保护气气路结构对TIG焊影响的数值仿真研究

黄自成 谢玉伦 袁钦 唐文俊 王宜飞

摘 要：基于区域热平衡状态假设和牛顿流体假设，建立TIG焊电弧三维数学模型，其中，焊枪保护气气路结构建立了两种数学模型结构形式：不同气筛孔数目及有喷嘴中无气路隔板。通过质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程及麦克斯韦方程组的耦合求解，得到不同气筛结构和有无隔板下TIG焊数值仿真研究结果。

关键词：气路结构;TIG焊;仿真研究

1 引言

钨极惰性气体保护焊（TIG焊）焊接过程稳定，成型良好，在工业生产中应用广泛。目前对TIG焊的研究已经有较为多的研究成果，但是TIG电弧属于高温等离子体，数学模型建立及实验研究都有很大的局限性。

本文针对TIG焊，采用CFD软件FLUENT6.3，使用用户自定义方程添加麦克斯韦方程组，使用用户自定义函数添加源项和边界条件，建立了考虑不同气路结构下，TIG焊电弧仿真三维数学模型。

2 数学模型

2.1 基本假设

为便于建立数学模型，作如下基本假设：（1）等离子体介质为连续、层流的Newtonian流体，电弧等离子处于稳态且满足局部热平衡假设;（2）电弧等离子满足光学薄性质;（3）不考虑阴极区和阳极区的复杂物理状态;（4）气枪内气体为层流、不可压缩Newton流体。

2.2 控制方程

根据上述基本假设，质量、动量和能量方程的通用控制方程为：

式（1）中：ρ为密度，t为时间，Φ为通用变量，可代表速度、温度等求解变量;v为速度矢量，Γ为广义扩散系数;S为广义源项，当这几个参数取不同的对应变量，就可以得到相应的守恒方程，方程的详细叙述见文献[1]，麦克斯韦方程组详见文献[2]。

2.3 边界条件

在本文中，使用的模型及边界条件，计算使用的等离子体的热物性参数参见文献[2]。

3 结果与分析

3.1 不同气筛数目下TIG焊保护气流场计算

随着气筛中气孔数目的增加，气孔的流量变小，TIG焊枪中的气体均匀性随着气孔数量的增加而更加均匀化，但是气孔数量的增加必然会导致气体流动状态的变化，最终呈现紊流状态。从而兼顾气体的流动状态和流体均匀性，最终模拟结果发现，气筛形式选择12个气孔时的流体状态为层流流动且气体的均匀性较好。

3.2 有无隔片下TIG焊保护气流场计算

为了研究有无隔片对TIG焊的影响，在此是这样处理的：气体分为两个入口进入焊枪（入口MN和入口AB），对比研究两入口下气体在有无隔片的状态下的仿真结果。如图1所示，图1（a）是气路结构中有隔片时的仿真结果，可以看出气体分别在左右气路中流动，流动基本成对称结构分布。气体在钨极喷嘴处没有相互对流出现，流体的流动状态稳定，呈现层流流动。图1（b）是无喷嘴内隔片时的保护气体流动形式，无隔片时两路气体从枪体内开始相互混合，在钨极喷嘴处呈现统一流动状态向板材喷出。

3.3 在12个气筛孔和无隔片下TIG焊仿真结果及分析

模拟计算时所用的参数包含有：焊接电流是150A，钨极尖端夹角是60°，钨极凸台半径是0.6mm，弧长是6mm，直流正接。

3.3.1 温度场电势分布

电弧等离子体的最为重要的参数是温度。在阴极端部电弧取得温度最大值，是由于在阴极端部的电流密度最大，产生的焦耳热很多。电弧阴极区和阳极区的温度梯度比较大，弧柱区的温度分布比较均匀，温度场截面半径从阴极到阳极区渐渐扩大，温度渐渐降低，温度变化梯度渐渐变小。在该焊接参数下，TIG焊电弧的最高温度是15300K，电弧温度场呈典型的钟罩形分布模式。该结果与文献[2]的趋势是基本一致的。

3.3.2 电势分布

当钨极氩弧焊使用直流反接的时候，钨极是阳极，弧柱中的电子产生弧柱高温，这些能量都用在加热钨极。分布是电弧电势，在钨极尖端处电势变化比较明显，靠近工件变化越平缓。中心电势为11v，电势场呈椭圆形，由里到外电势增大。该结果与文献[3]的趋势是基本一致的。

4 结论

本章中对TIG模拟的特定焊接参数下的温度场和流场的数据和图形以及有无隔片TIG焊保护气流场的计算结果和气筛孔数量对气体流动的影响的结果进行了详细分析，结果发现有无隔片时气体经过喷嘴口都是层流形式;在不同气筛空数量的影响下，气体流动的形式发生了变化;在该焊接参数下，TIG焊电弧的最高温度是15300K，电弧温度场呈典型的钟罩形分布模式。中心电势为11v，电势场呈椭圆形，由里到外电势增大。

参考文献：

[1]樊丁，黄自成，黄健康等.活性元素氧对AA-TIG焊熔池传输行为影响的数值模拟[J].焊接学报，2016，37（03）：62-66.

[2]樊丁，黄自成，黄健康等.考虑金属蒸汽的钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用三维数值分析[J].物理学报，2015（10）：108102-1-108102-11.

[3]肖磊，樊丁，黃自成等.考虑金属蒸汽的定点活性钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用三维数值分析[J].机械工程学报，2016，52（16）：93-99.