纵向磁控钨极惰性气体保护焊电弧运动轨迹行为研究

程葳蕤，唐方，杨成明，李湘文，沈亚仁

(1.湘潭大学机械工程学院，湖南 湘潭 411105；2.长沙天一智能科技股份有限公司，湖南 长沙 412000；3.湖南省湘电锅炉压力容器检验中心有限公司，湖南 长沙 410007；4.湖南建筑高级技工学校，湖南 长沙 410015)

0 引言

气体保护焊自出现以来，由于其效率高、节约能源、操作简单、操作方便、易于机械化和自动化，在实际和生产中得到了广泛的应用，成为手工电弧焊接的替代工艺[1-10]。把采用电磁控制下的电弧焊机制研究和高效的钨极惰性气体保护焊(tungsten inert-gas arc welding，TIG)技术相结合，通过添加外加磁场，控制TIG电弧行为，研究磁场控制下高效TIG的电弧行为，具有重要意义。

20世纪60年代初开始，国内外学者对TIG接磁场与电弧的相互作用机理进行了深入的研究。20世纪90年代开始，磁控焊接技术的研究开始逐渐发展。李海刚[11]将间歇交变磁场引入TIG焊接过程。贾昌申[12]等人对不同磁场强度下的TIG电弧进行了研究。吴丰顺[13]对磁场作用中的带电粒子进行了分析，阐述了电弧的运动机制。Tsai[14]等人建立了电弧的数学模型，探究焊接电极锥角的角度对电弧形态的影响。

21世纪开始，将磁控技术运用到焊接上的研究越来越丰富，采用的手段越来越现代化。罗键[15-16]等人分别测定了外加磁场作用下，TIG电弧温度、电弧在水冷铜阳极板上的等离子流力和电流密度的分布。华爱兵[17]分析了外加磁场作用下的活性气体保护电弧焊(metal active gas arc welding，MAG焊)喷射过渡中电弧和熔滴的运动特征。牛锐锋[18]等人发现，外加纵向磁场能够改变TIG电弧的形态。Prozorov[19]等人研究外加横向和纵向非均匀磁场对真空电弧放电特性、等离子体结构和阴极斑点排列的影响。王城[20]等人利用高速CCD观察等离子体发生器中阴极的温度分布。Varghese V.M.J.[21]等人建立了基于磁流体力学的轴对称模型，研究了外加纵向磁场对钨极气体保护焊(GTAW)电弧特性的影响。R.M.Urusov和I.R.Urusova[22]对均匀轴向磁场下的直流TIG电弧进行了数值模拟分析。

然而，在目前的技术研究领域中，磁场参数(包括磁场频率、磁感应强度等)和纵向磁场位形(包括磁场分布的位置和形状)对焊接过程的影响在理论上还没有建立一个完整的系统。

本文以TIG电弧为研究对象，在学者研究基础上建立模型，通过COMSOL仿真，分析在施加直流纵向磁场条件下电弧内温度及电弧内带电粒子速度的分布，观察温度场和速度场的变化规律，从而对TIG电弧的形态进行分析。最后进行实验操作，对模拟结果进行验证。

1 纵向磁控TIG电弧的仿真模拟

1.1 纵向磁控TIG电弧的模型建立

1.1.1 基本假设

基于外加纵向磁场TIG的特点，首先做如下假设[23]。

1)电弧等离子体为光学薄膜。

2)电弧是轴对称的，气体屏蔽环境是不可压缩的纯氩气，填充整个空间。

3)电弧等离子体是层流，满足局部热力学平衡(LTE)条件。

4)电弧等离子体的密度、比热容、传热系数、电导率等物理参数，仅与温度相关，不会随其他条件变化。

5)重力和黏性发生的热扩散可忽略不计。

1.1.2 几何模型建立

本文采用的几何模型如图1所示。A、B、C、D、J代表TIG中的钨极，阴极的锥角为60°；I、H、G、F代表工件(阳极)，材料为铜板，其厚度为2 mm；电弧的弧长(这里是垂直距离AI)是6 mm。A、B、C、D、E、F、I是电弧空间的计算区域，也是流动区域和电磁区域。

图1 纵向磁控TIG焊接电弧的几何模型

1.2 模拟结果和分析

1.2.1 温度场结果和分析

如图2所示，根据TIG电弧的等温线形状可知，未施加直流纵向磁场的焊接电弧呈典型的实心钟形；最高温度垂直出现在阴极下方；最高温度随焊接电流的增大而增大，焊接电流越大温度曲线在轴向上轻微舒展，靠近底部(阳极)的温度越高。当焊接电流为80 A时，最高温度为13 500 K，而当焊接电流为110 A时，最高温度上升到14 900 K。

图2 无磁场时不同焊接电流下TIG电弧的温度场

外加直流纵向磁场TIG电弧在焊接电流为80A和110 A时的温度场如图3和图4所示。

图3 焊接电流为80 A时不同磁感应强度下外加 直流纵向磁场TIG电弧的温度场

图4 焊接电流为110 A时不同磁感应强度下外加 直流纵向磁场TIG电弧的温度场

当施加直流纵向磁场时，电弧的形状发生了显著变化:电弧的上部(靠近阴极)收缩，而底部(靠近阳极)轴向膨胀，导致空心钟形电弧(如图3和图4所示)。随着外加直流纵向磁感应强度的增加，电弧等温线形状的变化更加明显:对称轴上的等温线(靠近阳极)向上偏移(向阴极方向)，导致阴极下方(靠近阳极)出现较低的温度区域。同时，随着外加直流纵向磁感应强度的增加，峰值温度呈现一定程度的升高。图3(d)中焊接电流80 A和磁感应强度20 mT的最高温度约为13 600 K。图4(c)中焊接电流110 A和磁感应强度15 mT的最高温度约为14 800 K，图4(d)中焊接电流110 A和磁感应强度20 mT的最高温度约为14 900 K。

1.2.2 速度场结果和分析

焊接电流为80 A和110 A时的速度等值线如图5所示。当焊接电流为80 A而没有磁场时，焊接电弧等离子体的最高速度为49.3 m/s，发生在阴极正下方，方向向下，如图5(a)所示。当磁感应强度为5 mT时，焊接电弧的速度场有明显的扩展，如图5(b)所示，焊接电弧的最高速度依旧在阴极正下方，呈下降趋势，速度减小到38.9 m/s。当磁感应强度为10 mT时，最高速度基本保持不变，但有下降的趋势，如图5(c)所示，最大速度向阴极右侧发生微小偏移，而不是正下方，速度为49 m/s。当磁感应强度为15 mT和20 mT时，焊接电弧的速度场发生显著变化，最大速度出现在对称轴两侧，靠近阴极，如图5(d)、图5(e)所示，速度场峰值分别为62 m/s和72 m/s。最高速度区随着磁感应强度增大而远离阴极。

图5 焊接电流为80 A时不同磁感应强度下外加 直流纵向磁场TIG电弧的速度场

焊接电流为110 A时速度等值如图6所示。当焊接电流为110 A而没有磁场时，焊接电弧的最大速度为111 m/s，位于阴极正下方，方向向下，如图6(a)所示。最高速度随焊接电流的增大而增大，焊接电流越大，速度曲线在向上时压缩明显。当外加直流磁感应强度为5 mT时，速度场也表现出明显的扩张，最高速度也出现在阴极下方，减小到78 m/s，如图6(b)所示。当外加直流磁感应强度为10 mT时，最大速度向阴极右侧发生微小偏移，速度下降到83 m/s，如图6(c)所示。当外加直流磁感应强度为15 mT时，最大速度向阴极的右侧发生较大偏移，速度下降到98 m/s，如图6(d)所示。当外加直流磁感应强度为20 mT时，最高速度区偏移阴极更远，最高速度为111 m/s，发生在阴极两侧，如图6(e)所示。

图6 焊接电流为110 A时不同磁感应强度下外加 直流纵向磁场TIG电弧的速度场

2 纵向磁控TIG电弧的实验研究

2.1 实验设计

2.1.1 TIG电弧形态实验

进行外加直流和交流纵向磁场作用下的TIG焊接实验，焊接电弧的弧长保持10 mm不变，如图7所示。

图7 TIG焊接电弧形态

采用不填丝的直流TIG焊进行焊接实验，利用高速摄像采集系统拍摄记录TIG电弧的形态，对采集到的TIG电弧形态进行比较分析。比较电弧形态变化，在外加不同磁场作用、不同的焊接电流和不同的交流磁场频率下，分析磁场对电弧形态的影响规律。无外加磁场时，电弧呈圆锥形。

2.1.2 实验参数

施加不同的纵向交流磁感应强度、不同的纵向交流磁场频率以及不同的纵向直流磁感应强度来进行探究。实验共有3个因素、5个水平，选择正交表中L13(53)计划表作为实验方案，共需进行13组正交实验，大大减少了工作量。

首先在不加磁场的条件下，改变焊接电流的大小，选择电弧挺度较好的110 A焊接电流进行实验。然后固定纵向交流磁场频率，改变磁场强度大小，由于磁场强度每相隔1 mT差距较小，超过设备不允许5 mT，因此选择磁场强度5 mT、3 mT、1 mT。最后改变磁场频率，因为设备限制，1 Hz无法得到稳定输出信号，1 kHz、2 kHz频率过高超出信号发生器能够提供的最大电压，无法实验，所以选择磁场频率100 Hz、10 Hz。具体的实验参数见表1。

表1 TIG电弧形态实验参数(交流磁场)

交流电源选择正弦波形，其他固定的实验参数见表2。

表2 TIG电弧形态实验参数

2.2 实验结果和分析

2.2.1 外加交流纵向磁场对电弧形态的影响

施加交流纵向磁场时，保持纵向交变磁场频率为100 Hz，不同磁感应强度下的TIG电弧形态如图8所示。与无磁场时比较，电弧由圆锥形变为钟罩形，电弧旋转方向发生改变，呈周期性的正反方向交替的螺旋旋转运动。

图8 外加交流纵向磁场时不同磁场强度下的电弧形态

外加交流纵向磁场时，电弧轮廓明显变小，电弧尾端有明显地汇聚。随着磁感应强度的增加，电弧旋转速度加剧，且电弧形态轻微发散。

施加交流纵向磁场时，保持纵向交流磁感应强度为3 mT，不同磁场频率下的TIG电弧形态如图9所示。

图9 外加交流纵向磁场时不同磁场频率下的电弧形态

当外加交流纵向磁场频率为1 Hz时，由于磁场频率过低，难以形成约束，因而起弧困难，电弧发生剧烈摆动，无法进行实验。磁场频率由10 Hz变到100 Hz，电弧的摆动幅度变小，且电弧形态轻微收缩，更加稳定。

2.2.2 外加直流纵向磁场对电弧形态的影响

施加直流纵向磁场时，通入不同的直流磁场激励电流，影响磁感应强度变化后的TIG电弧形态如图10所示。

图10 外加直流纵向磁场时不同磁场激励电流下的电弧形态

在施加直流纵向磁场的情况下，磁场激励电流越大，即磁感应强度越大，电弧中带电粒子所受到的洛伦兹力越大，电弧的旋转半径就越大，电弧形态越发散。然而，当磁场激励电流过大(I1=5 A)时，电弧开始变得不稳定。

3 结论

本文主要研究在施加纵向磁场下，TIG电弧的运动轨迹。

1)施加直流纵向磁场时，TIG电弧的上部收缩、底部轴向膨胀，呈钟罩形，磁场激励电流越大，即磁感应强度越大，电弧的旋转半径就越大，电弧形态越发散。随着磁感应强度的增加，对称轴上的等温线向上偏移，阴极下方出现较低的温度区域。电弧内的带电粒子向阴极两侧发生偏移，最高速度区随着磁感应强度的增大而远离阴极。然而，当磁场激励电流过大时，电弧开始变得不稳定。

2)施加交流纵向磁场时，TIG电弧轮廓明显变小，电弧尾端有明显地汇聚，随着磁感应强度的增加，电弧旋转速度加剧，且电弧形态轻微发散。当交流纵向磁场处于低频段时，随着磁场频率的增加，电弧的摆动幅度变小，且电弧形态轻微收缩，更加稳定。