)炖祝?何林基， 沈艷濤， 馬春偉

(1.上海工程技術(shù)大學 材料工程學院， 上海 201620； 2.北京遙感設備研究所， 北京 100854；3.北京海基科技發(fā)展有限責任公司， 北京 100192)

窄間隙焊接是一種采用較小坡口角度的高效焊接方法，具有填充焊材量少，熱輸入低，焊縫力學性能好，生產(chǎn)效率高及制造成本低等優(yōu)點[1-2]。但是，窄間隙焊接容易產(chǎn)生根部和側(cè)壁未熔合的現(xiàn)象[3]。所以研究窄間隙焊接電弧的物理特性就變得十分重要。但電弧的物理過程十分復雜，通過試驗手段很難對其進行分析，而流體仿真計算提供了較好的分析途徑。

目前，國內(nèi)外學者已經(jīng)對等離子弧焊及非熔化極惰性氣體保護電弧焊(tungsten inert gas welding, TIG)電弧做了大量數(shù)值計算相關(guān)工作。殷鳳良等[4-5]建立了完善的等離子焊的電弧模型，并建立了等離子弧焊電弧反翹模型。賈劍平等[6]建立了旋轉(zhuǎn)TIG電弧模型，但目前沒有開展與窄間隙焊接電弧相關(guān)的數(shù)值計算工作。

課題組借鑒了眾多學者對等離子弧焊及TIG焊電弧的模擬計算分析思路，使用流體計算軟件FLUENT，并對其用戶自定義函數(shù)(UDF)進行二次開發(fā)，求解磁流體動力學相關(guān)方程。不考慮金屬蒸氣，不考慮熔滴過度，簡化保護氣化學成分，研究窄間隙焊接的電弧特性。

1 數(shù)學模型

1.1 基本假設

基本假設：電弧區(qū)域為導電的純氬氣環(huán)境，等離子體參數(shù)僅為溫度的函數(shù)；電弧處于穩(wěn)態(tài)，且不可壓縮；電弧處于層流狀態(tài)，為穩(wěn)定的連續(xù)介質(zhì)；電弧關(guān)于中心平面對稱；電弧等離子體處于局部熱平衡(local thermal equilibrium，LTE)狀態(tài)；電弧是光學薄，即電弧對熱輻射的重新吸收相對于電弧的熱量損失可以忽略不計；忽略熔滴過渡及金屬蒸氣對電弧形態(tài)的影響；由于黏性效應導致的熱損失忽略不計。

1.2 物理模型

對于窄間隙電弧數(shù)值計算，由于其焊接空間的局限性，保護氣的流動狀態(tài)受側(cè)壁約束，將沿焊道流出焊接空間。若采用二維數(shù)值計算模型，會導致速度場與實際相差較遠，所以課題組使用電弧三維模型進行數(shù)值計算。圖1所示為窄間隙電弧計算域示意圖。其中ABCDEFHI為對稱平面，EFGHI為焊絲，AIEDMJ為保護氣入口，JMLK為保護氣出口，ABCDMLKJ為窄間隙焊縫表面。

圖1 電弧的計算區(qū)域Figure 1 Computational domain of welding arc

課題組使用SolidWorks建立電弧計算域幾何模型，用HyperMesh劃分計算域流體網(wǎng)格，電弧區(qū)最小網(wǎng)格尺寸為0.1 mm，網(wǎng)格形式如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型Figure 2 Mesh model

1.3 控制方程

電弧實際是一種導電的流體，可通過磁流體動力學中的Navier-Stokes的控制方程和麥克斯韋電磁方程組進行描述。

1.3.1 Navier-Stokes的控制方程

1) 質(zhì)量連續(xù)方程

(1)

2) 動量守恒方程

(2)

3) 能量守恒方程

(3)

式中：ρ為等離子體密度；t為時間；v為速度；P為壓力；μ為黏性系數(shù)；H為焓值；cp為定壓比熱容；k為導熱系數(shù)；Sr為輻射流密度；Φ為耗散功率；B為磁感應強度；σ為電導率；J為電流密度。

1.3.2 麥克斯韋電磁方程組

1) 電流連續(xù)方程

(4)

2) 歐姆定律

(5)

3) 安培環(huán)流定律

(6)

式中：φ為電勢；μ0為真空磁導率。

1.4 邊界條件

表1所示為計算域邊界條件。其中vgiv為保護氣流速，焊絲及母材熔點設為2 000 K。

2 計算結(jié)果與分析

計算所用參數(shù)為實際窄間隙焊接工藝參數(shù)，其中電流為310 A，電壓為28 V，保護氣流量為30 L/min，焊絲直徑為1.2 mm，其他工藝參數(shù)見表1。計算使用的氬氣熱物理性能數(shù)據(jù)選自參考文獻[7]。使用FLUENT求解出窄間隙焊接電弧的磁場、電場、速度場、壓力場及溫度場，并用tecplot進行后處理，得到如下結(jié)果。

表1 焊接工藝參數(shù)

2.1 窄間隙對電弧磁場的影響

圖3所示為在電弧對稱平面上距離焊絲端部不同位置的磁感應強度對比圖。從圖中可以看出，電弧軸線附近，電弧邊緣及側(cè)壁處的磁感應強度較小。電弧軸線附近磁感應強度規(guī)律與文獻[8]第36頁描述相符，而電弧邊緣磁感應強度較小是因為邊緣電流密度較小。對于側(cè)壁處，由于部分磁場導入金屬基板，使靠近側(cè)壁處電弧周圍的磁感應強度降低，導致遠離側(cè)壁處電弧的磁感應強度大于靠近側(cè)壁處電弧的磁感應強度。電弧為達到力學平衡狀態(tài)，電弧中心兩側(cè)的等離子體流動狀態(tài)將有別于正常狀態(tài)電弧。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，從焊絲端部到熔池，磁感應強度逐漸減小，這是由于熔池表面積遠大于焊絲端部表面積，使等離子體從焊絲端部流向熔池的過程中逐漸發(fā)散，即電流密度持續(xù)減小，導致磁感應強度持續(xù)下降。

圖3 磁感應強度分布Figure 3 Magnetic induction density distributions

2.2 窄間隙對電弧速度場和壓力分布的影響

圖4所示為計算得到的電弧速度場分布。從圖中可以看出，等離子體流動方向偏離焊絲軸線，指向側(cè)壁方向。這是由于遠離側(cè)壁處電弧的磁感應強度大于靠近側(cè)壁處電弧的磁感應強度。等離子體在遠離側(cè)壁處所受的電磁力大于靠近側(cè)壁處所受的電磁力，等離子體的流動方向在電磁力的做用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，直至電弧在電磁力及重力的作用下恢復平衡。圖中部分流場曲線經(jīng)歷了保護氣到電弧再到保護氣的過程。這是由于電弧燃燒過程中，部分保護氣在電弧區(qū)被電離參與電弧等離子體運動，復合后離開電弧區(qū)，保護熔池不被氧化，最后流出電弧計算域。圖中熔池上方且遠離側(cè)壁處的等離子體并沒有直接到達熔池，而是先沿熔池表面做切線運動。這是由于窄間隙焊縫底部表面為凹面，熔池附近的等離子會沿著熔池表面向焊縫凹面最低點運動。

圖4 電弧速度場分布Figure 4 Arc velocity field distribution

圖5所示為電弧壓力場分布圖。

圖5 電弧壓力場Figure 5 Arc pressure field

從圖中可以看出，焊絲端部附近壓強較大，尤其在焊絲端部壓強達到最大。這是由于焊絲端部附近電弧周圍的磁感應強度和電流密度都比較大，即焊絲端部附近電弧等離子體被較大的電磁力壓縮，產(chǎn)生較大的壓強。從焊絲端部到熔池，由于磁感應強度及電流密度都減小，即電磁收縮力減小，導致壓強逐漸減小。但在熔池附近壓強有所回升，并且壓強的分布范圍也在增大，這是由于等離子流沖擊熔池形成的。由于等離子流受磁場影響向側(cè)壁偏移，電弧壓力分布也出現(xiàn)了向側(cè)壁偏移現(xiàn)象。電弧對熔池的壓力主要分布在側(cè)壁根部。

2.3 窄間隙對電弧電場的影響

圖6所示為計算得到的電弧電壓分布圖。將熔池電位定為零點參考電位，從圖中可以看出，焊絲端部電位最大，隨著電流流向熔池，電位逐漸減小。計算得到的兩級電壓為26 V，比實際電壓小2 V，這可能是沒有考慮熔池及焊絲端部壓降的原因[8]35。除電弧底部外，側(cè)壁同樣存在較大的電勢梯度，為電流流入側(cè)壁提供勢能條件。

圖7所示為計算得到的電流密度矢量分布。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在靠近底部和側(cè)壁處的電流流向出現(xiàn)折彎現(xiàn)象。這是由于等離子體到達熔池前，沿熔池表面向焊縫凹面底部做切線運動，使電流密度矢量方向受到影響。由圖6可知，側(cè)壁處存在較強電勢梯度，同時該處的磁感應強度較弱，當部分等離子體所受的電場力大于電磁力時，便掙脫電磁收縮力束縛流向側(cè)壁，在側(cè)壁與焊絲端部之間形成電流回路。

2.4 窄間隙對電弧溫度場的影響

圖8所示為計算所得電弧溫度場分布。從圖中可以看出，由于側(cè)壁的影響，電弧溫度場形態(tài)并不是鐘罩形，但遠離側(cè)壁的電弧部分還保留著鐘罩形態(tài)的特征。電弧溫度從焊絲端部到熔池逐漸降低。這是由于熔池表面比焊絲端部表面大得多，導致焊絲端部表面等離子向外做發(fā)散運動，造成電弧溫度場在熔池處也較為發(fā)散[8]40。由于等離子體向側(cè)壁偏轉(zhuǎn)，使電弧的高溫區(qū)域明顯向側(cè)壁偏轉(zhuǎn)，促使了電弧對側(cè)壁及根部的加熱。等離子體沿熔池向焊縫底部做切線運動的同時也增加了電弧熱量的作用范圍，使熔池上方的電弧低溫區(qū)進一步擴大。

圖8 電弧溫度場Figure 8 Arc temperature field

2.5 電弧形態(tài)試驗驗證

實際電弧燃燒過程十分復雜，由電磁場、流場及溫度場間相互作用形成。電弧的等離子體流速和內(nèi)部溫度等參數(shù)很難通過實驗測定[9]。課題組通過對照實際電弧形態(tài)來驗證計算結(jié)果的準確性。圖9所示為相同參數(shù)下的窄間隙擺動電弧的高速攝影試驗照片[10]。與計算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，電弧溫度計算輪廓與實際電弧輪廓吻合良好，這間接證明了計算結(jié)果的準確性。但實際焊接過程電弧為運動狀態(tài)，為減小模型的復雜程度和計算量，使用靜態(tài)模型代替電弧的瞬態(tài)過程，而且沒有考慮金屬蒸氣及熔滴過渡，并簡化保護氣化學成分。計算的物理量數(shù)值與真實值可能存在偏差，但可以定性分析電弧物理特性的變化趨勢。

圖9 試驗電弧形態(tài)Figure 9 Experimental arc shape

3 結(jié)語

1) 課題組利用磁流體動力學原理，實現(xiàn)對窄間隙焊接電弧的數(shù)值計算，且計算結(jié)果與試驗吻合良好。

2) 窄間隙焊接過程中，當電弧運動至側(cè)壁時，電弧的等離子流場、壓力場及溫度場均向側(cè)壁偏轉(zhuǎn)，從而使電弧熱量集中在側(cè)壁根部。

3) 窄間隙焊接過程中，當電弧運動至側(cè)壁時，熔池上方等離子體沿熔池切線向焊道凹面底部運動，使電弧溫度場低溫區(qū)范圍增大。

4) 窄間隙焊接時，電弧受側(cè)壁影響明顯，利用傳統(tǒng)的電弧熱源及電弧壓力等經(jīng)驗方程，對窄間隙電弧焊接過程進行數(shù)值計算時，需要對方程進行修正。