高压钨极氩弧焊焊接电弧行为数值模拟的研究现状与发展

随着现代工业的发展,能源问题尤为突出。相当多的国家对陆地能源进行了大量开发。然而,海上石 油、天然气的储备在世界能源总储备中占了很大比重,比如美国墨西哥湾、巴西近海、西非近海、 菲律宾沿海、北海海域能源储备相当可观<1>。中国作为石油输入大国,对海洋资源的开发虽然 处于起步阶段,但对沿海能源的开发相当重视。由于多年的开发,我国渤海地区海底输油管道的维 护与修补工作迫在眉睫。海底管线的修补工作则涉及到水下高压焊接。对于近海输油管线、设备的 焊接通常采用水下湿式焊接和高压干式焊接等方法。水下湿式焊接技术主要应用于清澈水域中,比 如墨西哥湾。我国渤海的水质及其可见程度决定了必须采取高压干式焊接技术。水下高压干式焊接 技术是将水下焊接舱潜入海底,并在焊接舱中充入惰性气体,因此焊接过程将在高压环境下进行。 随着环境压力的升高焊接电弧的状态将发生变化。高压下电弧的研究与常压有所不同。钨极氩弧焊 (TIG)是一种以钨棒作为电弧一极的气体保护焊方法。由于钨的熔点高,钨极不易熔化,电弧 长度基本保持不变,焊接过程稳定,而且电极和电弧区都处于氩气保护中,易保证焊接质量。此外 ,高压(干式)焊接技术对于无人自动焊接的要求十分严格<1>,TIG焊可以用于自动控制条 件下。因此,TIG焊接可在高压下应用。鉴于高压环境压力对焊接电弧稳定性、焊缝成形等影响 是不容忽略的。对于水下高压干式焊接技术电弧行为特性以及稳定性的理论研究十分必要<2>。 1高压下电弧行为特性国外自20世纪70年代就对焊接电弧进行了常压下的数值研究与模拟。常 压或高压下,通常将焊接电弧看作由带电粒子组成的流体,该流体与简单流体有所不同,此种流体 的各个粒子在运动中会与磁场发生复杂的相互作用。电弧的结构是由等离子体的材料性质、环境条 件、电流(向电弧提供能量)所决定。焊接过程中,电流能量供应率与电极、工件、环境能量损失 达到平衡时,该状态被称为平衡状态。焊接过程中,电压被看作在给定焊接电流条件下,放电过程 的能量损失指数。随操作压力的增加,电弧的物理状态及行为特性将有所变化。1.1稳定性高压 下,TIG焊的熔化率随压力的增加而增加,氢吸附率降低。环境压力超过0.1MPa,将使电 弧等离子体的物理属性发生变化,粒子密度的增加与绝对大气压成正比。电弧外部区域能量损失的 增加导致电弧电压加大。电弧收缩并减小横截面以使额外的能量损失最小化。等离子流动的速度将 会减小,以增加焊接过程对空气流、杂散磁场等外部扰动的灵敏度。电弧的稳定性随压力的增加而 减小。这是由于,在高压下电弧在阴极表面很小的范围移动都将导致电弧弧柱区域很大的动荡,使 阳极区域的电弧动荡加大。1.2电弧形貌通过模拟压力舱中TIG焊接试验表明<3>,随着环 境压力的增高,电弧弧柱直径减小,亮度增加,阴极斑点向电极尖端集中,电极尖端强烈加热,导 致电极尖端冲蚀磨损的加剧;同时,电弧中心的最大电流密度增加,电弧中心的温度也将提高;在 焊接电流及焊枪速度不变情况下,焊接热输入随环境压力增大而加大。压力的升高导致电弧弧柱区 紊乱程度加大,此时电弧容易受到外部的影响(如外部磁场的干扰使电弧加大动荡程度,电弧根部 的极小变化也会加大电弧弧柱区的不稳定)。如图1,随压力的增加,由于电弧外部区域热损失的 增加,电弧柱区发生收缩。电弧根部同样发生收缩,导致电弧根部区域的形状变化。此外,电弧等 离子体喷射原理是由于电弧弧柱区与电极(阴极、阳极)表面电流密度不同,从而使等离子体喷出 。随压力的增大,电弧弧柱区域被压缩,导致反向喷射的形成(如图1(b)所示)。随压力进一 步加大,在反向喷射加大的同时,将产生严重的飞溅现象,造成电弧的不稳定<2>。图1电弧形 貌示意1.3辐射、传导、对流随压力的增加,电弧的收缩将导致电弧弧柱被压缩,传导随着电弧 表面区域的减小而变弱。相比之下,随压力的升高,电弧的辐射加大,因此,电弧电压增大。TI G焊接过程中,单位弧长的辐射力随压力的增加而增加,与压力的平方根成正比关系。高压下,辐 射(如图2)占主导地位,这就导致了在电弧弧柱区内形成小的温度梯度,而在电弧弧柱区外形成 大的温度梯度。高压下,由于对流冷却(特别是在阴极区)的加大,电弧收缩。目前,对于电弧与 电极之间能量传输了解甚少。电弧阴、阳极相互作用的研究之困难在于边界层的高温、温度梯度、 粒子密度、电场强度及电弧释放出的强光<4>。通常,电弧电压随环境压力而增加。而阴极大小 随压力增大而减小,亮度增大。当电极中心区的电流很高时,这一区域过热,电极将熔化。图2高 压TIG焊接电弧示意2高压电弧模型国内对于钨极氩弧焊焊接电弧数值分析进行了常压方面的探 讨。上海交通大学的芦凤桂采用ANSYS有限元分析软件对焊接电弧模型进行数值分析。采用有 限元数值模拟方法,通过热、电磁和流场耦合、反复迭代模拟分析了电弧的电流密度、电磁力和温 度场的分布状态。最后得出结论:电弧压力分布符合双面指数曲线,电流密度的分布符合高斯分布 <5>。国外自20世纪70年代就开展了焊接电弧的数值研究和模拟。克兰菲尔德大学和利物普 大学对其进行了研究,证明了电弧焊接这一过程可以在水深2500m下进行,这是资料记载中的 最深情况<2>。将焊接电弧视为流体处理,与简单流体不同,该流体是由导电的粒子组成的,在 运动中与磁场相互发生复杂的作用。在研究过程中涉及到热、电、磁和流体等众多领域。通常,对 焊接电弧做下列假设<6>:(1)电弧处于局部热动态平衡(LTE);(2)电弧是稳定的、 连续的和对称的,并且是光学薄的,流动处于层流状态;(3)由于粘性效应导致的热损失忽略不 计。高压下电弧等离子模型如图3所示。在TIG焊接过程中,电弧作为热源、力源,向溶池表面 施加分布的电流密度、热流密度和压力。电弧行为(不论是否在高压下)受下列方程的控制:欧姆定律,麦克斯威方程,质量、动量和电荷的守恒方程<7>。图3高压下电弧等离了体模型2.1磁流体动力学方程2.1.1质量守恒方程1r(rρυ)r+(ρu)z=02.1.2能量守恒方程1rr(rρυzh)=1r rrλcp h r+zλcp h z+j2r+j2zσ-u2.1.3径向动量守恒方程1r r(rρυ2r)+z(ρvrvz)=-PΔr-jzBθ+1r r2rηvr r+zηvz r+vr z-2ηvrr2-r23η1r(rvr)r+vz z为了计算方便,压力表示为:PΔ=p-pambient。2.1.4轴向动量守恒方程1r r(rρυrυz)+z(pv2z)=-PΔz+jzBθ+z2ηvz z+1r rrηvz r+vr z-z23η1r(rvr)r+vz z+ρg式中vr———径向速率;vz———轴向速率;η———粘度系数;g———重力系数; ρ———气体密度;Bθ———磁感应强度;jr、jz———分别为径向、轴向电流密度;T— ——温度。2.2麦克斯韦方程2.2.1电流连续方程电流密度通过电流连续性方程、欧姆定律计算。电场强度从电位分布梯度中计算。1rrrσr+zσz=02.2.2欧姆定律jr=-σr;jz=-σz2.2.3磁场计算公式1r r(rBφ)=μ0jz式中μ0———真空磁导率4π×10-7;———电势;σ———电导 率。焊接电弧模拟区的边界条件如表1所示<8>。焊接过程是一个动态的过程。但是,在国内外 的一些文献中,通常将电弧近似认为是稳态或准稳态的,而忽略了焊接电弧和熔池随时间的变化。 文献<7>对高压下磁场干扰的电弧进行了研究,考虑了电弧随时间变化的影响。表1高压电弧边界条件//Vυr/(m·s)-1υz/(m·s)-1T/KAB———00———BCr=00vz r=0T r=0CD=常数00Texp DEr=0vr r=0vz r=0T r=0EFz=00ugiven1000FG———003000BG———00300AF z=jgiven—————————3高压下的电弧电压根据电弧各部位的电-物理性质的不同 ,电弧被分为三个部分(如图4),靠近阴极表面的部分称为阴极区,靠近阳极表面的部分称作阳 极区,而中间部分称作弧柱<9>。图4电弧的组成区域电弧的电压可分为弧根电压U0(分别位 于阴、阳极区)和电弧弧柱区电压。弧根电压U0不随外界压力而变化,而电弧弧柱区电压与电场 强度成正比,与环境压力的平方根,电弧弧长成正比。高压情况下,考虑磁场对电弧的影响,弧柱 电压计算公式如下<10>:Uarc=E0p10MPa·l20+(αβ)2+U0式中U0 ———弧根电压;E0———电弧弧柱区的电场强度;p———环境压力;l0———电极间距; B———外部磁场;α·β———电弧弧柱区,由于外部磁场的干涉引起的电弧长度的增加,α< m/T>:经验参数0.7。4国内外对高压下TIG焊接电弧的深入研究由于电弧的复杂性,目 前,对电弧的模拟仿真常常采用对电弧进行一些假设。国内对焊接电弧的研究工作起步比较晚,目 前集中对常压下焊接电弧的参数及电弧控制进行研究,对焊接电弧整体行为的研究和数值分析是近 几年刚刚起步。国内对于高压下的电弧研究更少。4.1电极磨损方面的研究TIG焊接由于钨极 熔点很高,阴极作为难熔电极,葡萄牙DepartamentodeFisica等人<8>对 高压下TIG焊接难熔电极进行了相关探讨。日本学者YojiOgawa等人也在2003年对 极端条件下的电弧行为进行了分析<4>。4.2电弧阳极边界层的研究目前,国内外一些学者对 电弧阳极边界层传输机理进行了深入的研究。在直流正极性焊接时,电弧等离子体和工件之间有一 很薄的过渡区%D%D阳极边界层<11>。该层的温度梯度极大,存在各种传输现象。这些传输过程直接决定了焊接电弧作用于工件表面的电流密度和热流密度的大小和分布,因而直接影响焊接热输入、溶池内部流体流动及传

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