TIG焊外加間歇交變縱向磁場的數(shù)值計算

1、TIG焊外加間歇交變縱向磁場的數(shù)值計算        摘要針對奧氏體不銹鋼TIG焊接，采用無瑕點(diǎn)單積分磁場的數(shù)學(xué)模型，對外加間歇交變縱向磁場進(jìn)行了數(shù)值計算，并在此基礎(chǔ)上討論了該間歇交變縱向磁場的分布、均勻性及其縱向分量與橫向分量的比率等規(guī)律。關(guān)鍵詞： TIG焊縱向磁場數(shù)值計算不銹鋼 ABSTRACTnon_singular single integral mathematical model is adopted to calculate the external intermittent and alternat

2、ive longitudinal magnetic field in austenitic stainless steel TIG welding. The distribution, equalisation and ratio of traverse and axial branch of the external magnetic field are discussed on the basis of the numerical calculation.Keywords: TIG weldingLongitudinal magneticNumerical calculationStain

3、less steel近年來，電磁作用電弧焊技術(shù)得到了極大的發(fā)展，應(yīng)用日益廣泛。在TIG焊接時，外加間歇交變縱向磁場可以改變?nèi)鄢亟饘俚慕Y(jié)晶狀況，細(xì)化焊縫的一次結(jié)晶組織，減小化學(xué)不均勻性，提高焊縫金屬的塑性和韌性，降低結(jié)晶裂紋和氣孔的敏感性，全面改善焊接接頭的質(zhì)量，在航空、航天、冶金、機(jī)械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景13。TIG焊的外加間歇交變縱向磁場一般是采用與電極同軸的單個空心圓柱線圈在雙向脈沖矩形勵磁電流作用下產(chǎn)生的。間歇交變縱向磁場可以促使電弧周期性、間隙地正反向旋轉(zhuǎn)，改變電弧等離子流力和電流密度的徑向分布，驅(qū)動熔池中液態(tài)金屬流動，影響母材熔化和焊縫成型2，3。對外磁場的認(rèn)識是徹底掌握外加間歇

4、交變縱向磁場TIG焊技術(shù)的關(guān)鍵之一。但是，到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者對電磁作用TIG焊外加磁場(包括外加間歇交國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目。變縱向磁場)的研究還不夠深入，一般使用一個較宏觀的磁感應(yīng)強(qiáng)度將其描述為一個均勻磁場，忽略其分布的不均勻性，這顯然與實(shí)際情況不相符合。究其原因，主要是因?yàn)槎鄶?shù)研究者對此認(rèn)識不足，工作主要集中在焊接工藝試驗(yàn)，僅對電磁作用TIG焊接接頭進(jìn)行冶金、力學(xué)性能、顯微組織、結(jié)構(gòu)等方面的研究；另一方面，對外加間歇交變縱向磁場TIG焊而言，外加磁場的情況更加復(fù)雜，實(shí)際測量其分布比較困難。因此，利用計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)開展外加間歇交變縱向磁場TIG焊外加磁場的研究，對促進(jìn)磁控弧焊技術(shù)的

5、發(fā)展具有重要意義。1外加間歇交變縱向磁場TIG焊接工藝 外加間歇交變縱向磁場TIG焊試驗(yàn)用材料為1Cr18Ni9Ti板材(厚度4?mm)，電弧長度0.53?mm，直流正極性(DCSP)接法，鎢極直徑3.2?mm。在普通TIG焊的基礎(chǔ)上，采用單個軸對稱空心圓柱線圈建立以一定頻率間歇交變的縱向磁場，勵磁頻率0.51.5?Hz。磁場產(chǎn)生裝置如圖1所示。與其他弧焊控制方法相比，該技術(shù)具有附加裝置簡單、投入成本低、效益高的優(yōu)點(diǎn)。勵磁線圈安裝在TIG焊槍的噴嘴上，與鎢極同軸，線圈的勵磁電流為雙向脈沖電流波形，由自制的專用電源供給，其斷通比和幅值均可調(diào)節(jié)。產(chǎn)生磁場的對稱軸與電弧軸線重合，因而形成間歇交變縱向

6、磁場(或稱同軸磁場)。軸對稱空心圓柱線圈具有易于制作、與其他線圈相比每單位體積繞線產(chǎn)生的磁場最大等優(yōu)點(diǎn)。 圖1焊接裝置示意圖Fig.1Welding device2TIG焊外加間歇交變縱向磁場的計算 結(jié)合1Cr18Ni9Ti不銹鋼TIG焊接的實(shí)際情況，本研究使用單積分法對外加間歇交變縱向磁場進(jìn)行數(shù)值計算。這是因?yàn)閱畏e分法特別適合開域問題與連續(xù)計算場情況，僅需對場源及非線性區(qū)進(jìn)行離散，在數(shù)值化處理過程中剖分?jǐn)?shù)據(jù)準(zhǔn)備簡單，代數(shù)方程求解工作量小、占用計算機(jī)內(nèi)存少，對線性問題具有較高的計算精確度4，5。2.1磁場的類型分析與計算方法外加間歇交變縱向磁場TIG焊接不銹鋼1Cr18Ni9Ti時，由于不銹鋼

7、1Cr18Ni9Ti是順磁材料，在磁場計算中可以不考慮其磁化性能。安裝勵磁線圈的TIG焊槍噴嘴部分采用非金屬的陶瓷材料制造，對于直徑較小、溫度較高的鎢極完全可視為非鐵磁介質(zhì)，不影響勵磁線圈產(chǎn)生的間歇交變縱向磁場，由于勵磁頻率較低，因此不失其真實(shí)性。1Cr18Ni9Ti不銹鋼TIG焊外加間歇交變縱向磁場的數(shù)值計算可簡化為開域、連續(xù)、線性、軸對稱和時變場問題，本課題采用無瑕點(diǎn)單積分法的數(shù)學(xué)模型5進(jìn)行求解。無瑕點(diǎn)單積分法是電磁場積分方法中的一種數(shù)值計算方法，它從宏觀的角度來描述場，僅需對場源進(jìn)行離散，因?yàn)閳鲋忻奎c(diǎn)的值僅取決于所有場源對它的影響，場點(diǎn)和場源點(diǎn)的聯(lián)系是通過畢奧一沙伐定理來實(shí)現(xiàn)的，它將所有

8、瑕積分化為常積分計算式。2.2磁場的數(shù)學(xué)模型TIG焊的勵磁線圈如圖2所示。選取軸對稱圓柱坐標(biāo)系(，z)，原點(diǎn)o位于線圈的幾何中心，z軸為線圈的對稱軸，其正方向指向電??；電流密度沿截面均勻分布，規(guī)定其正方向與z軸正向構(gòu)成右手螺旋關(guān)系。則空間任意點(diǎn)(不包括對稱軸0)磁感應(yīng)強(qiáng)度的無瑕點(diǎn)單積分法的計算公式為式中：電磁力F具有的性質(zhì)，在Z0時的表達(dá)式為圖2TIG焊線圈坐標(biāo)系選取示意圖Fig.2Coil coordinate system in TIG welding對F中的瑕點(diǎn)轉(zhuǎn)移后，有如下表達(dá)式：其中，函數(shù)對稱軸上(=0)的磁感應(yīng)強(qiáng)度由下式確定：以上各式中：2a1,2a2分別為線圈的內(nèi)徑和外徑；2b為

9、線圈長度；B，Bz和F，F(xiàn)z分別為B，F(xiàn)的徑向和軸向分量；,z分別為徑向和軸向坐標(biāo)；為磁導(dǎo)率；J為線圈電流密度；R為空間某點(diǎn)到勵磁場源的距離；ez,e分別為和z方向的單位分矢量；為軸對稱柱面坐標(biāo)系下空間任意點(diǎn)與場源(線圈內(nèi))所在軸向界面的旋轉(zhuǎn)夾角。2.3計算程序?yàn)榱吮ＷC磁場計算值具有較高的精度，本課題選用了穩(wěn)定性好、方法簡練、自動積分和控制誤差容易的龍貝格求積法，采用FORTRAN語言編制了模塊化結(jié)構(gòu)的TIG焊外加間歇交變縱向磁場計算程序，程序框圖如圖3所示。圖3TIG焊外加磁場計算程序框圖Fig.3Numerical procedure flow chart of external magn

10、etic field in TIG welding3結(jié)果分析與試驗(yàn)驗(yàn)證 根據(jù)焊接的實(shí)際情況，以電弧區(qū)域(35?mmz38?mm，0r10?mm，其中r為電弧半徑)的磁場分布為主要對象進(jìn)行討論。圖4為外加間歇交變縱向磁場TIG焊電弧區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布圖。由圖4可見，對稱軸z上各點(diǎn)的B矢量方向與z軸平行，均無橫磁分量，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與離開鎢極(陰極)的距離成反比；在非對稱軸上各場點(diǎn)的B均有橫磁分量，離對稱軸(電弧中心軸)越遠(yuǎn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量與對稱軸的夾角越大，橫磁分量所占的比例越高，磁場的均勻程度越低。該圖表明正脈沖與負(fù)脈沖勵磁電流作用下磁場的區(qū)別僅改變場點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量方向。當(dāng)勵磁電流處

11、于脈沖休止期時，空間磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。圖5為z=35?mm的橫截面上，縱磁分量與總磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量的夾角沿徑向的變化曲線；圖6為在z=35?mm的橫截面上，場點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的橫磁分量與縱磁分量比率沿徑向的變化曲線。由此可見，由單個軸對稱空心圓柱線圈產(chǎn)生的TIG焊外加磁場不可能為單一、均勻的縱向磁場，其橫磁分量所占的比例較大。因此，在分析外磁場對TIG焊的影響時，不能忽視橫磁分量的作用而簡單地將其作為縱向勻強(qiáng)磁場進(jìn)行研究。圖4電弧區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布圖Fig.4Vector distribution diagram of magnetic induction strength in arc area圖5縱磁分量與總磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量夾角沿徑向的變化規(guī)律Fig.5Variation of the angle between longitudinal magnetic and magnetic induction strength along the radial direction圖6橫磁與縱磁比率沿徑向的變化規(guī)律Fig.6Variation of the