2.4.1 焊接電弧

電弧是氣體放電的一種形式。焊接電弧是指焊接電極與工件之間發(fā)生的強烈而持久的氣體放電現(xiàn)象。電弧焊接即利用焊接電弧放電時產(chǎn)生的熱量來加熱、熔化焊絲(焊條)和母材，使之形成焊接接頭。2.1節(jié)對電弧的熱輸入進行數(shù)學建模，得到了電弧的熱源模型，然而建模過程中并未基于電弧的產(chǎn)熱機理，僅是通過實驗現(xiàn)象完成數(shù)學建模，其從本質(zhì)上屬于一種唯象的建模方式。本節(jié)將從計算機數(shù)值模擬的角度探討電弧的模擬計算方法。

焊接電弧能夠連續(xù)不斷地“燃燒”，是在焊接電場的作用下，中性氣體原子不斷地被激發(fā)、電離及陰極電子發(fā)射的結(jié)果。因此，從本質(zhì)上說焊接電弧是一種具有較高溫度，同時包含正離子、電子和中性粒子，呈現(xiàn)準電中性的熱等離子體(圖 2-11)。在焊接力場的作用下，高溫等離子體向工件方向運動；周圍的氣體粒子及保護氣氛中的氣體粒子又不斷補充進入電弧空間，從而形成連續(xù)不斷的等離子流。

圖 2-11電弧等離子體示意圖

電弧等離子體內(nèi)部的物理作用機制極為復雜，然而在某些假設的前提下，電弧等離子體可在流體力學范疇進行模擬計算，這些假設一般包括：

1）電弧等離子體是處于局部熱動力平衡的連續(xù)介質(zhì)，即其流動和傳熱可用流體力學方程來描述。

2）電弧等離子體是光學薄的，重力、浮力和黏性熱耗散忽略不計。

3）電弧等離子體處于不可壓縮狀態(tài)。

4）不考慮電極鞘層的影響。一般認為在電弧焊接過程中電極表面存在著

10~100mm的鞘層區(qū)域，在此鞘層內(nèi)溫度變化劇烈，往往存在著數(shù)千到上萬攝氏度的溫差。此外，這一區(qū)域還存在著復雜的粒子電離與帶電粒子復合現(xiàn)象，因而無法滿足局部熱動力平衡假設。

基于上述假設，可將電弧看作一種導電的磁流體，并可在計算流體力學范疇內(nèi)對其進行研究。計算流體力學(ComputationalFluidDynamics，CFD)是通過計算機進行的、分析計算流體流動和傳熱等物理現(xiàn)象的一門學科。

根據(jù)流體力學知識，自然界所有的流動現(xiàn)象都可以用三大守恒方程來描述：①質(zhì)量守恒方程，也稱連續(xù)性方程；②動量守恒方程；③能量守恒方程?？梢哉f，計算流體力學即是通過求解上述三大類守恒方程來進行流體力學研究的。質(zhì)量守恒是指質(zhì)量既不能產(chǎn)生，也不會消失，在任何與周圍隔絕的物質(zhì)系統(tǒng)(孤立系統(tǒng))中，無論發(fā)生何種變化或過程，其總質(zhì)量保持不變。質(zhì)量守恒在易變形的流體中體現(xiàn)為流動的連續(xù)性。因此質(zhì)量守恒方程又稱為連續(xù)性方程。

流體的動量守恒用動量定律描述如下:對于給定的流體系統(tǒng)，流體動量隨時間的變化率等于作用于其上的外力總和，即Navier-Stokes 方程。

流體的能量守恒指的是，對某一控制體中流體所做的功和加給該流體的熱量之和等于流體的能量增加值。

一般地，在流體力學求解過程中，上述三大守恒方程均可寫成標準輸運方程的形式:

式中，4--待求解的變量，依求解方程的不同，可能是電勢或某方向的速度等變量；

（內(nèi)容、圖片來源：《焊接過程數(shù)值模擬》一書，侵刪）

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