１２・试验与研究・ 焊接技术 第３９卷第７期２０１０年７月 文章编号：１００２—０２５Ｘ（２０１０）０７—００１２－０４ 非转移弧等离子体炬传热与流动的数值模拟 韩海玲 ，一，李德元 ，董晓强 （１．沈阳工业大学材料科学与上程学院．辽宁沈阳１１０８７０；２．辽宁省交通高等专科学校机电系，辽宁沈阳１１０１２２） 摘要：以非转移弧等离子体炬为研究对象，对等离子体电弧和阳极的传热与流动进行了数值模拟。并求解了质量方程、动量方程、能 量方程、电势方程和磁场方程，获得了等离子体弧的温度、速度和电流密度分布。计算结果表明，阳极内壁面温度变化不大；等离子 体炬出口处径向温度和速度分布类似抛物线形分布；提高进气速度或减小电弧电流．均使得电弧阳极斑点向下游移动。 关键词：等离子体炬；非转移弧；阳极；数值模拟 中图分类号：ＴＧ４５６．２：０２４２．１ 文献标志码：Ｂ 研究还比较少。 ０概述 本文以非转移弧等离子体炬为研究对象。在模型建 等离子体炬已被广泛应用于等离子弧焊接、喷 立和计算过程中，同时考虑到等离子体电弧和阳极区 涂、堆焊、切割、表面强化、熔炼等材料加工方法 域，研究了在这种状态下等离子体炬出口处的温度和流 中。对等离子体炬内的物理过程的研究有助于更好地 动状态，使计算条件更加接近实际情况，为更加深入地 控制和利用等离子体炬。由于等离子体炬内部存在着 分析非转移弧等离子体炬提供了一些新的参考数据。 电磁场、电极过程、导电流体以及传热传质之间的复 杂相互作用．对其内部等离子体物理过程的研究非常 １物理模型 困难。同时．由于等离子体炬内部空间狭小、温度很 １．１ 基本假定 高，采用试验手段测量其内部的温度、速度分布以及 考虑到磁流体的运动特点，本文采用如下假设： 电弧斑点位置等非常困难。随着电子计算机的发展， ①电弧等离子体是轴对称的，计算时采用二维柱坐 采用数值模拟方法对等离子体炬的物理过程进行数值 标；②电弧等离子体处于局域热力学平衡状态 模拟成了一种经济、有效的手段。首先是澳大利亚的 （ＬＴＥ），等离子体流动是稳定的层流流动；③电弧等 Ｓｃｏｔｔ对非转移弧的等离子体炬进行了系统的研究口］， 离子体是光学薄的；在１ｘｌＯ Ｐａ氩气环境下，忽略 考虑了等离子气体电弧和射流区域的Ｋ一８湍流模型。 等离子体流动的可压缩性，等离子体的热力学性质和 美国的Ｓｚｅｋｅｌｙ对阴极为平头的层流等离子体电弧及 输运性质仅与温度相关；④忽略电弧自感应电场和重 射流区域进行了研究 ］。随着研究的深人，自由燃烧 力场的影响。 电弧模型开始考虑了电极，Ｚｈｕ Ｐｅｉｙｕａｎ研究了自由 １．２控制方程 燃烧电弧、阴极鞘层和阴极区域 。Ｌｏｗｋｅ研究了自 基于以上假定，采用柱坐标（ｒ，ｚ，０），得到如 由燃烧电弧、阴极和阳极区域的模型川。文献ｆ３—４１ 下的通用形式： 考虑了电极和电弧有能量传导的模型。法国的Ｌａｇｏ 模拟了自由燃烧电弧和阳极区域，考虑电极上有能量 丢 ： ）＋ （ ， ）＝ ０一（Ｆ 警）＋ 方程和电压方程 Ｊ。该文献对电弧的物理过程的研究 旦ｆｒＯ（＼ ｒＦ 警１ｆ，， ／ Ｓ（１） 有了很大的改进。加拿大的Ｂｉｎｉｉ 考虑了等离子体转 移弧的电弧、阴极和阳极的模型，考虑了电极的热传 式中， ， ，５ 表的物理含义如表１中的方程（２）～ 导和电传导。目前关于非转移弧的电弧和电极模型的 （６），其中，７一ｏ＇Ｖｑ￣， ＝一ｖ ，百 ｖ× 。 另外，电弧区域需要求解质量、动量、能量、电 收稿日期：２０１０—０２—０８ 势和磁场平衡方程；电极区域需要考虑能量方程和电 Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．７ Ｊｕ１．２０１０ ・试验与研究・ １３ 压方程，其中能量方程的对流项被忽略，源项只考虑 和由阳极压降、金属溢出功以及汤姆逊效应产生的热 焦耳热。 表１守恒方程 岛 质量（２） ｌ Ｏ ０ 动量（３） ｊ・Ｂ 能量（４） ｈ —Ｃｋ — 三譬（２ ｅ＼ ．ｃ ＾）“／。＋）． ～ 电势（５） ０ 磁场（６） Ａ １ －， ÷ １．３计算域 图１为本文所模拟的电弧等离子体炬示意图。计 算域为Ａ 日 ４，其中Ａ Ｇ和ＦＧ为阴极壁面，ＥＦ 为工质气体进口，ＢＣ为等离子体炬出口，ＣＤＥ和 日Ｕ分别为阳极内外壁面，阴极锥角为６０。，阳极锥 角为９０。。 图１计算区域示意图 １．４边界条件 氩气垂直于速度入口Ｅ，人射；出口ＣＤ是压力 出口．压力为１ｘｌＯ Ｐａ；阴阳极和喷嘴均采用无滑 移边界，阴极温度为３ ５００ Ｋ，阴极电流密度采用 Ｈｓｕ的计算方法 ，阳极外壁面为等电势面，电势 为０．其他位置的电流密度为０。阳极外壁面温度为 １ ０００ Ｋ，阳极内壁面是耦合得到的。其他设置见参 考文献［８］。在阳极边界层，等离子体偏离ＬＴＥ状 态，本文中，电导率采用Ｓｃｏｔｔ公式来计算 。 电极表面的传热机理已在文献［４，６］中进行了 详细分析，本文中不再赘述。由文献［６］可知，阳极 与等离子体交界面的热量．本文忽略热辐射的影响， 仅考虑两项主要的热传递，即由热传导产生的热量ｑ。 量ｑ ，公式如下： ｑ ＝ｊｚ・ ・ ：・｛・／ｆＢ・（ 一 ）。 （７） ／ ｐ ．采用铜作为阳极材料，取功函数 为４．６５ Ｖ， 忽略在阳极上的压降，即取￣Ｐｏ＝０，采用Ｂｉｎｉ的计算 方法 刚。 ２计算结果 当电弧电流为２００ Ａ．人口气流速度为２ ｎｄｓ时． 图２和图３分别给出了等离子体炬内等离子体温度和 速度的分布，在阴极前端下移５．４ ｍｍ的位置等离子 体最高温度约为２２ ３００ Ｋ．在阴极前端附近最大气流 速度约为６７９ ｍＪｓ。 轴向位置／ｍ 图２等离子体温度分布，Ｋ 轴问位置，ｍ 图３等离子体速度分布／（ｍ・ ） 图４所示为等离子体电流密度分布，在阳极内壁 面电流密度最大的位置，也是温度最高的位置，但是 阳极斑点的位置不是距阴极前端最近的位置，而是向 下游动了一段距离。这是由于气体在入口处，温度较 低．电导率也较小。所以阳极斑点的位置至阴极前端 有一段距离。 ｌ４・试验与研究・ 圈４等离子体电流密度分布／（Ａ・Ｉｎ 阳极内壁面温度分布如图５所示。由图５可以看 出，阳极内壁面温度变化不大，所以在等离子体炬的 模拟研究中，大多不将阳极包括在计算域内，而直接 计算等离子体电弧部分．此时阳极设置为恒温。 Ｏ 轴向位置，埘 图５阳极内壁面上的温度分布，Ｋ 图６是等离子体炬出口处径向等离子体温度和速 度分布，出ＶＩ处径向等离子体温度和速度在轴心处最 大，越靠近阳极内壁面．等离子体的温度和速度逐渐 减小．此分布类似抛物线形，所以在等离子体射流的 模拟研究中，大多采用抛物线形分布作为等离子体入 口边界条件。 １．４ｘｌ ０４ １．２￣Ｉｏ４ １．４ｘ１０４ ８．０ｘ１０３ 赠６．０ｘＩ（Ｐ ４．０ｘ１ ２．０￣１０３ Ｏ．０ ０．００００ ０．０００ ５ ０．００１ ０ ０００１ ５ ０．００２０ 径向位置，ｍ 围６等离子体炬出口处的气体温度和速度分布 图７是电流为２００ Ａ时，随着进气速度变化所产 生的阳极内壁面上电流密度的分布．数值上比阴极电 流密度低１～２个数量级．电流密度最大的位置即为 焊接技术 第３９卷第７期２０１０年７月 阳极斑点所在的位置。随着进气速度的提高，由于进 气对阳极内壁面处气体冷却作用加强而使温度下降， 导致电导率降低，使得电弧拉长，阳极内壁面的阳极 斑点随之向等离子体炬出口移动。 旨 越 柱 鹾 围７阳极内壁面上的电流密度分布 图８显示了进气速度分别为２，４，６ ｍ／ｓ时，阳极 斑点位置和电弧电压的分布。随着气流速度的增大， 阳极斑点的位置也成比例地向等离子炬出口移动，电 ２ ｌ Ｏ ９ ８ ７ ６ ５ 弧拉长。电弧电压也随着进气速度的增大近似成比例 升高。这是由于电弧拉长使阴极和阳极之间电压升高。 图９显示了电流分别为１００，２００，３００Ａ时，阳极斑 点位置和电弧电压的分布。在１００ ３００ Ａ范围内，增 大电流使阳极斑点离阴极前端的距离明显缩短．即弧 长缩短，电弧电压变化不大，基本上是平特性的。 ３４ ３２ ３０ ：吝 ２４脚 善 ｌ８ ｌ６ １４ 进气速度／（ｍ・ｓ ） 电流，Ａ 图９电流对阳极斑点位置和电弧电压的影响 ３４ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．７ Ｊｕ１．２０１０ 文章编号：１００２－０２５Ｘ（２０１０）０７—００１５—０３ ・试验与研究・ １５ Ｑ４６０ｑ钢模拟焊接热影响区组织及韧性研究 郭魁文 ，朱 健 ，王秉新。（１．抚顺市特种设备监督检验研究所，辽宁抚顺１１３００６； ２．辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺１１３００１） 摘要：采用热模拟试验机对Ｑ４６０ｑ高强度桥梁钢热影响区的组织及韧性进行了分析、研究。结果表明，峰值温度 为９００℃时，模拟 焊接热影响区组织为细小的铁素体＋少量细小的珠光体，韧性最好。 为ｌ １００～１ ３５０℃时，组织为粗大的粒状及板条状贝氏体，韧性 最差。 为ｌ ３５０℃时的粗晶区，随着冷却时间ｔ 的延长，组织变得粗大，先共析铁素体数量增加，Ｍ—Ａ组元尺寸变大，且数量先增 加后减少，韧性降低。 关键词：桥梁钢：焊接热模拟；热影响区；峰值温度 中图分类号：ＴＧ４０７ 文献标志码：Ｂ 艺具有重要的意义。 Ｏ概述 通常焊接ＨＡＺ的范围很窄，若想对实际接头热 Ｑ４６０ｑ高强度桥梁钢在焊接过程中，由于受到焊 接热循环的影响．焊接ＨＡＺ常常成为整个焊接接头 影响区的性能进行较精确的研究是困难的。为此，通 常采用焊接热模拟试验技术，使一定尺寸的试样经历 与焊接过程相同的热循环，使模拟试样的金相组织与 薄弱环节。所以，研究高强度桥梁钢焊接ＨＡＺ组织 和性能的变化．对于提供合理的高强度桥梁钢焊接工 所研究的焊接热影响区的特定区域的组织相同，使焊 接ＨＡＺ各狭小的特定温度区域得以放大，为各特定 收稿日期：２０１０＿０１—２０ 温度区的组织及性能研究提供了可能性＿１ 。 ［３］Ｚｈｕ Ｐ，Ｌｏｗｋｅ Ｊ Ｊ ｎｄ Ｍｏ￣ｏｗ ａＲ．Ａ ｕｎｉｉｆｅｄ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆｆｒｅｅ ｂｕｒｎｉｎｇ ａｒｅｓ， ３结论 ｃａｔｈｏｄｅ ｓｈｅａｔｈｓ ａｎｄ ｃａｔｈｏｄｅｓ［Ｊ］．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．，１９９２，２５ （８）：１ ２２１—１ ２３０． 通过对非转移弧等离子体炬进行数值模拟计算， 得出如下结论： ［４］Ｌｏｗｋｅ Ｊ Ｊ，ＭｏｒｒｏｗＲａｎｄＨａｉｄａｒ Ｊ．Ａ ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ ｕｎｉｉｆｅｄｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ａｒｃｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ［Ｊ］．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．，１９９７，３０（１４） ２０３３－２Ｏ４２． （１）在阳极内壁面的温度变化不大，几乎达到了等 温分布。 ［５］Ｌａｇｏ Ｆ，Ｇｏｎｚｌｅｚａ Ｊ Ｊ，Ｆｒｅｔｏｎ Ｐ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｏｆａｎ ｅｌｅｃｔｉｃ ａｒｒｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｎｏｄｅ：Ｐａｒｔ Ｉ． ｅ ｔｗｏ． （２）非转移弧等离子体炬出口处径向温度和速度 分布类似抛物线形。 （３）提高进气速度，阳极斑点的电流密度降低， 阳极斑点向下游移动。 （４）减小电流，阳极斑点向下游移动，产生了平 特性。 ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．，２００４，３７（６）：８８３— ８９７． ［６］Ｂｉｎｉ Ｒ，Ｍｏｎｎｏ Ｍ ａｎｄ Ｂｏｕｌｏｓ Ｍ Ｉ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ａｒｃｓ ｉｎ ａｒｇｏｎ［Ｊ］．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．，２００６，３９ （１５）：３ ２５３—３ ２６６． ［７］Ｈｓｕ Ｋ．Ｃ，Ｅｔｅｍａｄｉ Ｋ ｎｄ Ｐｆａｅｎｄｅｒ Ｅ．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｅ—ｂｕｒｎｉｎｇ ｈｉｇｈ・ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｒｇｏｎ ａｒｃ［Ｊ］．Ｊ．Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．，１９８３，５４（３）：１ ２９３—１ ３０１． 参考文献： （１］ＳｃｏｔｔＤＡ，ＫｏｖｉｔｙａＰａｎｄＨａｄｄａｄＧＮ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｉｎｔｈｅｐｌｕｍｅ ｏｆａ ｄｅ ｐｌａｓｍａｔｏｒｃｈ［Ｊ］．Ｊ．Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．，１９８９，６６（１１）：５ ２３２—５ ２３９． ［２］Ｗｅｓｔｈｏｆｆ Ｒ，Ｓｚｅｋｅｌｙ Ｊ．Ａ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｆｌｕｉｄ，ｈｅａｔ ｆｌｏｗ，ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｉｎ ａ ｎｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ａｒｃ ｐｌａｓｍａ ｔｏｒｃｈ［Ｊ］．Ｊ． Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．，１９９１，７０（７）：３ ４５５—３ ４６６． ［８］Ｆｒｅｔｏｎ Ｐ，Ｇｏｎｚａｌｅｚ Ｊ Ｊ ａｎｄ Ｇｌｅｉｚｅｓ Ａ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ａ ｔｗｏ－ａ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ａｌｅ ｐｌｓｍａ ｃｏｎｆａｉｇｕｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐ１． Ｐｈｙｓ．，２０００，３３（１９）：２４４２—２４５２． 作者简介：韩海玲（１９７６一），女，讲师，２００４年毕业于沈阳工业大 学，现为博士研究生，主要从事等离子体方面的研究．
