第38卷第4期 2017年4月
焊接学报
TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION 片状偏钨极电弧特性的数值模拟
李渊博，李霄，王世清，董会（西安石油大学材料科学与工程学院，西安710065）
Vol.38No.4 April
2017
摘要：基于流体力学和麦克斯韦方程组，建立片状偏钨极电弧三维数学模型，计算得到电弧温度场、流场、电场及电流密度分布。结果表明，片状偏钨极厚度方向电弧温度场、流场电场及电流密度呈对称分布；相同焊接工艺参数下，片状偏钨极电弧最高温度、最大流速及电流密度小于圆柱钨极电弧：电流密度受片状偏钨极前端斜边引导作用和电弧惯性后拖效应的共同影响，其分布范围沿钨极宽度方向扩展，且电弧等温线在该方向上扩张；片状偏钨极前
端斜边倾角的改变，会引起电流密度在钨极前端局部集中，并导致阴极下方高温区和阴极射流沿斜边偏移关键词：焊接电弧；片状偏钨极；三维模型；数值模拟
中图分类号：TG403 0序言
文献标识码：A
文章编号：0253360X(2017)04000706
三维数学模型.采用FLUENT软件，并使用自定义函数进行二次开发，加人源项和边界条件，实现对所
超窄间隙TIG焊是近年来新兴的一种高效焊接方法，使用TIG电弧在宽度仅为几个毫米的I型坡口中施焊，可大幅提高焊接效率并改善焊缝力学性能．但是，较小的坡口空间尺寸限制了电极载流能力,进而削弱了电弧对母材的加热效果"]．文献[2] 采用一种横截面为矩形的片状偏钙极维持电极载流能力.改善电弧加热特性，取得了良好的效果.文献[3对片状偏钨极电弧压力和载流区形态的分布特征进行分析，发现片状偏钨极前端斜边倾角是改变电弧行为的主要因素，但现有试验手段无法准确获得片状偏钨极电弧空间宏观物理特性参数，因而很难深入理解片状偏钨极对TIG电弧行为的影响机理，相关报道也较少
数值模拟分析与少量试验结果结合，能够有效揭示电弧宏观物理特性及其调控机理。如Tsai等人[4通过数值模拟阐述了钨极尖端平台对电弧温度场，电场和流场的影响机理：Abid等人[5]建立了不同钨极尖端角度下电弧三维模型，并分析了温度场和电弧压力的变化规律；Ding等人°则通过数值模拟分析了不同焊接电流，保护气体流量下双钨极耦合电弧电场及热流密度分布特征上述工作为片状偏钨极电弧特性的数值模拟提供了坚实的分析基础
文中针对平面堆焊片状偏钨极电弧，建立稳态
收稿日期：2016-03-27
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51605384）：陕西省教育厅
专项科研计划资助项目（15JK1575）；西安石油大学青年科研创磊理队资助项目（2015QNKYCXTD02）；西安石油大学2教幕学与工程》省级优势学科资助项目
建模型的求解。进一步计算出片状偏钨极电弧温度场、流场、电场和电流密度分布情况，对比分析片状偏钨极前端斜边倾角对电弧特性的影响规律和机理
1数学模型 1.1基本假设
为简化数学模型，对片状偏钨极电弧采用如下基本假设：电弧为连续介质，并满足局部热平衡假设：电弧流动状态为层流，且为光学薄的等离子体：阴极区和阳极区的复杂物理状态可以忽略；电弧可
看做是大气压下的稳态氧弧 1.2控制方程
质量守恒方程
p+.(pw)=0
re
动量守恒方程
(1)
(0)+(m)-p++++F (2) 能量守恒方程
最(pc,T) + V.(ps,Tv) =V (VT)+ S (3) 式中：P为密度；t为时间；V为速度矢量;P为压力；T 为黏性应力张量；T为温度；F为Lorentz力源项.直角坐标系下其表达形式为
,_2v(i=j) μ2ax3
T,
(ji） Hax,+ax:
(4)