復雜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，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，過大的電弧壓力所導致的熔穿及咬邊等焊接缺陷的產(chǎn)生。因此，雙鎢極氬弧焊在對焊接質(zhì)量以及焊接效率有嚴格要求的場合具有廣泛的應用前景。
　　在焊接過程中，采用兩種或兩種以上的混合氣體進行保護，克服了單一氣體在作用過程中的局限性，充分發(fā)揮混合氣體中各個組分的優(yōu)勢，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。
　　本課題針對雙鎢極氬弧焊過程中的熱物理現(xiàn)象，以及雙層氣體保護下TIG電弧的各種行為進行了以下幾個方面的研究工作。
　　首先，根據(jù)連續(xù)性方程、動量守恒方程、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、流場以及電磁場之間的耦合機理。在該模型的建立中，基于雙TIG實際焊接中所涉及的物理過程及電弧內(nèi)部多場耦合的原理

3、分別對其所涉及的溫度場、流場及電磁場選定相對應的控制方程，并根據(jù)實際情況為各個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對其進行求解，同時獲得了不同鎢極間距、不同弧長條件下雙TIG全耦合電弧內(nèi)部溫度場、流場、電磁場、電弧壓力、電流密度以及電磁力等分布特征，并對這些結(jié)果進行了對比分析。結(jié)果表明:a）對于單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，并在靠近陽極附近的過程中逐漸降低，且溫度場呈典型的鐘罩形，最高溫度接近20000K，與已有實驗研究結(jié)果吻合良好。d）在不對稱電流條件下，電弧的溫度場、電流密度、磁場線、電磁力貢獻、電弧壓力以及等離子體的速度場的分布不再呈現(xiàn)對稱分布，且偏向電流較大的一方，隨著電流差值越大，這種趨勢也會越大。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越弱，當鎢極間距增大到一定數(shù)值時，兩束電弧將解除耦合，成為兩束單獨的電弧。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先降低再增加，電弧壓力還會出現(xiàn)雙峰分布。d）在不同弧長條件下，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，但對它們的影響不是很大。電弧的拉長或縮短使得

6、電弧的形態(tài)分布更為集中或者擴展，因而也影響了電弧壓力的分布，使其隨著電弧長度的減小而有所增加。
　　其次，對于混合氣體的處理，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。在建立該模型的過程中，除了連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及麥克斯韋方程，還用到了擴散傳質(zhì)方程。在對雙層氣體保護下的TIG電弧行為進行求解計算時，得到的結(jié)果是: