温度场和流场的模拟

天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education
毕业论文
专业：材料成型及控制工程
班级学号：材料0912 - 09
学生姓名：***
指导教师：高莹讲师
二〇一四年六月
天津职业技术师范大学本科生毕业设计
TIG焊电弧温度场和流场的模拟Analog TIG welding arc temperature field and flow field
专业班级：材料成型及控制工程--材料0912
学生姓名：蔡言锋
指导教师：高莹讲师
学院：机械工程学院
2014 年6 月
摘要
钨极氩弧焊（TIG焊）是近代工业生产中应用比较广泛的一种焊接方法，这种焊接方法具有热影响区小、焊缝美观、易于控制等众多优点。

所以对TIG焊焊接技术进行数值模拟，能够更好的了解和控制整个焊接的过程，所模拟TIG焊电弧的温度场和流场具有重要的意义。

数值模拟技术应用广泛，本文就是采用有限元分析软件FLUENT，创建了符合实际的TIG焊自然燃烧电弧的有限元模型。

根据流体力学质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，选取合理的边界条件，得到了TIG焊电弧的温度场流场分布的变化规律图。

通过FLUENT的后处理结果能够对TIG焊电弧内部的一些温度场、流场等情况进行形象的表述。

基于自然燃烧的TIG焊接电弧的数值分析，有助于进一步理解焊接过程的物理实质，合理地选择焊接工艺和工艺参数，并为冶金分析提供进一步的理论依据。

为今后的理论研究和工业生产奠定基础。

关键词：TIG 焊；FLUENT 软件；数值模拟；电弧
Abstract
GTAW (TIG welding ) is a modern industrial production, used widely as a welding method, this method has a small weld heat-affected zone , weld appearance, easy to control , and many other advantages. So for TIG welding techniques to simulate , to better understand and control the entire welding process , the simulated temperature and flow field TIG welding arc is of great significance .
Numerical simulation of a wide range of technical applications, this paper is the use of finite element analysis software FLUENT, TIG welding creates realistic finite element model of the natural burning arc . According to hydrodynamic mass, momentum and energy conservation equations , selecting appropriate boundary conditions and the variations of temperature field in Figure TIG welding arc flow field distribution . Able for some temperature and flow fields, etc. TIG welding arc carried the image of the interior of expression through post-processing of results of FLUENT .
Numerical TIG welding arc burning natural -based analysis helps to further understand the physical substance of the welding process , a reasonable choice of welding processes and process parameters, and provides a theoretical basis for further metallurgical analysis. Lay the foundation for future theoretical research and industrial production.
Key Words：TIG welding; FLUENT software; numerical simulation; arc
目录
第1 章绪论 (1)
1.1 课题研究背景及意义 (1)
1.2 国外对TIG焊接电弧的研究 (1)
1.3 国内对焊接电弧的研究状况 (4)
1.4 本文研究的内容和意义 (5)
第2 章理论基础 (6)
2.1 焊接电弧 (6)
2.1.1气体原子的激发与电离 (6)
2.1.2电子发射 (7)
2.1.3弧柱区的导电特性 (7)
2.1.4电弧的力学特性 (8)
2.2 流体动力学基础 (8)
2.2.1 质量守恒定律 (8)
（2-1） (9)
2.2.2 动量守恒定律 (9)
2.2.3 能量守恒定律 (9)
2.3 FLUENT 软件简介 (9)
2.3.1 FLUENT 算法 (10)
2.3.2 FLUENT 计算流程 (11)
2.4本章小结 (11)
第3 章焊接的数值模拟及分析结果 (12)
3.1 焊接电弧的数学模型 (12)
3.1.1 基本假设 (12)
3.1.2 控制方程 ................................ 错误!未定义书签。

3.1.3 计算区域 ................................ 错误!未定义书签。

3.1.4 网格划分 ................................ 错误!未定义书签。

3.1.5 氩气的热物性性质 (13)
3.2 计算结果 (13)
3.2.1 温度场云图 (17)
3.2.2速度分布 (18)
3.2.3 速度矢量分布 (19)
3.2.4 电势分布 (19)
结论 (21)
参考文献 (22)
致谢 (24)
第 1 章绪论
1.1 课题研究背景及意义
作为先进制造技术的重要组成部分，焊接在国民经济的发展和国家建设中发挥了重要的作用。

焊接技术己经广泛应用于国民经济的各个部门，如机械工程、桥梁工程、建筑工程、压力容器、船舶工程、电子工程以及尖端的航天、航海和动力工程等领域，所以焊接技术的研究和发展水平，标志着一个国家工业和科技的现代化进程[1]。

在各种焊接方法中，电弧焊是应用最广泛的一种焊接方法，其中钨极氩弧焊是现代工业生产中应用十分广泛的电弧焊方法之一。

随着脉冲钨极氩弧焊的发展，对焊接生产的质量和效率提出了越来越高的要求。

然而在焊接过程中，电弧等离子体是一个电、热、光、磁、力等共同作用且相互制约的粒子流平衡体，依靠消耗外界的能量和质量维持其电热转换的过程[2]，因此电弧过程有许多未被认知的领域而受到国内外研究者广泛研究[3-5]。

由于焊接电弧是一个高温等离子体，难以通过常规的手段对其进行观察测量。

因此仅通过一系列实验或根据经验来获得可靠而经济的焊接结构是不精确的。

焊接过程是一个非常复杂的过程，国内对焊接过程的模拟与仿真主要围绕焊接熔池中的流体流动和热过程，焊接金属凝固和焊接接头的相变过程及焊后焊件变形的分析，而从事焊接电弧模拟的人很少，国内关于电弧模拟的资料更是少之又少。

TIG焊由于其稳定的电弧长度和较高的焊接质量应用越来越广泛，是较为理想的研究对象，因此我们对TIG焊接电弧进行模拟和研究，建立符合实际的电弧模型，提高和完善国内焊接电弧的理论水平，为工艺应用分析提供理论依据。

随着现代科学技术的发展，数学模型和数值模拟技术的地位显得越来越重要。

焊接的数值模拟有助于人们从更深层次上理解焊接过程的物理实质，模拟的结果有利于实现对焊接过程的控制。

利用数值方法计算焊接热过程，还可为合理的选择焊接方法和工艺参数以及进一步进行冶金分析和动态应力应变分析奠定基础。

1.2 国外对TIG焊接电弧的研究
在国外自七、八十年代就开展了对焊接电弧完整体系的数值研究和模拟。

K.C.Hsu[6,7]等对自由燃烧的高密度氩弧进行了研究。

尽管高电流密度、自由燃烧的氩弧已应用了很多年，但是对于综合模拟这种电弧的尝试受到了一些与电、磁、流体动力和热效应相互作用相关问题的阻碍，特别是在阴极附近，这种作用使得为模型分析选择现实的边界条件变得特别困难。

与低电流密度电弧相比，高电流密度电弧受由电弧自身引起的流体动力效应的支配。

电弧电流与自身的磁场导致等离子流喷射。

自由
电弧的阴极区起到电磁管道的作用，不断的从周围环境中吸入气体以气流的形式喷射到阳极。

阴极气流撞击到阳极，在阳极表面形成一个停滞层，最终导致钟形的自由燃烧的高密度电弧。

文中提出守恒方程来解决整个自由燃烧的电弧，包括阴极和阳极压降区。

最敏感的边界条件，近阴极区电流密度从测量熔化阴极尖端的尺寸导出。

因为等离子体的速度比声速低的多，忽略气体的压缩特性[8]，K.C.Hsu 等对于电弧模型的研究基于下面的假定：
(1) 电弧是局部热动态平衡的。

(2) 电弧是稳定的、连续的、对称的并且是光学薄的，流动是处于层流状态的（所谓光学薄的是指辐射热的重新吸收与总的辐射热损失相比是可以忽略的：对于电弧稳定性的理解是电弧在某一特定的条件下，长时间地、连续地保持其宏观状态和性能不变[9]）
(3) 重力和由于粘性效应导致的热损失忽略不计。

J.McKELLIGET等[11]对焊接电弧的热传递和流体流动做了认真的分析和研究。

其建立的电弧模型与上述K.C.Hsu建立的模型近似。

区别是J.McKELLIGET将阴极表面假定为平表面。

在对阴极区的处理上假定通过阴极表面的电流密度是恒定的。

J.McKELLIGET等人考虑了阳极区行为，进行必要的处理：由于熔池表面的流体速度(~0.5m/s)要比等离子气体在熔池表面的速度(~10m/s)小的多，这样熔化表面相对于气体喷射是稳定的。

阳极表面温度为1000K 。

从等离子气流到阳极进行的热传递有对流热传递电子流动热传、递辐射热传递、热损失是由于阳极材料的蒸发造成的，在文中将其忽略。

M.C.TSAI等[12]基于不同电极形状对电弧的热传递和流体流动做了分析。

由于先前的文章中一般都把电极形状近似为楼梯式的或者是平坦的。

电流通过电极的圆锥表面进入电极的部分没有考虑计算。

而且由于先前保护气体喷嘴也没有被考虑过，故而文中对尖端和平坦的电极做了分析和研究。

计算结果发现在电极锥角600左右或者小于600 电弧呈现通常所说的铃形，电弧的热传递和流体流动对于电极尖端圆锥表面的电流分布是十分敏感的。

但是保护气体喷嘴的存在对于电弧等离子体的速度和温度分布并没有太大的影响。

J.J.Lowke等[13]对自由燃烧的弧柱理论进行研究的同时考虑了阴极的影响。

先前的研究中大都是先假定阴极的状况，也就是说给定阴极电流密度，而J.J.Lowke等人采用的模型中阴极电流的密度是通过计算得来的。

由于阴极鞘层区很薄（大约0.02mm）故而文中忽略了对近阴极区非平衡鞘层区的讨论。

流场和热场的计算结果与实验值是基本吻合的。

当自由燃烧电弧的阳极在高热流的作用下蒸发时，蒸发出来的阳极材料的蒸气将进入等离子体，从而改变等离子体的热物理性质和电导率，影响自由燃烧电弧本身的特性。

Etemadi[14]Dunn[15,16]分别对阳极（铜）蒸发对自由燃烧的氩弧的影响进行了实
验研究并把结果和表面无蒸发其他条件相同时的实验结果进行了比较。

Gonzalez[17]和Zhao[18]则采用数值模拟的方法研究该问题，建立了有金属蒸气存在时自由燃烧电弧的数学模型，计算区域包括了弧柱区和阳极区。

并且假定电弧弧柱和阳极交界的界面为刚性表面。

实验与数值模拟结果表明，阳极蒸发产生的金属蒸气由于受到等离子流的抑制，集中在自由燃烧电弧的近阳极区和电弧的边缘区域。

由于汽化潜热的吸收，阳极金属蒸气对近阳极区电弧有冷却作用，而电弧阴极区和电弧核心区电流密度几乎不受铜蒸气的影响。

Peiyuan.Zhu等[19]对自由燃烧电弧的阳极表面温度做了预测。

着重阐述了阳极特性的自由燃烧电弧模型。

分析是基于前人所建立的统一的电弧电极体系处理方法。

并且对阳极非平衡鞘层区做了研究，但是是用近似的方法来处理的。

对于TIG焊来讲，在阴极电子从一小的、热的区域（阴极斑点）被发射出来，电子从阴极向阳极移动。

从阴极斑点电子径向发散并沿轴向向阳极移动。

在阴极附近高电流密度产生很大的电磁力，这导致阴极喷射。

阴极喷射和焦耳热共同作用产生阳极表面的对流热流和压力。

在阳极电子流被压缩产生能量与阳极材料的性质有关。

阳极热流中电子流的贡献占整个阳极热流的70%。

目前阴极区和阳极区往往单独孤立出来进行研究。

Minnesota大学高温实验室多年来对阳极传热[及近阳极区的流动与传热进行了实验与理论研究，包括测定阳极压降和阳极传热量，建立阳极附近收缩区基于LTE和双温度的数学模型等，但阳极区的复杂物理现象尚不能完美的加以模拟。

阴极区有电子发射，场致电离，离子轰击阴极表面等复杂过程，至今研究的还很不够，J.W.Mckelliget[20]建立的关于钨极氩弧焊热阴极的数学模型，考虑了阴极内的热传导和焦耳产热、热电子发射、鞘层内的离子流以及阴极和电弧等离子体之间的辐射热交换。

Robet.Ducharme等[21]在考虑了保护气体流和阴极斑点位置的情况下建立了电弧数学模型。

当电弧长度为10mm时电极尖端的阴极斑点是不稳定的，此时测量稳定分布是很困难的。

当电弧长度为5mm时，阴极斑点相对稳定。

阴极斑点的位置依赖于冷却气体从电极周围进入电弧的速度。

这种流动是影响阴极附近电弧半径的另一因素。

文中在强调电极形状和电极表面电流密度分布的情况下分析焊接电弧。

因为电极形状是曲线的，并且尺寸非常小，用直角坐标很难表述电极轮廓，故而此文采用了边界匹配坐标来精确描述电极表面。

所谓边界匹配就是按照边界的形状对计算区域进行网格划分，而后与直角坐标之间进行转换。

这种模型也为焊接熔池模拟提供了数值分析手段。

W-H.KIM等[22]在考虑阴极形状和熔池自由表面形状的基础上对TIG 焊接电弧进行分析。

熔池表面的变形情况是基于先前实验测得的结果。

其研究结果表明对于变形了的阳极表面其电流和热流密度分布由于熔池表面的压痕凹陷产生两种统计方式，不
再符合高斯分布。

阳极表面的电流和热流随着阴极锥角的减小而增大但是在大电流的情况下锥角对其分布影响不明显。

应用边界匹配坐标对脉冲TIG 焊电弧进行了数值分析。

结果表明在脉冲和基值电流持续时间内，焊接电弧是稳定的。

在脉冲电流持续时间内电弧形态是典型的钟罩形，而在基值电流持续时间内，电弧形态并不呈现钟罩形态。

脉冲电流增大时，相对应的阳极中心峰值电流密度和电弧压力增大，基值电流增大时，阳极中心基值电流密度和电弧压力增大。

弧长增大，阳极中心电弧压力几乎没有受到影响。

焊接电流波形发生跃变时，电弧等温线、阳极中心电流密度和电弧压力的变化并不是一步到位，存在着滞后性。

对TIG焊电弧压力进行了数值模拟。

电弧压力的产生是因为电弧呈锥形，阴极电流密度高，而阳极电流密度低，因而阴极的电磁力很大而在阳极的电磁力很小，这种阴极和阳极电磁力的差异产生自上而下的轴向力，推动流体沿轴向向下流动高速冲向阳极。

电弧中的流体起初是沿着阴极斜面向内和向下流动而后是轴向对称向下，由于阳极的停滞效应使得流体变形沿径向向外流动。

高速的粒子的冲击的结果使得阳极表面承受所谓的电弧压力。

影响电弧压力的因素有：焊接电流、电极锥角、电弧长度。

焊接电流越大，电弧压力越大；电极锥角越小，电弧压力越大。

以上所有的分析和研究都是针对TIG焊接电弧的行为研究。

因为在TIG焊的电弧燃烧过程中，电极是不熔化的，这样就能保持弧长稳定，另外用氩气作为保护气体，氩气介质，电弧特性以及熔池流体对电弧行为的影响小，电弧稳定使得氩气弧柱和熔化的熔池很容易保证焊道质量。

TIG焊应用广泛，焊接过程理论分析的影响因素相对较少，大部分的研究集中于TIG焊。

上述所有的研究得出的结论是阳极电流和热流密度分布基本上服从高斯分布。

并把此种分布情况应用与对熔池的研究中。

综上所述，上述的研究大部分都存在如下的缺陷：(1)没有考虑尖锥形阴极形状；
(2)假定阴极斑点电流密度恒定；(3)没有考虑阴极和阳极微量元素的蒸发引起的影（然而根据实验结果微量元素的蒸发不会对电弧温度的影响很小）；(4)对于阴极区和阳极区的处理还没有形成统一的认识等。

1.3 国内对焊接电弧的研究状况
国内学者对焊接电弧的研究起步相对比较晚，其中相当部分集中对焊接电弧的参数及电弧控制进行的研究[23~24] 。

另一部分是集中对焊接电弧力场（电磁力、等离子流力和电弧压力）的分析和实验研究[25~27] 。

贾昌申等[28]还对外加磁场中的焊接电弧行为做了研究，分析了焊接电弧在磁场中的运动机制。

对焊接电弧整体行为的研究和数值分析是近几年才开始的。

范红刚[29,30]对直流、脉冲GTA焊接电弧进行了数值分析和研究，建立了TIG电弧模型，其数学模型与前面在国外焊接电弧模拟中的提到的模型是近似的但是对脉冲焊接电弧的研究却是与前面有所不同。

樊丁[31]等对TIG电弧传
热传质过程进行了数值分析，建立了完善的电弧传热传质数学模型与众不同的是文中用K- 处理紊流问题。

1.4 本文研究的内容和意义
由于电弧等离子体的极端温度条件，电弧参量的实验测定极其困难，而数值模拟则可在一定模型下提供完整的流场、热场及热物理参数信息。

实验研究是数值模拟可靠性的保证，数值模拟是实验研究必要的补充。

本文采用数值模拟和实验研究相结合的方法，研究直流TIG焊电弧电场和流场分布。

本文研究工作具体内容如下：
（1）建立直流TIG焊焊接电弧的数学模型及其数值解法
电弧等离子体是一种导电的流体可以通过流体，力学和电磁学相结合的方法对它进行研究。

与非电离气体的情况明显不同，描述等离子体流动和传热的磁流体动力学方程组中的物性参数是随温度变化的变量，以及动量方程中洛伦茨力，能量方程中焦耳热，电流引起的能量输送，单位面积辐射功等源项的出现使方程高度非线性，而且这些方程要与麦克斯韦方程的求解同时进行，增加了求解的难度。

（2）直流TIG焊电弧的分析模拟
电弧焊的广泛应用要求人们加深对电弧发生的基本现象的认识和理解。

本文采用数值方法(ANSYS 软件)研究直流TIG 焊电弧的温度场和速度场分布规律，分析焊接规范参数对普遍关注的电弧阳极行为的影响。

具体内容如下：a.运用建立的电弧数学模型，通过数值模拟考察焊接电流、弧长对阳极表面电流密度径向分布的影响，并与实验结果比较：b.电弧等离子体流速矢量分布分析以及阳极电弧压力产生机制的直观描述：c.运用建立的电弧数学模型，通过数值模拟考察焊接电流、弧长、阴极尖端形状对阳极电弧压力分布的影响，并与实验结果比较。

第 2 章理论基础
焊接过程是一个复杂的过程，它涉及到电弧物理、传热、冶金和机械工程的变化过程。

焊接现象针对传热、金属的熔固、凝固、冷却及应力形状的变化。

焊接的原理内部清楚的认识，将继续在焊接过程中的发展。

因此，焊接电弧和熔池的数值模拟之前必须充分了解基本的内部电弧和熔池流体力学等的基本规律。

2.1 焊接电弧
焊接电弧也是一种气体放电现象，不过它发生在电极与焊件之间而已。

电弧焊就是利用焊接中电弧放电时产生的热量来加热，熔化焊条（焊丝）和母材，使之形成焊接接头。

电弧是电弧焊接的热源。

在夏天，我们常看到天空中的闪电，这是一种气体放电现象。

在两电极之间的气体介质中，强烈而持久的放电现象称为电弧。

电弧放电时产生高温(温度可达6000℃)和强光。

人类认识了这种现象，并将其应用于工业生产中。

电弧高热可用以进行电弧切割、碳弧气刨以及电弧炼钢等；电弧的强光能照明(如探照灯)或用弧光灯放映电影等。

焊接电弧的产生的论述：气体原子的激出、电离和电子发射中性气体原来是不能导电的，为了在气体中产生电弧而通过电流，就必须使气体分子(或原子)电离成为正离子和电子。

而且，为了使电弧维持燃烧，要求电弧的阴极不断发射电子，这就必须不断地输送电能给电弧，以补充能量的消耗。

气体电离和电子发射是电弧中最基本的物理现象。

2.1.1气体原子的激发与电离
如果气体原子得到了外加的能量，电子就可能从一个较低的能级跳跃到另一个较高能级，这时原子处于“激发”状态。

使原子跃为“激发”状态所需的能量称为激发能。

气体原子的电离就是使电子完全脱离原子核的束缚，形成离子和自由电子的过程。

由原子形成正离子所需的能量称为电离能。

在焊接电弧中，根据引起电离的能量来源，有以下3种形式：
(1)撞击电离。

是指在电场中，被加速的带电粒子(电子、离子)与中性点(原子)碰撞后发生的电离。

(2)热电离。

是指在高温下，具有高动能的气体原子(或分子)互相碰撞而引起的电离。

(3)光电离。

是指气体原子(或分子)吸收了光射线的光子能而产生的电离。

气体原子在产生电离的同时，带异性电荷的质点也会发生碰撞，使正离子和电子
复合成中性质点，即产生中和现象。

当电离速度和复合速度相等时，电离就趋于相对稳定的动平衡状态。

一般地，电弧空间的带电粒子数量越多，电弧越稳定，而带电粒子的中和现象则会减少带电粒子的数量，从而降低电弧的稳定性。

2.1.2电子发射
在阴极表面的原子或分子，接受外界的能量而释放出自由电子的现象称为电子发射。

电子发射是引弧和维持电弧稳定燃烧的一个很重要的因素。

按其能量来源不同，可分为热发射、光电发射、重粒子碰撞发射和强电场作用下的自发射等。

(1)热发射。

物体的固体或液体表面受热后，其中某些电子具有大于逸出功的动能而逸出到表面外的空间中去的现象称为热发射。

热发射在焊接电弧中起着重要作用，它随着温度上升而增强。

(2)光电发射。

物质的固体或液体表面接受光射线的能量而释放出自由电子的现象称为光电发射。

对于各种金属和氧化物，只有当光射线波长小于能使它们发射电子的极限波长时，才能产生光电发射。

(3)重粒子撞击发射。

能量大的重粒子(如正离子)撞到阴极上，引起电子的逸出，称为重粒子撞击发射。

重粒子能量越大，电子发射越强烈。

(4)强电场作用下的自发射。

物质的固体或液体表面，虽然温度不高，但当存在强电场并在表面附近形成较大的电位差时，使阴极有较多的电子发射出来，这就称为强电场作用下的自发射，简称自发射。

电场越强，发射出的电子形成的电流密度就越大。

自发射在焊接电弧中也起着重要作用，特别是在非接触式引弧时，其作用更加明显。

综上所述，焊接电弧是气体放电的一种形式，焊接电弧的形成和维持是在电场、热、光和质点动能的作用下，气体原子不断地被激发、电离以及电子发射的结果。

同时，也存在负离子的产生、正离子和电子的复合。

显而易见，引燃焊接电弧的能量来源主要靠电场及由其产生的热、光和动能，而这个电场就是由弧焊电源提供的空载电压所产生的。

焊接电弧的引燃的论述：焊条与焊件之间是有电压的，当它们相互接触时，相当于电弧焊电源短接。

由于接触点很大，短路电流很大，则产生了大量电阻热，使金属熔化，甚至蒸发、汽化，引起强烈的电子发射和气体电离。

这时，再把焊丝与焊件之间拉开一点距离,这样，由于电源电压的作用，在这段距离内，形成很强的电场，又促使产生电子发射。

同时，加速气体的电离，使带电粒子在电场作用下，向两极定向运动。

弧焊电源不断的供给电能，新的带电粒子不断得到补充，形成连续燃烧的电弧。

2.1.3弧柱区的导电特性
弧柱是包含大量电子、正离子等带电粒子和中性粒子等聚合在一起的气体状态，。