復(fù)雜TIG電弧多物理聲全耦合數(shù)值分析.pdf

1、雙鎢極氬弧焊作為一種新型的高效焊接方法，克服了單鎢極氬弧焊本身所存在的熱輸入量小、熔敷效率低、焊接速度慢等諸多缺點(diǎn)，能夠在大電流下保持小的電弧壓力，避免了在增加熔敷率的同時(shí)，過(guò)大的電弧壓力所導(dǎo)致的熔穿及咬邊等焊接缺陷的產(chǎn)生。因此，雙鎢極氬弧焊在對(duì)焊接質(zhì)量以及焊接效率有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　在焊接過(guò)程中，采用兩種或兩種以上的混合氣體進(jìn)行保護(hù)，克服了單一氣體在作用過(guò)程中的局限性，充分發(fā)揮混合氣體中各個(gè)組分的優(yōu)勢(shì)，保證

2、了焊接質(zhì)量，提高了焊接效率，也使焊縫成形得到了改善。
　　本課題針對(duì)雙鎢極氬弧焊過(guò)程中的熱物理現(xiàn)象，以及雙層氣體保護(hù)下TIG電弧的各種行為進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究工作。
　　首先，根據(jù)連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程以及麥克斯韋方程，建立了雙TIG電弧全耦合求解條件下的三維穩(wěn)態(tài)模型，研究了其電弧所涉及的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)以及電磁場(chǎng)之間的耦合機(jī)理。在該模型的建立中，基于雙TIG實(shí)際焊接中所涉及的物理過(guò)程及電弧內(nèi)部多場(chǎng)耦合的原理

3、分別對(duì)其所涉及的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)及電磁場(chǎng)選定相對(duì)應(yīng)的控制方程，并根據(jù)實(shí)際情況為各個(gè)控制方程確定合適的邊界條件，建立雙TIG電弧的全耦合有限元模型，并根據(jù)大型有限元分析軟件COMSOLMultiphysics對(duì)其進(jìn)行求解，同時(shí)獲得了不同鎢極間距、不同弧長(zhǎng)條件下雙TIG全耦合電弧內(nèi)部溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、電磁場(chǎng)、電弧壓力、電流密度以及電磁力等分布特征，并對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明:a）對(duì)于單TIG電弧而言，在全耦合條件下，所得電弧溫度、電流密度

4、、等離子體速度的最大值都出現(xiàn)在陰極附近，并在靠近陽(yáng)極附近的過(guò)程中逐漸降低，且溫度場(chǎng)呈典型的鐘罩形，最高溫度接近20000K，與已有實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果吻合良好。d）在不對(duì)稱電流條件下，電弧的溫度場(chǎng)、電流密度、磁場(chǎng)線、電磁力貢獻(xiàn)、電弧壓力以及等離子體的速度場(chǎng)的分布不再呈現(xiàn)對(duì)稱分布，且偏向電流較大的一方，隨著電流差值越大，這種趨勢(shì)也會(huì)越大。e)與單TIG電弧相比，耦合電弧的最高溫度、等離子流速、電流密度以及電弧壓力等都明顯減小，且陽(yáng)極表面電弧壓力和

5、電流密度的分布不能再用高斯分布描述，電磁力在陰極附近的分布也有所差異。c）隨著鎢極間距的增大，兩束電弧的耦合程度越來(lái)越弱，當(dāng)鎢極間距增大到一定數(shù)值時(shí)，兩束電弧將解除耦合，成為兩束單獨(dú)的電弧。此外，隨著鎢極間距的增大，電弧的最高溫度、電流密度、等離子流速以及電弧壓力等均會(huì)先降低再增加，電弧壓力還會(huì)出現(xiàn)雙峰分布。d）在不同弧長(zhǎng)條件下，電弧的最高溫度、電流密度、等離子流速以及電磁力等雖有略微的增加，但對(duì)它們的影響不是很大。電弧的拉長(zhǎng)或縮短使得

6、電弧的形態(tài)分布更為集中或者擴(kuò)展，因而也影響了電弧壓力的分布，使其隨著電弧長(zhǎng)度的減小而有所增加。
　　其次，對(duì)于混合氣體的處理，采用了分層處理，即兩種不同種類的氣體不同于傳統(tǒng)均勻混合的處理方法，而是分成了兩層，里面一層充氬氣，外面一層充氦氣，以便研究氣體間的相互作用。在建立該模型的過(guò)程中，除了連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程以及麥克斯韋方程，還用到了擴(kuò)散傳質(zhì)方程。在對(duì)雙層氣體保護(hù)下的TIG電弧行為進(jìn)行求解計(jì)算時(shí)，得到的結(jié)果是: