Ar-Fe混合气氛下电弧等离子体数值模拟

任思蒙，李志勇，薛铜辉，宋承胜

（中北大学材料科学与工程学院，山西太原030051）

Ar-Fe混合气氛下电弧等离子体数值模拟

任思蒙，李志勇，薛铜辉，宋承胜

（中北大学材料科学与工程学院，山西太原030051）

采用传统焊接方法，保护气体中通常会混入金属蒸汽进而影响焊接过程，应用ANSYS软件对考虑铁蒸汽气氛下焊接电弧进行数值模拟。通过前处理、加载、求解、后处理模拟出Ar-Fe不同比例下电弧温度场的分布。通过比较几种不同比例下的焊接电弧温度场发现，随着铁蒸汽的增大，电弧等离子体的温度明显下降；铁蒸汽达到一定比例，电弧呈收缩态。相比纯氩气，考虑了铁蒸汽的等离子体的热力学参数和输运参数等因素的不同是造成以上差异的主要原因。

数值模拟；温度场；等离子体；铁蒸汽

0 前言

近年来，焊接技术迅速发展，其过程也越来越复杂，在采用试验手段研究焊接过程时，很难对其机理进行完整说明。随着计算机模拟技术的发展和推广，数值模拟已经成为一种科学研究手段，这种研究方法也为探究焊接物理过程提供了方便。

焊接过程中都会产生金属蒸汽。金属蒸汽可改变电弧等离子体的电导率等物性参数，进而改变热量、电流和弧形的分布，影响焊接过程，目前国内对考虑金属蒸汽气氛的焊接电弧模拟研究还很少。A. B.Murphy[1]在考虑有金属蒸汽的情况下，运用CFX流体软件模拟出考虑金属蒸汽下的电弧温度场、金属蒸汽的质量分布场以及等离子体的流速场。Iwao等人[2]建立二维TIG焊电弧的自洽模型，研究发现铁蒸汽浓度分布受脉冲电流波形的影响。M.Schnick等人的[3]研究表明考虑金属蒸汽下的GMAW焊接电弧温度场要比不考虑金属蒸汽时的温度低一些。H.Terasaki等人[4]的研究表明电弧等离子体中出现的金属蒸汽会影响电弧的热力学性能，明显降低等离子体中的电子温度。

本研究利用大型有限元分析软件ANSYS，在考虑铁蒸汽气氛下，得出焊接电弧温度场的模拟结果，并对比分析不同比例Ar-Fe蒸汽混合气氛下的电弧。

1 数值模拟

1.1 基本假设[5-6]

（1）电弧等离子体处于局部热力学平衡状态（LTE）；（2）电弧等离子体是光学薄的，即辐射的重吸收和总的辐射损失相比可以忽略不计；（3）电弧为稳定、连续和对称的，电弧的流动处于层流状态；（4）电弧等离子体的密度、比热、粘性、导热率和导电率等物理参数都仅为温度的函数；（5）对于粘性效应产生的热量损失忽略不计。

1.2 控制方程

在电弧等离子体计算过程中需要采用质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程三大守恒方程，同时还需要建立麦克斯韦电磁方程[7]联立求解。

（1）质量守恒方程。

（2）动量守恒方程。

轴向动量方程

径向动量方程

（3）能量守恒方程。

式中vz和vr为轴向和径向速度；ρ为密度；P为压力；μ为黏度；k为热导率；cp为定压比热容；jz和jr分别为轴向和径向的电流密度；Bθ为切向磁感应强度；e为电子电量；▽h为热焓；Ur为辐射散热。

（4）麦克斯韦方程组。

电流连续方程

式中Ф为电势；μ0为真空磁导率；σ为导电率。

1.3 物性参数

纯氩气氛、90％氩与10％铁蒸汽混合气氛、50％氩与50％铁蒸汽混合气氛下等离子体的电导率和热导率的曲线如图1所示。假设在Ar-Fe蒸汽比例确定的前提下，电弧等离子体的热力学参数仅由温度决定[8-9]。

图1 不同比例下Ar-Fe等离子体的电导率和热导率Fig.1 Dependence of electrical conductivity and thermal conductivity on temperature

1.4 计算域和边界条件

采用非熔化极气体保护焊计算模型，电弧数值模拟的计算区域如图2所示。GF和FE分别为进气口和出气口，进气口的速度vgas为10 m/s。钨极角度60°，焊接电流100 A。

图2 电弧计算区域Fig.2 Computational domains for welding arc

基于以上电弧模型的设定，设置边界条件如表1所示。

表1 边界条件Tab.1Boundary condition

1.5 求解思路

采用物理环境间接耦合法来处理电场、磁场和流场三场间问题。先给定电弧区域一个初始温度，得出电流密度分布；将电场中的电流密度分布作为载荷耦合到磁场中，计算出电磁力和焦耳热的分布；再将磁场分析出的电磁力和焦耳热作为体积力和体积热耦合到流场中，从而计算出流场的温度分布；最后将流场模拟出的温度分布耦合到电场中，再次计算电流密度分布，这样就形成了电、磁、流场的耦合计算，将这一过程循环直至收敛。

2 铁蒸汽气氛下的模拟结果

根据等离子体的热力学参数可知，当温度较低时，电弧等离子体的电导率很小，为了保证电弧弧柱区的导电性，在初始化时，给定等离子的初始温度为10 000 K。

2.1 不同组分铁蒸汽对电弧温度的影响

纯氩气和铁蒸汽比例为10％和50％的电弧温度场分布结果如图3所示。经分析可知，焊接过程中，弧柱区的电弧等离子体会受到电磁力的作用，电流由阳极流向阴极，由左手定则可以判断出电磁力是向下、向内的，所以等离子体的运动方向也是向下、向内。由于电磁力在阴极表面附近达到最大值，所以等离子体的流速在此处也有最大值，当等离子体受电磁力继续向下运动到达阳极表面时，被阳极铜冷极冷却，其流速迅速下降并受到铜冷极的阻碍作用，等离子体向外流动，这样就形成了呈钟罩型分布的温度场，如图3a所示。

图3 不同Ar-Fe蒸汽混合气氛的电弧温度分布Fig.3 Temperature distribution of different argon-iron vapour mixtures

对比图3可知，近阴极表面附近温度最高，但随着铁蒸汽含量的增加，电弧等离子体的温度明显下降，当铁蒸汽含量达到50％时，纯氩气下的阴极附近最高温度由26 047 K下降到16 658 K。这是因为：一方面固态铁发生相变需要大量能量，这些能量来源于周围等离子体的热量，导致弧柱区温度降低；另一方面来自电极的焊丝、熔滴以及熔池中的铁蒸汽温度比等离子体的温度低得多，当这些铁蒸汽进入高温等离子体时也会大量吸收附近等离子体的热量，并随着铁蒸汽含量的增大，吸收热量也越来越多，使得等离子体的温度持续降低。

2.2 不同组分铁蒸汽对电弧形态的影响

观察图3可以发现，电弧形态发生了很大变化，随着铁蒸汽的进入，电弧形态开始收缩，当铁蒸汽含量达到50％时，电弧形态已经显现出压缩电弧的形态。这主要由两方面因素引起：（1）随着铁蒸汽含量的增加，需要不断吸收电弧的热量，即电弧的热损失越来越大，而由最小电压原理可知，在电流和周围条件一定的情况下，稳定燃烧的电弧将自动选择一适当截面，以保证电弧的电场强度具有最小的数值，即在固定弧长上的电压最小。在这种情况下，电弧会自动缩小其断面积，以减小能量损耗。（2）考虑到铁蒸汽下的等离子体和纯氩气下的等离子体的物性参数不同，由图1可知，尤其在温度超过5 000 K以后，热导率和电导率都发生了改变，这也促使了电弧收缩。

图4为实际拍摄到的考虑金属蒸汽气氛下的电弧形态[10]，可以看出电弧形态略有收缩，对比图3c可知，模拟结果与实际拍摄照片的电弧形态一致，都呈压缩电弧的形态，定性验证了模拟结果的准确性。

图4 考虑金属蒸汽气氛下的电弧形态[10]Fig.4 Shape of the arc taking into account metal vapour

3 结论

（1）利用有限元分析软件ANSYS对考虑铁蒸汽下的电弧等离子进行了数值模拟，结果发现电弧总体温度下降，且随着铁蒸汽比例的增大，温度下降更为明显。

（2）电弧形态呈收缩态，与实际拍摄到的考虑金属蒸汽气氛下的电弧形态一致，定性验证了模拟结果的准确性。

[1]Murphy A B.The effects of metal vapour in arc welding[J]. Journal of Physics D：Applied Physics，2010，43（43）：2460-2468.

[2]Iwao T，Mori Y，Okubo M，et al.Modelling of metal vapor in pulsed TIG including influence of self-absorption[J]. Journal of Physics D：Applied Physics，2010，43（43）：2460-2468.

[3]Schnick M，Fuessel U，Hertel M，et al.Modelling of gasmetal arc welding taking into account metal vapour[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2010，43（43）：434008.

[4]Terasaki H，Tanaka M，Ushio M.Effects of metal vapor on electron temperature in helium gas tungsten arcs[J].Metallurgical and Materials Transactions A，2002，33（4）：1183-1188.

[5]Authony B，Manabu Tanaka，Kentaro Yamamoto.Modeling of arc welding：The importance of including the arc plasma in the computational domain[J].Computational Materials Science，1997，5（7）：308-314.

[6]WU C S，Ushio M，Tanaka M.Analysis of the GTAW welding arc havior[J].Computational Materials Science，1997，7（3）：308-314.

[7]Bini R，Monno M，Boulos M I.Effect of cathode nozzle geometry and process parameters on the energy distribution for an argon transferred arc[J].Plasma Chemistry and Plasma Processing，2007，27（4）：359-380.

[8]Murphy A B，Tanaka M，Yamamoto K，et al.Modelling of thermal plasmas for arc welding：the role of the shielding gas properties and of metal vapour[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2009，42（19）：194006.

[9]陈熙.热等离子体传热与流动[M].北京：科学技术出版社，2009.

[10]Murphy A B.The effects of metal vapour in arc welding[J]. Journal of Physics D：Applied Physics，2010，43（43）：2460-2468.

Numerical analysis of arc plasma with mixed atmosphere of Ar-Fe

REN Simeng，LI Zhiyong，XUE Tonghui
（Department of Materials Science and Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

When using traditional welding methods，protective gas commonly mixed with metal vapor which affected the welding process.The software of ANSYS was used to simulate the welding arc of considering iron steam.By pre-processing，loading，solution，aftertreatment，the arc temperature fields with different proportions of iron steam was simulated.Through a comparative analysis mainly on temperature fields，it can find out that the arc plasma temperature decrease obviously with the increase of iron vapor，arc shape will become shrinking when the iron vapor reaches a certain proportion.The results are explained that the difference of the thermodynamic and transport properties of the plasma which consider the iron vapor.

numerical simulation；temperature fields；plasma；iron vapor

TG403

A

1001－2303（2016）12－0041-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.09

献

任思蒙，李志勇，薛铜辉，等.Ar-Fe混合气氛下电弧等离子体数值模拟[J].电焊机，2016，46（12）：41-44.

2016-06-16

山西省重点研发计划工业项目（2016-2-1）；山西省自然科学基金（2012011021-1）；山西省回国留学人员科研基金资助项目（2013-07）

任思蒙（1991—），男，河北唐山人，硕士，主要从事焊接电弧数值模拟方面的研究工作。