不同气氛下焊接电弧的模拟研究
发布时间:2019-07-11 10:58
【摘要】:用不同气氛的混合气体替代单一气氛的保护气体可以综合不同气氛下焊接的优点,改善他们的不足。本文运用ANSYS软件对不同氩-铁蒸汽气氛下和氩氦混合保护气氛下的GTAW焊接电弧进行了数值模拟,同时运用ANSYS CFX模拟了GMAW焊接过程中的金属蒸汽的质量分布。 本文在磁流体动力学以及有限元理论的基础上,建立了不同气氛下焊接电弧的三维数学模型,提出电弧模型的基本假设,给出不同气氛等离子体的热力学与输运性质参数,确定合理的边界条件,运用ANSYS的多物理场耦合功能依次顺序耦合电弧模型的电场、磁场和流场,并进行迭代循环计算。 不同氩-铁蒸汽气氛下的GTAW焊接电弧数值模拟的结果表明:铁蒸汽的加入能明显降低焊接电弧的温度;随着铁蒸汽含量的增加,氩-铁蒸汽混合气氛下的焊接电弧温度场温度明显降低,且当铁蒸汽的含量大于50%时,氩-铁蒸汽混合气氛下的焊接电弧的形态类似压缩电弧的形态。 氩氦混合保护气氛下的GTAW焊接电弧数值模拟的结果表明:纯氩气氛下的电弧呈钟罩型,而纯氦气氛下的焊接电弧形态呈球型,纯氦气氛下的电弧电压与温度场的平均温度都比纯氩气氛下的高;随着氦气含量的增加,氩氦混合气氛下的电弧电压先明显增加接着缓慢增加,并且只有当氦气的含量增加到75%以上时,混合气氛的电弧才表现出氦弧的特性。 利用ANSYS CFX流体软件模拟了GMAW焊接过程中的金属蒸汽的质量分布,结果表明:焊丝端头的金属蒸汽含量最大,并且沿着轴线方向逐渐降低。
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图片说明: (c) 50%Ar+50%Fe (d) 10%Ar+90%Fe图 3.5 不同氩-铁蒸汽混合气氛的电弧电流密度分布Fig 3.5 The current density distribution of different argon-iron vapour mixtures图 3.6 表示不同氩-铁蒸汽混合气氛下等离子体的电弧电势分布图。比较图 3.6 中a)、(b)、(c)、(d)可以发现,纯氩气氛下的电弧电压为 102.172V,而当铁蒸汽的含量0%时,混合气氛的电弧电压为 11.8019V,仅为纯氩气氛下电弧电压的十分之一左右后随着铁蒸汽含量的继续增加,混合气氛的电弧电压缓慢降低,但都与铁蒸汽的含 10%时的电弧电压相差不多。电弧弧柱区的温度在 5000K-30000K 范围内,电弧阳和阴极区相对电弧中心都属于低温区,温度在 2000K-3000K 范围内,从图 3.4(e)可出,纯氩在温度小于 5000K 时的电导率几乎为零,说明纯氩在低温的阴极区和阳极乎不电离,所以电弧电压很大;而 10%铁蒸汽在温度为 3000K 时的电导率为 1.2499S当 10%的铁蒸汽与纯氩气氛混合时,,尽管氩在低温的阴极区和阳极区不电离,但铁在低温的阴极区和阳极区却能很好的电离,所以混合气氛的电弧电压仅为 11.8019V
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图片说明: 31(c) 50%Ar+50%Fe (d) 10%Ar+90%Fe图 3.6 不同氩-铁蒸汽混合气氛的电弧电势分布Fig 3.6 The electrical potential distribution of different argon-iron vapour mixtures.6.2 磁场模拟结果图 3.7 表示不同氩-铁蒸汽混合气氛下等离子体的电弧磁感应强度分布图。焊接时电弧区会形成等离子体,等离子体中的带电粒子的定向运动形成电流,有电流通过生电场,而根据电磁理论,在产生电场的同时也会产生磁场,并且产生的磁场会对中的带电粒子有一个电磁力的作用。电弧等离子体中的电流方向是从阳极到阴极,右手螺旋定则可以判定磁感应线的方向,图 3.7 中磁感应线的方向与通过右手螺旋判定的磁感应线的方向相一致。
【学位授予单位】:中北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TG444
本文编号:2513107
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图片说明: (c) 50%Ar+50%Fe (d) 10%Ar+90%Fe图 3.5 不同氩-铁蒸汽混合气氛的电弧电流密度分布Fig 3.5 The current density distribution of different argon-iron vapour mixtures图 3.6 表示不同氩-铁蒸汽混合气氛下等离子体的电弧电势分布图。比较图 3.6 中a)、(b)、(c)、(d)可以发现,纯氩气氛下的电弧电压为 102.172V,而当铁蒸汽的含量0%时,混合气氛的电弧电压为 11.8019V,仅为纯氩气氛下电弧电压的十分之一左右后随着铁蒸汽含量的继续增加,混合气氛的电弧电压缓慢降低,但都与铁蒸汽的含 10%时的电弧电压相差不多。电弧弧柱区的温度在 5000K-30000K 范围内,电弧阳和阴极区相对电弧中心都属于低温区,温度在 2000K-3000K 范围内,从图 3.4(e)可出,纯氩在温度小于 5000K 时的电导率几乎为零,说明纯氩在低温的阴极区和阳极乎不电离,所以电弧电压很大;而 10%铁蒸汽在温度为 3000K 时的电导率为 1.2499S当 10%的铁蒸汽与纯氩气氛混合时,,尽管氩在低温的阴极区和阳极区不电离,但铁在低温的阴极区和阳极区却能很好的电离,所以混合气氛的电弧电压仅为 11.8019V
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图片说明: 31(c) 50%Ar+50%Fe (d) 10%Ar+90%Fe图 3.6 不同氩-铁蒸汽混合气氛的电弧电势分布Fig 3.6 The electrical potential distribution of different argon-iron vapour mixtures.6.2 磁场模拟结果图 3.7 表示不同氩-铁蒸汽混合气氛下等离子体的电弧磁感应强度分布图。焊接时电弧区会形成等离子体,等离子体中的带电粒子的定向运动形成电流,有电流通过生电场,而根据电磁理论,在产生电场的同时也会产生磁场,并且产生的磁场会对中的带电粒子有一个电磁力的作用。电弧等离子体中的电流方向是从阳极到阴极,右手螺旋定则可以判定磁感应线的方向,图 3.7 中磁感应线的方向与通过右手螺旋判定的磁感应线的方向相一致。
【学位授予单位】:中北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TG444
【参考文献】
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本文编号:2513107
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