張瑞華，李 明，栗海霞，王 榮，冷小冰

(1.蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；2.蘇州工業(yè)園區(qū)華焊科技有限公司，江蘇蘇州215021；3.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528404)

等離子焊槍氣體保護(hù)效果數(shù)值模擬

張瑞華1，李 明1，栗海霞1，王 榮2，冷小冰3

(1.蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；2.蘇州工業(yè)園區(qū)華焊科技有限公司，江蘇蘇州215021；3.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528404)

針對三種不同結(jié)構(gòu)等離子焊槍，用數(shù)值模擬方法解釋保護(hù)氣體流動造成焊接過程不穩(wěn)定的原因，為等離子焊接工藝確定和焊槍的設(shè)計提供了理論依據(jù)。在PHOENICS軟件中建立等離子焊接保護(hù)氣體流動的三維數(shù)學(xué)模型，在未考慮焊接溫度場對保護(hù)氣體流動影響的基礎(chǔ)上，模擬氣體流量、噴嘴與工件的距離、保護(hù)氣罩的位置、噴嘴結(jié)構(gòu)等參數(shù)對流場的影響，得到了速度場的分布。

等離子槍；保護(hù)氣體；流場；數(shù)值模擬

0 前言

等離子弧焊PAW(Plasma Arc Welding)具有能量高度集中、電弧力強(qiáng)的特點，能直接穿透被焊工件，實現(xiàn)單面焊雙面成形，焊縫深寬比大，焊接質(zhì)量好，在造船、航空航天等眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3]。氣體保護(hù)效果的好壞對等離子焊接質(zhì)量有著十分重要的影響，等離子焊槍噴嘴和保護(hù)氣罩的結(jié)構(gòu)是影響保護(hù)氣體流動狀態(tài)的重要因素。受等離子弧極端溫度條件的限制，采用實驗方法研究氣體保護(hù)效果較為困難。目前，國內(nèi)對等離子焊槍結(jié)構(gòu)的設(shè)計還停留在模仿或經(jīng)驗設(shè)計階段，在相關(guān)的理論研究和工程實踐上與發(fā)達(dá)國家有一定差距[4]。數(shù)值模擬技術(shù)為焊槍結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一個新的途徑，計算結(jié)果可為焊槍的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)。本研究采用數(shù)值模擬的方法，模擬了氣體流量、等離子焊槍噴嘴和保護(hù)氣罩結(jié)構(gòu)等參數(shù)對保護(hù)氣體流場的影響。

1 數(shù)學(xué)模型

選取三種不同結(jié)構(gòu)形式的焊槍模擬氣體的流場，對比不同結(jié)構(gòu)對保護(hù)效果的影響，物理模型根據(jù)實際焊槍建立。沿焊槍A、B、C軸向的剖面圖如圖1～圖3所示，焊槍C送絲口如圖4所示。假設(shè)流體均為層流且不可壓縮，不考慮電弧溫度場對氣體流動的影響。

圖1 等離子槍A噴嘴剖面圖

圖2 等離子槍B噴嘴剖面圖

圖3 等離子槍C噴嘴剖面圖

圖4 等離子焊槍C中的送絲口

1.1 控制方程

等離子焊接保護(hù)氣體流動的數(shù)學(xué)模型可以表示為如下形式[5]：

連續(xù)性方程

動量方程

式中 u，v，w分別為x，y，z三個方向的速度；ρ為密度；t為時間；P為壓力；Sx，Sy，Sz為動量方程在三個方向上的源項。

1.2 網(wǎng)格剖分與模擬的實現(xiàn)

計算軟件為PHOENICS。焊槍A、B、C噴嘴總體尺寸分別為38 mm×22 mm×38 mm、43 mm×21.6 mm× 43 mm、20 mm×43 mm×43 mm，計算域采用均分網(wǎng)格，劃分為76×64×76、86×64×86、60×86×86。在PHOENICS前處理系統(tǒng)中建立物理模型，在Q1中初始化各個參數(shù)和邊界條件，通過Earth調(diào)用，完成流場的計算。

2 計算結(jié)果和分析

影響等離子焊接氣體保護(hù)效果的主要因素有：氣體流量、噴嘴與工件之間的距離、噴嘴氣路結(jié)構(gòu)等。保護(hù)氣和離子氣流量為QS、QP，噴嘴與工件的距離為h。

2.1 氣體流量對流場的影響

不考慮電弧溫度影響，模擬條件為：QS＝4～14L／min，QP＝1.5 L／min，h＝10 mm。焊槍A在QS＝8 L／min時的流場如圖5所示。離子氣在增壓室內(nèi)鎢極兩側(cè)形成反方向的渦流，流出噴嘴后以層流的形式垂直流動，射流到工件表面后受到阻礙，流動方向逆轉(zhuǎn)，在離子氣柱兩側(cè)形成渦流，部分氣體脫離渦流逆流向上，到達(dá)噴嘴端面后受到阻礙而流向兩側(cè)，一部分進(jìn)入離子氣，另一部分進(jìn)入保護(hù)氣。保護(hù)氣從保護(hù)罩流出時與焊槍軸線保持一定的夾角，進(jìn)入噴嘴與工件之間的空間后，在壓力場作用下逐漸偏轉(zhuǎn)，到達(dá)工件后受到阻礙，方向明顯偏轉(zhuǎn)，沿工件表面前進(jìn)，同時在保護(hù)層外圍形成渦流，渦流外圍保護(hù)氣與空氣混合后很少的一部分從保護(hù)氣出口處卷入保護(hù)氣，可能會造成一定的焊接缺陷。此外，保護(hù)層較弱時渦流可能會對保護(hù)效果造成一定的影響。

圖5 保護(hù)氣流量8 L／min的流場

保護(hù)氣流量變化時，熔池正上方速度v沿x方向的變化如圖6所示。噴嘴中心位于x＝0.019處，由圖可見隨著保護(hù)氣流量的增加，熔池兩側(cè)保護(hù)氣的速度發(fā)生明顯變化，氣流挺度增強(qiáng)。氣流挺度與射流區(qū)的長度有關(guān)，射流區(qū)越長，挺度越好，保護(hù)效果也就越好。圖6中，離子氣兩側(cè)波峰為紊流，隨著保護(hù)氣流量的增大，保護(hù)氣與離子氣之間紊流速度也增加，紊流越強(qiáng)對焊接過程穩(wěn)定性的影響越明顯。以上分析也反映了等離子焊接規(guī)范區(qū)間窄的原因。

離子氣與保護(hù)氣流量比例(QP∶QS)不同時的紊流場狀態(tài)如圖7所示。QP∶QS＝1∶6時，紊流場狀態(tài)與圖5相似；QP∶QS＝1∶8時，渦流范圍明顯減小，離子氣柱下端略有收縮；QP∶QS＝1∶10時，只有少部分離子氣能夠到達(dá)工件表面，大部分離子氣混入逆流而進(jìn)入保護(hù)氣，在這種情況下，焊接過程可能會很不穩(wěn)定。因此合理選擇離子氣與保護(hù)氣的流量比例才能起到較好的保護(hù)效果。

圖6 保護(hù)氣流量變化對流場的影響

2.2 噴嘴與工件的距離對流場的影響

不考慮電弧溫度的影響，模擬條件為：Qs＝8L／min，QP＝1.5 L／min，h＝3～10 mm。噴嘴與工件的距離h變化時，熔池正上方1 mm處速度v沿x方向的變化如圖8所示。h＝3～7 mm時，紊流場速度增加不明顯；h＝10 mm時，紊流場的速度明顯減弱。隨著h的增加，保護(hù)氣和離子氣的速度越來越小，兩種氣體的挺度下降，挺度的大小決定了保護(hù)效果的好壞。因此，在一定范圍內(nèi)，h越小保護(hù)效果越好。

2.3 保護(hù)氣罩位置對流場的影響

圖7 離子氣與保護(hù)氣流量比例(QP∶QS)變化對紊流場的影響

不考慮電弧溫度的影響，模擬條件為：QS＝8L／min，QP＝1.5 L／min，h＝10 mm。保護(hù)氣罩與噴嘴的距離為L (L為負(fù)，說明氣罩最底端位于噴嘴下方)，保護(hù)氣罩位置變化對流場的影響如圖9所示。在相同的進(jìn)氣條件下，隨著保護(hù)氣罩位置的降低，保護(hù)氣的出口位置和出口形狀發(fā)生變化，保護(hù)氣速度下降，挺度下降；同時，紊流場速度也明顯下降。綜合考慮保護(hù)層的挺度和紊流場的速度，保護(hù)氣罩有一個最佳的位置，模擬方法可以給出這個最佳位置。

圖8 噴嘴與工件距離的變化對流場的影響

圖9 保護(hù)氣罩位置變化對流場的影響

2.4 三種焊槍結(jié)構(gòu)的流場對比

三把焊槍噴嘴孔徑分別為RA＝1.15mm、RB＝1.2mm、RC＝1.4mm。不考慮電弧溫度的影響，模擬條件為：Qs＝8 L／min、QP＝1.5 L／min、h＝10 mm。三把焊槍流場速度v沿軸向的變化如圖6、圖10、圖11所示。

A、B、C焊槍xy面流場分別如圖5、圖12、圖13所示。A焊槍保護(hù)氣最大速度出現(xiàn)在其出口處且速度矢量方向變化較明顯，保護(hù)氣外側(cè)渦流會將空氣卷入保護(hù)層。B焊槍保護(hù)氣流動較平穩(wěn)，噴嘴位置以下保護(hù)氣均以豎直方向的層流為主，保護(hù)效果好。由于鎢極位置相對靠下，離子氣出口面積相對減少，從而增強(qiáng)了對離子氣的壓縮作用，離子氣挺度較高。C槍y方向的流場出現(xiàn)了嚴(yán)重的不對稱(見圖11、圖13)。離子氣挺度不足而無法射流到工件表面(見圖14)，且在保護(hù)氣的作用下發(fā)生偏移，偏向焊絲一側(cè)。

圖10 B焊槍x方向速度v的變化

圖11 C焊槍x方向速度v的變化

氣路結(jié)構(gòu)上的不同造成了三把槍流場形態(tài)的不同。A槍進(jìn)氣口面積與出氣口面積相差較大，從氣罩流出后的壓力與外界壓力相差較大。B焊槍氣路較為平滑，保護(hù)氣在進(jìn)入噴嘴與工件之間的空間之前經(jīng)過一個過渡區(qū)，而使其與外界壓力相差較小。C焊槍由于噴嘴孔徑較大，離子氣射流壓力相對較小，挺度不足。送絲口的存在造成了保護(hù)氣局部壓力不平衡，使得xy面的流場出現(xiàn)了不平衡。焊槍結(jié)構(gòu)決定了三種焊槍在焊接過程中始終存在紊流，增加C焊槍離子氣流量使其能夠射流到工件表面同樣會出現(xiàn)類似A、B焊槍的紊流場。

3 結(jié)論

針對三種不同的等離子焊槍結(jié)構(gòu)建立了物理模型，未考慮電弧溫度場對保護(hù)效果的影響，建立等離子焊接保護(hù)氣流場的三維數(shù)學(xué)模型。分別模擬保護(hù)氣體流量、離子氣與保護(hù)氣比例、噴嘴與工件距離、保護(hù)氣罩位置和噴嘴結(jié)構(gòu)對于流場的影響。結(jié)論如下：

圖12 B焊槍xy面的流場

圖13 C焊槍xy面流場

圖14 C焊槍xz面流場

(1)隨著保護(hù)氣流的增加，保護(hù)層挺度明顯增加，但同時紊流場的速度也增加，保護(hù)氣流量過小容易導(dǎo)致保護(hù)不足。

(2)離子氣與保護(hù)氣的比例(QP∶QS)對紊流場的速度影響明顯，比例越小紊流場的速度越大。比例過小會降低離子氣的挺度。

(3)噴嘴與工件之間的距離越小，保護(hù)氣射流區(qū)與工件之間的距離越小，保護(hù)效果越好。

(4)降低保護(hù)氣罩的位置可以減小紊流場的速度，但紊流是不可避免的。焊槍的氣路結(jié)構(gòu)決定了氣體的流動狀態(tài)，從而決定了保護(hù)效果的優(yōu)劣。

[1]殷鳳良，胡繩蓀，鄭振太，等.等離子弧焊電弧的數(shù)值模擬[J].焊接學(xué)報，2006，27(8)：51-54.

[2]殷鳳良，胡繩蓀，高忠林，等.等離子體電弧數(shù)值模擬的研究進(jìn)展[J].兵器材料科學(xué)與工程，2007，30(6)：59-63.

[3]王懷剛，武傳松，張明賢.小孔等離子弧焊接熱場的有限元分析[J].焊接學(xué)報，2005，26(7)：49-53.

[4]張義順，董曉強(qiáng)，李德元.等離子槍體內(nèi)部流場及溫升的模擬分析[J].焊接學(xué)報，2005，26(9)：77-80.

[5]武傳松.焊接熱過程數(shù)值分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1990.

Numerical simulation of protective effect of plasma welding torch

ZHANG Rui-hua1，LI Ming1，LI Hai-xia1，WANG Rong2，LENG Xiao-bing3
(1.State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.Suzhou Ahand Ltd.，Suzhou 215021，China；3.Zhongshan Polytechnic，Zhongshan 528404，China)

Aiming to three plasma welding torch with different structure，the reason of making the welding process unstable is explained by the method of numerical simulation.And the result provided theoretical basis for the determination of welding parameters and the design of welding torch.Three-dimensional mathematical model of the flow of shielding gas was established with PHOENICS software.The influence of the value of gas simulation，distance between the torch and workpiece，location of shielded deflector and structure of the nozzle on the flow field was simulated and got the distribution of velocity field without considering the influence of the temperature field.The character of three torches was analysed.

plasma welding torch；shield gas；flow field；numerical simulation

TG431

A

1001-2303(2012)04-0008-05

2011-01-07

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研資助項目(2009B090300250)；蘭州理工大學(xué)博士基金資助項目

張瑞華(1970—)，男，甘肅景泰人，研究員，博士，主要從事活性焊接、焊接過程數(shù)值模擬和激光加工等研究工作。