焊接电弧阳极边界层传输机理地研究.pdfVIP

第十次全国焊接会议论文集 焊接电弧阳极边界层传输机理的研究+ 山东大学连接技术研究所武传松高进强 摘要将焊接电弧阳极区划分为3个子区域一阳极边界层、近鞘层和鞘层，建立了阳极边界层传输 机理的数值分折模型。该模型可以给出阳极边界层内的各项等离子体性能参数，并给出阳极表面上的热流 值。电子探针实验结果和数值分析结果吻合： 关键词焊接电弧阳极边界层传输机理 1 前言 直流正极性焊接时，电弧等离子体与工件表面之间存在一个很薄的过渡区，称之为阳 极边界层…。在该边界层内，温度梯度极大，存在着各种传输现象，如能量、动量和质量的 传递。阳极边界层中发生的复杂物理过程，直接决定了焊接电弧作用于工件表面的电流密 度和热流密度的大小和分布，因而对焊接热输入和熔池的形状尺寸有很大的影响。深入研 究电弧阳极边界层传输机理具有重要的理论意义和工程实用价值。 阳极边界层将焊接电弧与焊接熔池连结于一体，是决定焊接热效率的关键因素。但迄 今为止，人们对边界层中所发生的物理现象还缺乏足够的了解“。J。一部分研究者将主要精 力集中在熔池内部流场与熟场的数值分析方面，电弧对熔池的作用仅仅是作为一个边界条 件(假设熔池表面上有高斯分布的热流和电流)引入的”“。另一部分研究者主要研究电弧 弧柱区流场、热场、电磁场的计算和测试问题【6”，但不涉及电弧与熔池之间的阳极边界层。 本文研究电弧阳极边界层内的物理传输现象，为更有效地利用电弧、更准确地分析和控制 焊接过程奠定基础。 2 数值模型 如图1所示，根据等离子体是否为连续介质和电中性是否维持两个条件．可以将电弧 阳极区划分为3个子区域：阳极边界层、近鞘层和鞘层。边界层的厚度处于10’1ⅡInl的数量 级。在边界层内，电弧等离子体仍然是连续介质，但粒子密度和温度梯度极大。近鞘层的 mm的数量级)，鞘层的厚度处在德拜长度(104衄)的 厚度是一个电子平均自由程(10。3 数量级。在近鞘层和鞘层内．电离气体不再是连续介质，不能利用守恒定律。这就是说- 即Fr∞-血ll 在非常靠近阳极的地方(距离阳极表面一个平均电子自由程^处， edge，简称 FFE处)，不能再将电离气体继续作为连续介质，守恒定律在此处不再成立。本文首先研究 阳极边界层内的传输现象。 阳极表面接受的热流可以表示为 铲¨”旷卜飘+一锐¨陋导珞氓]㈣ ’国家自然科学基金资助项 2—570 第十淡全国焊接会议论文集 式中，幽是传给阳极的总热流，如是电子传导的热流．‰是重粒子传导的热流， 吼是 电子流动传输的热流，L电子温度，L是重粒子(原予和离子)的温度，屯是电子的导热 系数，七h是重粒子的导热系数，^是电流密度，b是玻尔兹曼常数，P是电子电量， ‰是 阳极材料的逸出功。符号下标6表示FFE的位置。这里．把粒子导热和对流的贡献统一考 虑；等离子体辐射到阳极的热量很少，可以忽略不计嗍。 式(1)说明、必须首先确定出FFE处电子温度、电子和重粒子的温度梯度，才能计算 出阳极表面上的热流密度。为此，建立阳极边界层的数值分析模型，推导出电子和离子的 质量守恒方程、电子和离子的能量守恒方程。等离子体的主要性能参数除了L，『h之外．还 有电子密度n。，电场强度E。已知这4个参数，其它变量值都可以确定出来。相应地，有4 个控制方程。 为了建立电弧阳极边界层的数学模型，必须给上述控制方程组赋予合适的边界条件。 由于边界层的厚度厶也是～个未知量，无法在弧柱区和边界层的界面处定义边界条件。通 过电弧弧柱区的数值分析模型，能够确定出弧柱区任一点的等离子体性能参数唧。本研究将 边界条件定义在弧柱区内某处，从此处开始求解控制方程组，然后进入阳极边界层。因为 无法事先知道边界层的厚度L，需要在开=E处定义一个附加边界条件。阳极表面附近的离 子温度还是一个有待进一步研究的问题【l“11J，没有具体的数值可以参考。因此，定义一个 调节参数口