氮氩气体保护的TIG焊接电弧等离子体流场的数值分析

以直流TIG焊接电弧为对象,依据磁流体动力学理论构建电弧的数学模型,运用ANSYS有限元分析软件对二维稳态下轴对称的、氮氩混合气体保护的TIG焊接电弧进行了数值分析,得到了ψ(N2)50% Ar混合气体保护下焊接电弧的温度场、速度场的形态分布特征.分析表明,氮氩电弧的最高温度出现在近阳极区域,电流密度、等离子体速度和电弧压力的最大值均出现在近阴极区.同时分析了不同电流、弧长对阳极表面电流密度的分布的影响,随着电流的增大,阳极表面电流密度增大,而随着弧长的增大,电流密度减小.     

氩氢保护下GMAW电弧特性的数值分析

以氩氢混合保护气GMAW焊接电弧为研究对象,依据流体动力学和电磁学理论构建了电弧的数学模型。使用有限元分析软件进行了热、电磁和流场的耦合计算,研究了二维稳态轴对称氩氢混合保护气下的GMAW焊接电弧形态,得到了Ar:H_2=3:1(摩尔比)混合气体保护下不同工艺参数焊接电弧的温度场、速度场、压力场和电势的分布特征,并与纯氩保护下GMAW焊接电弧特征进行对比。结果表明,加入氢气作为保护气体,电弧最高温度、速度、压力和电势都明显提高。另外,与纯氩相比,弧柱的高温区在中心轴线处更集中,且焊接电弧能量密度更高。     

氮氩气体保护TIG焊接电弧数值分析

以TIG焊接电弧为对象,依据磁流体动力学理论构建电弧的数学模型,运用ANSYS有限元分析软件对二维稳态下轴对称的、氩氮混合气体保护的TIG焊接电弧进行了数值分析,得到了50%N2 Ar混合气体保护下焊接电弧的温度场、速度场的形态分布特征.并通过与纯氩气保护的TIG焊接电弧温度、压力以及等离子体速度等分布的比较,得出了加入氮气作为保护气体时,TIG焊接电弧能量及形态的分布变化.对比结果表明,加入氮气作为保护气体提高了TIG焊接电弧的电弧温度、等离子体速度和电弧压力,能得到更高能量密度的焊接电弧.     

保护气对焊接电弧行为与热输出特性的影响北大核心

为提高传统非熔化极惰性气体保护焊电弧的电弧力和能量密度,提出保护气为氦气的氦弧;试验中利用高速摄像记录氦弧的电弧形态,同时对电弧力和电流密度进行测量计算,并与传统氩弧进行分析对比。结果表明,在同一参数下氦弧同一截面直径明显小于传统氩弧;且氦弧电弧力的最大值大于传统氩弧;相同条件下氦弧的电流密度比传统氩弧更加集中。为对比焊接效果,在Q235钢板上做定点烧蚀试验,并对阳极表面熔池尺寸和焊接接头的晶粒度进行分析。试验结果表明,与传统氩弧相比,氦弧在焊接接头的熔深和熔宽都偏大,但晶粒度平均等级小于氩弧。     

保护气对焊接电弧行为与热输出特性的影响

为提高传统非熔化极惰性气体保护焊电弧的电弧力和能量密度,提出保护气为氦气的氦弧;试验中利用高速摄像记录氦弧的电弧形态,同时对电弧力和电流密度进行测量计算,并与传统氩弧进行分析对比。结果表明,在同一参数下氦弧同一截面直径明显小于传统氩弧;且氦弧电弧力的最大值大于传统氩弧;相同条件下氦弧的电流密度比传统氩弧更加集中。为对比焊接效果,在Q235钢板上做定点烧蚀试验,并对阳极表面熔池尺寸和焊接接头的晶粒度进行分析。试验结果表明,与传统氩弧相比,氦弧在焊接接头的熔深和熔宽都偏大,但晶粒度平均等级小于氩弧。     

氩氮混合等离子焊接电弧的数值分析

以直流正极性氩氮混合工作气体等离子焊接电弧为研究对象,依据磁流体动力学理论构建电弧的数学模型,运用有限元分析软件ANSYS建立了三维稳态下轴对称的、氩氮混合工作气体的1/2等离子焊接电弧的数学模型,得到了焊接电弧的温度场、电场、电磁场、速度场的形态分布特征.分析了氩氮混合工作气体等离子弧的特性,并与纯氩气时的等离子弧的温度场及阳极热流密度分布进行了对比.结果表明,采用混合离子气时,等离子电弧的弧心最高温度相对于纯氩气时有所提高,另外弧柱区的高温区向阳极偏移,阳极的热流密度相对增加.     

基于光谱诊断的氩氮TIG焊电弧物理特性分析

混合气体保护焊能够提高焊接质量及生产效率，由于混合气体保护焊电弧成分复杂多变，对其物理性能等的研究具有一定的难度. 文中以氩氮混合气体钨极惰性气体保护焊（TIG焊）电弧为研究对象，采用双电荷耦合元件（CCD）电弧光谱图像采集试验系统，获取氩氮混合气体TIG焊电弧Ar I及N I的特征谱图像的动态分布；结合双元素双组分标准温度法对不同浓度（50%Ar + 50%N₂，80%Ar + 20%N₂及100%Ar）的氩氮电弧进行光谱诊断. 结果表明，电弧半径最高收缩50%左右，温度最高升高12%. 通过对氩氮电弧物理性能的定量分析为研究混合气体保护焊焊缝成形的本质奠定了理论基础.     

纵向磁场下GTAW电弧传热与流动数值模拟

针对外加纵向磁场(LMF)下的焊接电弧的传热与流动特性,建立基于磁流体动力学的二维轴对称数学模型,将流体动力学理论与麦克斯韦方程组进行耦合对电弧的温度场、电势场、电弧压力以及电流密度等进行求解,又分别对磁感应强度为0与0.06 T下的阳极热进行定量分析与对比. 结果表明,外加LMF驱动带电粒子旋转并使电弧扩张,其中心出现负压并形成反重力流将阳极热汇聚于阴极附近,同时电弧因高速旋转增大热对流损失,降低焊接热效率.当磁感应强度为0.06 T时,阳极表面的电流密度、热流密度以及电弧压力等由中心分布转化为双峰分布模式.     

钨极氦弧焊接电弧的数值分析

以钨极氦弧焊接电弧为研究对象,根据磁流体动力学理论和局部热动态平衡假设,构建静止电弧的三维数学模型,通过求解质量、动量、能量、电场和磁场方程,得到了电弧形态的分布情况。所得计算结果与试验情况相当吻合,并与钨极氩弧焊接进行比较。同时,对等离子速度场以及电弧压力和电流密度进行了数值计算;文中进一步分析了不同电流和弧长对电弧温度、等离子速度和阳极电流密度的影响。结果表明,钨极氦弧焊对提高阳极的热输入有利,但钨极氦弧焊的电弧在轴向上的速度梯度大,压强梯度大,致使其电弧不稳定。     

基于图像分析的焊接电弧空间电流密度分布测量

焊接电弧空间电流密度分布是反映电弧热-力耦合作用、影响焊接冶金与成形质量的重要因素之一.文中提出了一种针对非熔化极气体保护焊（gas tungsten arc welding, GTAW）电弧的电流密度空间分布的测量方法:首先通过拍摄GTAW电弧在一定特征谱线波长上的图像,利用标准温度法计算得到电弧空间温度场的分布;然后通过建立电势场偏微分方程,根据温度与电导率的关系、边界条件、截面电流守恒条件,求解得到电流密度分布.经对比,该方法计算所得电流密度与文献中同等条件试验测得数据具有较好的一致性.该方法采用非侵入式方法实现电弧电流密度分布的测量,为实现焊接过程的实时监测和质量控制提供了技术基础.     

工艺参数对等离子喷枪内电弧波动影响的三维数值模拟

基于局域热力学平衡假设,建立了三维非稳态等离子电弧的湍流模型,运用计算流体力学软件ANSYS CFX系统地模拟了电弧电流、氩气流量和氢气流量对氩/氢等离子喷枪内电弧波动的影响.结果表明,当电流小于600 A时,增大电流,电弧柱缩短,平均电弧电压和电压波动幅度减小,波动频率升高.当电流大于600 A时,增大电流对电弧波动基本没有影响.增加氩气流量或氢气流量均使得电弧柱增长,平均电弧电压和电压波动幅度增大,波动频率降低.三种工艺参数相比,氢气流量对电弧波动的影响最大,氩气流量次之,电弧电流影响最小.     

Dimensionless representation of the column characteristics and weld pool interactions for a DC argon arc

ABSTRACT

The column characteristics and weld pool interactions for a DC argon arc in a GTAW configuration are represented by dimensionless correlations. Arc was described by a numerical model, considering currents between 200–300 A and arc lengths between 5–10?mm. The arc, defined as the loci of the 10,000?K isotherm, was found to display a parabolic shape; whose parameters are independent of current and arc length. Arc column temperature, velocity, and magnetic field are scaled with the width of the arc and a maximum that can also be predicted with a dimensionless approach. Arc-melt interactions include arc pressure, heat and current fluxes, and shear stress are also captured in dimensionless form. Scaling results compare well to numerical and experimental results reported.     

水下焊接高压空气环境下GTAW电弧特性

利用自制的高压干法水下焊接模拟试验平台,首次系统研究了高压空气环境下GTAW电弧特性.结果表明,空气环境下GTAW电弧的安全压力范围可高达0.7 MPa;高压空气环境下的GTAW电弧电压值为12～19 V,略高于同样压力的氩气环境下氩弧值,其电弧静特性在电流大于50 A时呈上升特性;随着空气环境压力升高,GTAW电弧的弧柱电场强度与阴阳极压降增加,导致电弧静特性曲线上移,其上升率约为5～10 V/MPa.在试验数据的基础上,建立了高压空气环境下的GTAW电弧电压数学模型,该数学模型可用于综合分析计算电弧长度、环境压力和焊接电流对GTAW电弧电压的影响.     

电流参数变化对电弧温度场和速度场的影响

基于自由燃烧的钨极氩弧焊电弧的传热和流体流动,建立了二维稳态的轴对称模型.在此基础上对电流参数改变所引起的电弧热物理过程进行了计算,得出了改变电流参数条件下电弧温度场和速度场的分布,并分析比较了计算结果.结果表明,电流的增加引起了电弧输入能量的增加,带来了电弧整体参数的提高,与经典电弧理论基本吻合.方程的求解采用的是以SAMPLE算法为基础编写的通用热流计算软件PHOE-NICS(parabolic hyperbolic or elliptic numerical integration code series).     

反极性弱等离子弧堆焊基本特性的分析

对反极性弱等离子弧堆焊基本特性进行了研究,分析了反极性弱等离子电弧的能量密度在不同气体流量和气体含量下的变化规律、电弧压力径向分布特性、电弧的热特性、反极性弱等离子弧的燃烧稳定性及静特性等特点.结果表明,反极性弱等离子弧具有较均匀的电弧压力,弧底部的电压径向分布、电流径向分布和阴极斑点的分布三者一致,均呈凹形分布,阴极斑点能量约占电弧有效能量50%,有90%以上的电流分布在内圆直径10 mm的圆环区,通过保护气流可以控制能量密度.反极性弧的阴极雾化作用有效地改善了堆焊金属与基体金属的结合状况.这就使得反极性弱等离子弧成为异种材料堆焊领域中一种理想的热源.     

Simulation analysis of double arc in plasma arc welding

Aimed at plasma arc welding, a mathematic model was established according to the theory of magnetic fluid dynamics. The model was numerically analyzed by ANSYS software. The temperature, current density and plasma velocity distributions of normal arc had been simulated and compared with those of double arc. The results show that the appearance of double arc has made the temperature of the nozzle rise up to 5 000 K. The appearance of side arc could make the current density of the main arc decrease, and also make the maximal temperature of the arc reduce.     

不锈钢活性剂等离子弧焊焊接电弧

针对活性剂等离子弧焊焊接过程,对焊接电弧外形的变化,焊接电弧电压与活性剂之间的关系进行了研究,采用红外热像伪着色法测定了活性剂等离子弧焊焊接电弧温度场,并建立了活性剂等离子弧焊焊接电弧热流密度径向分布模型.研究结果表明,活性剂等离子弧焊焊接电弧收缩,弧尾翼消失,尾焰加大,电弧穿透力增强,电弧电压升高;活性剂等离子弧焊焊接电弧的温度分布比较紧凑,温度场外形窄,温度分布范围较集中,电弧径向温度梯度较大;电弧径向温度分布呈现正态Gauss分布模式;使用活性剂后的焊接接头性能与未使用活性剂焊接接头相当.     

一种基于亚射流的PMIG焊电弧电压控制方法

针对熔化极脉冲氩弧焊(PMIG焊)主要采用恒流控制和等速送丝的焊接方式,提出了一种基于亚射流的PMIG焊电弧电压控制方法;其控制原理是对每个脉冲周期的平均电弧电压进行检测,当平均电弧电压在亚射流区域内,则完全依靠其在亚射流区域内固有的自身调节能力进行调节,当平均电弧电压超出亚射流区域后,在其它焊接参数不变的条件下,通过改变基值时间来改变脉冲周期内的平均电流值,从而改变焊丝熔化速度,提高电弧调节能力和抗扰动能力.结果表明,采用该控制方法可以显著改善焊接电弧的动态响应特性,有效抑制电弧电压的扰动,焊缝成形均匀一致.     

工艺参数对空心阴极真空电弧电子温度影响

为了研究空心阴极真空电弧等离子体特性,通过光谱仪获得了空心阴极真空电弧的发射光谱分布,同时利用相对强度法计算了电子激发温度.结果表明,空心阴极真空电弧等离子体主要由氩离子、氩原子构成;随着放电气压的降低和焊接电流的增加,空心阴极真空电弧的离子浓度逐渐增加;在一定气体流量下,空心阴极真空电弧的电子激发温度随着焊接电流的增加而升高;在低气体流量、大焊接电流时,电子激发温度较高;随着放电气压的升高,空心阴极真空电弧的电子激发温度逐渐降低.当焊接电流较大和气体流量较低时,空心阴极真空电弧的轴线附近的氩离子谱线强度较高,并且其径向分布梯度较大.