角接頭電弧行為數值分析模型

蘇 娜，龔祺龍，李 林，王學禮，王加友，朱 杰，胥國祥

(江蘇科技大學 江蘇省先進焊接技術重點實驗室, 鎮(zhèn)江 212100)

電弧等離子體物理特性與電弧、力源作用特征密切相關，決定了焊接物理過程的產生與演變.較于簡單接頭，角接頭、窄間隙焊[1]等幾何特征復雜，對電弧約束影響較大，同時，電極也常處于傾斜或擺動狀態(tài)，故電弧動態(tài)行為更為復雜.然而受到弧光、設備條件和電磁干擾等因素的影響，采用實驗方式直接對電弧進行觀測非常困難.因此，通過數值模擬方法研究角接頭焊接電弧物理特性和動態(tài)行為，有助于全面理解焊接物理機制，繼而提高焊接質量的可靠性，具有重要的學術和工程價值.

目前學者已對電弧焊開展了大量數值模擬研究，但主要集中于焊接溫度場[2]、熔池流體流動[3-4]等方面；針對電弧物理特性的研究相對較少，且主要局限于堆焊等簡單接頭.文獻[5]研究發(fā)現(xiàn)金屬蒸氣會使弧柱內的電弧溫度大大降低，造成電弧電壓增加.文獻[6]通過建立電弧數值分析模型，研究二維平板對接焊接過程電弧行為.文獻[7-8]基于數值分析結果證實了GMAW焊電弧電流密度分布特征與電極傾斜角度及液態(tài)熔池表面形態(tài)的相關性.文獻[9]則對雙電極TIG焊電弧及熔池物理過程進行了模擬計算，分析了電弧與熔池之間的相關影響，但其模型仍僅限于堆焊過程.

文獻[10]同樣建立僅限于簡單接頭電弧數值模擬.可見，目前針對應用最為廣泛的復雜接頭，仍然缺乏電弧物理特性及動態(tài)行為的研究.

文中綜合考慮接頭夾角對電弧等離子體物理特性，建立了電極傾斜條件下角接頭TIG焊電弧行為三維非對稱數值分析模型，研究了電弧焊電弧物理特性和動態(tài)行為特征，對于深入理解T型接頭、窄間隙焊等復雜接頭電弧物理特性、優(yōu)化焊接工藝參數和提高焊接過程穩(wěn)定性具有重要意義.

1 實驗

圖1為角接頭TIG焊接示意.母材為Q235低碳鋼板；焊機為Frounius 數字化TIG焊機.焊接過程中，工件與電極中心軸線夾角為45°；焊接電流為180 A；電弧電壓為20 V；焊接速度為0.6 m/min；保護氣體為純Ar.為了對比分析不同接頭夾角的電弧行為，接頭夾角分別取60°、90° 和120°.

圖1 角接頭TIG焊接示意

2 數值分析模型

2.1 基本假設與控制方程

由于電弧物理過程十分復雜，為了提高計算效率，將研究重點放在焊接接頭對電弧物理特性影響，需對模型進行簡化[11].電弧等離子體假定為不可壓縮層流流體，并處于局部熱力學平衡狀態(tài)；忽略重力和粘性耗散；電弧氣體為純氬；電弧等離子滿足光學薄性質；忽略熔池表面產生的金屬蒸汽；鎢極端部假定為平面.在電弧數值分析過程需要涉及控制方程如下.

質量連續(xù)方程：

(1)

式中：ρ為密度，v為速度矢量.

能量守恒方程：

(2)

式中：h為熱焓；T為溫度，cp為比熱；k為熱導率；kb為波爾茲曼常數；e為電子電量；σe為電導率；SR為輻射熱損失.

(3)

(4)

(5)

式中：vx，vy，vz為速度分量；P為壓強；μ為粘度系數；jx，jy，jz為電流密度分量；Bx，By，Bz為磁場強度分量.

電流連續(xù)方程：

(6)

電流密度分量：

(7)

磁場分量：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：φ為電勢；Ax、Ay、Az分別為x、y、z3個方向上的磁矢量分量；μ0為真空磁導率.

2.2 網格劃分與邊界條件

圖2給出了計算區(qū)域示意圖.為了簡化模型，電極端部電流密度采用平均分布模型：

拋填片石、黏土比例一般按1：1，片石強度要求≥30MPa，尺寸約15～25cm。黏土需具有較好的黏性，一般采用將黏土潤濕捏成黏土球，直徑約10～15cm，或者采用拋填袋裝黏土方式，效果強于將黏土散投入孔。對于埋深較深或洞高較大的溶洞，為加強填充圓臺的穩(wěn)固性能，可摻入適當PO32.5級水泥，水泥用量占黏土的1/3左右，水泥采用袋裝拋填方式較好。也可采用在拋填片石黏土中摻入稻草、麻繩的方式，稻草、麻繩能起到加筋效果，能有效提高片石、黏土圓臺的穩(wěn)固性能。

(12)

式中：I為焊接電流，Rw為電極半徑，具體邊界條件見表1.

圖2 計算區(qū)域示意圖

表1 電弧模型邊界條件

計算過程中，混合等離子體物性參數見文獻[11-12].為了提高計算效率，對幾何模型進行非均勻網格劃分，見圖3和圖4；最小網格尺寸為0.02 mm；同時，采用非均勻時間步長，最小時間步長為10-4s.

圖3 幾何模型

圖4 網格劃分

3 結果討論

圖5為接頭夾角為60°、90°、120°時電弧縱截面溫度場分布云圖.由圖5可以看出，在不同接頭夾角條件下，由于電極傾斜，電弧熱場均呈非對稱分布.但是當接頭夾角由60°增至90°時，工件表面附近區(qū)域電弧形態(tài)發(fā)生明顯變化；電極軸線前側電弧分布區(qū)域有所增大，而其后側電弧中心收縮，電弧中心軸線逐漸與電極軸線一致；同時電極端部電弧高溫區(qū)域有所增加，電弧最高溫度也有所提升，由20 327 K變?yōu)?1 278 K.這一現(xiàn)象表明，在文中研究條件下，夾角主要對電極軸線前側電弧具有空間約束作用.當夾角較小時，電極與工件表面距離相對較近，受最小電壓原理影響，弧長相對較小，軸線相對偏離電極軸線，導致高溫區(qū)較小；同時降低了弧壓(下文詳細介紹)和峰值溫度較小.

圖5 電弧中心縱截面溫度分布云圖

圖6為接頭夾角為60°，90°，120°時電弧橫斷面溫度場計算結果.可以看出，接頭夾角對電弧斷面熱場分布特征影響更為明顯.當夾角為60°時，接頭對電弧拘束作用較大.電極端部與兩工件結合線(接頭底部)距離明顯較其至工件表面大；如上所述，由于電弧會選擇相對較短的路徑進行導電，故電極端部附近高溫區(qū)域相對較小，同時工件結合線附近區(qū)域溫度相對較低；隨著夾角的增大，工件在電弧橫向約束減小，與接頭底部相比，電弧至工件表面距離相對增大，故電弧挺度增加，中心軸線及接頭底部附近高溫區(qū)域增大.

圖6 沿焊絲軸線方向電弧橫斷面溫度分布云圖

圖7為不同接頭夾角條件下電弧流場計算結果.可見，電弧等離子體基本流態(tài)相似；高速等離子體沖擊熔池表面后，分布向中心軸線前后轉向；其最大流速出現(xiàn)于電極端部附近區(qū)域.與電弧中心軸線高溫區(qū)域特征相似，當接頭夾角由60°增大至120°時，電弧等離子體高速流動區(qū)域同樣增大；同時，其最大流速也有所提高，由319 m/s變?yōu)?67 m/s，電弧挺度也隨著增加.這一現(xiàn)象同樣是由于在大接頭夾角條件下，電弧至工件表面的最小距離增大，一定程度上提高了電弧電壓，從而導致軸向電磁力增大所致.

圖7 不同角度下GMAW電弧速度分布云圖

圖8為不同接頭夾角條件下電弧等離子體壓力分布云圖.對于電弧，其內部壓力及對工件表面壓力均與其等離子流速相關，故其壓力分布特征與其流場特征相近.可以看出，壓力峰值出現(xiàn)于電極端部附近區(qū)域；對于3種接頭夾角，其最大壓力值分別為1 098、1 129和1 307 Pa，高壓力區(qū)域隨著接頭夾角的增加而有所增大.但由圖8還可看出，當接頭夾角為60°時，在工件表面附近應力峰值明顯高于后兩者.

圖8 電弧壓力分布云圖

圖9 不同角度下工件表面壓強分布

圖10為不同條件下電弧電勢分布云圖.可知，隨著接頭夾角的增大，電極附近高電勢區(qū)域增加，電勢峰值也有所提高；接頭角度為60°、90°和120°時，其電勢峰值分別為7.9、8.5和9.1 V；如上文所述，這一現(xiàn)象與大接頭夾角時，電極端部至工件表面最小距離增大導致弧柱長度增加有關；同時也進一步解釋了上述電弧物理特征分布規(guī)律.這里需要指出，上述相關規(guī)律和特征同時與電極傾斜角度有關，并受電極端部幾何特征一定程度影響；更為深入、全面復雜接頭電弧物理特征及模型優(yōu)化將在后續(xù)工作中開展.

圖10 電弧電勢分布云圖

圖11為電弧橫斷面形態(tài)的檢測結果.可見，電弧均呈鐘罩形分布；接頭夾角對電弧形態(tài)橫向約束明顯.通過對比形態(tài)基本特征及變化規(guī)律這與計算結果一致，從而證明模型的合理性和適用性.

圖11 電弧橫截面形態(tài)檢測結果

4 結論

(1) 綜合考慮接頭夾角影響，建立了傾斜電極條件下角接頭TIG焊電弧非對稱三維數值分析模型，模擬計算了不同接頭夾角條件下電弧等離子體的熱場、流場、壓力場及電勢分布；分析了接頭夾角對其影響，并與比實驗檢測結果進行了對比驗證.

(2) 在電極位置及其他工藝參數不變條件下，接頭夾角對電弧橫截面形態(tài)影響相對較大；在較小接頭夾角條件下，電弧等離子體峰值溫度及高溫區(qū)域有所減小，弧柱電勢相對較低，同時，等離子體峰值流速也相對較小，但受接頭約束影響，工件表面附近壓力峰值較大.