Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．４４ Ｎｏ．７ Ｊｕ１．２０１５ 文章编号：１００２—０２５Ｘ（２０１５）０７—００１３—０５ ・试验与研究・１３ ＡＺ６１Ａ镁合金ＧＴＡＷ焊电弧电场和磁场的数值模拟 闫 芳．刘 慧 （烟台南山学院，山东烟台２６５７１３） 摘要：为了分析钨极氩弧焊（ＧＴＡＷ）焊接电弧电场和磁场在三维电弧空间内的分布规律，以直流钨极氩弧焊电弧为研究对象。建立 了包含电极、焊接电弧以及工件的三维瞬态联合数学模型．对ＡＺ６１Ａ镁合金ＧＴＡＷ焊电弧等离子体的电场和磁场进行了数值分析． 得到了电弧电势、电流密度、磁感应强度以及电磁力在三维空间的分布特征。研究结果表明，焊接电弧的电势、电流密度、电磁力的 最大值均出现在电极的端部，磁感应线始终是环绕电极的一系列的闭合曲线，且其环绕方向与焊接电流的关系遵守右手螺旋定则 关键词：焊接电弧；钨极氩弧焊；镁合金；电场；磁场；数值模拟 中图分类号：ＴＧ４０３ 文献标志码：Ｂ 信息，一直是国内外焊接工作者追求的目标Ｅ２＿９＿ ０ 引言 然而，由于焊接电弧涉及到电磁学、热力学、流体 动力学等多个领域．并且电磁效应剧烈．等离子体 的热物性参数随温度变化较大．因此单纯采用理论 方法求解难度很大 通过对电弧形态的数值分析来 建立数学模型，既可提供完整的电磁场、流场、热 场及热物理参数信息，又可节约大量的人力、物力 和时间。Ｈｓｕ ］以自由燃烧的高密度氩弧为研究对 象，首次将热流体力学和电磁学结合起来．对电弧 钨极氩弧焊…具有电弧长度稳定、焊缝质量好、 焊接生产率高等优点．可用于多种金属材料的焊 接，尤其对非铁金属及其合金（铝、镁等）的焊 接最具优势，被广泛应用于飞机制造、原子能、 化工、纺织等工业中。 通过理论分析或工艺试验获得焊接电弧的动态 收稿日期：２０１５一Ｏ１一ｌ３ 区的传热与流动进行了二维数值模拟．但数学模型 表１储罐各圈罐壁顶升质量 罐倒装法现场施工顶升作业方案编制和技术交底． 现场实际应用，在每圈罐壁板安装时．通过计算， 对挡板焊缝长度和焊脚做了规定．保证了合理的安 顶升顺序 罐壁序号 顶升总质量 单缸承载 每块板（双面焊） 单块挡板 ，ｔ ／Ｉ 焊缝长度ｈ／ｍｍ 承载／ｔ ｌ ２ 第９圈 第８罔 １０５ ｌ １９６．３５ ｌ ７５ ３．２７ ４５（焊脚１Ｏ） ４５（焊脚１０） ５．２９ ５．２９ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 第７圈 第６圈 第５圈 第４圈 第３圈 第２圈 第１圈 ２６２．３ ３２０．２ ４００．６ ４９２．３ ５９８．５ ７２８．８ ８９３ ６ ４＿３７ ５ ３４ ６．６８ ８－２１ ９．９８ ｌ２．１５ １４．８９ ８８（焊脚１Ｏ） ８８ ｆ焊脚ｌＯ） ８８（焊脚１Ｏ） １７５（焊脚ｌ２） １７５ ｆ焊脚１２） １７５（焊脚１２） １０．０４ １０ ０４ １０．４ ０２Ｏ．１３ ２Ｏ．１３ ２Ｏ．１３ 全系数，取得了很好的效果。该公式可以推广应用 于各类Ｔ形接头的焊缝静载强度计算．也可补充完 善相关教材内容 参考文献： ［１］田锡唐．焊接结构［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９６ ３ 结语 ［２］单祖辉．材料力学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９９９ 通过分析相关教材中给出的满焊缝Ｔ形接头的 焊缝静载强度计算公式．推导出了局部焊缝Ｔ形接 作者简介：崔玉淼（１９７４一），１９９７年毕业于西安石油学院化工机械 专业，长期从事容器制作、管道安装、油田站场的焊接施工．现任中 国石油新疆油田分公司公建项目部经理． 头的焊缝静载强度计算公式。推导公式用于大型储 １４ ．试验与研究． 焊接技术 第４４卷第７期２０１５年７月 只有电弧等离子体．没有将电极对电弧的影响考虑 ￣＝－ｏ－ｏ单ｄ Ｊｙ＝－Ｏ＇ｅ娑 ： ｄｖ ｄｚ ， （４） 在内。Ｌｏｗｋｅ１１］以直流钨极氩弧焊电弧为研究对象。 提出了更为符合实际情况的二维数值模型．该模型 将电极区包括在内。克服了早期模型的缺陷 近年 来。Ｋｉｍ［ ］．唐新华ｌ１３］、Ｌｅｂｏｕｖｉｅｒ＿ｌ４］建立了三维ＴＩＧ 焊接电弧与熔池的统一数学模型．并利用该模型形 成了对ＴＩＧ焊接电弧与熔池的电、磁、热、流场的 耦合分析 为了更准确地研究ＧＴＡＷ焊接电弧电势、电流 密度、磁感应强度以及电磁力在电弧空间的分布． 为变形熔池对电弧行为影响的研究打下基础．以镁 合金板的ＧＴＡＷ焊接电弧为研究对象．建立三维瞬 态数学模型．并将电极与工件对电弧的影响考虑在 内．采用Ｆｏ￣ｒａｎ语言编写数值计算程序．并在 Ｃｏｍｐａｑ Ｖｉｓｕａｌ Ｆｏ￣ｒａｎ平台上编译、连接、调试和运 行，研究电势、电流密度、磁感应强度以及电磁力 在电弧空间内的分布规律 １模型的建立 １．１基本假设 为了简化计算．在三维瞬态模型的建立过程中 做如下假设：①电弧等离子体处于局部热平衡状态， 即电子和重粒子（原子、离子）的温度相等；②电 弧等离子体具有光学薄层特性．即辐射的重新吸收 和总辐射相比可忽略不计；③电弧气体是大气压力 下的氩气；④浮力、黏性热耗散的影响忽略不计； ⑤电弧处于层流不可压缩状态。 １．２控制方程组 质量守恒方程 ＋ｖ． ）＝０， （１） 能量守恒方程： 警＿ｖ．（ｋＶｒ）＋ ＋ Ｊ・Ｖｈ， （２） 电流连续性方程： （ 等卜 （ 苦１）＋击（ 誓）＝０， ㈩ 欧姆定律： 泊松方程： Ｖ Ｂ＝－ｍ（ＶｘＪ）， （５） 式中：Ｐ为密度；ｔ为时间；ｖ）Ｖ速度； 为温度；ｋ 为热导率； 为比热；．，为电流密度； 为电导 率；５ 为辐射热损失；ｊ｝。为玻尔兹曼常数；ｅ为电 子电量；Ｂ为磁感应强度； 为电势； ， ， 分 别为电流密度在 ，ｌ，，Ｚ方向上的分量；／ｏｔｏ为真空 磁导率 １．３计算区域 选取的计算区域如图１所示．该计算区域是关 于ｙ轴对称的．ＣＤＬＫ为对称面．为了便于计算只 选一半的空间作为计算区域 由图１可以看出．将 阳极（电极）、电弧和阴极（工件）统一起来建模， 这样计算区域除包括电弧本身外．还包括电极区和 工件区。在计算电磁场时增加电极区的目的是避免 在电极端部电流密度分布形式的假定．这样电流密 度可由计算精确确定而不依赖于假定．使得对焊接 电弧的数值分析与实际情况更接近了一步 当工件 熔化以后．由于熔池的变形引起电弧形态的改变． 从而影响电弧电流密度和热流密度的分布．将工件 作为计算区域的一部分．一方面为了避免电弧与工 件之间界面条件的假定．为将来处理电弧和熔池的 变形界面做好准备：另一方面为实现电弧与熔池系 统的双向耦合做好准备 Ａ Ｂ ／ 导电Ｉ －嘴．Ｉ Ｉ保护气喷嘴／Ｃ／ ／ ／ Ｎ Ｊ，电 ＋， 螂 Ｅ Ｆ ／‘／弋 ｆ ））Ｇ ／ 工¨ 图１直角坐标系下的ＧＴＡＷ焊接系统示意图 １．４边界条件 在图１中的计算区域内．上述控制方程组的边界 条件见表１。沿对称面ＣＤＬＫ，采用对称边界条件。 １６ ．试验与研究． １６ ｍｍ处的分布情况 由图４可见．磁感应线始终 是环绕电极的一系列的闭合曲线．并组成了一系列 同轴圆周．在同一圆周上．各点磁感应强度 的大 小相等．其方向沿圆周的切线方向．并与焊接电流 的方向遵守右手螺旋定则 在中心区域．磁感应线 比较密集．说明该区域的磁感应强度大．而其他区 域中的磁感应线比较稀疏．相应地．这些区域的磁 感应强度也较小 图４ ｔ＝Ｏ．５ ｓ时磁感应强度矢量在Ｚ＝１６ ｍｍ （电极端部正下方１ ｍｍ）处的分布 ２．４电磁力分布 图５ａ和图５ｂ分别是对称面上 方向的电磁力 与】，方向的电磁力分别在电极端Ｚ－ｌ５ ｍｍ．电弧中 部 １８ ｍｍ．工件表面Ｚ＝２４ ｍｍ处的分布情况。由 图５ａ．５ｂ可以看出．电磁力在 方向和ｙ方向的分 量值均为负值．表示它们的方向与 坐标轴和＇，坐 标轴的正方向相反．即电磁力方向是由外指向电弧 中心的．起到收缩电弧的作用 这两个方向上的电 磁力在０ ｍｍ处，也就是电弧轴线上，数值很小，几 乎为零．这是因为在轴线附近的磁感应强度几乎为 零 而当 ｌ５ ｍｍ且在轴线稍靠外的地方．即电极 端部的侧面电磁力呈现出最大值， 为１．６￣１０ Ｎ／ ｍ，，凡为５．５￣１０４ Ｎ／ｍ３，说明电磁力在此位置的作用 最强．与这个地方电弧的电流密度最大有关．这样 就使得氩气等离子流在电极端部以最大的加速度流 动 此外． 向电磁力与ｙ向电磁力的变化趋势是 沿着 坐标轴和ｙ坐标轴的正向逐渐减小。图５ｃ是 ｔ＝０．５ Ｓ且当 ＝２ ｍｍ．ｙ＝２ ｍｍ时．Ｚ方向电磁力大 小的情况 由图５可以看出．Ｚ向的电磁力均为正 值．表示电磁力的方向与Ｚ坐标正方向相同，推动 电弧等离子体向下流动．且在ｚ＝ｌ５ ｍｍ处取得最大 焊接技术 第４４卷第７期２０１５年７月 值，数值为８．５￣１０。Ｎ／ｍ。，此外，ｚ向电磁力的变化 趋势是沿着ｚ坐标轴的正向逐渐减小．当 ２３ ｍｍ 时，也就是阴极附近电磁力达到最小，这是由于阴 极电流密度非常小而导致的。 量 Ｚ 趣 （ｃ）Ｘ方向 ｇ Ｚ 挺 ９ｘ１０ ８ｘ１０ ７ｘ１０ 至６ｘ１０ ５￣１０ 檀 ４￣１０ ３ｘ１０ ２×ｌＯ ｌ ｚ／ｍｍ （ｃ）Ｚ方向 图５ ｔ＝Ｏ．５ ｓ时对称面上的电磁力 ３试验验证 文献『１５］采用探针法测定了工件表面的电流 密度 在此模拟弧长９ ｍｍ，保护气流量８ Ｌ／ａｒｉｎ， 焊接电流ｌｌ０ Ａ时工件表面电流密度的分布。模拟 结果与文献『ｌ５］的试验结果比较如图６所示。由 图６可见．模拟结果和试验结果吻合良好。 Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．４４ Ｎｏ．７ Ｊｕ１．２０１５ 吕 粕 媛 ｘ／ｍｍ 图６工件表面电流密度的模拟结果与试验结果比较【 ４结论 （１）建立了基于自由燃烧的ＧＴＡＷ焊接电弧的 三维瞬态数学模型，该模型包括电极区、电弧区和 工件区．使得对焊接电弧的数值分析与实际情况更 为接近 （２）通过电流连续性方程和欧姆定律计算了电 弧的电势与电流密度．并给出了ＧＴＡＷ焊接电弧 的电势与电流密度在三维空间的分布情况 在所 给焊接条件下。计算所得的电弧电压为１５．４ Ｖ． 且在电极端部的等势线比较密集．随着离开电极 的距离的增加．等势线逐步发散：焊接电流从阳 极（电极）表面流出．通过电弧空间经阴极斑点 区流人工件（阴极），在靠近电极的附近电流密度 有最大值５．４７×１０７ Ａ／ｍ２．远离电极处的数值随着 距离的增大而逐渐减小．且计算结果与文献结果 相一致 （３）电流的流动产生磁场．得到的磁感应线始 终是环绕电极、在垂直电极的平面内的一系列的闭 合曲线．且其环绕方向与焊接电流的关系遵守右手 螺旋定则．最大磁感应强度位于中心区域．其值为 Ｏ．Ｏ３ Ｔ，其他区域磁感应强度较小 （４）ＧＴＡＷ焊电弧中由电流和自感应磁场相互 作用而形成的电磁力．由电弧外部斜向下指向电弧 中心。一方面起到压缩电弧等离子体的作用．另一 方面起到加速电弧等离子体向工件流动的作用 参考文献 ［１］杨春利，林三宝．电弧焊基础［Ｍ］．黑龙江哈尔滨：哈尔滨工业 ．试验与研究．１７ 大学出版社，２００３：１０—１２． ［２］Ｓｃｈｎｉｃｋ Ｍ，Ｗｉｌｈｅｌｍ Ｇ ａｎｄ Ｌｏｈｓｅｌ Ｍ．Ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ａｒｃ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｎｄ ｇａｓ ｓｈｉｅｌｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎ ｔａｎｄｅｍ ｇａｓ－－ｍｅｔａｌ ａｒｃ ｗｅｌｄ－・ ｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ａｎｔｉ－ｐｈａｓｅ ｐｕｌｓｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｄ：Ａｐ— ｐｌｉｅｄ ｐｈｙｓｉｃｓ，２０１１，４４（１８）：１８５ ２０５－１８５ ２１５． ［３］郭朝博，石王于，黄健康，等．基于Ｆｌｕｅｎｔ的ＴＩＧ电弧数值模拟 ［Ｊ］．电焊机，２０１１，４１（３）：１１－１４． ［４］殷凤良，胡绳荪，高忠林，等．等离子弧焊中电弧反翘现象的数 值模拟［Ｊ］．焊接学报，２００７，２８（９）：２９—３２． ［５］陈春辉．ＡＺ３１镁合金非熔化极气体保护焊工艺及性能研究［Ｄ］． 江苏南京：南京理工大学．２００８：２８—３７． ［６］Ｘｕ Ｇ，Ｈｕ Ｊ ａｎｄ Ｔｓａｉ Ｈ Ｌ．Ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｓｍａ ａｒｃ ｉｎ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００８，１０４（１０）： １—９． ［７］李彩辉，雷玉成，郁雯雯，等．氮氩气体保护的ＴＩＧ焊接电弧等 离子体流场的数值分析［Ｊ］．焊接技术，２００６，３５（４）：１８—２１． ［８］Ｘｕ Ｇ，Ｈｕ Ｊ ａｎｄ Ｔｓａｉ Ｈ Ｌ．Ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ａｒｃ ｐｌａｓ－ ｍａ ａｎｄ ｍｅｔａｌ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ ｇａｓ ｍｅｔａｌ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，２００９，５２（７／８）：１ ７０９—１ ７２４． ［９］Ｑｕａｎ Ｙ Ｊ，Ｃｈｅｎ Ｚ Ｈ ａｎｄ Ｇｏｎｇ Ｘ Ｓ．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｐｒｏｐｅ￣ｉｅｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｅｄ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ｌａｌｏｙ ＡＺ３１［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，２００８，５９（１０）：１ ４９１— １ ４９７． ［１０］Ｈｓｕ Ｋ Ｃ，Ｅｔｅｍａｄｉ Ｋ ａｎｄ Ｐｆｅｎｄｅｒ Ｅ．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｅ—ｂｕｒｎｉｎｇ ｈｉｇｈ－ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｒｇｏｎ ａｒｃ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９８３，５４（３）： １ ２９３—１ ２９９． ［１１］Ｌｏｗｋｅ Ｊ Ｊ，Ｋｏｖｉｔｙａ Ｐ ａｎｄ Ｓｃｈｍｉｄｔ Ｈ Ｐ．Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｆｒｅｅ－ｂｕｒｎｉｎｇ ａｒｃ ｃｏｌｕｍｎｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｔｈｏｄｅ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｄ：Ａｐｐｌｉｅｄ ｐｈｙｓｉｃｓ，１９９２，２５（１１）：１ ６００—１ ６０６． ［１２］Ｋｉｍ Ｗ Ｈ，Ｆａｎ Ｈ Ｇ ａｎｄ Ｎａｓ Ｊ．Ａ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｇａｓ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ａｒｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃａｔｈｏｄｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒｅｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｐｏｏｌ［Ｊ］．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｂ， １９９７，２８（４）：６７９—６８６． ［１３］芦凤桂，唐新华，李少青，等．ＴＩＧ焊接电弧与熔池统一模型 有限元分析［Ｊ］．机械工程材料，２００６，３０（３）：３１—３４． ［１４］Ｌｅｂｏｕｖｉｅｒ Ａ，Ｄｅｌｌａｏｎｄｅｒ Ｃ ａｎｄ Ｆｒｅｓｎｔ Ｆ．Ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｕｎ． ｓｅａｄｙ ＭＨＤ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ａ ｌｏｗ ・ｃｕｒｒｅｎｔ ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ｎｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ＤＣ ｐｌａｓｍａ ｔｏｒｃｈ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ａｉｒ［Ｊ］．Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１１，３９ （９）：１ ８８９—１ ８９９． ［１５］Ｎｅｓｔｏｒ Ｏ Ｈ．Ｈｅａｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ａｔ ｔｈｅ ａｎｏｄｅ ｏｆｈｉｇｈ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｉｎｅｒｔ ｇａｓ ａｒｃｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９６２， ３３（５）：１ ６３８－１ ６４８．