直流与交流TIG焊等离子体行为数值模拟研究

发布时间：2020-08-07 17:15

【摘要】：TIG焊作为一种常用的焊接方法,在生产中得到广泛的应用。由于其焊接质量高,焊缝质量好,在对焊接质量要求较高的焊接中经常使用。在对于镁、铝及其合金的焊接中,由于材料自身属性的原因,极易被氧化。在焊接过程中,母材表面的氧化物对焊接质量、焊缝的成型影响严重。在对于镁、铝及其合金的焊接时,经常用到直流反接TIG焊或者交流TIG焊。采用直流反接TIG焊时,母材作为阴极,电弧中质量较大的阳离子向阳极流动,对阳极表面产生较大的冲击,可以对母材表面产生的氧化膜进行清理,从而提高焊接效率和焊接质量。但是在直流反接焊接中钨极作为阳极,电子向阳极流动,使得阳极温度升高,从而使钨极烧损。在交流TIG焊接中,钨极为负极性半周期时,阴极发射电子带走部分能量,钨极温度较低,可以用作对电极正极性半周的钨极进行冷却。采用不同焊接方式其等离子体特性不同。本文将采用数值模拟的手段,对直流焊和交流焊中等离子体的运动状态进行研究,并分析直流正接、直流反接和交流TIG焊的电弧特性。首先,建立针对TIG焊焊接条件进行分析,建立二维轴对称模型。采用磁流体力学方程组和麦克斯韦方程组针对焊接过程建立数学模型。使用Fluent软件选择压力计求解器,采用Simple算法对直流正接和直流反接TIG焊进行稳态计算,同时针对交流TIG焊进行瞬态计算。然后,比较了直流正接和直流反接时的TIG电弧等离子体特性的计算结果,并分析了电弧电流变化对其特性的影响规律。结果表明:相对于直流正接时,直流反接时的电弧等离子体表现为一定程度的收缩,其温度、电势、压力、电流密度及速度均有所升高,且温度梯度和压力梯度都很大,电弧高温区更接近钨极,母材表面的压力、电流密度、热流密度也都增大,钨极表面温度甚至能达到钨极熔点以上。随着电弧电流增大,不论直流正接还是直流反接时电弧等离子体的温度、电势、压力、电流密度及速度都增大。最后,针对交流方波TIG电弧,研究了等离子体特性随时间的演变过程,并分析了电弧电流变化对其的影响规律。结果表明:交流方波TIG电弧的等离子体特性呈现周期性变化过程。电流过零时的等离子体温度、电势、压力和流速等特性都远小于稳定电流时的数值。电极正极性半周的数值都高于电极反极性半周的,且弧柱高温区更靠近钨极。电流过零时,电流上升沿的温度、电势、压力和流速都低于电流下降沿的。随着电流增大,等离子体的温度、电势、压力和流速都升高。电流过零后达到稳定状态的过程中,等离子体特性变化相对于电流变化都存在一定的延迟性,并且电弧电流越大,这种延迟性越明显。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG444.74

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