利用气体组成设计控制热等离子体的热源特性

利用气体组成设计控制热等离子体的热源特性热等离子体的热源特性强烈依赖于用于产生等离子体的气体的热力学传输特性。例如，伴随离解的多原子分子如氢和氮具有高比热，因此当用作气体时，由焦耳热产生的热量更容易保持在等离子体中，并且容易产生高能量密度的等离子体而成。在本节中，我们将介绍最近通过气体组成设计模拟研究热等离子体热源特性控制的工作，尤其是对于电弧焊。钨惰性气体（TIG）焊接也称为气体钨极弧焊（GTAW）,并在工业中广泛使用。在 TIG 焊接中，通过电弧放电在钨阴极和成为基材的阳极之间产生热等离子体，并且将基材熔融焊接［1］。此时，为了保护形成在基材上的熔池免受空气侵害，密封气体从阴极周围的气体喷嘴引入。由于该保护气体的物理性质，电弧的热源特性发生很大变化，因此根据电弧的成本和所需的热源特性来选择最佳的气体类型。最常见的保护气体是惰性的并且相对便宜的氩气。但是，该氩弧对基材的热输入比较低，例如在铝等导热率高的基材的情况下，在形成于基材的熔池中不能得到充分的深度。因此，当需要向基材输入高热量时，可以使用氩气和氦气或氢气的混合气体等来代替氩气［2］。例如，单独使用氢等气体时，会在熔池中大量吸收，产生气孔，低温裂纹等焊接缺陷。因此，在使用焊接保护气体的情况下，在氩中添加比较少量的其他气体的情况很多。目前，基于主要通过实验获得的发现来确定能够获得电弧的所需热源特性和基材的渗透形状的保护气体组合物，为了获得理想的热源特性，必须通过数值模拟来了解这些现象，并优化保护气体成分。在本章中，我们描述了近期通过气体组成设计模拟研究热等离子体热源特性控制的工作，尤其是对于电弧焊。3.2 节概述了本研究中使用的仿真模型。随后，在 3.3 中，当单独使用各种气体作为保护气体时，研究气体类型差异对电弧特性的影响。3.4 讨论混合气体组成对混合气体作为保护气体时的电弧特性的影响，最后总结为 3.5。仿真模型在本研究中，我们着重于电弧电流 150A,电弧长度 5mm,钨阴极直径 3.2mm,作为焊接条件的阴极尖角 60。，水冷铜作为基材邙日极），保护气体流量 10 升/分钟，压力设定为大气压。这里，将简要描述仿真模型的要点，有关该模型的详细信息，请参阅［3,4］。计算区域是由阴极，电弧和阳极区域组成的二维轴向对象（r,z）。主要控制方程由质量，动量，能量，电流守恒方程［3］，由Patankar［5］用 SIMPLE 方法求解。通过以下内部边界条件考虑每个区域之间的...