第38卷第2期 2017年2月
焊接学报
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol.38
No.2
February2017
外加高频纵向磁场作用下的工G焊电弧数值模拟
肖磊'，樊丁，黄健康'，王新鑫"2
（1.兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，兰州
H730050
2.重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆400054）
摘要：基于局部热平衡状态假设，建立外加高频纵向磁场作用下的钨极惰性气体保护焊的电弧稳态三维数值模型、通过对麦克斯韦方程组、连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程的耦合求解，得到了电弧的温度场、流场和压力场等计算结果。结合法拉第电磁感应定律，考虑时变磁场的电磁感应效应，引人感应电场，解释了高频纵向磁场作用下的电弧收缩现象。结果表明，外加高频纵向磁场感应产生环向电场，形成环向电流，环向电流与外加纵向磁场作用产生径向洛伦慈力，导致电弧收缩
关键词：钨极情性气体保护焊：高频纵向磁场：数值模拟
中图分类号：TG444 0序言
文献标识码：A
文章编号：0253360X(2017)02006605
现象，为今后将高频纵向磁场应用于高速TIG焊提供有力支撑
由于电弧等离子体良好的导电性，提供了外部
磁场对它的可作用性。通过外部磁场可以改变电弧的形状和位置，控制电弧的运动行为，为采用外部磁场对焊接工艺进行控制提供了可能性．中国科学技术大学的白冰等人1,2建立了耦合阴极磁分散电弧数值模型，分析了耦合阴极对磁分散电弧位形的影响．西安交通大学的股咸青等人3建立了外加直流纵向磁场作用下的电弧熔池耦合数值模型，分析认为由于外加纵向磁场的作用，电弧等离子体作旋转运动，形成内外压力差，阳极表面上方出现等离子体回流区，使得电弧在阳极表面处发散：沈阳工业大学的常云龙等人4,3]系统地研究了外加直流和高频纵向磁场作用下的TIG焊电弧特性.试验表明，外加直流纵向磁场作用下的TIG焊电弧在阳极表面发散，阳极表面的电流密度及电弧压力分布呈现双峰分布，而外加高频纵可磁场时电弧收缩成柱状：该课题组还从磁场的不均勾分布及电子在不均匀磁场中的运动行为两方面出发，解释了直流纵向磁场时的电弧发散现象和高频纵向磁场时的电弧收缩行为.国内外关于高频纵向磁场作用下TIG焊电弧模拟和试验方面的研究较少，特别是关手高频收缩现象的理论解释部分．文中结合前面学者已有的分析，通过数值模拟的方法成功解释了这种电弧收缩
收稿日期：2015-06-17
基金项目：男客房羲学基金资助项目（51205179）；国家自然科学
基鉴资薪项目（51074084）
1数学模型 1.1基本假设
由于焊接电弧内部存在复杂的物理过程，为了简化计算，得到较为合理的电弧数学模型，作以下基本假设
（1）电弧等离子体为连续、层流的Newton流体，电弧等离子体处于稳态且满足局部热平衡（local thermodynamic equilibrium，LTE)状态
（2）在一个标准大气压下，保护气体（氩气）的密度、比热、热导率、粘度、电导率仅为温度的函数
（3）电弧是不可压缩的
（4）考虑交变磁场感应产生的交变电场而不考虑该交变电场感应产生的磁场.
（5）外加高频方波纵向磁场，感应电场波形为带尖峰的三角形波为了简化计算，认为感应电场波形为具有特定幅值（取感应电场的最大值）的方波。由于正负半周附加动量源项在数值和方向上没
有改变，数值计算上采用稳态计算 1.2控制方程
基于以上的假设，建立了三维坐标下的控制方程组.
质量守恒方程动量守恒方程
p+（pv)=0 ot
(1)