蘇 娜，龔祺龍，李 林，王學(xué)禮，王加友，朱 杰，胥國(guó)祥

(江蘇科技大學(xué) 江蘇省先進(jìn)焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guān)，決定了焊接物理過程的產(chǎn)生與演變.較于簡(jiǎn)單接頭，角接頭、窄間隙焊[1]等幾何特征復(fù)雜，對(duì)電弧約束影響較大，同時(shí)，電極也常處于傾斜或擺動(dòng)狀態(tài)，故電弧動(dòng)態(tài)行為更為復(fù)雜.然而受到弧光、設(shè)備條件和電磁干擾等因素的影響，采用實(shí)驗(yàn)方式直接對(duì)電弧進(jìn)行觀測(cè)非常困難.因此，通過數(shù)值模擬方法研究角接頭焊接電弧物理特性和動(dòng)態(tài)行為，有助于全面理解焊接物理機(jī)制，繼而提高焊接質(zhì)量的可靠性，具有重要的學(xué)術(shù)和工程價(jià)值.

目前學(xué)者已對(duì)電弧焊開展了大量數(shù)值模擬研究，但主要集中于焊接溫度場(chǎng)[2]、熔池流體流動(dòng)[3-4]等方面；針對(duì)電弧物理特性的研究相對(duì)較少，且主要局限于堆焊等簡(jiǎn)單接頭.文獻(xiàn)[5]研究發(fā)現(xiàn)金屬蒸氣會(huì)使弧柱內(nèi)的電弧溫度大大降低，造成電弧電壓增加.文獻(xiàn)[6]通過建立電弧數(shù)值分析模型，研究二維平板對(duì)接焊接過程電弧行為.文獻(xiàn)[7-8]基于數(shù)值分析結(jié)果證實(shí)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(guān)性.文獻(xiàn)[9]則對(duì)雙電極TIG焊電弧及熔池物理過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了電弧與熔池之間的相關(guān)影響，但其模型仍僅限于堆焊過程.

文獻(xiàn)[10]同樣建立僅限于簡(jiǎn)單接頭電弧數(shù)值模擬.可見，目前針對(duì)應(yīng)用最為廣泛的復(fù)雜接頭，仍然缺乏電弧物理特性及動(dòng)態(tài)行為的研究.

文中綜合考慮接頭夾角對(duì)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(duì)稱數(shù)值分析模型，研究了電弧焊電弧物理特性和動(dòng)態(tài)行為特征，對(duì)于深入理解T型接頭、窄間隙焊等復(fù)雜接頭電弧物理特性、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和提高焊接過程穩(wěn)定性具有重要意義.

1 實(shí)驗(yàn)

圖1為角接頭TIG焊接示意.母材為Q235低碳鋼板；焊機(jī)為Frounius 數(shù)字化TIG焊機(jī).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(hù)氣體為純Ar.為了對(duì)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(shù)值分析模型

2.1 基本假設(shè)與控制方程

由于電弧物理過程十分復(fù)雜，為了提高計(jì)算效率，將研究重點(diǎn)放在焊接接頭對(duì)電弧物理特性影響，需對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)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(xué)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(xué)薄性質(zhì)；忽略熔池表面產(chǎn)生的金屬蒸汽；鎢極端部假定為平面.在電弧數(shù)值分析過程需要涉及控制方程如下.

質(zhì)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(dǎo)率；kb為波爾茲曼常數(shù)；e為電子電量；σe為電導(dǎo)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(qiáng)；μ為粘度系數(shù)；jx，jy，jz為電流密度分量；Bx，By，Bz為磁場(chǎng)強(qiáng)度分量.

電流連續(xù)方程：

(6)

電流密度分量：

(7)

磁場(chǎng)分量：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：φ為電勢(shì)；Ax、Ay、Az分別為x、y、z3個(gè)方向上的磁矢量分量；μ0為真空磁導(dǎo)率.

2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

圖2給出了計(jì)算區(qū)域示意圖.為了簡(jiǎn)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(qiáng)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(rùn)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(qiáng)于將黏土散投入孔。對(duì)于埋深較深或洞高較大的溶洞，為加強(qiáng)填充圓臺(tái)的穩(wěn)固性能，可摻入適當(dāng)PO32.5級(jí)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(tái)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(jì)算區(qū)域示意圖

表1 電弧模型邊界條件

計(jì)算過程中，混合等離子體物性參數(shù)見文獻(xiàn)[11-12].為了提高計(jì)算效率，對(duì)幾何模型進(jìn)行非均勻網(wǎng)格劃分，見圖3和圖4；最小網(wǎng)格尺寸為0.02 mm；同時(shí)，采用非均勻時(shí)間步長(zhǎng)，最小時(shí)間步長(zhǎng)為10-4s.

圖3 幾何模型

圖4 網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果討論

圖5為接頭夾角為60°、90°、120°時(shí)電弧縱截面溫度場(chǎng)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(chǎng)均呈非對(duì)稱分布.但是當(dāng)接頭夾角由60°增至90°時(shí)，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(cè)電弧分布區(qū)域有所增大，而其后側(cè)電弧中心收縮，電弧中心軸線逐漸與電極軸線一致；同時(shí)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(duì)電極軸線前側(cè)電弧具有空間約束作用.當(dāng)夾角較小時(shí)，電極與工件表面距離相對(duì)較近，受最小電壓原理影響，弧長(zhǎng)相對(duì)較小，軸線相對(duì)偏離電極軸線，導(dǎo)致高溫區(qū)較??；同時(shí)降低了弧壓(下文詳細(xì)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(shí)電弧橫斷面溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果.可以看出，接頭夾角對(duì)電弧斷面熱場(chǎng)分布特征影響更為明顯.當(dāng)夾角為60°時(shí)，接頭對(duì)電弧拘束作用較大.電極端部與兩工件結(jié)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(huì)選擇相對(duì)較短的路徑進(jìn)行導(dǎo)電，故電極端部附近高溫區(qū)域相對(duì)較小，同時(shí)工件結(jié)合線附近區(qū)域溫度相對(duì)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(duì)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(chǎng)計(jì)算結(jié)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(zhuǎn)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(dāng)接頭夾角由60°增大至120°時(shí)，電弧等離子體高速流動(dòng)區(qū)域同樣增大；同時(shí)，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(dǎo)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(duì)于電弧，其內(nèi)部壓力及對(duì)工件表面壓力均與其等離子流速相關(guān)，故其壓力分布特征與其流場(chǎng)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(duì)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(dāng)接頭夾角為60°時(shí)，在工件表面附近應(yīng)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(qiáng)分布

圖10為不同條件下電弧電勢(shì)分布云圖.可知，隨著接頭夾角的增大，電極附近高電勢(shì)區(qū)域增加，電勢(shì)峰值也有所提高；接頭角度為60°、90°和120°時(shí)，其電勢(shì)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(shí)，電極端部至工件表面最小距離增大導(dǎo)致弧柱長(zhǎng)度增加有關(guān)；同時(shí)也進(jìn)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(guān)規(guī)律和特征同時(shí)與電極傾斜角度有關(guān)，并受電極端部幾何特征一定程度影響；更為深入、全面復(fù)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(shì)分布云圖

圖11為電弧橫斷面形態(tài)的檢測(cè)結(jié)果.可見，電弧均呈鐘罩形分布；接頭夾角對(duì)電弧形態(tài)橫向約束明顯.通過對(duì)比形態(tài)基本特征及變化規(guī)律這與計(jì)算結(jié)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(cè)結(jié)果

4 結(jié)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(duì)稱三維數(shù)值分析模型，模擬計(jì)算了不同接頭夾角條件下電弧等離子體的熱場(chǎng)、流場(chǎng)、壓力場(chǎng)及電勢(shì)分布；分析了接頭夾角對(duì)其影響，并與比實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證.

(2) 在電極位置及其他工藝參數(shù)不變條件下，接頭夾角對(duì)電弧橫截面形態(tài)影響相對(duì)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(shì)相對(duì)較低，同時(shí)，等離子體峰值流速也相對(duì)較小，但受接頭約束影響，工件表面附近壓力峰值較大.