【摘要】：用不同氣氛的混合氣體替代單一氣氛的保護(hù)氣體可以綜合不同氣氛下焊接的優(yōu)點(diǎn)，改善他們的不足。本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)不同氬-鐵蒸汽氣氛下和氬氦混合保護(hù)氣氛下的GTAW焊接電弧進(jìn)行了數(shù)值模擬，同時(shí)運(yùn)用ANSYS CFX模擬了GMAW焊接過程中的金屬蒸汽的質(zhì)量分布。 本文在磁流體動(dòng)力學(xué)以及有限元理論的基礎(chǔ)上，建立了不同氣氛下焊接電弧的三維數(shù)學(xué)模型，提出電弧模型的基本假設(shè)，給出不同氣氛等離子體的熱力學(xué)與輸運(yùn)性質(zhì)參數(shù)，確定合理的邊界條件，運(yùn)用ANSYS的多物理場(chǎng)耦合功能依次順序耦合電弧模型的電場(chǎng)、磁場(chǎng)和流場(chǎng)，并進(jìn)行迭代循環(huán)計(jì)算。 不同氬-鐵蒸汽氣氛下的GTAW焊接電弧數(shù)值模擬的結(jié)果表明：鐵蒸汽的加入能明顯降低焊接電弧的溫度；隨著鐵蒸汽含量的增加，氬-鐵蒸汽混合氣氛下的焊接電弧溫度場(chǎng)溫度明顯降低，且當(dāng)鐵蒸汽的含量大于50%時(shí)，氬-鐵蒸汽混合氣氛下的焊接電弧的形態(tài)類似壓縮電弧的形態(tài)。 氬氦混合保護(hù)氣氛下的GTAW焊接電弧數(shù)值模擬的結(jié)果表明：純氬氣氛下的電弧呈鐘罩型，而純氦氣氛下的焊接電弧形態(tài)呈球型，純氦氣氛下的電弧電壓與溫度場(chǎng)的平均溫度都比純氬氣氛下的高；隨著氦氣含量的增加，氬氦混合氣氛下的電弧電壓先明顯增加接著緩慢增加，并且只有當(dāng)氦氣的含量增加到75%以上時(shí)，混合氣氛的電弧才表現(xiàn)出氦弧的特性。 利用ANSYS CFX流體軟件模擬了GMAW焊接過程中的金屬蒸汽的質(zhì)量分布，結(jié)果表明：焊絲端頭的金屬蒸汽含量最大，并且沿著軸線方向逐漸降低。
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圖片說明： (c) 50%Ar+50%Fe (d) 10%Ar+90%Fe圖 3.5 不同氬-鐵蒸汽混合氣氛的電弧電流密度分布Fig 3.5 The current density distribution of different argon-iron vapour mixtures圖 3.6 表示不同氬-鐵蒸汽混合氣氛下等離子體的電弧電勢(shì)分布圖。比較圖 3.6 中a)、(b)、(c)、(d)可以發(fā)現(xiàn)，純氬氣氛下的電弧電壓為 102.172V，而當(dāng)鐵蒸汽的含量0%時(shí)，混合氣氛的電弧電壓為 11.8019V，僅為純氬氣氛下電弧電壓的十分之一左右后隨著鐵蒸汽含量的繼續(xù)增加，混合氣氛的電弧電壓緩慢降低，但都與鐵蒸汽的含 10%時(shí)的電弧電壓相差不多。電弧弧柱區(qū)的溫度在 5000K-30000K 范圍內(nèi)，電弧陽和陰極區(qū)相對(duì)電弧中心都屬于低溫區(qū)，溫度在 2000K-3000K 范圍內(nèi)，從圖 3.4(e)可出，純氬在溫度小于 5000K 時(shí)的電導(dǎo)率幾乎為零，說明純氬在低溫的陰極區(qū)和陽極乎不電離，所以電弧電壓很大；而 10%鐵蒸汽在溫度為 3000K 時(shí)的電導(dǎo)率為 1.2499S當(dāng) 10%的鐵蒸汽與純氬氣氛混合時(shí)，，盡管氬在低溫的陰極區(qū)和陽極區(qū)不電離，但鐵在低溫的陰極區(qū)和陽極區(qū)卻能很好的電離，所以混合氣氛的電弧電壓僅為 11.8019V
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圖片說明： 31(c) 50%Ar+50%Fe (d) 10%Ar+90%Fe圖 3.6 不同氬-鐵蒸汽混合氣氛的電弧電勢(shì)分布Fig 3.6 The electrical potential distribution of different argon-iron vapour mixtures.6.2 磁場(chǎng)模擬結(jié)果圖 3.7 表示不同氬-鐵蒸汽混合氣氛下等離子體的電弧磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。焊接時(shí)電弧區(qū)會(huì)形成等離子體，等離子體中的帶電粒子的定向運(yùn)動(dòng)形成電流，有電流通過生電場(chǎng)，而根據(jù)電磁理論，在產(chǎn)生電場(chǎng)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，并且產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)中的帶電粒子有一個(gè)電磁力的作用。電弧等離子體中的電流方向是從陽極到陰極，右手螺旋定則可以判定磁感應(yīng)線的方向，圖 3.7 中磁感應(yīng)線的方向與通過右手螺旋判定的磁感應(yīng)線的方向相一致。
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG444

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2513107